大冶市歐家港巖溶地面塌陷成因機(jī)理分析

劉 帥， 李圣軍， 王明起

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430034)

大冶市是鄂東南地區(qū)重要的礦冶基地之一，該區(qū)有著名的銅山口銅礦床。該礦床于20世紀(jì)80年代中期建成投產(chǎn)，至今已有三十余年的大規(guī)模開采歷史，并從露天開采為主逐漸轉(zhuǎn)為井下開采為主。隨著該礦床開采深度的增加，疏排水量也不斷增加，導(dǎo)致銅山口礦區(qū)及周邊地區(qū)產(chǎn)生了嚴(yán)重的礦山地質(zhì)環(huán)境問題，其中巖溶地面塌陷是最主要問題之一[1]。礦山開采活動(dòng)引發(fā)的巖溶地面塌陷十分常見，查明這些塌陷形成的條件、機(jī)理對礦區(qū)及其他巖溶發(fā)育區(qū)的塌陷地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測及防治具有重要的參考價(jià)值[2]。本次在野外地質(zhì)調(diào)查、鉆探、物探等工作基礎(chǔ)上，總結(jié)銅山口地區(qū)歐家港巖溶地面塌陷的發(fā)育特征及形成地質(zhì)條件，分析其成因機(jī)理并建立致塌模式，為后期巖溶地面塌陷監(jiān)測及治理提供依據(jù)。

1 地理及地質(zhì)背景

歐家港巖溶地面塌陷位于大冶市陳貴鎮(zhèn)銅山口村(圖1)。該區(qū)屬亞熱帶大陸氣候區(qū)，四季分明，雨量豐沛，年平均氣溫17℃，年降雨量899.8～2 180.0 mm，年平均降雨量1 387.5 mm，洪水季節(jié)為每年的4—8月。

研究區(qū)屬構(gòu)造侵蝕低山丘陵地貌，地勢總體東南高北西低，海拔最高點(diǎn)為張家山，高程約190 m；海拔最低點(diǎn)為歐家港河床，高程約25 m，也是本區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面。研究區(qū)中部分布一條呈NE-SW向展布、寬約600 m的寬緩?fù)莸?，為區(qū)內(nèi)地表水、地下水匯集地帶。歐家港為區(qū)內(nèi)主要地表水系，呈NNE向流經(jīng)銅山口礦區(qū)中部，河床下伏基巖以碳酸鹽巖為主，所富含的巖溶水與河水水力聯(lián)系較密切。

研究區(qū)出露地層較簡單，主要由三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r段(T1d4)、三疊系下—中統(tǒng)嘉陵江組白云巖段(T1-2j1)及灰?guī)r段(T1-2j2)、第四系(Q)組成。第四系分布廣泛，覆蓋全區(qū)85%以上的面積，主要由沖積(Qal)、沖洪積(Qal+pl)、殘坡積(Qel+dl)的亞砂土、亞黏土、粉質(zhì)黏土、砂礫石組成。區(qū)內(nèi)斷裂較發(fā)育，主要有NE向、NW向和近EW向三組，均屬逆斷層。F1、F6走向NE，傾向SE，傾角60°～77°，斷距32～150 m，沿?cái)鄬用媾加虚W長巖脈侵入。F5走向NW，傾向SW，斷距90 m。F2、F3、F4走向近EW向，傾向S，傾角50°～80°，斷距30～70 m，沿?cái)嗔衙嬗虚W長巖侵入，為主要導(dǎo)礦構(gòu)造。

