花修權(quán),黃敬軍,繆世賢,張麗,武鑫
(1.徐州市國土資源局,徐州 221006;2.國土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實驗室,南京 210018;3.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,南京 210018)
徐州市位于江蘇省西北部,蘇魯豫皖四省接壤處,是重要的綜合性交通樞紐和淮海經(jīng)濟(jì)區(qū)的中心城市,全市轄豐、沛、邳州、睢寧、新沂五縣(市)及銅山、賈汪、泉山、云龍、鼓樓五區(qū),總面積11 258 k m2,地貌屬魯中南剝蝕低山丘陵的南延部分,平原洼地占90%,氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)氣候,年平均降水量832 mm。水系屬淮河流域,以故黃河為界形成三個獨(dú)立的水系:北側(cè)為沂泗運(yùn)水系,南側(cè)為濉安河水系,故黃河灘地由于河床淤高為“懸河”而單獨(dú)成一個水系。受黃河奪泗入淮的影響,明清時期徐州地區(qū)洪澇災(zāi)害頻發(fā),但地質(zhì)災(zāi)害并不多見。建國以來,隨著巖溶地下水的強(qiáng)烈開采及煤炭資源的開發(fā)利用,相繼出現(xiàn)了一系列的地質(zhì)災(zāi)害,造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失和危害,影響了人民群眾正常的生產(chǎn)生活。因此,全面總結(jié)分析徐州市主要地質(zhì)災(zāi)害的分布特征及形成地質(zhì)條件,研究防災(zāi)減災(zāi)對策對保障和促進(jìn)徐州社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,提高地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)能力具有重要的意義。
據(jù)調(diào)查,徐州市地質(zhì)災(zāi)害類型可分為滑坡、崩塌、地裂縫、地面沉降、巖溶塌陷、采空塌陷和特殊類巖土(砂土、軟土、膨脹土)等幾類。
徐州巖溶塌陷主要分布在城市中心區(qū),塌陷始發(fā)于1986年5月27日的徐州市溶劑廠,此后,在新生里、民安巷、五交化商場、開明市場、朝陽路和下洪村等地先后發(fā)生巖溶塌陷14起,共20個塌陷坑(表1、圖1)。
徐州巖溶塌陷主要發(fā)生在20世紀(jì)90年代,共14起,占塌陷總數(shù)的70%,塌陷雖屬小型,但由于塌陷分布在城市中心區(qū),人口、建筑物密度大,不但給人民的生命和財產(chǎn)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失,而且加劇了人民群眾的災(zāi)害性心理。如1986年的市溶劑廠巖溶塌陷,造成鐵路路基下沉7.5 cm,迫使東隴海行車中斷22 h,險些釀成列車顛覆的重大事故;1992年新生街塌陷,共出現(xiàn)大小8個塌坑,最大的塌陷坑直徑達(dá)25 m,深4.5 m,塌陷面積達(dá)375 m2,直接倒塌民房96戶,房屋224間,其余民房及地面嚴(yán)重開裂、變形,自來水管道、下水道等生活設(shè)施全部損壞,造成直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)4 000萬元。
徐州采空塌陷是伴隨著地下采礦而產(chǎn)生的,主要分布在賈汪、九里、閘河、利國和豐沛五大煤田的20個煤礦區(qū)及利國鐵礦區(qū)和四戶石膏礦區(qū),塌陷面積達(dá)23 354 h m2。
圖1 徐州市巖溶塌陷分布圖
表1 徐州市巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害一覽表
