覆蓋型碳酸鹽巖地區(qū)巖溶地面塌陷機理分析
——以佳城村巖溶地面塌陷為例

高麗娟

（湖南省水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查監(jiān)測所 湖南長沙 410000）

從20世紀(jì)50年代至今，佳城村周邊陸續(xù)發(fā)現(xiàn)塌陷十多處，且塌陷發(fā)生數(shù)量呈增加趨勢。因區(qū)內(nèi)建筑物密集，人口密度大，塌陷的發(fā)生往往造成較大的財產(chǎn)損失，甚至人員傷亡，由此將嚴(yán)重威脅村民的生產(chǎn)生活，并造成社會恐慌。巖溶地面塌陷發(fā)生應(yīng)具備3個要素，即巖溶發(fā)育且有開口型溶洞、溶洞上覆蓋有一定厚度覆蓋層和地下水動力條件的變化［1-3］。本文通過對佳城村巖溶地面塌陷成因的分析研究，為巖溶地面塌陷危險性分區(qū)的劃分奠定基礎(chǔ)，為地面塌陷的預(yù)測、預(yù)警和預(yù)防提供依據(jù)。

1 地質(zhì)環(huán)境背景

1.1 地形地貌

該區(qū)地處湘東丘陵山區(qū)地帶，以丘陵谷地地貌為主，總體呈南高北低，東高西低之勢。按地貌成因，可劃分為剝蝕侵蝕丘陵地貌及溶蝕侵蝕河谷地貌兩種類型。

1.1.1 構(gòu)造剝蝕丘陵地貌

主要分布于研究區(qū)南東部松山崗一帶，由板溪群和震旦系下統(tǒng)板巖、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M砂頁巖組成。地面高程一般在100～170m之間，相對高差一般小于20m，丘頂多呈橢圓形，山坡平緩，地形坡度一般10°～20°，局部達25°，溝谷寬緩。

1.1.2 溶蝕侵蝕河谷地貌

分布于研究區(qū)內(nèi)北西側(cè)的寶山河兩側(cè)。上部為第四系全新統(tǒng)沖洪積物的粉質(zhì)黏土、含礫粉質(zhì)黏土，下覆基巖為石炭系中上統(tǒng)壺天群的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖和二疊系下統(tǒng)棲霞與茅口組的灰?guī)r、泥灰?guī)r夾頁巖、白云巖。地面高程98～106m，溝谷寬緩，平坦開闊，地形坡度一般小于5°。

1.2 氣象水文

1.2.1 氣象

研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，四季分明，春夏潮濕多雨，秋冬寒冷干爽。據(jù)氣象觀測資料（1990—2012年），研究區(qū)年均降雨量1574.7mm，年最大降雨量為2096.1mm（1998年），年最小降雨量1079.1mm（2007年），歷年月最大降水量為736.5mm（1998年6月），歷年日最大降水量為287.2mm（1997年6月7日）。降雨多集中在6月，占全年總降水量的16%以上［4］。2012年本區(qū)各月降水量見表1。

表1 2012年各月降水量統(tǒng)計表

1.2.2 水文

研究區(qū)內(nèi)常年性河流為大溪河的支流寶山河，該河自東向西徑流，在永和鎮(zhèn)菜花洲注入大溪河。在區(qū)內(nèi)上下游水位標(biāo)高分別為102m和98m，水位坡降約為2‰，河面寬14～50m。

1.3 地層巖性

根據(jù)鉆探揭露地層巖性有第四系全新統(tǒng)人工填土、耕植土，第四系沖洪積含礫粉質(zhì)黏土，第四系殘坡積粉質(zhì)黏土，石炭系中上統(tǒng)壺天群（C2+3）灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖。各巖土層的巖性特征及分布情況自上而下依次概述如下。

1.3.1 第四系全新統(tǒng)（Qh）

（1）人工填土（Qhml）：褐色，雜色，松散至稍密狀，主要由黏性土和礦渣等組成。局部分布。（2）耕植土（Qhpd）：褐黑色，褐黃色，松散至稍密狀，見植物根系。厚度為0.80～1.40m，平均厚度1.10m。

（3）沖洪積層（Qhapl）：巖性主要為含礫粉質(zhì)黏土或礫質(zhì)粉質(zhì)黏土，含礫石10%～20%，局部為礫砂，礫徑1～5cm不等。按工程特性，可劃分為軟塑—可塑狀和硬塑狀兩個亞層。

1.3.2 第四系更新統(tǒng)（Qp）殘坡積層

巖性為黃色褐黃色粉質(zhì)黏土，偶見少量碎石，碎石成分主要為灰?guī)r、白云巖及硅質(zhì)巖等。干強度中等，韌性中等，無搖振反應(yīng)，稍有光澤。按工程特性，又可劃分軟塑—可塑狀和硬塑狀兩個亞層。

