地面塌陷地質災害成因分析
——以貴州某地面塌陷為例

陳鴻宇 常亞婷

（貴州省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一〇四地質大隊，貴州 都勻 558000）

0 引言

地面塌陷屬于地質災害的一種，是一種人與自然環(huán)境之間的相互作用，指在自然或者人為因素影響下，地表巖、土體向下陷落，并在地面形成塌陷坑（土洞），對人類生命財產(chǎn)造成威脅、損失以及對環(huán)境造成破壞的一種動力地質現(xiàn)象［1］。本研究以貴州某地面塌陷為例，分析地面塌陷地質災害的成因，提供參考及防治依據(jù)，避免其給人們帶來的生命威脅及減少財產(chǎn)損失［2］。

1 研究區(qū)概況

1.1 氣象及水文

研究區(qū)屬中亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，氣溫分布的總趨勢是南高北低。地勢每升高100 m，氣溫約下降0.55℃；年平均氣溫18.3℃。研究區(qū)地形地勢復雜，氣候垂直變化和地形小氣候明顯。常年最熱月為7月，最冷月為1月。研究區(qū)多年（50年）平均降水量為1 247.5 mm，最大降雨量為1 590.7 mm（2016年），最小降雨量為919.0 mm（1981年）。月平均最大降雨量為7月，達254.9 mm，研究區(qū)豐水期主要集中在5—8月，枯水期主要集中在11—12月及次年1—2月。

境內屬珠江流域，龍江水系。東南部溪流一般沿群峰環(huán)抱的盆地及洼地一側流出，迂回曲折。西南部地表水系較為發(fā)育。全縣集雨面積大于20 km2，河道長于10 km的河流共30條。區(qū)內河道總長1 048 km，其中各河流主河道長483.95 km，河道密度0.47 km/km2。研究區(qū)內流域面積為2 375.1 km2。本次調查泉點（S1、S2、S3）3處，S1位于地面塌陷的西北側、隧道北東側，與隧道平距約33 m，該泉點水量較小，受季節(jié)影響大，流量約0.033 L/s；S2泉點位于調查區(qū)東部山腳下，受季節(jié)影響較大，調查時流量約為0.027 L/s；S3泉點位于居民房屋背后的山腳下，受季節(jié)影響大，流量約0.0 14 L/s（見圖1）。

圖1 泉點

除此之外，研究區(qū)內還存在季節(jié)性地表水流，從研究區(qū)中坪沿著組間公路邊排水溝向西至研究區(qū)上坪落水洞流入地下補給地下水。

研究區(qū)地處貴州高原向與桂東丘陵過渡的斜坡地帶。地勢總趨勢為北高南低，東北偶高。全縣最高點海拔1 490 m，最低點位于南部，海拔僅為300 m，海拔高差達1 190 m?？h城海拔425 m，全縣平均海拔758.8 m。

1.2 地形地貌

全縣地形坡度在10°～20°的緩坡地帶面積779.00 km2，占比最大達32.25%。其次是地形坡度＞30°陡坡地帶面積631.19 km2，面積占比26.13%。最少的是0°～10°的平地，面積95.30 km2，占比3.95%。

研究區(qū)屬中低山地形，巖溶峰叢洼地、峰林谷地地貌，整體中部低，向四周高。區(qū)內海拔標高一般在800.0～1 100.4 m，最高點為調查西南角四方坡，海拔標高1 100.4 m；最低點位于研究區(qū)中心下坪，海拔高程804.7 m。調查區(qū)最大相對高差295.7 m。

1.3 地質構造

全縣所屬大地構造位置分屬兩大構造體系，一是揚子準臺地黔南臺陷貴定南北間構造變形區(qū)，縣境內西北一角，發(fā)育有王司背斜；二是華南褶皺帶，主要有方村向斜、周覃背斜、荔波向斜、撈村背斜、茂蘭向斜，呈斜列的“多”字形展布，境內分布廣泛。這兩大構造體系，在全縣境內以甲良斷層為界。

