山東省曲阜市息陬鎮(zhèn)巖溶塌陷成因分析及防治措施研究

藺林林 劉彬濤 楊晨 王學(xué)森 孔銘

摘要： 自1993年以來，曲阜市息陬鎮(zhèn)多次發(fā)生巖溶塌陷，給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了較大的影響。本文在分析研究區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查、地球物理勘探及水文地質(zhì)鉆探，對研究區(qū)的巖溶塌陷分布規(guī)律及成因進(jìn)行深入分析，并提出防治措施。研究發(fā)現(xiàn)，巖溶塌陷多集中發(fā)生于年內(nèi)豐水期，主要受到短時強(qiáng)降雨的影響，在時間上具有集中突發(fā)的特點(diǎn)。空間上則主要受控于地質(zhì)構(gòu)造及地下水徑流的影響，主要分布于斷裂帶附近及地下水主徑流帶上。降雨引發(fā)的地下水動力條件的改變是誘發(fā)巖溶塌陷的主要因素。

關(guān)鍵詞： 巖溶塌陷；分布規(guī)律；形成原因；防治措施；曲阜市；山東省

中圖分類號： ?TE822.01 ?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼： ?A ???doi：10.12128/j.issn.1672 ?6979.2023.04.006

引文格式： 藺林林，劉彬濤，楊晨，等.山東省曲阜市息陬鎮(zhèn)巖溶塌陷成因分析及防治措施研究［J］.山東國土資源，2023，39（4）：39 ?44. LIN Linlin， LIU Bintao， YANG Chen， et al. Origin Analysis and Prevention Measures of Karst Collapse in Xizou Town in Qufu City in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（4）：39 ?44.

0 引言

近年來，山東省城市化進(jìn)程加快，人類工程活動強(qiáng)烈?？焖僭黾拥挠盟啃枨髮?dǎo)致地下水開采量激增。疊加增長的人類活動對地質(zhì)環(huán)境的影響日益加劇，巖溶地質(zhì)環(huán)境問題頻發(fā)［1 ?2］。目前，山東省存在的巖溶地質(zhì)環(huán)境問題主要有巖溶塌陷［3 ?8］、巖溶地下水污染［9 ?15］、巖溶大泉斷流［16］等。巖溶塌陷是最嚴(yán)重的問題。曲阜市息陬鎮(zhèn)自1993年首次發(fā)生巖溶塌陷后，至2021年巖溶塌陷頻發(fā)，不僅制約了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展，也給人民群眾生命財產(chǎn)安全造成極大隱患，同時對日蘭高速的運(yùn)輸安全造成嚴(yán)重威脅，亟需分析其發(fā)育規(guī)律、總結(jié)成因并提出防治措施，降低該地區(qū)再次發(fā)生巖溶塌陷的可能性。本文重點(diǎn)以西夏宋村巖溶塌陷為例開展研究。

1 研究區(qū)概況

1.1氣象水文

研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年內(nèi)四季分明。降水主要集中在每年6月下旬至9月中旬，降水量約占全年降水總量的70%～80%，多年平均降水量689.66mm（1980—2021年），最大年降水量1076.5mm（2003年），最小年降水量415.6mm（2002年）。多年平均蒸發(fā)量1820mm，最大凍土深度38cm。

1.2 地形地貌

地貌類型為山前傾斜平原，整體地勢較平坦，略有起伏，呈東高西低、南高北低的趨勢，地面高程一般在77m左右。周邊主要河流為遼河，該段常年無水，僅在雨季時溝渠內(nèi)形成季節(jié)性水流。

1.3 區(qū)域地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)發(fā)育的斷裂主要為息陬斷裂和防山斷裂，均為隱伏斷裂（圖1）。地層的分布、巖性、厚度則明顯受構(gòu)造控制，從老到新有古生界寒武系張夏組、崮山組；寒武 ?奧陶紀(jì)炒米店組、三山子組及新生界第四紀(jì)山前組、臨沂組。寒武紀(jì)及奧陶紀(jì)地層多隱伏于第四系之下，巖層總體傾向NW。區(qū)內(nèi)地震動峰值加速度為0.05～0.10g，地震烈度為Ⅶ度，地震動反應(yīng)譜特征周期0.40s，屬地殼穩(wěn)定—基本穩(wěn)定區(qū)。

1.4 區(qū)域水文地質(zhì)條件

研究區(qū)在區(qū)域上屬于曲阜斷塊巖溶水系統(tǒng)。依據(jù)地下水賦存條件、水力聯(lián)系、水化學(xué)特征、富水程度及不同時代、不同成因、不同巖性的組合關(guān)系，區(qū)內(nèi)含水巖組主要劃分為松散巖類孔隙含水巖組、碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組兩種。