1.3.3 石炭系中上統(tǒng)壺天群（C2+3）

巖性為灰色、青灰色、灰白色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，裂隙不甚發(fā)育，多呈閉合狀，方解石充填。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有橫（山）古（港）逆斷層，該斷層位于研究區(qū)南側(cè)。斷層產(chǎn)狀為N∠30°～50°，傾角向下漸變?yōu)?0°～70°。破碎帶寬一般為10～35m，最寬達61m，淺寬深窄；角礫成分有板巖、白云巖、灰?guī)r、磷塊巖及脈石英等，角礫呈棱角至次棱角狀，大者可達數(shù)十厘米。膠結(jié)物為泥質(zhì)、硅質(zhì)、磷質(zhì)及鐵質(zhì)等。橫古逆斷層南盤整體呈單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀為N∠20°～88°，以急傾斜為主。

1.5 水文地質(zhì)條件

1.5.1 地下水類型

區(qū)內(nèi)地下水主要有松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖溶洞水兩大類。前者分布在寶山河兩岸，巖性為含礫粉質(zhì)黏土和礫質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚度一般為8～12m，具沖洪積特征，含水貧乏，水化學(xué)類型為HCO3-Ca型；后者含水層為石炭系中上統(tǒng)壺天群，巖性為白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，含水豐富。

1.5.2 地下水水位埋深及動態(tài)特征

根據(jù)20眼水（民）井的測量，區(qū)內(nèi)的地下水水位埋深為0.34～3.45m，距寶山河的直線距離為80～534m。區(qū)內(nèi)地下水水位等值線見圖1。

圖1 研究區(qū)地下水水位等值線圖

區(qū)內(nèi)殘坡積層中的民井水位埋深較大，為0.67～3.45m，平均水位埋深2.06m；沖洪積層中的民井水位埋深較淺，為0.34～2.13m，平均水位埋深1.30m。由地下水水位埋深等值線圖可以看出：區(qū)內(nèi)的地下水仍處于天然狀態(tài)下，未受到人為因素的干擾，地下水水位未出現(xiàn)異常。

1.6 巖溶的發(fā)育特征及形態(tài)特征

1.6.1 巖溶的發(fā)育特征

區(qū)內(nèi)可溶巖中淺表型溶洞發(fā)育，據(jù)統(tǒng)計：鉆孔見巖溶率50%。溶洞高0.50～19.51m，溶洞率0%～21.97%；淺部溶洞多泥砂質(zhì)充填或半充填，0m標(biāo)高以下充填物少。按溶洞個數(shù)統(tǒng)計，標(biāo)高在50m以上的占64.2%～71.0%，標(biāo)高在50～0m的占31.7%～24.2%，即向深部巖溶發(fā)育呈變?nèi)踮厔荩ㄒ妶D2）。

圖2 巖溶垂向變化圖

物探推斷的溶洞8處，溶槽24處，其埋藏深度多介于10～40m之間，溶槽發(fā)育深度一般不超過30m。

綜上所述，區(qū)內(nèi)的巖溶主要發(fā)育在前部。

1.6.2 巖溶的形態(tài)特征

（1）溶洞。區(qū)內(nèi)地下溶洞較發(fā)育，鉆孔見溶洞率50%；溶洞規(guī)模較大，溶高0.50～4.3m，溶洞多被黏土及黏土夾碎塊石充填，充填率為80%。

（2）溶蝕裂隙及溶孔。勘查表明：區(qū)內(nèi)溶隙發(fā)育普遍，只是單個形態(tài)規(guī)模較小。溶孔常呈蜂窩狀、星點狀，一般連通性較好，直徑一般0.2～1.0cm，以鈣、泥質(zhì)半充填—無充填為主。

（3）地下開口溶洞及溶槽。其是區(qū)內(nèi)的主要巖溶形態(tài)。溶溝、溶槽往往與淺層發(fā)育的開口型溶洞相連，這為巖溶地面塌陷的形成奠定了基礎(chǔ)。

2 巖溶地面塌陷的基本情況

區(qū)內(nèi)發(fā)生的巖溶塌陷共有10余處。各巖溶地面塌陷的基本情況詳見表2。

表2 巖溶地面塌陷基本情況一覽表

3 巖溶地面塌陷形成機理分析

3.1 巖溶地面塌陷形成的充分必要條件

巖溶塌陷是多種因素影響和作用的結(jié)果，一般認(rèn)為，巖溶塌陷的發(fā)生要具備3個條件，一是巖溶發(fā)育，且存在開口型溶洞或土洞，這是巖溶發(fā)生的基本條件；二是可溶巖上覆存在土體蓋層，這是巖溶發(fā)生的必要條件；三是溶洞中存在流動的地下水，且水位上下波動，這是巖溶發(fā)生的引發(fā)條件［5-6］（見圖3）。3個因素的作用機理敘述如下。