2 巖溶地面塌陷發(fā)育特征

2.1 巖溶地面塌陷發(fā)育現(xiàn)狀

銅山口地區(qū)最初于20世紀(jì)80年代初期形成多處巖溶地面塌陷，這些塌陷主要分布于河床及河道兩側(cè)[3]。2009年10月以來，銅山口地區(qū)再次活躍，在河床及周圍村莊又形成多處塌陷，居民房屋出現(xiàn)不同程度的開裂。2014年至今，該位置又陸續(xù)發(fā)生28處塌陷，塌坑多呈橢圓形，長軸一般長約1～10 m，短軸一般長約1～8 m，坑深一般為3～5 m。2020年7月28日—30日，歐家港一帶發(fā)生塌陷，塌陷主要分布于歐家港河床，路面、漿砌石擋墻等遭到破壞下沉。塌陷變形區(qū)平面形態(tài)不規(guī)則，長約75 m，寬約25 m，面積為1 875 m2。整個(gè)變形區(qū)由多個(gè)大小不等塌陷坑組成，塌陷坑呈漏斗形、橢圓形、不規(guī)則形，直徑0.3～6 m，可見深度0.2～6 m。

圖1 銅山口地區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological map of Tongshankou area1.三疊系；2.二疊系；3.石炭系；4.志留系；5.花崗閃長巖；6.花崗閃長斑巖;7.石英閃長巖；8.正常背斜軸；9.倒轉(zhuǎn)背斜軸；10.倒轉(zhuǎn)向斜軸；11.實(shí)測與推測斷層；12.角礫巖;13.塌陷坑。

2.2 巖溶發(fā)育特征

本次研究布置了4條高密度電法剖面(2條SN走向，2條EW走向，長度合計(jì)2.4 km)，用于探索巖溶發(fā)育區(qū)和地面塌陷的空間分布特征。物探結(jié)果(圖2)顯示，巖溶發(fā)育區(qū)(低阻異常)廣泛發(fā)育，多賦存于地表—-40 m范圍內(nèi)，深部基巖大部分較完整；這些巖溶發(fā)育區(qū)集中分布于歐家港兩側(cè)，說明地下水循環(huán)交替強(qiáng)烈部位有利于巖溶發(fā)育[4]。值得注意的是，實(shí)測發(fā)現(xiàn)的地面塌陷均有顯著的低阻異常顯示，物探發(fā)現(xiàn)的低阻異常數(shù)量更多、范圍更廣，表明其他區(qū)域也存在地面塌陷風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 2#高密度電法剖面(部分)成果解譯圖Fig.2 Interpretation of 2# high-density electrical profile (part) results

本次研究布置了8個(gè)地質(zhì)鉆孔，用于探索可溶巖帶分布范圍、巖溶發(fā)育特征并驗(yàn)證高密度電法發(fā)現(xiàn)的低阻異常。鉆探結(jié)果顯示，其揭示的巖溶發(fā)育情況與物探異常基本吻合?？扇軒r上部直接覆蓋第四系土層，覆蓋層厚4.0～13.0 m，平均為9.55 m，主要由素填土、粉質(zhì)黏土、含礫粉質(zhì)黏土、卵礫石及少量細(xì)砂組成。巖溶發(fā)育形態(tài)以溶隙、溶孔及溶洞為主。溶隙寬1～3 cm，溶孔孔徑1～4 cm，主要沿裂隙、層面、方解石脈和構(gòu)造角礫巖帶發(fā)育，多呈蜂窩狀分布，有時(shí)呈單個(gè)體出現(xiàn)。本次實(shí)施的8個(gè)鉆孔中有7個(gè)揭露出溶洞，共發(fā)現(xiàn)溶洞23個(gè)，以洞高0.6～6.6 m的小型多層溶洞為主，溶洞總高度為58.1 m，線溶洞率為5.30%～39.95%，大多數(shù)溶洞未充填(圖3)。就單個(gè)鉆孔來看，溶洞發(fā)育部位位于地下水水位標(biāo)高上下，表明溶洞的形成與發(fā)展與地下水位變動(dòng)有關(guān)。