利國鐵礦區(qū)1963年轉(zhuǎn)入地下開采以來,先后發(fā)生2次采空塌陷,塌陷面積達(dá)8.24 h m2;四戶石膏礦雖為礦房式開采,但由于礦床深度淺、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,也已陸續(xù)誘發(fā)多起采空塌陷。2012年9月18日的富達(dá)礦塌陷坑直徑70 m,塌陷坑可見深度7 m;徐州煤田經(jīng)過130 a的開采,地表形成規(guī)模巨大的塌陷地,在平面上可分為豐沛、利國、張集、夾河—垞城、臥牛-馬莊、賈汪等6大片,涉及沛縣及銅山、泉山、賈汪和經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū),塌陷面積達(dá)22 530 h m2[1](表2)。其中城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)塌陷地面積達(dá)17 222 h m2(圖2)。
(1)對土地資源的破壞。徐州煤礦塌陷最直接的影響是土地塌陷區(qū)積水。全市21 958 h m2塌陷地中,下沉較深且地勢低洼造成長年積水或季節(jié)性積水的約5 000 h m2,積水深度達(dá)7 m,平均積水3~3.5 m,連水稻之類的農(nóng)作物也無法耕作;下沉較小或成為坡地的面積為8 000 h m2。
(2)對地表設(shè)施的破壞。徐州煤礦塌陷毀損中溝級以上建筑物1 516座,干渠及大溝以下水利工程已基本損毀,水利設(shè)施的破壞使農(nóng)田旱時不能灌,澇時不能排,有漬降不下。塌陷區(qū)或汪洋一片,或旱澇頻繁,或雜草叢生,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到嚴(yán)重影響。地面塌陷也引起房屋裂縫、變形、倒塌。采煤塌陷引起106個村莊遷移,遷移人口10.18萬人,一些橋梁斷裂,路基沉陷變形,道路網(wǎng)破壞嚴(yán)重,供電、通訊系統(tǒng)基本遭到破壞[2]。
(3)對水資源的破壞。地下采礦的礦坑疏干排水使一些地下水水源相繼斷流,大批深井干涸,造成水資源的枯竭,使原本地下水良好的富水區(qū)變?yōu)槿彼畢^(qū)。如賈汪煤田疏干排水,使青山泉水源地巖溶水水位降至地表下80多米深,造成多眼水井出現(xiàn)出水量減少或吊泵停采現(xiàn)象,賈汪城區(qū)20萬居民吃水困難。
地面沉降主要發(fā)生在豐沛地區(qū)。據(jù)地面沉降監(jiān)測資料及地下水降落漏斗的分布范圍推測,地面沉降主要發(fā)生在沛縣大屯及豐沛兩縣城市規(guī)劃區(qū)的地下水強(qiáng)烈開采區(qū),形成沛縣城區(qū)-大屯及豐縣城區(qū)兩沉降漏斗,累計沉降量大于200 mm的區(qū)域200 k m2,累計 沉降 量 大 于100 mm 的 區(qū) 域600 k m2[3](圖3)。其中,沛縣大屯地面沉降發(fā)生時間較早,1988年已形成與開采區(qū)一致的沉降漏斗,最大累計沉降量達(dá)到329 mm,至2006年,最大累計沉降量達(dá)到821 mm,平均沉降速率為27 mm/a,2006年累計沉降量大于700 mm的區(qū)域面積達(dá)到1.09 k m2,累計沉降量大于100 mm的區(qū)域達(dá)到11.57 k m2[4]。
與江蘇蘇錫常及沿海地區(qū)相比,豐沛地區(qū)地面沉降不僅發(fā)生時間晚,而且嚴(yán)重程度低,但近年來發(fā)展較快。隨著豐沛地區(qū)地面沉降趨勢的加劇必將使城鎮(zhèn)防洪抗洪能力降低,造成地下基礎(chǔ)設(shè)施破壞等危害,影響河道輸水,城市內(nèi)澇嚴(yán)重。
