鄭智，簡文彬

(1.福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,福州 350108;2.福州大學(xué)巖土工程與工程地質(zhì)研究所,福州 350108)

1 引言

龍巖市是福建省巖溶地面塌陷重災(zāi)區(qū)，龍巖市轄區(qū)面積約占全省面積15.66%；而龍巖市巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害占全省的78.87%，且多發(fā)生于覆蓋型巖溶區(qū)。自從20世紀(jì)60年代，永安大湖鄉(xiāng)抽水發(fā)生巖溶塌陷以來，隨著巖溶地下水開采加劇，巖溶塌陷的數(shù)量急劇增加，尤其是近10 a來，福建省巖溶塌陷發(fā)生頻次百余次，造成的直接和間接經(jīng)濟損失近30億元，占全省地質(zhì)災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失的20%以上。如2014年下半年開始，位于永定區(qū)培豐鎮(zhèn)樟坑自然村陸續(xù)出現(xiàn)地面沉降、地表塌陷等變形破壞跡象，造成全村34戶148人搬遷，嚴(yán)重阻礙了當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉ睢Ｈ欢鴮垘r市的巖溶塌陷調(diào)查多停留于地表調(diào)查后提出宏觀層面的規(guī)劃及防治建議或者對某區(qū)域進行定性研究后，提出治理措施，且多集中在樁基選擇、施工和穩(wěn)定性分析、突水、注漿治理等方面。

因此，有必要對龍巖市的巖溶塌陷地質(zhì)情況進行深入的總結(jié)，提出適合龍巖地區(qū)的地質(zhì)概化模型。

當(dāng)巖溶地質(zhì)條件和觸發(fā)因素不同時，即使是在相同的外部條件作用下，不同的巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖溶塌陷也會具有不同的機理?？扇軒r性質(zhì)、覆蓋層、含水結(jié)構(gòu)、巖溶水位與基巖面關(guān)系等不同的組合形式，直接影響巖溶塌陷的發(fā)育情況。針對巖溶變形塌陷過程中土顆粒的行為特征，可以將可溶巖上覆蓋層土體劃分為砂性土、粘性土和軟弱土3種基本類型[1]。上覆蓋層的物質(zhì)成分、地層結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)不同，其巖溶破壞的模式也會有所不同，根據(jù)巖溶塌陷后的破壞模式，可以將覆蓋型巖溶地面塌陷機制劃分為沙漏型、土洞型和泥流型3種類別[2]。通過對3種巖溶塌陷——塌井、地面下沉和地裂縫的成因分析，可知蓋層以下巖溶發(fā)育程度、大小、形狀直接影響了巖溶塌陷的地表形態(tài)和規(guī)模大小[3]。對于任何結(jié)構(gòu)的土層，都可以按照巖溶水承壓情況將塌陷的模式區(qū)分為3類，即：承壓-非承壓、承壓、非承壓，當(dāng)巖溶水在基巖面附近波動，即巖溶水處于承壓-非承壓的狀態(tài)時，不論是哪種土層結(jié)構(gòu)，都是容易產(chǎn)生塌陷的危險模式[4]。

基于龍巖市已發(fā)生的58處地面塌陷，本文從巖溶、覆蓋層和地下水3方面分析了龍巖市巖溶塌陷的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2 龍巖市巖溶塌陷分布規(guī)律

2.1 巖溶塌陷時間分布規(guī)律

龍巖境內(nèi)的巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害在發(fā)生時間上，大多數(shù)集中發(fā)生在春季和秋季，雨季的初期和末期發(fā)生的塌陷災(zāi)害最多(圖1)。尤其每年2～4月，即旱季剛過的梅雨期是巖溶塌陷最活躍的季節(jié)，共發(fā)生19次，占總數(shù)的39.6% 。當(dāng)?shù)叵滤坏陀诨鶐r面時，降雨便成塌陷的主導(dǎo)因素。雨季期間產(chǎn)生的巖溶塌陷，多發(fā)生在覆蓋層為砂卵石、含碎石角礫粘土的二元結(jié)構(gòu)中，極少發(fā)生在覆蓋層巖性為粘性土的土層，并且發(fā)生地常處于年水位最低點。在已塌陷的地區(qū)，由于土體結(jié)構(gòu)已受到擾動破壞，容易在降雨過程中產(chǎn)生的沖擊力和垂直滲透力作用下產(chǎn)生集中塌陷。

