山東省滕州市荊泉水源地巖溶塌陷調(diào)查研究

潘繼明，榮曉偉，常杰，林波

(1.山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)，山東 青島 266427;2.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013；3.山東省地質(zhì)測繪院，山東 濟(jì)南 250002)

0 引言

我國地域廣闊，地理?xiàng)l件復(fù)雜，巖溶塌陷頻發(fā)，對(duì)工程建設(shè)項(xiàng)目和群眾生命財(cái)產(chǎn)安全有重要影響。專家學(xué)者針對(duì)不同區(qū)域的巖溶塌陷進(jìn)行了研究分析，對(duì)巖溶塌陷的發(fā)育特征和發(fā)生機(jī)制進(jìn)行研究。巖溶塌陷影響因素有可溶巖性質(zhì)、覆蓋層條件、含水結(jié)構(gòu)、巖溶水位與基巖面關(guān)系等，不同因素的共同作用也會(huì)造成巖溶塌陷的不同機(jī)理[1-7]。

滕州市城市供水水源地——荊泉水源地位于山東省滕州市東北部，2015年6月以來，在其范圍內(nèi)的東郭鎮(zhèn)楊明莊村、羅莊村及俞寨地連續(xù)發(fā)生塌陷，對(duì)當(dāng)?shù)厝罕娚?cái)產(chǎn)安全、地下水水質(zhì)、道路交通等方面造成了一定影響[8]。調(diào)查該區(qū)域的巖溶塌陷情況，總結(jié)巖溶塌陷的規(guī)律和機(jī)制，對(duì)保護(hù)該區(qū)域群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和工程道路具有重要意義。

本文對(duì)滕州市荊泉水源地巖溶塌陷區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件及巖溶塌陷災(zāi)害發(fā)育現(xiàn)狀、分布規(guī)律、揭示巖溶塌陷發(fā)生的機(jī)制進(jìn)行歸納研究，針對(duì)巖溶塌陷區(qū)域劃分進(jìn)行易發(fā)性評(píng)價(jià)，并提出巖溶塌陷相關(guān)防治措施。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于滕州市境內(nèi)東北方向，周圍三面環(huán)山，中間低洼，開口于西南部。地形東北高，西南低，略向西南傾斜，地面標(biāo)高80～129m，西南部耿樓一帶為最低點(diǎn)。地貌類型為沖積—洪積山前傾斜平原。地勢(shì)平坦，微向西南傾斜，河流多次堆積而成，由砂質(zhì)黏土、黏質(zhì)砂土、中細(xì)砂及粗砂夾礫石組成。滕州市境內(nèi)河流屬淮河流域南四湖水系，主要河流為城河，該河從研究區(qū)東南部流過。地處暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨量充沛，光照充足。

研究區(qū)位于華北陸塊魯西隆起區(qū)，構(gòu)造比較復(fù)雜，嶧山斷裂將其分為東、西兩部分：西部為滕州斷凹，其內(nèi)發(fā)育著不同方向和規(guī)模的斷層和背向斜；東部為山亭斷凹的西部邊緣。境內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，以正斷層為主，逆斷層較少(圖1)。區(qū)域地層主要為古生代寒武系和奧陶系，石炭—二疊系、中生代侏羅系均隱伏于第四系之下，第四系廣泛發(fā)育。

1—第四系；2—隱伏侏羅紀(jì)淄博群三臺(tái)組；3—隱伏石炭—二疊系；4—奧陶紀(jì)馬家溝群；5—寒武—奧陶紀(jì)九龍群三山子組；6—寒武紀(jì)九龍群炒米店組；7—寒武紀(jì)九龍群崮山組；8—寒武紀(jì)九龍群張夏組；9—寒武紀(jì)九龍群饅頭組；10—寒武紀(jì)長清群朱砂洞組；11—花崗閃長玢巖；12—石英閃長玢巖；13—二長花崗巖；14—斑狀中?；◢忛W長巖；15—中?；◢忛W長巖；16—石英閃長巖；17—斷塊分界線；18—地層界線；19—斷層；20—研究區(qū)范圍圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖

2 研究區(qū)巖溶塌陷發(fā)育特征

2.1 發(fā)育概況

根據(jù)研究區(qū)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)(圖2)，查明該區(qū)域內(nèi)巖溶塌陷坑有11處(包括村民自行回填6處或未做特殊處理的5處)，塌陷坑總面積552.35m2(已回填塌坑面積455.42m2)，巖溶塌陷隱患點(diǎn)(地表已變形但暫未形成塌陷坑)34處，總面積1361.78m2，以及根據(jù)物探工作推測的巖溶塌陷隱患點(diǎn)(表1)。調(diào)查區(qū)內(nèi)巖溶塌陷按塌陷時(shí)期屬現(xiàn)代塌陷，人為塌陷，抽汲巖溶地下水塌陷，碳酸鹽巖類塌陷，蓋層結(jié)構(gòu)為土層塌陷[9]。