圖3 溶洞充填情況示意圖Fig.3 Schematic diagram of cave filling藍(lán)色為基巖；紅色為有充填溶洞；白色為無充填溶洞。

3 巖溶地面塌陷成因機(jī)理

3.1 巖溶地面塌陷形成條件

歐家港巖溶地面塌陷的發(fā)生受多種因素的影響和制約，主要形成條件包括具備開口的可溶巖、上覆松散土體蓋層和地下水動(dòng)力作用。

銅山口東南部以裸露型碳酸鹽巖為主，西部和北部地表以巖漿巖為主，是埋藏型碳酸鹽巖分布區(qū)。區(qū)內(nèi)可溶巖為大冶組灰?guī)r(均變質(zhì)為大理巖)和嘉陵江組灰?guī)r與白云巖(均變質(zhì)為大理巖)，上部直接覆蓋第四系土層，因此該區(qū)為覆蓋型可溶巖分布區(qū)?？扇軒r中發(fā)育較多溶洞、溶隙和溶孔，是容納覆蓋層塌陷體的場所和水流遷移巖土物質(zhì)的通道，是巖溶塌陷產(chǎn)生的基礎(chǔ)。

該區(qū)覆蓋層主體為“上土下砂”的二元結(jié)構(gòu)，局部為“上土中砂下土”的三元結(jié)構(gòu)，砂性土層直接與下伏可溶巖接觸。在覆蓋層與水直接接觸部位，粉質(zhì)黏土因遇水膨脹、失水收縮而處于軟化狀態(tài)，導(dǎo)致粉質(zhì)黏土層黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗剪強(qiáng)度降低，蓋層的穩(wěn)定性也隨之降低，產(chǎn)生地面塌陷[5]。在砂性土層與碳酸鹽巖接觸部位，砂性土中的細(xì)顆粒會(huì)直接通過溶隙、溶孔等通道漏失，也能引起地面塌陷。

巖溶發(fā)育區(qū)主要分布于歐家港兩側(cè)，降水入滲、地表水滲漏、河水倒灌、人為抽(疏)排水等自然和人為因素普遍存在，加劇了地下水的活動(dòng)，是誘發(fā)和促進(jìn)巖溶地面塌陷產(chǎn)生的重要因素之一。

3.2 巖溶地面塌陷誘發(fā)因素及發(fā)展過程

研究區(qū)以“上土下砂”的二元覆蓋層結(jié)構(gòu)為主，可溶巖隱伏于砂性土層之下且埋深較大。由于砂性土具黏聚力小、易液化特點(diǎn)，潛蝕、真空吸蝕機(jī)理對砂性土影響較大，故潛蝕—滲流液化—漏失機(jī)理為該區(qū)主要的塌陷類型[6]。在塌陷形成過程中，受到自然因素和人為因素的綜合影響。

3.2.1自然因素

2016年7月和2020年7月強(qiáng)降雨期間，歐家港河及河漫灘全部被淹，地表水高出河漫灘1～2 m。受河水位的升降影響，巖土接觸面處的水土快速漏失，進(jìn)而誘發(fā)塌陷的發(fā)生(圖4)。

3.2.2人為因素

區(qū)內(nèi)人為因素主要為疏排水(圖5、圖6)。銅山口礦山疏排水改變了該區(qū)地下水流向，形成了以銅山口礦區(qū)為中心的地下水降落漏斗。地下水位南北相差約150 m，加之區(qū)內(nèi)可溶巖和巖溶較發(fā)育，因此巖溶地下水水平徑流活動(dòng)條件充足。區(qū)內(nèi)地下水埋深較大，在強(qiáng)降雨期間，地表水與巖溶地下水之間的水頭差較大，加劇了地表水對地下水的補(bǔ)給速度，形成相對較強(qiáng)的滲流場和強(qiáng)烈的徑流活動(dòng)，一方面使得土石界面附近的土層受到干擾，土層性質(zhì)變差；另一方面加大了地下水的吸蝕、攜帶能力，是本區(qū)地面塌陷的主要?jiǎng)恿l件。

圖4 河水位下降引起地面塌陷示意圖Fig.4 Schematic diagram of ground collapsecaused by river water level falling1.黏性土；2.砂性土；3.灰?guī)r；4.巖溶洞穴；5.地下水位；6.土洞界線；7.塌陷坑堆積物。