圖3 巖溶塌陷形成條件分析圖

3.1.1 水動力條件變化

覆蓋型巖溶區(qū)上覆土體的下部多處在地下水位線以下，如本區(qū)的地下水位埋深僅0.34~3.45m，上覆土體及荷載受到地下水的浮力作用，因此，水位變化會引起覆蓋土層應(yīng)力體系的變化。地下水水位上升時，一方面作用于土體的浮托力增大，另一方面使土體受浸泡而軟化的厚度增加。反之，地下水水位下降時，一方面作用于覆蓋層上的地下水浮托力將減少，當(dāng)?shù)叵滤幌陆档交鶐r面下時，作用于覆蓋層上的浮托力將消失，另一方面土體失水使得該層土體松弛而掉落。地下水水位升降的循環(huán)往復(fù)，使得土體不斷塌落變薄并進入巖溶管道系統(tǒng)（這個過程也叫地下水的潛蝕作用，它是開口型巖溶向土洞延伸的過程），最終導(dǎo)致地表塌陷形成。該區(qū)地表塌陷有多處是在旱季與雨季產(chǎn)生的。據(jù)訪問調(diào)查，佳城村T1、T9塌陷均是發(fā)生在強降雨過后，這很好地說明了這一點。

3.1.2 覆蓋層的厚度及其物理力學(xué)性質(zhì)

覆蓋土層的物理力學(xué)性質(zhì)及其厚度是巖溶地面塌陷發(fā)生的控制因素之一［7-8］。覆蓋土層含水量增加土體的凝聚力降低，抗剪強度降低；同時，含水量增加，自重力加大，作用于土洞拱頂?shù)拇怪焙奢d增大；覆蓋土層的物理力學(xué)性質(zhì)與塌陷密切相關(guān)。本區(qū)土體均具有上硬下軟的特點，這種土層結(jié)構(gòu)及形狀有利于巖溶地面塌陷的產(chǎn)生。

3.1.3 淺層巖溶發(fā)育，存在開口型溶洞

巖溶洞隙是可溶巖巖溶發(fā)育程度最直接的標(biāo)志，是巖溶塌陷產(chǎn)生的基礎(chǔ)。物探解譯結(jié)果表明，溶槽所占比例為75%（大部分溶槽屬于開口型溶洞的外延部分或與淺層巖溶系統(tǒng)有水力聯(lián)系），地下洞隙的發(fā)育為地下水儲存和活動提供了空間，向上開口的洞隙是塌陷巖土體暫時儲存和物質(zhì)轉(zhuǎn)移的場所或通道，也是地下水動力條件形成的重要環(huán)境。勘查結(jié)果表明：區(qū)內(nèi)存在較多開口型溶洞。

3.2 巖溶地面塌陷的形成機理

根據(jù)勘查結(jié)果和巖溶地面塌陷的形成條件分析，研究區(qū)的巖溶地面塌陷的成因過程大致如下。在天然水動力條件下，上下波動的地下水通過開口巖溶洞穴，對巖溶洞穴頂板位置的覆蓋層土體不斷產(chǎn)生水力作用，土體被不斷沖蝕、淘空，并被水流搬運帶走，在巖溶洞穴頂板與蓋層土體的交接處形成初始土洞（如圖4a）。隨著時間的延續(xù)，在自重及外動力作用下，覆蓋層土體中的土洞緩慢發(fā)展，逐漸破壞向地面擴展（如圖4a），最終擴張至近地表時（如圖4b），土洞頂板土體的抗滑力小于土體自重力，土體失穩(wěn)而塌落而形成巖溶地面塌陷（如圖4c）。

圖4 巖溶塌陷成因過程示意圖

4 結(jié)論與建議

第一，佳城村區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育、覆蓋層厚度較薄、力學(xué)性質(zhì)差，廣泛分布開口型溶槽和溶洞，地質(zhì)環(huán)境極為脆弱，是巖溶地面塌陷易發(fā)區(qū)。

第二，區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷災(zāi)害防治應(yīng)當(dāng)以避為主，工程建設(shè)選址應(yīng)避免在覆蓋型巖溶發(fā)育且覆蓋層厚度較薄的雙、多層結(jié)構(gòu)覆蓋土體區(qū)。