李常輝， 蔡的妹， 李萬平

(湖南省煤田地質(zhì)局第六勘探隊(duì)，湖南 湘潭 411100)

0 引言

我隊(duì)在收集并分析區(qū)域地質(zhì)資料、水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查、工程勘查資料的基礎(chǔ)上，對區(qū)內(nèi)進(jìn)行了巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害專項(xiàng)調(diào)查工作，結(jié)合物探、工程勘查、巖土體及水樣測試工作，基本查明區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害分布、規(guī)模及危害程度，初步分析其成災(zāi)規(guī)律、形成機(jī)理、影響因子、發(fā)展趨勢，提出防治措施。

1 區(qū)域概況

工作區(qū)位于永州市零陵區(qū)郵亭圩鎮(zhèn)梅江村，涵蓋梅江村牛頭嶺組、梅江大隊(duì)、蔣家村、良樹腳、郭家村大部，林溪村西邊局部，聯(lián)成村西北部聯(lián)成大隊(duì)；總面積3.98 km2，約1 065人[1]。

區(qū)內(nèi)現(xiàn)已發(fā)生巖溶地面塌陷16處，直徑在1.0～23.0 m之間，洞高0.6～16.2 m之間。

2 地質(zhì)環(huán)境條件

2.1 地形地貌

工作區(qū)位于陽明山北部山地向丘陵過渡部位，屬構(gòu)造侵蝕溶蝕碳酸鹽巖丘陵和溶丘洼地地貌。地形總體地勢東西部高，中部低，南高北低；東西部丘陵海拔標(biāo)高120～180 m，丘坡較緩，坡度小于15°。溶丘洼地海拔標(biāo)高132～136 m，地形較平坦。

2.2 地層巖性

區(qū)內(nèi)分布地層為第四系(Q)、泥盆系上統(tǒng)錫礦山組上段(D3x2)、泥盆系上統(tǒng)錫礦山組下段(D3x1)、泥盆系中統(tǒng)棋梓橋組(D2q)、泥盆系中統(tǒng)跳馬澗組(D2t)。其中，泥盆系上統(tǒng)錫礦山組下段(D3x1)巖性為灰?guī)r、白云巖、灰質(zhì)白云巖，質(zhì)純層厚的灰?guī)r為巖溶發(fā)育奠定了基礎(chǔ)。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造總體較簡單，巖層呈單斜產(chǎn)出，傾向北西，傾角約50°，走向北東向。F1為區(qū)域性壓扭性逆斷層，斷裂擠壓帶及斷層角礫巖發(fā)育；次級小斷層有F4、F5、F6；褶皺不發(fā)育。

2.4 水文地質(zhì)條件

2.4.1 氣象水文

據(jù)零陵區(qū)氣象站1960～2016年度資料統(tǒng)計(jì)：年平均降雨量1 350 mm，年最大降雨量2 346 mm(1976年)，日最大降雨量194.8 mm(1976年6月10日)，時(shí)最大暴雨強(qiáng)度95.2 mm，降雨集中在每年的4～6月[1]。

區(qū)內(nèi)地表水系較發(fā)育，以水田、池塘、溪溝、河流為主。梅江為湘江二級支流黃溪河分支，由南向北從塌陷區(qū)西側(cè)流過，最大流量24.5 m3/s，年平均流量約1.76 m3/s，一般水位123.10 m，最高洪水位132.20 m。

2.4.2 地下水

區(qū)內(nèi)地下水為雙層含水結(jié)構(gòu)，上部為孔隙水，下部為巖溶水。

松散巖類孔隙水含水層：由第四系(Q)沖洪積相組成，主要分布于調(diào)查區(qū)中部低洼地段，巖性為粉質(zhì)黏土、含砂礫黏土、砂礫石。地下水水位埋深0～8 m；據(jù)TK7、TK12注水試驗(yàn)資料，滲透系數(shù)k為0.071～0.078 m/d；鉆孔單位涌水量q為0.23～2.3 L/(s·m)；泉水平均流量0.494 L/s，富水性中等，地下水水質(zhì)類型為HCO3-Ca型，pH值為6.91。

