廣州西部隱伏巖溶發(fā)育特征及其對城市發(fā)展的制約

王忠忠 鄭志敏 李宏衛(wèi) 王耿明

摘 要：發(fā)育的隱伏巖溶是廣州西部地區(qū)城市發(fā)展的重大地質(zhì)隱患之一。利用大量巖溶鉆孔數(shù)據(jù)，結(jié)合地層巖性、斷裂構(gòu)造、水文地質(zhì)等資料，分析隱伏巖溶發(fā)育特征及控制因素。廣州西部地區(qū)隱伏巖溶發(fā)育特征：在平面上，隱伏巖溶分布面廣，呈帶狀分布;在垂向上，淺部溶洞主體為單—雙層結(jié)構(gòu)，多集中發(fā)育在-5～-20 m（埋深10～30 m），隨深度增加，巖溶發(fā)育程度減弱。隱伏巖溶發(fā)育的主控因素除地層巖性外，斷裂構(gòu)造、不整合面、地下水活動等對巖溶的發(fā)育程度和發(fā)育空間位置具有控制作用。同時，在分析隱伏巖溶對城市發(fā)展的制約基礎上，依據(jù)其發(fā)育特征及控制因素提出了防治對策與建議。

關鍵詞：廣州西部;隱伏巖溶;發(fā)育特征;主控因素;對策與建議

Development characteristics of hidden karst and its constrains on urban development in Western Guangzhou

WANG Zhongzhong， ZHENG Zhiming， LI Hongwei， WANG Gengming

（Guangdong Institute of Geological Survey， Guangzhou 510080， Guangdong， China）

Abstract： The western part of Guangzhou is planned as an important ecological living function area， but hidden karst in this area posts a major geological hazard to urban development and construction. Based on the statistical analysis of a large number of karst borehole data， this paper studies the characteristics of hidden karst in the target area. The results show there is wide and zonal distribution in the horizontal direction; single-bilayer structure and concentrated development in the elevation of -5 ～-20 m （at depth of 10 ～ 30 m） of shallow karst in the vertical direction; and weakened karst development as depth increases. Combining lithology， faults， groundwater and other geological data， the study reveals that faults， unconformity surface and groundwater have a control effect on karst development and spatial location in addition to lithology. Meanwhile， on the basis of analysis of karst constraints to urban development， countermeasures and suggestion are proposed in accordance with hidden karst characteristics and major control factors.

Keywords： Western Guangzhou; hidden karst; development characteristics; major control factor; countermeasures and suggestions

廣州西部的白云區(qū)金沙洲和荔灣區(qū)大坦沙，毗鄰佛山市南海區(qū)，位于廣佛都市圈的中心位置，區(qū)位優(yōu)勢明顯。該地區(qū)已被規(guī)劃為廣州重要的生態(tài)居住功能區(qū)，工程建設步伐日益加快，常住人口規(guī)模不斷攀升。但該區(qū)域發(fā)育的隱伏巖溶嚴重制約了地區(qū)發(fā)展，其誘發(fā)的巖溶地面塌陷地質(zhì)災害對地表建筑和地下工程帶來不可估量的危害，威脅到當?shù)鼐用袢松?、財產(chǎn)安全，造成嚴重的社會影響。因此，以廣州西部為研究區(qū)，分析隱伏巖溶發(fā)育特征，探討巖溶引起的地面塌陷對城市發(fā)展的影響，提出相應的防治對策與建議，對城市安全建設和科學規(guī)劃具有積極作用。

1? 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境背景

研究區(qū)地層與巖漿巖零星出露，以覆蓋型為主。地層由老到新為下石炭統(tǒng)大賽壩組、石磴子組、測水組、中—上石炭統(tǒng)壺天組、上白堊統(tǒng)大塱山組和全新統(tǒng)桂洲組;巖漿巖主要為晚白堊世輝綠玢巖、中侏羅世花崗閃長巖、晚侏羅世正長斑巖。區(qū)域上受2組基底斷裂控制，分別為北東向廣從斷裂組、北西向白坭-沙灣斷裂組，其中以北東向斷裂組為主（圖1）。