圖1 各月份巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害情況統(tǒng)計圖

2.2 巖溶塌陷空間分布規(guī)律

通過對龍巖市的巖溶塌陷資料進行統(tǒng)計分析，可知巖溶塌陷的主要分布形式為[5-6]：

(1) 研究區(qū)的塌陷大多發(fā)生在覆蓋型巖溶區(qū)，從地形地貌上看，地面塌陷主要發(fā)生在河谷平原區(qū)，大多數(shù)在盆地中部的河流一級階地，占81.8%，少數(shù)發(fā)生于二級階地、低山丘陵地貌區(qū)。

(2) 第四系土層厚度小于30 m，以砂卵石、含角礫粉質(zhì)粘土為主，多具有第四系潛水和巖溶水雙層結(jié)構(gòu)。第四系潛水多位于砂卵石層里，而巖溶水多處于承壓狀態(tài)，第四系潛水與巖溶水具有較密切的水力聯(lián)系。

(3) 研究區(qū)的巖溶塌陷多發(fā)生于巖溶地下水降落漏斗及其影響范圍內(nèi)，在機井或民井開采點布置監(jiān)測點，可觀測到塌陷點多發(fā)生在開采點附近。

(4) 研究區(qū)已發(fā)生的巖溶塌陷大多處于斷裂帶及褶皺發(fā)育帶的影響范圍內(nèi)。如龍巖盆地受北東、北北東向斷裂影響，復(fù)式背斜內(nèi)的褶皺、區(qū)域斷裂等構(gòu)造線多呈北東30°～50°方向展布。而該區(qū)內(nèi)從鐵山至城區(qū)巖溶塌陷總體展布方向及塌坑個體長軸方向主要也是為北東及北東向發(fā)展。

綜上所述，龍巖市巖溶塌陷在時間上與降雨、盆地河流水位季節(jié)性變動有關(guān)，空間上主要分布在盆地背斜軸部、斷裂等的次級構(gòu)造發(fā)育段和覆蓋型巖溶區(qū)(圖2)，人類工程活動是最主要的誘發(fā)因素。為此，巖溶塌陷機理分析應(yīng)重點考慮降雨、河流水位和工程活動等因素對覆蓋型巖溶的作用機理。

1.巖溶塌陷點;2.揭露土洞/溶洞鉆孔;3.未揭露土洞溶洞;4.巖溶地下水流向;5.壓性壓扭性斷層;6.張性張扭性斷層圖2 龍巖巖溶塌陷群空間分布圖(引自福建省龍巖市新羅區(qū)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與評價報告)

3 巖溶塌陷的地質(zhì)結(jié)構(gòu)

3.1 覆蓋層性質(zhì)

覆蓋層是巖溶塌陷產(chǎn)生的物質(zhì)載體，既是巖溶塌陷的破壞體，又是抵抗巖溶地面變形甚至巖溶塌陷的重要組成部分。在外力作用下，蓋層土體通過自身的應(yīng)力和變形的調(diào)整，去抵抗消除外力所帶來的不良影響[7]。當(dāng)覆蓋土體的力學(xué)平衡條件被打破時，巖溶塌陷就會發(fā)生。因此覆蓋層性質(zhì)的好壞，直接影響了整體巖土體的穩(wěn)定性。在各個因素中，覆蓋層的結(jié)構(gòu)和厚度是影響塌陷發(fā)生與否的主要因素。

3.1.1 覆蓋層結(jié)構(gòu)