碳酸鹽巖類巖溶含水層：屬覆蓋型巖溶水，含水層由泥盆系上統(tǒng)錫礦山組下段(D3x1)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁巖組成，全部被第四系覆蓋，淺部巖溶發(fā)育，鉆孔單位涌水量q為0.0344～2.79 L/(s·m)；滲透系數(shù)k為0.106～2.87 m/d；泉水平均流量為2.552 L/s，一般為1.003～10.19 L/s；水位埋深1.16～12.94 m，地下水水化學(xué)類型以HCO3-Ca為主，其次是HCO3-Ca·Mg，礦化度一般，為100～500 mg/L，pH值為5.6～7.5。

地下水主要補(bǔ)給來源為大氣降水，水位變化均受降雨量和梅江水位的變化影響；但影響程度存在較大差異，對巖溶水影響延遲，致使上、下兩層水的水頭差不斷變化。對區(qū)內(nèi)鉆孔及部分民井進(jìn)行豐水期與枯水期統(tǒng)測數(shù)據(jù)對比，下部存在巖溶發(fā)育帶的地段，水位變幅普遍較大，一般為0.2～2.5 m,如圖1所示。

圖1 鉆孔、民井地下水位統(tǒng)測點(diǎn)枯水期與豐水期對比圖

2.4.3 區(qū)內(nèi)補(bǔ)、徑、排特征

(1)孔隙水。大氣降水垂向補(bǔ)給是孔隙水的主要補(bǔ)給來源，稻田、池塘水的垂向滲透，洪水期梅江水的補(bǔ)給也是孔隙水的補(bǔ)給來源。區(qū)內(nèi)地下水總體由南向北徑流，由低山丘陵向低洼地(梅江)方向滲透徑流。沿河以滲流方式排泄，或在低洼地段以泉(井)方式排泄；孔隙水排泄微弱，主要為機(jī)井、民井排泄。

(2)覆蓋型巖溶水。工作區(qū)巖溶水主要通過孔隙水的垂直補(bǔ)給,間接接受大氣降水的補(bǔ)給；在洪水期，得到梅江側(cè)向補(bǔ)給。其徑流總體流向?yàn)樽阅舷虮狈较?，沿溶蝕裂隙、巖溶管道徑流。以越流補(bǔ)給第四系潛水、潛流側(cè)向河床排泄為主，區(qū)內(nèi)7處泉眼排泄流量較大，春夏季節(jié)可形成灌溉水渠；少量以民井提水方式人工排泄。水位動(dòng)態(tài)變化隨季節(jié)性而變化，年變幅一般小于3.0 m。

(3)基巖裂隙水。大氣降水入滲補(bǔ)給基巖裂隙水，以徑流的方式沿裂隙向下游運(yùn)移，潛流在斜坡以泉的形式排泄，部分徑流補(bǔ)給河谷砂礫石層。

2.5 巖土體類型

區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷區(qū)均為覆蓋型巖溶區(qū)，可溶性巖層直接頂板為松散沖洪積砂礫石層。

(1)土體。工作區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域?yàn)闆_洪積粉質(zhì)黏土、砂礫石雙層土體結(jié)構(gòu)，上部為粉質(zhì)黏土，土黃色，軟～可塑，手捏可成形，切面不光滑，干強(qiáng)度高韌性中等。下部為砂礫石層，土黃色夾灰黃色，稍密，飽和，卵石含量約60%，其余充填約30%砂石，10%黏性顆粒，粒徑約2～6 cm,最大約10 cm，主要成分為砂巖及石英砂巖、灰?guī)r；分選不一，次圓狀、次棱角狀。土體厚度不穩(wěn)定，總體厚為0～16.1 m，是土洞形成的主要地層。

(2)巖體。區(qū)內(nèi)引起巖溶地面塌陷的巖體主要為泥盆系上統(tǒng)錫礦山組下段(D3x1)堅(jiān)硬的厚層狀灰?guī)r、白云巖、灰質(zhì)白云巖巖性綜合體。根據(jù)資料(如表1)[1]，巖體為淺灰～深灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造；主要成分為方解石組成的碳酸鹽巖類物質(zhì)，微風(fēng)化；巖性脆硬，巖芯呈長柱狀～短柱狀，巖體溶溝、溶槽、石芽發(fā)育，溶蝕裂隙發(fā)育，溶蝕現(xiàn)象強(qiáng)烈，多被方解石和鐵質(zhì)充填，巖體厚度約141～489 m。