（1）松散巖類孔隙含水巖組在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布，巖性以粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、砂質(zhì)黏土、粗砂、黏土為主。塌陷點(diǎn)周邊地區(qū)第四系厚度較薄，孔隙含水層基本無水。區(qū)域上孔隙水多呈不規(guī)則條帶狀展布，主要賦存于沖積和沖洪積的各類砂層的孔隙之中。主要含水砂層埋深多在50m以淺，巖性以中粗砂、混礫砂為主，含水層厚度一般10～20m，局部超過20m。農(nóng)田灌溉多取用此含水層。

（2）碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水巖組主要包括奧陶系和寒武系，巖性以石灰?guī)r、白云巖組成為主。隱伏于第四系之下，塌陷區(qū)周邊頂板埋深為15～30m。地下水主要賦存于碳酸鹽巖的裂隙、溶隙溶孔中，單井涌水量小于1000m3/d，富水性不均，在斷裂構(gòu)造影響帶富水性增強(qiáng)。

區(qū)域上孔隙水主要接受大氣降水入滲、河流入滲及上游側(cè)向徑流補(bǔ)給，通過人工開采和側(cè)向徑流排泄，現(xiàn)狀條件下水位埋深24m左右。巖溶水主要接受上游側(cè)向徑流補(bǔ)給及孔隙水的越流補(bǔ)給，徑流方式以水平徑流為主，排泄方式為側(cè)向徑流排泄及人工開采排泄?，F(xiàn)狀條件下水位埋深40m左右。

區(qū)內(nèi)巖溶水水位年內(nèi)動態(tài)與曲阜斷塊巖溶水系統(tǒng)內(nèi)巖溶水水位年變化趨勢基本一致（圖2），受裸露區(qū)巖溶水側(cè)向徑流補(bǔ)給及上部覆蓋層越流補(bǔ)給影響，地下水位隨降水的增大而上升，受當(dāng)?shù)亻_采的影響而下降，水位年變幅相對較大，年內(nèi)最大變幅可達(dá)13～14m。多年動態(tài)呈現(xiàn)出呈振蕩式衰減的趨勢。

2 巖溶塌陷發(fā)育概況

據(jù)調(diào)查，研究區(qū)內(nèi)西夏宋村1993年首次發(fā)生巖溶塌陷，變壓器房傾倒。1995年秋又一次塌陷，停于地面的農(nóng)用拖拉機(jī)掉入塌陷坑內(nèi)。1998年8月4日和12日，連續(xù)發(fā)生兩次地面塌陷，塌坑平面上呈橢圓形，直徑14m×8m，深4～7m，致使兩間民房整體陷落。2018年村委院內(nèi)出現(xiàn)塌陷坑，直徑0.5m，深13～14m，并伴隨房屋開裂。2021年9月26日，大雨過后村委院內(nèi)再次發(fā)生巖溶塌陷，塌坑平面上呈橢圓形，直徑5m×3m，深3m（照片1），導(dǎo)致院墻開裂陷入塌陷坑中，現(xiàn)塌陷坑已部分回填。

3 巖溶塌陷分布規(guī)律

3.1 巖溶塌陷發(fā)生的時間規(guī)律

針對研究區(qū)內(nèi)自1998—2021年的塌陷情況進(jìn)行歸納，區(qū)內(nèi)共發(fā)生塌陷5處。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，塌陷發(fā)生時間主要集中于年內(nèi)豐水期（8—9月），即發(fā)生在強(qiáng)降雨過后，主要受到短時強(qiáng)降雨的影響，在時間上具有集中突發(fā)的特點(diǎn)。

3.2 巖溶塌陷發(fā)生的地域規(guī)律

塌陷發(fā)生具有一定的地域性。首先，研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷沿地下水主徑流帶分布。該處地下水流動速度快，對上覆土層的沖刷淋濾作用強(qiáng)。其次，塌陷發(fā)生于第四系厚度較薄且?guī)r溶發(fā)育強(qiáng)烈的地區(qū)。西夏宋村發(fā)生巖溶塌陷的地方第四系厚僅為10～20m左右。根據(jù)以往研究，砂層厚度較大時粉質(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［6］。塌陷點(diǎn)周邊第四系厚度小于20m，巖性以粉質(zhì)黏土、砂層、黏土為主，砂層厚達(dá)5m（圖3），顆粒粗且較松散，黏性低，容易受到地下水的沖刷。

山東省巖溶塌陷區(qū)大多分布于寒武 ?奧陶紀(jì)的灰?guī)r、白云巖中［1］。研究區(qū)內(nèi)為寒武 ?奧陶紀(jì)炒米店組灰?guī)r，質(zhì)地相對較純、較軟，相同的地下水條件下，更易于被溶解溶蝕，形成發(fā)育良好的溶孔、溶洞。