覆蓋層結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)在巖土體的相應(yīng)排列及組合特征上。不同性質(zhì)巖土體的組合形式，直接影響其受外力作用時抵抗外力的能力。同時也造成不同巖溶塌陷的演化過程。對比分析龍巖市內(nèi)典型塌陷區(qū)的土層結(jié)構(gòu)，可以歸納為一元結(jié)構(gòu)、二元結(jié)構(gòu)和多元結(jié)構(gòu)。對龍巖市內(nèi)發(fā)生的58處巖溶塌陷進行統(tǒng)計分析(圖3)，有24處土層為二元結(jié)構(gòu)，15處為多元結(jié)構(gòu)，9處為一元結(jié)構(gòu)(粘性土)。其中山地丘陵覆蓋層以殘坡積粘性土為主，二級階地以二元結(jié)構(gòu)的沖洪積粘土、卵石為主，一級階地則以交錯的粉質(zhì)粘土、砂卵石和含礫粉質(zhì)粘土或一元結(jié)構(gòu)的砂礫卵石為主(圖4)。

圖3 覆蓋層結(jié)構(gòu)巖溶塌陷數(shù)量統(tǒng)計圖

圖4 不同土層結(jié)構(gòu)破壞模式簡圖

3.1.2 覆蓋層厚度

一般來講，覆蓋層厚度越大，地下水潛蝕路徑越長，越不利于地下水的潛蝕和掏空，土洞擴展到地面的時間就會越長，更加容易在達到塌陷的臨界狀態(tài)前洞內(nèi)的應(yīng)力就已經(jīng)趨于穩(wěn)定，即越不易塌陷[8]。根據(jù)區(qū)內(nèi)相似原則，將巖溶塌陷點按照覆蓋層厚度的不同劃分，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示(圖5)，龍巖市內(nèi)77%的巖溶塌陷點土層厚度在10～30 m，土層厚度在5～10 m之間為7處，土層厚度大于30 m的地段有3處巖溶塌陷，土層厚度在5 m以下的只有1處。

3.2 巖溶結(jié)構(gòu)形態(tài)

龍巖市可溶巖地層主要為石炭系經(jīng)畬組灰?guī)r、二疊系船山組灰?guī)r、棲霞組灰?guī)r及三疊系溪口組灰?guī)r，其中船山組、棲霞組分布最廣，屬連續(xù)厚層-巨厚層狀灰?guī)r巖組。

棲霞組灰?guī)r，分布廣，CaO含量在50%以上，多位于地下水的排泄區(qū)，巖溶發(fā)育強烈。區(qū)內(nèi)揭露的溶洞所在層位主要集中于二疊系棲霞組P2q厚層燧石灰?guī)r層。

灰?guī)r巖面起伏變化大(圖6)，第四系沖洪積層厚度、灰?guī)r化學(xué)成分比例、巖溶發(fā)育程度均有較大差異，充分說明龍巖地區(qū)巖溶發(fā)育不均一。在巖土界面常常形成不同深度、不同規(guī)模的溶溝、溶槽等開口巖溶形態(tài)，且它們常常與溶洞等地下巖溶管道相連[5-6]。

圖5 覆蓋土層厚度巖溶塌陷數(shù)量統(tǒng)計圖

在平面上，由山區(qū)至盆地河谷平原區(qū)，地下水越豐富，水動力條件越強，鉆孔溶洞能見率越高。巖溶形態(tài)從表面上多呈溶槽、溶痕、石芽過渡到以溶洞、落水洞、溶溝等形態(tài)為主。從收集到的勘察報告分析：揭露的溶洞大部分位于河流兩側(cè)的一級階地上，遇洞率高達60%，鉆孔線巖溶率大多在15%以上，局部破碎帶發(fā)育地，高達80%以上，而位于中低山地區(qū)，巖層組成成分主要以酸不溶物為主，極少見到溶洞，揭露的灰?guī)r鉆孔線巖溶率多在5%以下。在垂向上，溶洞主要發(fā)育在地面以下60 m范圍內(nèi)，巖溶率在30%以上，60 m以下開始趨于消失。揭露的溶洞規(guī)模一般在5 m以內(nèi)，約占揭露溶洞總數(shù)的72%，單個大于10 m的溶洞，僅占1.9%，且溶洞充填程度隨深度的增加而減弱，埋深在30 m范圍內(nèi)的溶洞充填率高達90%，充填物性質(zhì)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)疏松，從粘土到砂礫卵石均有，分選差。溶洞一般揭露1～4層，局部鉆孔可揭露高達8層溶洞。