據(jù)區(qū)域地質資料，研究區(qū)位于山江背斜西北翼，研究區(qū)中心距離背斜核部約1.8 km。經(jīng)區(qū)域地質勘查，研究區(qū)中部發(fā)育兩條正斷層F1、F2，F(xiàn)1斷層呈近南北向，傾角約80°，F(xiàn)2斷層呈近東西向，傾角約86°，F(xiàn)1斷層被F2斷層切斷，斷距約40 m。斷層附近巖層產(chǎn)狀變化較大，產(chǎn)狀在60°～297°∠5°～28°。由于受地質構造應力等因素的影響，次生構造如節(jié)理、裂隙等較發(fā)育，本次現(xiàn)場調查統(tǒng)計節(jié)理裂隙共11組（558條），并制作節(jié)理玫瑰花圖（見圖2），可以看出節(jié)理裂隙走向大致在30°～60°，與實際調查的地下水流向基本一致。調查區(qū)地質構造屬復雜類型。

圖2 節(jié)理玫瑰花圖

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），研究區(qū)地震動反應譜特征周期為0.35 s，地震動峰值加速度為0.05g。根據(jù)地震動峰值加速度分區(qū)和地震基本烈度對照表，研究區(qū)相應地震基本烈度為Ⅵ度。目前未發(fā)現(xiàn)有火山活動及破壞性的新構造運動，屬于地殼穩(wěn)定區(qū)。

1.4 水文地質工程地質條件

1.4.1 地下水類型。根據(jù)研究區(qū)內地下水賦存的巖性、含水介質類型及其組合，可將地下水類型劃分為碳酸鹽巖巖溶水和第四系松散巖類孔隙水兩類，主要為碳酸鹽巖類巖溶水，該類含水巖組為工作區(qū)內主要含水巖組，占工作區(qū)面積的80%以上，除上、中、下坪居住區(qū)域及耕地分布松散巖類孔隙水外，其他區(qū)域連片分布碳酸鹽巖類含巖溶水，地下水賦存于溶蝕管道、溶洞、溶孔等含水介質中。工作區(qū)地下水類型劃分統(tǒng)計表見表1。

區(qū)內有多處地下水露頭，分別位于隧道北東方向270 m、360 m、550 m、700 m處，均為常年含水，隧道施工后兩處（Y05、TC1）水位下降，另外兩處（Y04、LD1）干枯。

松散巖類孔隙水分布于研究區(qū)內第四系松散層，巖性主要為黏土、溶蝕殘留黏土，厚度0～8 m，局部可達20 m，主要分布于洼地地帶，在溝谷中有少量分布，具有一定的透水性，富水性弱。

按照含水介質組合類型將研究區(qū)內碳酸鹽巖類巖溶水分為溶洞管道水及溶孔溶隙水。

溶洞管道水：該類地下水主要賦存于馬平組（C2P1m）與黃龍組（C2h）地層中，巖性以灰?guī)r為主。運移及賦存空間主要為溶洞、管道，地表巖溶洼地、落水洞等較為發(fā)育，有明顯的地下河及伏流管道，含水介質極不均勻，富水性強。

溶孔溶隙水：該類地下水主要賦存于擺佐組（Cb）及上司組（C1sh）地層中，巖性以白云巖為主。地下水賦存、運移的空間主要為溶孔、溶隙，富水性中-弱。

1.4.2 水文地質特征。大氣降水是區(qū)內地下水主要補給來源，在碳酸鹽巖裸露的地區(qū)，大氣降水除通過落水洞、漏斗、地下河天窗、地下河入口（伏流入口）等集中補給地下水，其他面狀入滲補給。在碎屑巖分布區(qū)，大氣降水則沿巖石的風化裂隙或孔隙，滲入地下補給，從泉水流量的動態(tài)變化特征顯示了地下水與大氣降水的密切關系。

此外，局部地表水側向補給地下水。在碳酸鹽巖與碎屑巖接觸分布區(qū)域，碎屑巖區(qū)的溪溝水進入碳酸鹽巖分布后，多數(shù)沿落水洞、地下河入口等匯入地下河管道，集中補給地下水。