表2 徐州市采煤塌陷地一覽表
圖2 徐州城市規(guī)劃區(qū)采煤塌陷分布圖
3.1.1 巖溶塌陷形成的地質(zhì)條件
徐州巖溶塌陷發(fā)生在山前沖積平原及山間盆地的隱伏巖溶區(qū)內(nèi)。上覆土體為第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)松散沉積物,巖性以粘土、粉質(zhì)粘土為主,古河道內(nèi)為粉細(xì)砂、粉土;下伏巖體為早古生界以碳酸鹽巖為主的沉積建造,其中寒武系張夏組鮞?;?guī)r奧陶系馬家溝灰?guī)r巖溶發(fā)育,是徐州市主要的巖溶含水層。區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造形跡徐州弧形構(gòu)造帶由一系列復(fù)式褶皺及大致與之平行的縱向壓性-壓扭性斷裂為主組成,復(fù)式背斜核部主要由新元古界地層組成,復(fù)式向斜核部則多由二疊系地層組成。斷裂構(gòu)造都是與徐州弧形構(gòu)造帶伴生的,北北東向的壓、壓扭性縱向斷裂與弧形褶皺近于平行,斷裂面緊閉不富水;北西向張、張扭性斷裂橫切北北東向褶皺與斷裂構(gòu)造,斷裂帶內(nèi)巖石破碎,巖溶十分發(fā)育,尤其是廢黃河斷裂帶切穿了多個含水層,是徐州市主要富水帶,作為城市供水的七里溝和丁樓水源地均位于該強(qiáng)富水帶上,單井涌水量可達(dá)1 000~5 000 m3/d。
圖3 豐沛地區(qū)地面沉降分布圖
3.1.2 巖溶塌陷成因分析
巖溶塌陷是土洞或巖溶洞頂板失穩(wěn)造成的,是致塌力超過抗塌力的結(jié)果。分析徐州巖溶塌陷點(diǎn)地質(zhì)條件、巖溶發(fā)育特征及巖溶水開采等因素,導(dǎo)致塌陷的原因主要有:
(1)特定的地質(zhì)條件——塌陷受廢黃河斷裂帶及古河道控制。塌陷區(qū)為廢黃河斷裂帶與古河道(古泗水和古汴水)的重疊地帶,古河道的砂礫、粉砂層直接覆蓋在寒武-奧陶系碳酸鹽巖上。砂礫、粉砂層呈松散-稍密狀態(tài),飽水振動易液化,易于流失而產(chǎn)生塌陷;下伏碳酸鹽巖屬全型連續(xù)狀灰?guī)r,有利于巖溶發(fā)育,尤其是廢黃河斷裂帶附近基巖面存在巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的基巖破碎帶。大量水文地質(zhì)和工程地質(zhì)勘探以及專門進(jìn)行的塌陷勘探均表明,基巖面以下50 m以淺巖溶洞穴較為發(fā)育,巖溶地下水和土顆粒提供了良好的運(yùn)移通道和貯存空間,因此,塌陷的產(chǎn)生與淺部巖溶強(qiáng)烈發(fā)育并存在開口洞隙密切相關(guān)。
(2)超量開采地下水——塌陷分布在巖溶水降落漏斗內(nèi)。徐州市巖溶水開采于1941年,至1980年開采井?dāng)?shù)達(dá)235眼,開采量超過3 000×104m3,此后水位呈逐年下降趨勢,開始出現(xiàn)超采現(xiàn)象[5],1996年開采量達(dá)8 518×104m3,超采3 122×104m3。同時隨季節(jié)的不同,受降水、開采量變化等隨機(jī)性干擾,因而巖溶水水位表現(xiàn)為多年趨勢性下降、季節(jié)性頻繁波動,導(dǎo)致孔隙水與巖溶水水位相差加大,加速孔隙水對巖溶水滲透,形成土洞并發(fā)展,最終導(dǎo)致塌陷。
(3)地面震動及降雨——火車震動觸發(fā)塌陷多發(fā)生雨后。已發(fā)生的巖溶塌陷中有4處位于鐵路附近,火車的頻繁震動并復(fù)合其他因素,極易觸發(fā)洞頂失穩(wěn)。市區(qū)內(nèi)京滬鐵路幾乎平行通過廢黃河斷裂巖溶發(fā)育帶,這一影響因素不容忽視;統(tǒng)計表明塌陷多發(fā)生在降雨期間或大雨量降水后較短時間內(nèi),說明降雨的影響是主要的觸發(fā)因素之一。