表1 鉆孔遇巖溶情況統(tǒng)計(jì)表

2.6 人類工程活動(dòng)

區(qū)內(nèi)人類工程活動(dòng)主要為建房、修路、農(nóng)耕及水利設(shè)施建設(shè)。區(qū)內(nèi)有機(jī)民井78眼，主要作為居民日常生活用水,單井開采量一般在2～5 m3/d，開采量不大；工作區(qū)范圍內(nèi)及周邊無礦山采礦活動(dòng)。

2.7 巖溶發(fā)育情況

通過野外機(jī)民井、巖性點(diǎn)調(diào)查及16個(gè)鉆孔揭露，區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域?qū)儆诟采w型巖溶發(fā)育區(qū),面積約為3.83 km2(見圖2)；上覆第四系土體，下伏地層泥盆系上統(tǒng)錫礦山組下段(D3x1)，巖性為灰?guī)r、白云巖、灰質(zhì)白云巖，質(zhì)純層厚的灰?guī)r為巖溶發(fā)育奠定了基礎(chǔ)。16個(gè)鉆孔中有11個(gè)遇溶洞(見圖3)，鉆遇溶洞率為68.75%。遇溶洞鉆孔的鉆孔線巖溶率為4.22%～90.50%(見表1)。巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，溶洞以小型多層為主，洞高0.6～16.2 m，一般2/3～4/5被充填，充填物為泥、砂、砂卵石。

結(jié)合物探解譯，工作區(qū)內(nèi)淺部巖溶比深部巖溶發(fā)育，淺部裂隙比深部裂隙發(fā)育；巖溶發(fā)育帶主要沿區(qū)域構(gòu)造線發(fā)育方向展布。巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)內(nèi)，沿?cái)鄬?F1、F3、F4、F5)及非可溶巖與可溶巖接觸帶發(fā)育，劃分有6條(M1～M6)巖溶強(qiáng)發(fā)育帶(如圖2所示)。

圖2 梅江村巖溶發(fā)育程度及巖溶地面塌陷分布示意圖

圖3 梅江村G2—G2′線工程地質(zhì)剖面示意圖

3 巖溶地面塌陷特征

3.1 分布特征

區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷坑分布于雙層結(jié)構(gòu)覆蓋層沖洪積土層、河流階地、徑流區(qū)和排泄區(qū)，集中于地下水主要徑流方向和水交替強(qiáng)烈的河谷及地表水與地下水聯(lián)系密切地段。

3.2 發(fā)育特征

區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)巖溶地面塌陷共16處。規(guī)模中型1處、小型15處；長列式13處、群集式3處；14處穩(wěn)定、2處較穩(wěn)定。平面形態(tài)呈近圓形12處、橢圓形4處，以近圓形為主，直徑1.0～23.0 m不等，以1.0～7.0 m為主；剖面形態(tài)呈碟狀6處、壇狀10處，以壇狀為主，深度在0.7～6.0 m(見表2)。

表2 梅江村巖溶地面塌陷形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)表

4 巖溶地面塌陷形成機(jī)制分析

區(qū)內(nèi)塌陷始發(fā)于1999～2000年，發(fā)生3處；2005～2010年期間，發(fā)生5處；2011～2016年有加劇趨勢，發(fā)生8處。共發(fā)生16處塌陷，其中10處發(fā)生于大雨之后。

4.1 地層條件分析

據(jù)本區(qū)鉆孔等資料，巖溶地面塌陷區(qū)上覆松散土體，下伏泥盆系上統(tǒng)錫礦山組下段(D3x1)灰?guī)r。

上覆松散土體：厚度在0～16.1 m之間，具雙層結(jié)構(gòu)，力學(xué)性質(zhì)差異較大。粉質(zhì)黏土以軟～可塑塑狀為主，含植物根莖，天然含水量ω為18.3%～21.2%，孔隙比e為0.519～0.622，液性指數(shù)IL為0.16～0.38，塑性指數(shù)Ip為10.0～15.7，壓縮系數(shù)α1-2為0.15～0.22(MPa)-1，內(nèi)摩擦角φ為4°～10°，承載力特征值100～200 kPa。砂卵石呈稍密～中密狀，濕～飽和，卵石含量約為60%，砂含量約為35%，其他為泥質(zhì)，卵石粒徑為20～150 mm，形狀為次棱角狀～次圓狀，成分為石英、石英砂巖、灰?guī)r及硅質(zhì)巖，觸探校正擊數(shù)7～9，變形模量26 MPa，黏聚力為3 kPa，內(nèi)摩擦角42°,承載力特征值200～350 kPa。