表1 研究區(qū)巖溶塌陷基本情況一覽表

1—研究區(qū)范圍；2—巖溶塌陷坑編號(hào)及位置；3—巖溶塌陷隱患點(diǎn)；4—物探區(qū)范圍；5—物探剖面線及編號(hào)圖2 研究區(qū)地面塌陷平布分布圖

2.2 時(shí)空分布規(guī)律

通過對(duì)區(qū)內(nèi)已有塌陷點(diǎn)資料分析，本研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷災(zāi)害的發(fā)生在時(shí)間上具有突發(fā)性，在空間上具有隱蔽性，其分布上具有規(guī)律性。

針對(duì)區(qū)內(nèi)2015年6—10月的巖溶塌陷情況進(jìn)行總結(jié)歸納，累計(jì)產(chǎn)生塌陷坑11處(圖3)。根據(jù)調(diào)查情況發(fā)現(xiàn)，塌陷主要集中發(fā)生旱季后期(6—7月)或者豐水期末期(9—10月)，即塌陷發(fā)生在降雨期前農(nóng)田大量灌溉之后或大雨量降水后，受到農(nóng)業(yè)灌溉情況和降雨豐水期的短時(shí)間內(nèi)的影響，塌陷的發(fā)生在一定時(shí)間程度上存在集中突發(fā)的情況。

圖3 巖溶塌陷發(fā)生的時(shí)間分布圖(2015年)

巖溶塌陷具有明確的地域性。發(fā)生巖溶塌陷的后大宮、楊明莊、羅莊及虺城店，均位于水源地徑流區(qū)；且?guī)r溶水開采水位降落漏斗區(qū)邊緣和漏斗展布方向以漏斗中心呈放射狀。

塌陷的發(fā)生與地層巖性結(jié)構(gòu)及構(gòu)造相關(guān)性較強(qiáng)。巖溶塌陷點(diǎn)及隱患點(diǎn)統(tǒng)計(jì)塌陷多發(fā)生在第四系厚度10～30m之間，從土層性質(zhì)方面來說，砂層厚度較大時(shí)粉質(zhì)黏土、黏土較易發(fā)生塌陷，隨著砂層的逐漸變薄，發(fā)生巖溶塌陷的程度變緩。巖溶塌陷及隱患點(diǎn)的分布與下伏基巖的巖性密切相關(guān)，多發(fā)生在寒武—奧陶紀(jì)九龍群三山子組白云質(zhì)灰?guī)r、石灰?guī)r和馬家溝群白云質(zhì)灰?guī)r、石灰?guī)r分布區(qū)。下伏基巖斷裂構(gòu)造附近更容易形成巖溶塌陷，如楊明莊位于東郭斷裂附近。俞寨、前梁、羅莊、后大宮及后荊溝是在嶧山斷裂及其衍生的次生斷裂附近。

區(qū)內(nèi)巖溶塌陷及隱患點(diǎn)的產(chǎn)生與地形和地表水體具有密切的關(guān)系，多發(fā)生在地形低洼及近河流附近。發(fā)生在河流階地的巖溶塌陷及隱患點(diǎn)，占總數(shù)的81.48%，沿河床分布的塌陷，占總數(shù)的12.59%。

綜上所述，研究區(qū)內(nèi)的巖溶塌陷在時(shí)間上與降水和農(nóng)田灌溉的季節(jié)性有關(guān)；空間上主要發(fā)生在水源地徑流區(qū)，受地層構(gòu)造和水位的影響。因此，對(duì)研究區(qū)的巖溶塌陷的形成機(jī)理分析應(yīng)重點(diǎn)考慮地質(zhì)、水文等因素的影響。

2.3 巖溶塌陷形態(tài)特征

巖溶塌陷的平面和剖面形態(tài)特征取決于巖溶裂隙發(fā)育特征狀況，在不同方向和深度發(fā)育狀況不同的巖溶裂隙會(huì)形成不同形態(tài)的塌陷坑，區(qū)內(nèi)巖溶塌陷形態(tài)具以下特征：

研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷塌坑平面形態(tài)多為圓形，塌陷深度0.5～7m，面積25～300m2不等。