該地區(qū)屬亞熱帶季風氣候，雨量充沛，多年平均降雨量1751.7 mm（1970—2005年），多年平均蒸發(fā)量1598.4 mm，地下水位埋深1.5～5.0 m，受珠江水位影響明顯，隨著珠江水位漲落變化，局部水位變幅1.0～2.5 m（蘇扣林等，2011）。地下水類型主要有第四系松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水、紅層巖類孔隙裂隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水和火成巖裂隙水?？傮w上，地下水富水性貧乏—中等，其中，紅層巖類孔隙裂隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水和火成巖裂隙水富水性貧乏，碳酸鹽巖類裂隙溶洞水富水性中等。

地下水以大氣入滲補給為主，珠江地表水下滲補給以及地下水側(cè)向徑流補給為輔。地下水自北西向南東流動，受地形影響，水力坡度小，流速較緩。各類型地下水水力聯(lián)系密切，其中，覆蓋型碳酸鹽巖裂隙溶洞水受斷裂構(gòu)造影響，在不同巖溶通道出現(xiàn)“越流”現(xiàn)象。地下水排泄整體以潛水蒸發(fā)和潛流為主，局部地區(qū)以人工開采為主。

2? 隱伏巖溶發(fā)育規(guī)律

2.1? 隱伏巖溶發(fā)育平面特征

區(qū)內(nèi)可溶巖包括石磴子組（C1?）灰?guī)r、夾少量泥頁巖，壺天組（C2+3ht）灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、少量白云質(zhì)灰?guī)r，大塱山組一段（K2dl1）礫巖、灰質(zhì)礫巖，大塱山組二段（K2dl2）鈣質(zhì)砂巖、粉砂巖、泥巖，大塱山組三段（K2dl3）鈣質(zhì)粉砂巖、泥巖?？扇軒r約占研究區(qū)總面積的67%。

本次研究利用“廣州城市地質(zhì)調(diào)查”項目資料，收集揭露有溶洞的淺層鉆孔528個（其中有坐標鉆孔263個），溶洞總數(shù)905個，均隱伏分布，數(shù)量多，分布廣，規(guī)模不等。鉆孔揭露的溶洞平面上總體呈帶狀展布（圖2），在金沙洲地區(qū)沿北東向展布，大坦沙南部呈北西向分布;而在大坦沙北部溶洞分布較均勻，呈面狀展布。

2.2? 隱伏巖溶發(fā)育縱向特征

地下隱伏巖溶發(fā)育規(guī)模不一，溶洞高度0.1～19.45 m，洞高在2 m以內(nèi)的溶洞約占溶洞總數(shù)的73.04%。其中1 m以內(nèi)的溶洞約占溶洞總數(shù)的44.30%，1～2 m溶洞約占28.73%，大坦沙地區(qū)溶洞高度普遍較金沙洲地區(qū)偏小。淺部巖溶主要集中發(fā)育在-5～? -20 m，該區(qū)間內(nèi)溶洞占總數(shù)的64.53%，隨著深度的增加，溶洞數(shù)呈明顯減少趨勢（圖3，以5 m間隔統(tǒng)計，共統(tǒng)計溶洞905個）。以埋深統(tǒng)計，淺部隱伏巖溶集中發(fā)育在10～30 m，而深部巖溶發(fā)育深度為200～300 m（謝寶堂，2007）。

鉆孔揭露表明，溶洞多為不規(guī)則單—雙層結(jié)構(gòu)，占鉆孔總數(shù)的82.58%，局部呈串珠狀連續(xù)發(fā)育，最多發(fā)育12層。溶洞以半充填、無充填為主，全充填溶洞相對較少，填充物多為泥、砂、淤泥、黏土。溶洞的充填情況與溶洞高度相關：溶洞埋深較淺時多為半充填或全充填;溶洞埋深較深時多為半充填或無充填（圖4，以5 m間隔統(tǒng)計，共統(tǒng)計溶洞905個）。