圖6 抽取淺層地下水引起地面塌陷示意圖Fig.6 Schematic diagram of ground subsidence caused by extraction of shallow groundwater1.黏性土；2.砂性土；3.灰?guī)r；4.巖溶洞穴；5.地下水位；6.土洞界線。

此外，研究區(qū)緊鄰002縣道，該縣道是周邊廠礦企業(yè)的交通要道，常年有重載車輛行駛，產(chǎn)生的震動(dòng)誘發(fā)和加劇了接近極限平衡狀態(tài)的隱伏擾動(dòng)土層產(chǎn)生塌陷。

3.2.3塌陷發(fā)展過程

本區(qū)巖溶地面塌陷的發(fā)展過程大致分為四個(gè)階段(圖7)：

(1) 原始穩(wěn)定階段?？紫冻袎核蛶r溶水存在一定的水頭差，孔隙承壓水補(bǔ)給巖溶水，但是滲透坡降較小，上覆土層處于相對穩(wěn)定階段。

(2) 自然因素作用階段?？紫冻袎核蛶r溶水的水頭差增大，加之在降雨作用下，滲透力造成土層流失，在灰?guī)r頂板形成疏松砂土、土洞并不斷向上發(fā)展。

(3) 人為因素和自然因素共同作用階段。施工擾動(dòng)或抽取地下水一方面使孔隙承壓水和巖溶水的水頭差增大，另一方面在滲透力作用下造成疏松砂土、土洞不斷向兩側(cè)及向上擴(kuò)展，逐步逼近黏性土蓋層底板，并達(dá)到土洞臨界拱高。

(4) 塌陷階段。黏性土蓋層中形成的土洞上覆蓋層已接近臨界拱高，在降雨、地面荷載等誘發(fā)因素作用下，土拱的致塌力超過抗塌力而引起土拱破壞，進(jìn)而產(chǎn)生塌陷。

圖7 巖溶地面塌陷發(fā)展過程示意圖Fig.7 Schematic diagram of development process of karst ground collapse1.黏性土；2.砂性土；3.灰?guī)r；4.溶洞充填物；5.塌落體；6.土洞壓力拱發(fā)展軌跡；7.降雨或地面荷載；8.孔隙承壓水位h1和巖溶水位h2。

3.3 致塌模式及力學(xué)分析

3.3.1致塌模式

歐家港巖溶地面塌陷的形成是經(jīng)過地下水掏蝕崩解+地表水入滲+振動(dòng)效應(yīng)綜合形成的，其塌陷形成過程分為3個(gè)階段：擾動(dòng)土層形成階段(地下水大幅下降前)(圖8-a)、擾動(dòng)土層發(fā)展階段(地下水大幅下降后)(圖8-b)、地面塌陷階段(強(qiáng)降雨、礦山疏排水、震動(dòng)效應(yīng))(圖8-c、圖8-d)。

圖8 歐家港巖溶地面塌陷形成過程示意圖Fig.8 Schematic diagram of formation process ofOujiagang karst ground collapse1.黏性土；2.砂性土；3.可溶巖；4.溶洞充填物；5.塌落體；6.地表裂縫；7.孔隙承壓水位h1和巖溶水位h2;8.塌落擴(kuò)散角。

3.3.2塌陷模型力學(xué)分析

根據(jù)對研究區(qū)地面塌陷的調(diào)查及分析，可將塌陷過程簡化為砂性土漏失塌落階段和黏性土蓋層失穩(wěn)階段。

(1) 砂性土漏失塌落階段。因地下水動(dòng)力條件改變等因素，砂性土于巖土界面產(chǎn)生垂直滲流—漏失，向上形成“漏斗狀疏松體”，疏松體以一定的塌落擴(kuò)散角向上發(fā)展。砂性土層塌落擴(kuò)散角θ的大小取決于土體的密實(shí)度、顆粒組分及埋藏條件、水動(dòng)力條件等[2]，可通過經(jīng)驗(yàn)取值或公式計(jì)算。

θ=45°-φ/2

(1)

式中：θ為砂性土層塌落擴(kuò)散角；φ為砂性土內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值。