巖溶的發(fā)育程度、規(guī)模受到斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造的控制，其巖溶發(fā)育線與主要構(gòu)造線一致，如龍巖盆地，盆地內(nèi)的復(fù)式背斜軸部與一系列NNE向斷裂構(gòu)造控制了強巖溶帶的分布，特別是斷裂帶附近張裂隙帶，巖溶發(fā)育強烈。龍巖盆地上的巖溶塌陷點多分布在張性、張扭性斷裂帶附近。

3.3 巖溶地下水結(jié)構(gòu)及動態(tài)特征

龍巖市的巖溶地下水整體呈現(xiàn)為低山丘陵補給區(qū)-盆地徑流區(qū)-河流排泄區(qū)的運行模式。包括船山組、棲霞組的碳酸鹽巖類裂隙溶洞水含水巖組和溪口組組成的碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙溶洞水含水巖組。覆蓋型巖溶區(qū)一般分布于盆地、河谷平原區(qū)，水位埋深小，位于徑流、排泄區(qū)，泉流量一般大于100 l/s，山麓及低山丘陵地帶常常是埋藏區(qū)，水位埋深10～30 m，山麓、分水嶺等地帶為裸露型巖溶區(qū)，水位埋深一般大于40 m。一般情況下，裸露、覆蓋、埋藏3種類型的巖溶水在同一巖溶盆地匯水面積內(nèi)，構(gòu)成獨立的水文地質(zhì)單元。地下水主要由大氣降雨補給。龍巖市主要以巖溶地下水作為供水水源，經(jīng)過多年的開采，龍巖地下水位降幅集中在0.1～15.5 m，最大達60 m，尤其是在鐵山、東宮下至城關(guān)、青草孟至謝洋3個集中開采的區(qū)域中心水位下降了0.76～20 m。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以將龍巖的巖溶水水位演化過程劃分為2個階段：增采階段(1984～1999年)、控采階段(2000年以后)，巖溶水開采量的大小，直接影響開采中心的水位特征及地下降落漏斗的大小。在增采階段，巖溶水位隨著開采量的增大不斷降低，地下水降落漏斗向外延伸擴展。據(jù)龍巖市新羅區(qū)水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，1983～1995年期間地下水開采強度大，巖溶水位降幅達到7 m，埋深達到20.29 m，巖溶水位降至基巖面附近，處于承壓-非承壓的狀態(tài)，且受到降雨的影響大，水位波動大，變動范圍3～6 m。2000年后，進入控采階段，巖溶水開采量得到控制，降落漏斗停止向外擴張，趨于穩(wěn)定，從近幾年的水位監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，巖溶水位埋深穩(wěn)定在20m左右，巖溶水位變化在1 m以內(nèi)。

圖6 灰?guī)r基巖面起伏情況

4 龍巖市巖溶塌陷機理分析

研究區(qū)巖溶塌陷致塌過程可以抽象為蓋層-巖溶介質(zhì)體系[7]：可溶巖地層和覆蓋層是巖溶塌陷發(fā)育的內(nèi)部條件，在一定時間內(nèi)保持相對穩(wěn)定；巖溶水、氣容易受到人為因素的影響產(chǎn)生頻繁、大幅度、快速的變化，故其常常成為巖溶塌陷發(fā)育的誘發(fā)因素[9-11]。因此，對龍巖市巖溶塌陷地的機理分析應(yīng)該綜合考慮可溶巖發(fā)育條件、覆蓋層結(jié)構(gòu)和水動力條件。

通過對塌陷地年代進行統(tǒng)計分析可知，龍巖境內(nèi)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生年代主要集中在1990～2000年和2005～2015年，前者主要是集中開采地下水導(dǎo)致，后者主要是人類礦山開采過程中礦坑排水引起。但整個塌陷群的發(fā)育不僅僅是受抽水的影響，是多種因素共同作用下形成的。分析其形成過程，認(rèn)為其主要受到滲流潛蝕、增荷失托和水位波動產(chǎn)生的氣壓差等地質(zhì)營力的綜合作用。