3? 隱伏巖溶發(fā)育控制因素

3.1? 巖性控制

可溶巖的存在和分布是巖溶產(chǎn)生的先決條件。在弱酸性地下水和地表水的作用下可溶巖發(fā)生巖溶作用，巖性越純，碳酸鈣含量越高，巖溶越發(fā)育。不同碳酸鹽巖巖溶發(fā)育強度具有如下規(guī)律：灰?guī)r>白云質(zhì)灰?guī)r>白云巖>不純灰?guī)r。

區(qū)內(nèi)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r中碳酸鹽含量較高（表1），易溶蝕，巖溶發(fā)育程度高。石磴子組（C1?）和壺天組（C2+3ht）地層巖性主要為灰?guī)r，見有揭露溶洞的鉆孔分別為132個、29個，平面溶洞密度分別為40個·km-2、47個·km-2。壺天組灰?guī)r相對較純，巖溶也較發(fā)育;大塱山組一段（K2dl1）巖性為礫巖、灰質(zhì)礫巖，其礫石含量達60～75%，且礫石成分以灰?guī)r為主，在該地層中的溶洞鉆孔8個，平面溶洞密度達57個·km-2，巖溶發(fā)育;大塱山組二段（K2dl2）為鈣質(zhì)砂巖、粉砂巖，見有溶洞鉆孔88個，平面溶洞密度37個·km-2;大塱山組三段（K2dl3）巖性主要為鈣質(zhì)粉砂巖、泥巖，平面溶洞密度4個·km-2，巖溶發(fā)育較弱（表2）。

3.2? 斷裂構(gòu)造控制

斷裂構(gòu)造對巖溶發(fā)育的方向、規(guī)模和大小影響較大。研究區(qū)受區(qū)域多組斷裂構(gòu)造控制，主體為北東向廣從斷裂組控制，在不同地質(zhì)時期曾發(fā)生不同程度的升降運動，有利于大氣降水和地表水滲入形成徑流帶，使第四系之下的可溶巖發(fā)生溶蝕形成溶洞，如圖5中ZK701和ZK709，受附近北東向斷裂控制，在大塱山組二段中發(fā)育溶洞，ZK701中發(fā)育有不完整巖溶——鷹嘴巖形態(tài)。

以100 m為間隔，統(tǒng)計距主干斷裂各影響帶巖溶發(fā)育情況。結(jié)果表明：距主干斷裂600 m范圍內(nèi)揭露溶洞鉆孔共247個，距斷裂巖溶發(fā)育最佳位置為0～200 m，該范圍內(nèi)溶洞鉆孔167個，占總數(shù)的67.61%（表3）。

珠三角地區(qū)自晚更新世以來經(jīng)歷了3次較大的陸-海沉積旋回，同時遭受多次突發(fā)性的構(gòu)造事件，導致不同塊體呈現(xiàn)出不同尺度、規(guī)模的升降運動，多期次構(gòu)造事件導致區(qū)域侵蝕基準面的升降，進而在研究區(qū)發(fā)育成3層巖溶通道（張永定等，2011）。

3.3? 不整合面控制

研究區(qū)東南部在侏羅紀存在著巖漿活動，于晚白堊世受基底斷裂控制，接受了該時期的陸源碎屑巖沉積，即大塱山組，該“紅層”與下部石炭系為不整合接觸。區(qū)內(nèi)基巖埋藏淺，一般為十幾米之內(nèi)，基巖面起伏較大，特別是“紅層”基底面起伏變化大，局部地段可能保留了古喀斯特地貌，呈“犬牙狀”接觸邊界，復雜多變，有利于地下水交替循環(huán)，形成強徑流區(qū)，加劇了溶蝕作用的進行，繼而發(fā)育巖溶。溶洞多發(fā)育于不整合面以下的灰?guī)r中，如大坦沙西鉆孔ZK702中石磴子組與大塱山組不整合面附近發(fā)育的溶洞。一般來說，巖溶率在不整合面附近石磴子組灰?guī)r中出現(xiàn)明顯的增高;巖溶發(fā)育的方向、規(guī)模及大小受不整合面的控制作用亦明顯。