根據(jù)歐家港塌陷形成過程推測砂性土層塌落擴(kuò)散角θ=25°～32°。地表塌陷坑的規(guī)模R主要取決于砂性土層塌落擴(kuò)散角θ及其厚度H1、黏性土蓋層塌落擴(kuò)散角β及其厚度H2。

R=r+H1tanθ+H2tanβ

(2)

式中：R為塌陷坑半徑；r為地下水土流失處溶洞和溶隙開口半徑；H1為砂性土層厚度；θ為砂性土層塌落擴(kuò)散角；H2為黏性土蓋層厚度；β為黏性土蓋層的塌落擴(kuò)散角，取0°～10°。

以研究區(qū)11號和12號塌陷坑為例，將已知的R、H1、θ參數(shù)代入公式(2)進(jìn)行計(jì)算，得出在黏性土蓋層坑壁陡立(β=0°)的理想狀態(tài)下，地下水土流失處溶洞和溶隙開口半徑分別為5.8 m和5.3 m。

(2) 黏性土蓋層失穩(wěn)階段。當(dāng)砂性土的漏斗狀疏松體擴(kuò)散至黏性土蓋層底板時(shí)，黏性土蓋層底部失去支撐，其拱頂中心首先下陷形成地表陷落；當(dāng)周邊的摩阻力、黏聚力及承壓水浮力不足以支撐蓋層重量時(shí)，即形成塌陷坑，其上部剖面形態(tài)呈井狀[7]。當(dāng)黏性土蓋層為柔性體，失穩(wěn)的主控因素為蓋層土的重力G1、黏聚力c、孔隙承壓水浮力Fw，次要因素為地面載荷重力G2、蓋層土的摩阻力F時(shí)，黏性土蓋層的塌陷力學(xué)關(guān)系式為：

(3)

式中：G1為蓋層土的重力；G2為地面荷載重力；F為蓋層土的摩阻力；c為蓋層土的黏聚力；Fw為孔隙承壓水的浮托力。當(dāng)致塌力(G1+G2)>阻塌力(F+c+Fw)時(shí)，塌陷發(fā)生，反之則相對穩(wěn)定。

以11號和12號塌陷坑為例，根據(jù)其塌陷現(xiàn)狀確定相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，并采用公式(2)和(3)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)下部砂性土漏失后，黏性土蓋層是否塌陷主要取決于上部黏性土層的強(qiáng)度、厚度及孔隙承壓水的浮力，上部黏性土層強(qiáng)度越高或厚度越大則越不易塌陷，反之則容易塌陷。研究區(qū)可溶巖上覆土層在厚度<15 m、孔隙承壓水浮力為0的情況下均可能產(chǎn)生塌陷。

4 結(jié)論

(1) 銅山口地區(qū)歐家港一帶可溶巖(碳酸鹽巖)覆蓋層為第四系全新統(tǒng)沖洪積黏性土和砂性土，具有“上土下砂”的二元結(jié)構(gòu)，砂性土層與下伏可溶巖直接接觸；可溶巖中巖溶(溶洞、溶隙、溶孔)十分發(fā)育，地質(zhì)結(jié)構(gòu)脆弱，屬易塌陷地層。

(2) 歐家港一帶具備可溶巖地層、上覆松散土體蓋層和強(qiáng)烈的地下水活動(dòng)等有利于巖溶形成的條件，巖溶地面塌陷的誘發(fā)因素為自然因素(降水)和人為因素(礦山疏排水)。

(3) 歐家港巖溶地面塌陷的形成過程可分為擾動(dòng)土層形成階段(地下水大幅下降前)、擾動(dòng)土層發(fā)展階段(地下水大幅下降后)和地面塌陷階段(強(qiáng)降雨、礦山疏排水、震動(dòng)效應(yīng))3個(gè)階段。

(4) 力學(xué)試算結(jié)果表明，研究區(qū)在上覆土層厚度<15m、孔隙承壓水浮力為0的情況下均可能產(chǎn)生塌陷。