土體透水性越差，含水量越低，力學(xué)強(qiáng)度則高，抗塌力增大，較難產(chǎn)生塌陷。土體越薄，塌陷坑從孕育到發(fā)生所需時(shí)間越短，越容易產(chǎn)生地面塌陷；相反，土體越厚，土洞形成并發(fā)展至地面的過程越久，從孕災(zāi)至發(fā)災(zāi)所需時(shí)間越長，越不容易產(chǎn)生塌陷。區(qū)內(nèi)粉質(zhì)黏土遇水浸漫后，土體結(jié)構(gòu)破壞、下沉，發(fā)生土體濕陷，區(qū)內(nèi)地面塌陷與土體的濕陷形成土洞有關(guān)聯(lián)。

下伏灰?guī)r(D3x1)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，ZK1孔揭露基巖17.9 m，孔深16.4～32.6 m為溶洞，洞高16.2 m，溶洞內(nèi)充填砂卵石土；TK2、TK6等孔揭露情況與ZK1相類似。溶洞充填物與上部沖洪物成分接近，表明其為開口溶洞。上覆二元結(jié)構(gòu)的粉質(zhì)黏性土、砂卵石層土體與下伏可溶性碳酸巖基巖，形成了本區(qū)巖溶地面塌陷的先決物質(zhì)基礎(chǔ)。

4.2 水動(dòng)力條件分析

地下水位降低將在巖溶空腔中產(chǎn)生負(fù)壓，增加土體中的水頭壓力，加速土體滲透變形。當(dāng)土體中水位下降或上升時(shí)，土體的滲透變形破壞較為強(qiáng)烈，水位穩(wěn)定時(shí)變形變慢趨于穩(wěn)定，頻繁的地下水水位變化促使土洞加速形成[2]。

區(qū)內(nèi)均為雙層含水結(jié)構(gòu)，根據(jù)鉆孔ZK1、ZK3揭露，上部孔隙水位埋深1.3～3.5 m，下部巖溶水水位理深2.6～10.5 m，兩者存在最大7.0 m的水頭差。由于巖溶裂隙、溶洞等的溝通，巖溶水常年接受上層孔隙水補(bǔ)給，上、下兩層地下水的水力聯(lián)系，且存在能讓上覆的土體產(chǎn)生擾動(dòng)變形(或土洞)的水頭差；水頭差的頻繁變化，加速了區(qū)內(nèi)土洞的形成。

區(qū)內(nèi)地下水主要來源于大氣降水補(bǔ)給，雙層地下水的水位波動(dòng)均受大氣降水和梅江、水渠水位的漲落影響，但在程度和時(shí)間上存在較大差異，致使兩層地下水的水頭差不斷變化。

4.3 成因機(jī)制分析

巖溶地面塌陷是致塌力大于抗塌力作用的結(jié)果。當(dāng)巖溶發(fā)育程度、地下水動(dòng)力條件及土洞等條件同時(shí)具備，致塌力大于抗塌力時(shí)，則極易發(fā)生巖溶地面塌陷。降低巖溶水位或抬高第四系水位，使雙層含水層水頭差在1 m以上、水力坡度達(dá)1.5以上時(shí)，黏性土臨界水力坡度Icr為0.8～0.9時(shí)易產(chǎn)生流土破壞，繼而使土體松動(dòng)、發(fā)育成土洞，在上覆土體自重、附加重力或外界振動(dòng)作用下發(fā)生地面塌陷。在地下水滲透壓力或垮塌土體牽引作用下，塌陷坑附近土體以塌坑為中心向四周擴(kuò)散，產(chǎn)生環(huán)狀地面裂縫[2]。