在剖面上，塌陷后區(qū)內(nèi)塌坑剖面形態(tài)一般呈直圓柱狀(圖4)。并且塌陷坑在不同時(shí)期的形態(tài)也不盡一致。有的塌陷坑在回填后，又會(huì)出現(xiàn)重復(fù)塌陷，塌陷坑周邊就會(huì)在剖面上形成階梯狀地形。

1—粉質(zhì)黏土層；2—粗砂層；3—黏土層；4—碳酸鹽巖層圖4 巖溶塌陷剖面特征示意圖

3 巖溶塌陷成因分析

巖溶塌陷的產(chǎn)生大多具有隱伏性、突發(fā)性、多因素性、不確定性和模糊性的特點(diǎn)。巖溶塌陷的形成，一般來說，都要經(jīng)過由溶洞—土洞—塌陷(土層塌陷)的過程。在塌陷形成的過程中，往往要受到多種因素的影響和作用，但總的來說，塌陷的產(chǎn)生都是發(fā)生在當(dāng)致塌力(如土體自重、地下側(cè)向滲透、巖土體空隙中正負(fù)壓力等)超過抗塌力(如巖土體內(nèi)聚力、地下水的浮托力等)的情況下。因此分析巖溶塌陷的形成條件及主要誘發(fā)因素研究是進(jìn)行其防治的重要基礎(chǔ)工作。就本研究區(qū)域而言，發(fā)育的淺層開口巖溶洞隙的存在、一定厚度的松散覆蓋層及地下水位大幅下降是產(chǎn)生巖溶塌陷的基本條件。超采地下水是研究區(qū)內(nèi)發(fā)生巖溶塌陷的主要因素。在枯水期農(nóng)業(yè)上集中開采地下水進(jìn)行農(nóng)田灌溉及強(qiáng)降雨是產(chǎn)生巖溶塌陷的誘發(fā)因素。

上層蓋層土體是影響塌陷的重要因素，其物理力學(xué)性質(zhì)(含水率ω、孔隙比e、飽和度Sr等)、結(jié)構(gòu)組成及厚度等都對(duì)巖溶塌陷的形成產(chǎn)生重要影響。本次工作對(duì)該地區(qū)的4個(gè)塌陷區(qū)和相鄰的3個(gè)非塌陷區(qū)分別進(jìn)行了工程地質(zhì)鉆探取樣工作，并進(jìn)行了物理力學(xué)指標(biāo)測試(表2)。

表2 塌陷區(qū)及巖溶塌陷隱患區(qū)樣品物理力學(xué)指標(biāo)

據(jù)調(diào)查結(jié)果可知，研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷上覆蓋層土體結(jié)構(gòu)主要為粉質(zhì)黏土、中粗砂和黏土，上覆蓋層土體均為多層結(jié)構(gòu)，大量的工程實(shí)踐證明，多元結(jié)構(gòu)的蓋層產(chǎn)生破壞的可能性大于一元結(jié)構(gòu)的蓋層[10]。區(qū)內(nèi)土體的飽和度為69.0%～100%，能產(chǎn)生30～50kPa的真空負(fù)壓效果。由于飽和度增加，一方面，土體的透氣變差，有利于負(fù)壓真空的形成，另一方面，使得土體黏聚力及內(nèi)摩擦角減少，土體天然容重增加，導(dǎo)致抗塌力降低[11]。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，巖溶塌陷發(fā)生區(qū)域的土層厚度大多小于30m，原因主要是在相同的水文地質(zhì)條件下，上覆土層的厚度越小，越有利于地下水對(duì)土體的潛蝕和掏空作用，從而使得土洞擴(kuò)展到地表的進(jìn)程縮短，使塌陷易于產(chǎn)生，相反土層厚度大，從土洞發(fā)育到塌至地面的時(shí)間也長，即形成地表塌陷坑的可能性變小。

另外，地下水水位起落變化是產(chǎn)生塌陷的主要?jiǎng)恿碓?，也是其形成的關(guān)鍵。造成水位變化的主要影響因素有降雨的減少和開采量的逐步增加。據(jù)長期監(jiān)測(棗莊市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站)和調(diào)查資料分析顯示(表3,圖5)，2008—2010年、2012—2015年地下水水位呈下降狀態(tài)，2006年均水位為72.539m，到2014年下降至68.047m，下降了4.492m。據(jù)2015年水位監(jiān)測資料，區(qū)內(nèi)第四系孔隙水從2015年6月份已被疏干，裂隙巖溶水水位仍呈下降狀態(tài)，水位位于基巖面以下，至2015年6月巖溶塌陷開始出現(xiàn)，地下水位下降了14.97m。