3.2.1 采空塌陷形成的地質(zhì)條件
(1)煤礦塌陷
徐州市是江蘇省唯一的煤炭基地,煤田賦存面積達(dá)1 400 k m2,分徐州礦區(qū)(賈汪、九里、閘河、利國煤田)和豐沛礦區(qū),主要含煤地層為石炭-二疊系,包括上石炭統(tǒng)本溪組(C2b)、太原組(C2t),下二疊統(tǒng)山西組(P1s),中二疊統(tǒng)下石盒子組(P1x),中上二疊統(tǒng)上石盒子組(P2-3s),煤系地層的總厚度超過400 m,煤層數(shù)多達(dá)22層,可采煤層6~9層,厚層或透鏡體狀分布,氣煤、肥煤為主。上覆巖體為二疊系上統(tǒng)上石盒子組泥巖,徐州礦區(qū)第四系厚度30~100 m,豐沛礦區(qū)第四系厚度180~220 m。
(2)鐵礦塌陷
徐州利國鐵礦為接觸交代-熱液充填型磁鐵礦礦床,成礦受地層、構(gòu)造、巖漿巖及蝕變交代作用的綜合控制,鐵礦主要為磁鐵礦,礦體呈透鏡狀、似層狀、囊狀,賦存于燕山早期(石英)閃長斑巖和下奧陶統(tǒng)肖縣組、馬家溝組碳酸鹽巖的接觸帶及其附近,前者提供物質(zhì)來源為鐵礦成礦母巖,后者地層是成礦的有利條件是其成礦圍巖。礦區(qū)可分為墓山、峒山、西馬山、利國鎮(zhèn)4個礦段,除利國鎮(zhèn)礦段仍在開采外,其余3個礦段均已閉坑。
(3)石膏礦塌陷
邳州石膏礦是華東地區(qū)最大的石膏礦,為湖相蒸發(fā)沉積礦床,成膏的斷陷湖盆為第三紀(jì)內(nèi)陸沉積盆地(韓莊-四戶盆地),盆地沉積具明顯規(guī)律性,自下而上為碎屑巖-泥巖建造→膏鹽巖-泥巖建造→泥巖-碎屑巖建造,每一建造代表不同的沉積條件。礦床控制面積180 k m2,地表為第四系松散沉積物,厚20~40 m,下伏第三系官莊群卞橋組泥巖、粗砂泥巖,石膏礦體主要分布于第三系官莊群卞橋組中段,3層礦層總厚度400 m,淺層膏埋藏深度50 m,具礦層厚、埋藏淺、品種全、品位高、儲量豐富等特點(diǎn)。
3.2.2 采空塌陷成因分析
煤礦區(qū)、鐵礦區(qū)的采礦方式主要是走向長壁式,采空區(qū)的頂板管理大多為全部垮落法,礦層采出后,在巖體內(nèi)部形成一定空間,其周圍原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞,采空區(qū)頂板覆巖失去支撐,通過礦層頂、底板巖層變形破壞來達(dá)到應(yīng)力平衡。石膏礦雖采用礦房式開采,采空區(qū)留有礦柱用以支撐頂板巖層,可隨著石膏礦層頂板及礦柱在地下水和空氣的作用下風(fēng)化、變形,強(qiáng)度降低,在上覆巖層的重力和構(gòu)造應(yīng)力的共同作用下,頂板和礦柱通過變形達(dá)到應(yīng)力平衡。
頂板巖層的變形破壞一般自下而上出現(xiàn)“冒落(垮落)、裂縫和整體移動(彎曲)”三個破壞帶,當(dāng)這三個帶達(dá)到地表時,使地表產(chǎn)生移動和變形,即形成采空塌陷。
3.3.1 地面沉降形成的地質(zhì)條件
豐沛地區(qū)自新生代以來,長期處于沉降階段,沉積了巨厚的松散堆積物,第四紀(jì)松散層沉積厚度達(dá)180~220 m,總的趨勢是自東向西逐漸增厚,基底局部起伏明顯,其間分布發(fā)育有多層含水砂層,厚度累計40~80 m。
據(jù)地下水賦存介質(zhì)及水動力條件,豐沛地區(qū)第四系松散巖類孔隙含水層劃分為4個含水層組。潛水近地表分布發(fā)育,含水層由全新世亞粘土、亞砂土、粉砂組成,厚10~20 m;第Ⅰ承壓含水層由晚更新世沉積的粉細(xì)砂組成,厚3~10 m,單井涌水量100~200 m3/d,為該地區(qū)農(nóng)田灌溉井開采層;第Ⅱ承壓含水層由中更新世堆積的3~5層粉細(xì)砂組成,頂板埋深50~70 m,厚15~25 m,該含水層開采主要集中于沛縣縣城;第Ⅲ承壓含水層由早更新世期堆積的中細(xì)砂、中粗砂層組成,含水層頂板埋深120~150 m,砂層厚達(dá)20~35 m,為區(qū)內(nèi)地下水的主要開采層位,已形成豐沛兩縣城的水位降落漏斗區(qū),中心水位埋深已達(dá)35~40 m。