3.4? 地下水活動控制

水力活動影響巖溶發(fā)育程度及巖溶類型，是形成巖溶的必要條件。廣花盆地孔隙水、溶洞水水位均隨季節(jié)變化，受大氣降雨影響比較明顯，在響應時間和動態(tài)變幅上均高度一致，二者之間存在著密切的水力聯(lián)系（蒙彥，2020）。研究區(qū)作為廣花盆地的一部分，孔隙水和溶洞水同樣水力聯(lián)系密切，孔隙水水位埋深0.20～5.30 m，溶洞水水位埋深0.34～5.77 m;地下水水位隨著豐枯水期變化，但受潮水頂托作用，地下水年變幅較小，孔隙水年變幅0.45～1.50 m，溶洞水年變幅0.51～1.10 m。區(qū)內(nèi)地下水運移方向受地形和張性斷裂走向控制，總體上自北向南東流動，尤其是溶洞水沿斷裂及周圍張性裂隙運移，在北東和北西向上地下水互相聯(lián)通，形成具有飽水、高透水性、方向性強、呈現(xiàn)水流管道作用的強徑流帶，為巖溶發(fā)育提供動力條件。

隨著工程建設的開展，人為活動對該地區(qū)地下水水動力條件的影響日益明顯。由于大降深抽排地下水，金沙洲西南武廣客運專線隧道和大坦沙地鐵6號線隧道沿線曾形成多個降落漏斗，改變了原來的地下水流場;而在降落漏斗中心附近，水力坡度大，水力聯(lián)系強，可溶巖通過斷裂、裂隙、不整合面等發(fā)生溶蝕、侵蝕等作用，有利于發(fā)育新的巖溶。

4? 隱伏巖溶對城市發(fā)展的制約

4.1? 隱伏巖溶對城市發(fā)展的制約

隱伏巖溶是工程建設中不可回避的地質(zhì)問題，可誘發(fā)建筑不均勻沉降、巖溶塌陷、基坑和硐室涌突水、巖溶滲漏等重大危害。在建設“廣佛現(xiàn)代服務業(yè)集聚區(qū)”和“國際健康生態(tài)島”的政府政策、規(guī)劃引導下，廣州西部地區(qū)已有大量的建設工程正處于施工或規(guī)劃設計之中，但工程建設中因隱伏巖溶這種重大地質(zhì)隱患導致的地表建筑物坍塌和不均勻沉陷災害嚴重威脅到周圍居民日常生活，造成了巨大的經(jīng)濟損失。

2007—2012年，受大型地下工程施工抽排地下水的影響，金沙洲共發(fā)生了24處巖溶塌陷、21處地面沉降，形成7個地面沉降區(qū)域，受災影響面積約1.73 km2，部分樓房發(fā)生傾斜、變形和開裂，造成直接經(jīng)濟損失約2.79億元（黃健民等，2017）。2003—2008年，大坦沙發(fā)生巖溶塌陷及與巖溶塌陷相關的地面沉降20余處，引發(fā)了建設工程事故，導致工程維護經(jīng)費增加，直接經(jīng)濟損失超過3000萬元（廣州市地質(zhì)調(diào)查院，2009）。

廣泛發(fā)育的淺層隱伏巖溶對廣州西部地區(qū)城市建設發(fā)展影響主要有3方面。一是限制了地鐵、隧道、地下綜合管廊和地下商場、地下車庫、人防工程等城市地下空間利用與開發(fā)，如地鐵5號線在大坦沙段建設為地表輕軌線路，同樣地鐵6號線在金沙洲段也為地表輕軌線路，研究區(qū)地下空間開發(fā)程度整體受限。二是約束了地面建筑的規(guī)模、類型和高度等，區(qū)內(nèi)普遍為小高層、中高層建筑，超過30層的高層較少。三是提高了工程建設資金成本和時間成本，在工程建設基本費用上必須考慮處理隱伏巖溶相關工程治理費用，建設周期變長，投資性價比相對降低。在如今城市土地資源匱乏、人口急劇攀升的廣州，這無疑會造成土地資源利用率低、城市容量偏小，嚴重阻礙了地區(qū)發(fā)展。