表3 巖溶塌陷與開采量、地下水水位關(guān)系表

圖5 巖溶塌陷與開采量、地下水水位關(guān)系圖

對(duì)地下水開采量的增加是造成水位降低的主要因素，據(jù)收集資料(棗莊市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站)2009年荊泉的水資源開采量為5.76萬m3/d增加到2015年的8萬m3/d(其中2012年開采量有所減少)，隨著開采量的逐年增加，造成地下水水位持續(xù)下降，至2015年6月，巖溶塌陷開始發(fā)生。與表2調(diào)查的巖溶塌陷情況相比，在開采井附近，發(fā)現(xiàn)塌陷點(diǎn)最為密集，因此可得出地下水的開采量增加會(huì)造成地下水位降低，與巖溶塌陷情況發(fā)生存在對(duì)應(yīng)情況。即對(duì)地下水開采量的增加造成的水位持續(xù)下降是導(dǎo)致該區(qū)域塌陷點(diǎn)密集發(fā)生的一個(gè)主要因素。

此外，在枯水期農(nóng)業(yè)上集中開采地下水進(jìn)行農(nóng)田灌溉及強(qiáng)降雨是產(chǎn)生巖溶塌陷的誘發(fā)因素。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，巖溶塌陷及巖溶塌陷隱患點(diǎn)多產(chǎn)生于地形相對(duì)低洼的農(nóng)田，這是由于地形低洼處的農(nóng)田灌溉及降雨，增加孔隙水補(bǔ)給、孔隙水向孔洞流動(dòng)、地下水潛蝕作用增強(qiáng)，農(nóng)田、村莊往往先于地形較高處塌陷；在地形較高處，降水及農(nóng)田灌溉水流匯集不充分，孔隙水得到補(bǔ)給差，地表水與地下水的交替運(yùn)動(dòng)較差，出現(xiàn)塌陷的時(shí)間晚，次數(shù)也少，規(guī)模不大。

4 巖溶塌陷災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)因子選取

從上文巖溶塌陷的形成機(jī)理分析，塌陷產(chǎn)生與否主要取決于地質(zhì)環(huán)境，包括巖溶發(fā)育程度、覆蓋層特征、地下水動(dòng)力條件、地質(zhì)構(gòu)造、基巖特性和地形地貌等。而人類工程活動(dòng)主要體現(xiàn)在對(duì)碳酸鹽巖地下水的開采方式和開采強(qiáng)度，它不過是形成巖溶塌陷的催化劑，在一定程度上促進(jìn)或引發(fā)巖溶塌陷[12-14]。

為了突出影響地災(zāi)易發(fā)性的主要指標(biāo)，本次評(píng)價(jià)采用層次分析法對(duì)區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖隱伏分布區(qū)進(jìn)行易發(fā)性綜合分區(qū)評(píng)價(jià)[15]，并結(jié)合研究區(qū)域巖溶塌陷的實(shí)際發(fā)生情況和前文分析研究得到的結(jié)論，選取了巖溶發(fā)育程度、覆蓋層特征及地下水動(dòng)力條件作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，7種評(píng)價(jià)因子的等級(jí)指標(biāo)和權(quán)重列于表4中。

表4 巖溶塌陷易發(fā)性評(píng)價(jià)因子權(quán)重一覽表

權(quán)重的確定是判斷矩陣的元素反映了研究者對(duì)影響因子之間相對(duì)重要性的認(rèn)識(shí)。本次所選用的權(quán)重，均采用經(jīng)驗(yàn)法和試算法確定，即先確定一套試算權(quán)重初值，選擇一些塌陷程度不同的實(shí)例單元進(jìn)行權(quán)重反演，若相差太大時(shí)，則再對(duì)權(quán)值進(jìn)行調(diào)整，直到調(diào)試合理后方可作為計(jì)算權(quán)值。在本次評(píng)價(jià)工作中，對(duì)于基本條件層：WA={WA1，WA2，WA3}，則有WA={0.25，0.28，0.47}，對(duì)于因子層：WB={WB1，WB2，WB3，WB4，WB5，WB6，WB7}，則有WB={0.1662，0.0851，0.1695，0.1067，0.1981，0.1643，0.1101}。于是得到某預(yù)測單元j評(píng)價(jià)預(yù)測集的計(jì)算模型：

Ej=WAAj=WBBj={e1，e2，e3，e4}

(1)

式中：e1，e2，e3，e4分別為巖溶塌陷非易發(fā)級(jí)(e1)、巖溶塌陷低易發(fā)級(jí)(e2)、巖溶塌陷中易發(fā)級(jí)(e3)、巖溶塌陷高易發(fā)級(jí)(e4)隸屬度。