通過對比分析龍巖市內(nèi)典型的巖溶塌陷地層結(jié)構(gòu)特點，將土層劃分為一元結(jié)構(gòu)、二元結(jié)構(gòu)、多元結(jié)構(gòu)。塌陷多發(fā)生在二元結(jié)構(gòu)的沖洪積粘土、砂卵石層結(jié)構(gòu)。

塌陷區(qū)蓋層上部為砂卵石層，下部為含角礫粘性土，天然狀態(tài)下，巖溶水位較高，位于地表以下5～10 m，使得大部分土體處于飽和狀態(tài)。根據(jù)土體飽和情況下的含水率分析，飽水后土體自重會增加15%～26%。第四系孔隙水和巖溶水具有一定的水力聯(lián)系，含角礫粘性土的上部和下部由于地下水水位波動的影響而存在軟化區(qū)，當(dāng)人為抽水使得巖溶地下水位下降至基巖面以下時，第四系孔隙水和巖溶水的水頭差增大，第四系孔隙水對巖溶水入滲補給加大。由于粘性土釋水能力較差，地下水的疏干有明顯的滯后現(xiàn)象，土體仍然處于飽和狀態(tài)，尤其在雨季時期，能有效地阻止了空氣的補充，因此在土洞內(nèi)產(chǎn)生了很大的負(fù)壓，當(dāng)粘性土結(jié)構(gòu)較疏松、厚度較薄時，很容易在短時間內(nèi)被擊穿，粘性土與溶洞中間就形成了通道，由于粘性土上部的砂卵石層內(nèi)聚力小，在真空負(fù)壓和滲透力作用下，加速向上發(fā)展，最終導(dǎo)致塌陷發(fā)生。如龍巖市永定區(qū)樟坑盆地由于礦山疏干排水，導(dǎo)致地下水位驟降，形成條帶狀的降落漏斗水位，巨大的水位落差帶走盆地上部土體和溶洞充填物，同時地下水位下降減少了地下水對上部土層的浮托力，破壞了覆蓋層土體的平衡，最終導(dǎo)致巖溶塌陷的發(fā)生。

當(dāng)覆蓋層較厚或水位降幅較小所產(chǎn)生的負(fù)壓并不足以擊穿粘土層時，隨著抽水量達到穩(wěn)定，地下水位下降至一定位置后就趨于穩(wěn)定。先前由于水位下降所形成的真空負(fù)壓就會逐漸減小，直至消失。此時，土洞壓力將與地表的大氣壓力處于平衡狀態(tài)，覆蓋層力學(xué)平衡，趨于穩(wěn)定[12]。由龍巖盆地水位監(jiān)測孔ZK102知，1990～1999年期間地下水位長時間處于基巖面附近，水位變幅在3～5 m，水位變幅越大，塌陷發(fā)生的頻率越多，近幾年水位也位于基巖面附近，但水位變幅在1 m以內(nèi)，較少發(fā)生巖溶塌陷。因此，可以得到，當(dāng)?shù)叵滤惶幱诨鶐r面附近時，在可溶巖與覆蓋層界面上長時間強烈的水力活動是龍巖盆地巖溶塌陷產(chǎn)生的根本原因。

5 結(jié)論

(1) 龍巖市巖溶塌陷點多集中分布在巖溶漏斗及其影響范圍內(nèi)；塌陷點分布在斷裂帶和褶皺發(fā)育帶附近；塌陷區(qū)覆蓋層厚度一般小于30 m；塌陷區(qū)巖性以二疊系棲霞組灰?guī)r為主；塌陷發(fā)生集中在雨季的初期和末期。

(2) 地下水動力條件是巖溶塌陷產(chǎn)生的主要誘發(fā)因素。當(dāng)巖溶水在基巖面與覆蓋層界面波動時，最容易引起塌陷，巖溶塌陷發(fā)生的強度與水位變幅大小有關(guān)。當(dāng)水位降幅較大時，土洞中產(chǎn)生的負(fù)壓足以擊穿粘性土，加速巖溶塌陷的發(fā)展。

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