4.2? 對策與建議

隱伏巖溶這一特殊地質(zhì)條件是詳細規(guī)劃布局和工程建設中需重點考慮的地質(zhì)因素。針對研究區(qū)隱伏巖溶發(fā)育特征及控制因素，提出以下3點防治對策與建議。

1）合理規(guī)劃居住功能區(qū)建設。利用綜合指數(shù)法（吳亞楠等，2020）、層次分析法（武運泊等，2015）、模糊綜合評價（李巧靈等，2018）等方法開展巖溶塌陷風險評價，精準指導功能區(qū)規(guī)劃建設。工程選址時盡量避開不良地質(zhì)地段：北東向廣從斷裂組0～200 m地區(qū);大塱山組一段（K2dl1）和壺天組（C2+3ht）的地層分布區(qū);地下水活動強（大降深的降落漏斗中心）和-5～ -20 m（埋深10～30 m）的可溶巖區(qū);“紅層”與下部石炭系不整合面周圍。

2）加強巖溶塌陷探測和監(jiān)測。運用地質(zhì)雷達、高密度電阻率法、淺層地震、微動、混合源面波、瞬變電磁法、繞射波（張燕生等，2020）、孔間層析成像和地面核磁共振法等物理探測手段對隱伏巖溶和巖溶塌陷進行有效探測（何軍等，2020）。

利用光纖傳感技術（蔣小珍等，2006）、微地震監(jiān)測（李成香等，2021）、孔隙水（氣）壓力自動化監(jiān)測（牛建軍等，2004）等手段建立對水點、地面、建筑物及塌陷前兆現(xiàn)象的監(jiān)測網(wǎng)（錢建平，2007）。

3）開展巖溶塌陷機理定量研究，制定合理的防治措施。嘗試性開展室內(nèi)試驗（雷明堂等，2002）、數(shù)值模擬（賈龍等，2014）研究，量化巖溶塌陷臨界條件、塌陷模式，以此為基礎制定科學合理的工程治理措施和應急預案。針對致災主控因素合理選用回填、灌漿填充、地表封閉防滲、結(jié)構(gòu)物跨越、樁基加固等工程措施（陳國亮，1994）消除或抑制形成巖溶塌陷的條件和影響因素，進行巖溶塌陷工程治理;優(yōu)化工程中的抽排水方案，對降落漏斗較大的地區(qū)可采用人工回灌措施恢復地下水動態(tài)平衡，加強排水溝渠的防滲措施，防止地表水集中滲入（朱真，2002）。

5? 結(jié)論

1）平面上，研究區(qū)隱伏巖溶總體呈帶狀分布，金沙洲地區(qū)沿北東向展布，大坦沙南部呈北西向分布，而在大坦沙北部溶洞分布較均勻，面狀展布;垂向上，淺部溶洞主體為不規(guī)則單—雙層結(jié)構(gòu)，集中發(fā)育在-5～ -20 m（埋深10～30 m），且隨著深度增加，巖溶發(fā)育程度明顯減弱。溶洞埋深較淺時多為半充填或全充填;溶洞埋深較深時多為半充填或無充填。

2）研究區(qū)隱伏巖溶主控因素有：可溶巖的分布情況、北東向廣從斷裂影響帶（0～200 m）、“紅層”與下部石炭系的不整合面以及地下水活動情況。

3）隱伏巖溶制約了廣州西部地區(qū)地下立體開發(fā)，造成土地資源利用率低、城市容量偏小，阻礙了地區(qū)城市發(fā)展。城市規(guī)劃和工程建設中應考慮隱伏巖溶發(fā)育特征及控制因素，采取合理的防治對策。

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