3.3.2 地面沉降成因分析
形成地面沉降的因素很多,針對豐沛地區(qū)而言,主要是長期過量開采地下水(主要為第Ⅱ、Ⅲ承壓水)引起區(qū)域性深層地下水位不斷下降是導(dǎo)致地面沉降的主要原因。豐沛地區(qū)地面沉降漏斗分布在地下水強(qiáng)烈開采區(qū)、水位下降幅度較大城區(qū)(累計降幅達(dá)30 m)區(qū)域,且與區(qū)內(nèi)第Ⅱ或Ⅲ承壓水水位降落漏斗的單一漏斗或疊加漏斗相吻合。
豐沛地區(qū)大面積分布巨厚的未固結(jié)的松散地層,顆粒較細(xì),可壓縮性強(qiáng),在天然狀態(tài)下,土層中各點(diǎn)的靜水壓力均已達(dá)到平衡,土體的固結(jié)壓縮作用很小。當(dāng)大量開采深層地下水,土體的天然應(yīng)力失去平衡,使砂層中的孔隙水壓力降低,土層的有效應(yīng)力增大,致使含水層被壓縮而變形,形成永久性的地面沉降。
(1)科學(xué)合理利用地下水資源,加強(qiáng)調(diào)配管理
徐州是全國40座嚴(yán)重缺水的城市之一,地表水源不足導(dǎo)致地下水成為徐州市的重要水源。因此,徐州不能和蘇錫常一樣全面實行地下水禁采管理,但仍需控制地下水開采,按水文地質(zhì)單元統(tǒng)一規(guī)劃管理地下水資源,實行地下水限采或禁采。一是在水資源調(diào)查評價的基礎(chǔ)上,加強(qiáng)用水管理,劃定地下水超采區(qū)及水位紅線,調(diào)整開采井布局和用水結(jié)構(gòu),避免“三集中”開采,確保各類地下水水位不超過水位紅線[6],即巖溶水水位保持在土層底板之上,孔隙水水位埋深不低于40 m;二是實現(xiàn)水資源的科學(xué)調(diào)度,優(yōu)化水資源開發(fā)結(jié)構(gòu),利用現(xiàn)有的地面水廠,特別是“南水北調(diào)”工程,利用行政或經(jīng)濟(jì)手段強(qiáng)制實施地下水和地表水聯(lián)合調(diào)度,減少對地下水的長期開采,把地下水開采量控制在合理范圍之內(nèi)。實施分質(zhì)供水,將有限的優(yōu)質(zhì)地下水用于生活用水,這是保護(hù)該地區(qū)地下水的最有效、最根本的措施。
(2)建立完善地下水動態(tài)及地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)
徐州市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測是江蘇省最薄弱的地區(qū)之一,地下水監(jiān)測井僅29眼,不足0.03眼/k m2,地面沉降監(jiān)測幾乎是空白。因此,一是建立地下水(松散孔隙水)監(jiān)測及GPS監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與分層標(biāo)相結(jié)合的地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系,建設(shè)沛縣基巖標(biāo)、豐縣分層標(biāo)及15個GPS監(jiān)測點(diǎn),實現(xiàn)監(jiān)測網(wǎng)覆蓋地面沉降易發(fā)區(qū),及時掌握地下水、地面沉降動態(tài)情況,適時調(diào)整地下水開采計劃,實現(xiàn)地下水資源的動態(tài)管理;二是加強(qiáng)地面沉降預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)研究。