通過不同層次、不同影響因子的權(quán)重，以此來劃分各影響因素對(duì)巖溶塌陷產(chǎn)生的影響程度和影響因素之間的組合效應(yīng)，然后在確定各因子隸屬度的基礎(chǔ)上進(jìn)行多因子綜合，得到各單元的巖溶塌陷預(yù)測結(jié)果。

4.2 巖溶塌陷易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果

通過對(duì)評(píng)價(jià)因子的預(yù)測分析，并結(jié)合《滕州市荊泉水源地區(qū)域巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查報(bào)告》及《山東省棗莊市地質(zhì)災(zāi)害核查報(bào)告》，生成巖溶塌陷易發(fā)性評(píng)價(jià)圖(圖6)，從圖中可以看出：劃分巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)(面積約24.03km2)、中易發(fā)區(qū)(面積約56.23km2)、低易發(fā)區(qū)(面積約33.70km2)、非易發(fā)區(qū)(面積約1381.04km2)4個(gè)區(qū)，巖溶塌陷的發(fā)生分布情況可體現(xiàn)出該易發(fā)性評(píng)價(jià)工作的可靠性。

1—非易發(fā)區(qū)；2—低易發(fā)區(qū)；3—中易發(fā)區(qū)；4—高易發(fā)區(qū)；5—巖溶塌陷圖6 巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)圖

5 巖溶塌陷防治措施

研究區(qū)過量開采地下水資源是引起該區(qū)域巖溶塌陷的主要因素，誘發(fā)因素有農(nóng)田灌溉和降水。但考慮到巖溶塌陷的產(chǎn)生大多具有隱伏性、突發(fā)性、多因素性、不確定性和模糊性的特點(diǎn)，因此降低巖溶塌陷災(zāi)害的危害程度主要以預(yù)防為主，現(xiàn)主要提出以下幾點(diǎn)防治措施：

控制地下水資源的過度開采。地下水資源的不合理開采使用是導(dǎo)致巖溶塌陷產(chǎn)生的最根本原因，因此合理規(guī)劃地下水的開采是預(yù)防巖溶塌陷最有效的方法[16]。

在巖溶塌陷多發(fā)的地區(qū)，建議提前制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)防措施，在有巖溶塌陷發(fā)生時(shí)降低對(duì)群眾生命財(cái)產(chǎn)的影響。例如，雨季來臨前，應(yīng)提前做好巖溶塌陷易發(fā)區(qū)建筑物附近的排水工作；提前制定好計(jì)劃和災(zāi)害應(yīng)急處理方案科學(xué)合理的災(zāi)害應(yīng)急處理等。

對(duì)巖溶塌陷區(qū)的房屋和變形地面進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警。巖溶塌陷監(jiān)測是在巖溶塌陷區(qū)域的長期觀測，包括降雨量、巖溶地下水水位、涌水量、地表水水位和塌陷、地面變形、建筑物開裂變形位移等觀測的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，是長期觀測的繼續(xù)和擴(kuò)展，對(duì)觀測巖溶塌陷前的前兆現(xiàn)象的變化進(jìn)行進(jìn)一步分析，便于分析判斷災(zāi)害的發(fā)生發(fā)展趨勢(shì)，為及時(shí)采取應(yīng)急措施提供科學(xué)依據(jù)[17-20]。

6 結(jié)論

(1)基本查明位于滕州市東北部荊泉供水水源地地質(zhì)環(huán)境條件，具備發(fā)生巖溶塌陷的基本條件。研究區(qū)內(nèi)發(fā)生巖溶塌陷的主要原因是過量開采巖溶水，誘發(fā)因素有農(nóng)田灌溉和降水。

(2)研究區(qū)巖溶塌陷分布特征，發(fā)生于地勢(shì)相對(duì)低洼，距河流較近的農(nóng)田或村莊路；發(fā)生時(shí)間一般是枯水期至豐水期之間和豐水期后的地下水位變化劇烈期。

(3)運(yùn)用層次分析法對(duì)該區(qū)域的巖溶塌陷情況進(jìn)行易發(fā)性評(píng)價(jià)，將該研究區(qū)劃分巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、非易發(fā)區(qū)4個(gè)區(qū)，巖溶塌陷的實(shí)際發(fā)生分布情況可體現(xiàn)出該易發(fā)性評(píng)價(jià)工作的可靠性。

(4)針對(duì)區(qū)內(nèi)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的主要防治措施有控制規(guī)劃地下水資源開采量，采取應(yīng)急預(yù)防和監(jiān)測預(yù)警措施。