區(qū)域上，總體受張樟江、打狗河水文網(wǎng)控制，地下水總體沿北向南徑流。在四級流域單元內，由于受到巖性條件差異因素影響，地下水的徑流方式差別較大。在厚層灰?guī)r分布區(qū)，巖溶管道發(fā)育，地下水大多集中在巖溶管道徑流中，并且以巖溶大泉及暗河的形式排泄于河谷中或因碎屑巖阻水出露地表。而在碳酸鹽巖與碎屑巖互層分布的地區(qū)，地下水多以層間水的形式徑流。在碎屑巖分布區(qū)，地下水主要賦存于基巖裂隙中，并沿地形自然斜坡做滲流運動，于就近的溪溝中排出地表。

境內地下水排泄主要受巖性、構造、地形地貌控制，一般以當?shù)睾庸葹樽畹团判够鶞拭?，排泄方式有集中排泄和分散排泄。石灰?guī)r地層一般發(fā)育有巖溶大泉和地下河，以集中排泄為主。白云巖地層和基巖裂隙地層，泉流量一般較小，以分散排泄為主。全內以南部打狗河河谷為最終排泄基準面。

研究區(qū)為一中間低四周高的洼地，大氣降水是地下水主要補給來源，在碳酸鹽巖裸露的地區(qū)，大氣降水除通過落水洞、漏斗、地下河天窗等集中補給地下水，其他面狀入滲補給，地下水沿溶蝕裂隙密集帶、巖溶管道、斷裂破碎帶等徑流運移，于地勢低洼處以泉、地下暗河等形式排泄。

研究區(qū)地下水無色、無味、無臭、透明，水溫18～21℃，pH顯中性。地下水陽離子以Ca2+、Mg2+為主，陰離子則主要為HCO3-。地下水化學類型屬HCO3--Ca2+、HCO3--Mg2+型低礦化中性軟水，能夠達到生產(chǎn)生活用水的要求。

1.4.3 工程地質條件。研究區(qū)內巖土體根據(jù)其強度和工程地質特征，可劃分為松散巖類和硬質巖類兩類。

松散巖類：區(qū)內地表土層厚度一般在0～8 m，為殘坡積層黏土、巖溶殘積成因的紅黏土等。結構松散，力學強度低，具有較高的可壓縮性。

硬質巖類：調查區(qū)內石炭系馬平組、黃龍組、擺佐組、上司組中的碳酸鹽巖，巖石堅硬致密，屬于堅硬類型，抗壓強度高，抗風化能力強，巖體穩(wěn)定性中等-良，工程地質條件較好，不良之處是這類巖石巖溶發(fā)育較強烈，施工過程中應防止巖爆、掉塊、崩塌、涌水、突水等。分布于調查區(qū)大部分地區(qū)。

1.5 人類工程活動

該研究區(qū)用電較方便，村民日常生活飲用水主要來源于自來水；區(qū)內人類工程活動主要表現(xiàn)為隧道施工和村民農業(yè)耕作，農業(yè)耕作對地質環(huán)境的影響較弱，而隧道施工對地質環(huán)境的影響強烈。

2 研究區(qū)地面塌陷成因分析

2.1 地質環(huán)境條件

研究區(qū)屬于巖溶峰叢洼地、峰林谷地地貌類型，上、中、下坪位于一寬闊洼地之中，表層第四系厚度平均厚度約為8 m，局部可達20 m厚，為塌陷坑（土洞）的形成提供了物質條件基礎；研究區(qū)出露地層為石炭系馬平組、黃龍組、擺佐組以及上司組地層，屬于碳酸鹽巖，落水洞、溶洞、溶穴發(fā)育，巖溶發(fā)育強，地下管道發(fā)育，為地面塌陷的形成提供有利條件；大氣降水通過落水洞、溶穴溶洞以及溶孔溶隙入滲地下，成為研究區(qū)地下水主要補給來源之一，增強地下水對巖溶管道沖蝕、潛蝕作用，為地面塌陷的發(fā)育和發(fā)展提供有利條件。

現(xiàn)場調查共558條節(jié)理裂隙，通過對其進行歸類統(tǒng)計為11組，并對11組節(jié)理裂隙制作玫瑰花圖，發(fā)現(xiàn)節(jié)理裂隙的走向與地下水流向大體一致，說明其為導水裂隙，為地下水的流動提供了條件，也為研究區(qū)地面塌陷的形成創(chuàng)造了有利條件。