區(qū)內(nèi)巖溶塌陷沿斷裂帶分布。研究發(fā)現(xiàn)，山東省目前發(fā)生的巖溶塌陷大多分布在斷裂周邊500m范圍內(nèi)，隨著與斷裂帶距離的增加，塌陷數(shù)量逐漸減少，斷裂發(fā)生與構(gòu)造斷裂具有明顯的相關(guān)性。因為斷裂帶及其周邊地區(qū)，巖石較破碎，地下水對基巖的溶蝕作用強(qiáng)烈，大多屬于巖溶強(qiáng)發(fā)育地段，具備巖溶塌陷發(fā)生的基本條件。研究區(qū)內(nèi)根據(jù)物探分析結(jié)果，推測發(fā)育有一次級斷裂，巖溶發(fā)育較好。

綜上所述，研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷的發(fā)生在時間上具有突發(fā)性，與豐水期強(qiáng)降雨具有明顯的關(guān)系；空間上主要發(fā)生在上覆第四系蓋層較薄的地下水主徑流區(qū)及斷裂帶附近，受地層構(gòu)造與水位的雙重影響。因此，若要分析研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷發(fā)生的原因，必須要結(jié)合區(qū)內(nèi)的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件綜合分析。

4 巖溶塌陷成因分析

從西夏宋村已發(fā)生的巖溶塌陷的情況分析，巖溶發(fā)育程度、上覆第四系厚度及巖性是巖溶塌陷發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)條件。此外，巖溶水的勢能是巖溶塌陷物質(zhì)遷移及產(chǎn)生潛蝕的動力條件，沒有水流的流動沖刷，不可能發(fā)生巖溶塌陷。因此水動力條件是巖溶塌陷發(fā)生的最主要誘發(fā)因素。

4.1 巖溶發(fā)育程度

可溶巖的裂隙及洞穴的發(fā)育情況對巖溶塌陷的發(fā)生至關(guān)重要。它們可成為巖溶塌陷的物質(zhì)轉(zhuǎn)移通道，巖溶洞穴亦可成為容納上覆土層塌落體的場所。根據(jù)物探及相關(guān)鉆探成果資料，研究區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育程度分析圖如圖4所示。

受防山斷裂、息陬斷裂及其次級斷裂（圖中推測斷裂F1）影響，研究區(qū)內(nèi)巖溶裂隙沿構(gòu)造帶及其交會部分發(fā)育強(qiáng)烈，而巖溶塌陷的發(fā)生地帶與巖溶發(fā)育強(qiáng)烈地帶分布一致，即巖溶越發(fā)育的地方越有利于巖溶塌陷的形成［13］。發(fā)生巖溶塌陷的西夏宋村西地勢較低洼，地下水徑流迅速，上覆第四系砂層較厚且松散，在地下水流的沖刷作用下不斷陷落，土洞逐漸變大，當(dāng)其無法承受上覆土體壓力時，便在地表發(fā)生了巖溶塌陷。

4.2 上覆第四系厚度及結(jié)構(gòu)

根據(jù)鉆探成果資料（鉆孔位于西夏宋村委北側(cè)），研究區(qū)上覆第四系松散層為山前沖洪積堆積物，厚度小于20m，研究區(qū)屬淺覆蓋型巖溶區(qū)。巖性以粉質(zhì)黏土、黏土、砂層為主，砂土與黏土互層。砂層和灰?guī)r之間無有效的隔水層，整體上覆土層松散，容易因地下水流動沖刷形成土洞，從而產(chǎn)生巖溶塌陷。

以往研究成果顯示，地面塌陷絕大多數(shù)發(fā)生在覆蓋型巖溶區(qū)，覆蓋層是巖溶塌陷發(fā)生的主體，其厚度和結(jié)構(gòu)直接影響巖溶塌陷的易發(fā)程度［17 ?19］。綜上，西夏宋村巖溶塌陷區(qū)土層厚度相對較薄，且夾有砂層，為巖溶塌陷的發(fā)生提供了必要的基礎(chǔ)條件。

4.3 水動力條件

地下水水位統(tǒng)測資料顯示，塌陷區(qū)位于地下水主徑流帶上，小湖村方向的地下水由東北向西南方向流動到此，劉莊、中元疃方向的地下水由東南方向向此區(qū)流動，兩個方向的地下水在此匯聚，形成一處強(qiáng)徑流帶，長年累月，地下水對灰?guī)r的溶蝕作用強(qiáng)烈，溶洞溶孔逐漸增大，強(qiáng)降雨過后，上覆土層充水增重，加之淋濾沖蝕作用，繼而發(fā)生巖溶塌陷。

5 巖溶塌陷形成機(jī)理分析

研究區(qū)巖溶塌陷的形成是以地質(zhì)、水文地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，多種因素共同作用形成的［20 ?23］。