研究地面沉降與地下水開采、水位動態(tài)與地質(zhì)結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系及其演化規(guī)律,深入分析地面沉降對城市建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的危害。提出地面沉降防治和地下水資源合理開發(fā)利用的切實有效對策,為政府制定區(qū)域可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。
(3)劃定巖溶塌陷易發(fā)區(qū),進(jìn)行巖溶塌陷危險性評價
據(jù)有關(guān)資料,徐州城市規(guī)劃區(qū)隱伏巖溶區(qū)分布面積達(dá)1 800 k m2,僅在老城區(qū)270 k m2范圍內(nèi)進(jìn)行巖溶塌陷勘查,已有的成果難以為徐州城市規(guī)劃建設(shè)提供系統(tǒng)的巖溶地質(zhì)信息。因此,一是進(jìn)行巖溶塌陷易發(fā)區(qū)劃分,依據(jù)巖溶塌陷形成的地質(zhì)條件(巖溶發(fā)育特征、地質(zhì)構(gòu)造條件、上覆土層厚度及巖性結(jié)構(gòu)),巖溶塌陷發(fā)育特征、巖溶地下水開發(fā)利用強(qiáng)度(開采量及水位)劃定巖溶塌陷易發(fā)區(qū)。同時,在巖溶塌陷易發(fā)區(qū)內(nèi)開展大比例尺的專門性地質(zhì)勘查,查明易發(fā)區(qū)的地層結(jié)構(gòu),巖溶發(fā)育特征,分布規(guī)律,有針對性提出防治措施;二是選擇巖溶塌陷發(fā)育地段,開展巖溶塌陷監(jiān)測,建立巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的信息管理系統(tǒng)及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫和圖庫[7]。在此基礎(chǔ)上,考慮巖溶塌陷的誘發(fā)因素,建立巖溶塌陷危險性評價模型,進(jìn)行巖溶塌陷危險性評價。
(4)查明采空區(qū)空間展布特征,進(jìn)行采空塌陷建設(shè)用地適宜性評價
徐州煤田經(jīng)過130多年的開采,地表已形成了170 k m2的采煤塌陷地,城市化使過去處在郊野的采煤塌陷地已進(jìn)入城市區(qū)域,越來越多的工程建設(shè)不得不選擇在老采空區(qū)上方建設(shè),有可能使原本處于平衡狀態(tài)的冒落裂縫帶巖體重新“活化”,使巖體再次被壓密,殘留空洞再次冒落,導(dǎo)致地表產(chǎn)生殘余移動和變形[8]。因此,一是要加強(qiáng)采空塌陷區(qū)地質(zhì)工程勘察和資料收集分析工作,在查明采空區(qū)的埋深、空間展布特征、采空塌陷發(fā)育分布特征及形成的地質(zhì)條件等基礎(chǔ)上,圈定采空塌陷的影響范圍,研究冒落帶、裂縫帶和彎曲帶的空間分布特征;二是通過對采空塌陷形成的地質(zhì)及人為影響因素研究分析,對采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,分區(qū)評價采空塌陷易發(fā)性和危險性。針對城市未來建設(shè)發(fā)展重點(diǎn)區(qū)域,在采空區(qū)穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行采空塌陷風(fēng)險性評價,建立采空區(qū)及采空塌陷信息管理系統(tǒng)和監(jiān)測網(wǎng),為礦區(qū)災(zāi)害綜合治理、土地綜合利用等提供對策依據(jù)。
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