2.2 誘發(fā)因素

2.2.1 疏排地下水降落漏斗影響范圍。研究區(qū)地面距離300～700 m處修建高鐵用隧道，離地面高差約120 m，于2016年底開工建設。隧道內涌水點主要為K2、K3、K4，地下水持續(xù)不斷流出，破壞了原有的地下水平衡，在疏干影響范圍內，疏通了地下巖溶等通道，必會造成隧道周圍地下水疏干、地表水枯竭，隱伏管道堆積物逐漸流失、地表塌陷等現(xiàn)象。根據(jù)《水文地質手冊》9—2—22式，預測影響寬度的公式為式（1）。

式中：Q為涌水量，m3/d；B為廊道水平長度，m；K為滲透系數(shù)，m/d；H為含水層厚度，以隧道底板到地表的總厚度計；S為水位降深，應為原地下水位至隧道底板的最大深度；R為影響寬度，m。

水文地質參數(shù)取值如下。

根據(jù)現(xiàn)場調查，隧道內涌水斷面長度為480 m，故B取值480 m；含水層厚度H以隧道底板到初始地下水位的總厚度計，經(jīng)過現(xiàn)場調查訪問，地下水位未發(fā)生變化時的地下水位標高為800 m，隧道底板標高為684 m，故H=116 m；水位降深S以隧道底板到初始地下水位總厚度計，S=116 m；Q為涌水點K1-K7總最大涌水量，取值20 428 m3/d；滲透系數(shù)K結合研究區(qū)抗旱打井相應含水層滲透系數(shù)及含水層滲透系數(shù)來取，K=3 m/d。

經(jīng)計算，隧道地下水疏干影響寬度為948.53 m。

根據(jù)實地調查訪問，隧道西南側A區(qū)地下水均未受到影響，東北側研究區(qū)地下水受到影響，B區(qū)地下水未受到影響。因此隧道西南側影響帶寬度以A區(qū)為界，東北側以B區(qū)為界。

地下水疏排影響以隧道為中心向兩邊遞減。地下水疏排對研究區(qū)影響較大；在地下水疏排影響范圍內，研究區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了較為嚴重的地質環(huán)境問題，目前已出現(xiàn)地面塌陷（38個）、裂縫（2處）、地下水位下降（4處）等現(xiàn)象。

2.2.2 主要因素分析。研究區(qū)組目前存在的地質災害主要為地面塌陷，地面塌陷導致土地受損、水田迫改旱地、公路出現(xiàn)裂縫及損毀。研究區(qū)第四系土層厚約0～8 m，下覆基巖為石炭系馬平組、黃龍組、擺佐組灰?guī)r、白云巖；部分塌陷坑內可看到基巖，甚至溶孔、溶穴。隧道未開工前，地下水與大氣壓處于一個平衡狀態(tài)，研究區(qū)未發(fā)育現(xiàn)狀地質災害；隧道施工后破壞地下巖溶管道，使得地下水的補徑排平衡被打破，管道內地下水流出，地下與地面形成壓強差，最終路面失去支撐，地面塌陷形成。

3 結論

①研究區(qū)現(xiàn)有地面塌陷坑38處，按照規(guī)模分級屬于特大型地面塌陷，影響面積為0.22 km2。

②通過對高鐵隧道涌水點進行疏排地下水降落漏斗影響寬度計算，隧道地下水疏干影響寬度為948.53 m。

③高鐵隧道的施工，破壞了原有地下水循環(huán)系統(tǒng)，在疏干影響范圍內，疏通了地下巖溶等通道，造成隧道疏干影響范圍內地下水疏干、地下水位下降，隱伏溶洞上覆堆積物流失、下陷，導致地面塌陷、裂縫現(xiàn)狀地質災害的發(fā)生。

④研究區(qū)部分居民房屋出現(xiàn)裂縫、底部下陷等現(xiàn)象為高鐵隧道疏通地下水引發(fā)。

⑤研究區(qū)地面塌陷區(qū)穩(wěn)定性差，高鐵隧道內涌水不停止，研究區(qū)地面塌陷范圍就會繼續(xù)擴大。