西夏宋村巖溶塌陷區(qū)上覆第四系厚度較小，以粉質(zhì)黏土和砂層為主，在地下水流沖刷作用下極易散落液化，抗塌能力漸弱。

此外，從降水量與地下水位、巖溶塌陷時間關(guān)系圖可以看出（圖5），西夏宋村巖溶塌陷區(qū)巖溶水水位長期位于基巖頂板以下，第四系長期處于疏干狀態(tài)。強(qiáng)降雨過后，雨水通過第四系入滲到基巖巖溶裂隙中，水位快速抬升。強(qiáng)降雨的快速沖刷和入滲，一方面導(dǎo)致第四系覆蓋層土體迅速充水增重，另一方面對第四系土體的軟化沖刷作用導(dǎo)致土體逐漸松散，并且沖刷帶走砂層中的顆粒，久而久之，形成地下水下滲的快速通道，地下水的沖刷力量也就更大。而降雨引起地下水徑流增大，對構(gòu)造溶隙溶洞的溶蝕作用加強(qiáng)，從而導(dǎo)致上覆土體失穩(wěn)塌陷。

綜上，研究區(qū)發(fā)生巖溶塌陷的機(jī)理可大致簡化為，在淺覆蓋型巖溶區(qū)，由于自然及人為因素作用，形成地下水強(qiáng)徑流區(qū)。第四系松散層砂土顆粒遭受地下水沖刷遷移以及真空吸蝕作用，土層完整性被破壞，形成土洞。強(qiáng)降雨期，在水的侵潤軟化增荷作用下導(dǎo)致的失穩(wěn)塌陷。

6 巖溶塌陷防治措施

（1）合理規(guī)劃地下水的開采，避免因地下水過量開采導(dǎo)致的巖溶塌陷是預(yù)防巖溶塌陷的最有效方法［24］，研究區(qū)內(nèi)需嚴(yán)控地下水開采量，使地下水位得以抬升至基巖頂板標(biāo)高以上，避免地下水位的陡升陡降對上覆土層的持續(xù)沖刷，繼而避免土洞的持續(xù)擴(kuò)大。

（2）根據(jù)以往巖溶塌陷規(guī)律，提前制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)防措施。西夏宋村巖溶塌陷點(diǎn)周邊均為民居，需提前將周邊居民進(jìn)行遷移，降低對群眾生命財產(chǎn)的影響。

（3）對塌陷區(qū)的水位動態(tài)及地面形變進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，便于分析判斷災(zāi)害的發(fā)生發(fā)展趨勢，為及時采取應(yīng)急措施提供科學(xué)的依據(jù)［25 ?27］。研究區(qū)塌陷點(diǎn)周邊可設(shè)置地下水位長期自動化監(jiān)測點(diǎn)，以實時監(jiān)測地下水位的變幅情況，為巖溶塌陷提供預(yù)警信息。

7 結(jié)論

研究區(qū)巖溶塌陷的發(fā)生綜合受上覆第四系厚度、地質(zhì)構(gòu)造及巖溶發(fā)育等基礎(chǔ)條件的影響。較薄的第四系厚度及較強(qiáng)的巖溶發(fā)育都為塌陷提供了基礎(chǔ)物質(zhì)條件。短時強(qiáng)降雨成為巖溶塌陷發(fā)生的主要誘發(fā)因素。做好塌陷區(qū)應(yīng)急預(yù)案、合理開采地下水、形成巖溶塌陷動態(tài)監(jiān)測預(yù)警網(wǎng)絡(luò)等是減輕巖溶塌陷災(zāi)害發(fā)生損失的有效手段。

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Origin Analysis and Prevention Measures of Karst Collapse ??in Xizou Town in Qufu City in Shandong Province

LIN Linlin，LIU Bintao，YANG Chen，WANG Xuesen，KONG Ming

（Lu'nan Geo ?engineering Exploration Institute（No.2 Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources ），Shandong Ji'ning 272100，China）

Abstract： ?Karst collapse has occurred many times in Xizou town in Qufu City since 1993， which has caused a great impact to local economic development. Based on full analysis of geological and hydrogeological conditions in the study area， combining with the field survey， geophysical exploration， hydrogeological drilling and other data， the distribution law and causes of karst collapse in the study area have been deeply analyzed， and prevention measures have been proposed. It is found that most of the karst collapses occurred in the flood season （August—September）. They are mainly affected by short ?term heavy rainfall， with the characteristics of concentration and sudden in time. In space， it is mainly controlled by geological structures and groundwater runoff， mainly distributed near the fault zone and on main groundwater runoff zone. The change of groundwater dynamic conditions caused by rainfall is the main factor inducing karst collapse.

Key words： ??Karst collapse；distribution law；forming origin；prevention countermeasures; Qufu city; Shandong province