區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷均屬自然型塌陷，可溶性巖層是內(nèi)在物源條件，水動(dòng)力作用為外在條件。大氣降水、梅江等地表水體水位變化，都將會引起雙層含水位變化；在平水期、枯水期、洪水期不同時(shí)期，雙層地下水之間補(bǔ)排關(guān)系互相轉(zhuǎn)換，使得雙層地下水水力坡度反復(fù)變化。梅江等地表水體水位的反復(fù)變化及水位下降時(shí)使附近沙土層反復(fù)擾動(dòng)，沙土被逐漸潛蝕帶走，逐漸形成土洞。在地下水滲透、潛蝕、土體自重作用下，發(fā)生巖溶地面塌陷。

巖溶地面塌陷是多種影響因子綜合作用的結(jié)果。區(qū)內(nèi)溶蝕作用、巖溶發(fā)育是土洞形成的前提條件；孔隙水和巖溶水之間相互補(bǔ)給，長期的地下水動(dòng)力作用，土體中小顆粒物質(zhì)不斷被潛蝕，逐漸形成土洞，規(guī)模不斷擴(kuò)大；土洞上方修建的建筑物，使原來處于基本地應(yīng)力平衡狀態(tài)的土洞頂板增加了荷載；當(dāng)土洞上覆土層抗剪強(qiáng)度小于上覆荷載時(shí)，將引發(fā)巖溶地面塌陷[2]。

5 巖溶地面塌陷防治建議

5.1 發(fā)生前征兆

巖溶地面塌陷孕災(zāi)、發(fā)展至發(fā)生演變過程漫長，變形過程發(fā)展于地面以下，具有突發(fā)性、隱蔽性，當(dāng)?shù)孛娉霈F(xiàn)以下征兆，說明距離發(fā)生塌陷時(shí)間已近:(1)發(fā)生巖溶地面塌陷的前幾個(gè)月，附近區(qū)域地面出現(xiàn)不斷擴(kuò)展的環(huán)狀裂縫，局部地面下沉，河渠、水塘開裂干涸；(2)發(fā)生巖溶地面塌陷的前幾日，周邊機(jī)民井水位驟然上升、下降，水體突然渾濁不清[2]。

5.2 防治原則及方法

本著以人為本、應(yīng)急排危除險(xiǎn)、統(tǒng)籌規(guī)劃，預(yù)防為主、防治結(jié)合、經(jīng)濟(jì)可行原則。依據(jù)災(zāi)情險(xiǎn)情、居民及財(cái)產(chǎn)分布情況，將區(qū)域劃分為重點(diǎn)防治區(qū)、次重點(diǎn)防治區(qū)、一般防治區(qū)，采取有針對性的防治措施。

5.3 防治措施

5.3.1 防治措施

巖溶地面塌陷從孕災(zāi)、發(fā)展至發(fā)生過程中影響因子較多。根據(jù)區(qū)內(nèi)已發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害的特征、成因、形成機(jī)理，以及所處的地質(zhì)環(huán)境條件，采用預(yù)防與工程治理相結(jié)合。具體措施：

(1)及時(shí)組織力量對己發(fā)生塌陷坑回填，防止災(zāi)情進(jìn)一步發(fā)展；設(shè)置指示牌，指定群測群防巡查責(zé)任人。

(2)梅江村九組良樹腳、郭家村居民居住在巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)，如果采取地基處理,經(jīng)濟(jì)不可行，建議將良樹腳、郭家村巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)的7棟房屋搬遷。

(3)對區(qū)內(nèi)3處開裂房屋進(jìn)行地基穩(wěn)定性評估,密切關(guān)注房屋裂縫的動(dòng)態(tài)變化，如遇突變需盡快將人員及財(cái)產(chǎn)撤離到安全地區(qū)。

(4)已居住、生活在巖溶地質(zhì)塌陷區(qū)的居民應(yīng)當(dāng)關(guān)注周邊巖溶發(fā)展、變化跡象，增強(qiáng)安全意識。

(5)新建房屋、工程，需統(tǒng)籌規(guī)劃，宜避開巖溶發(fā)育強(qiáng)烈區(qū)域，選址在非巖溶區(qū)；或選址巖溶發(fā)育一般區(qū)，并對地基及基礎(chǔ)加固處理。

5.3.2 預(yù)防措施

(1)群測群防。汛期應(yīng)對巖溶地面塌陷重點(diǎn)防治區(qū)、居民區(qū)地進(jìn)行巡防，監(jiān)測裂縫、形變等動(dòng)態(tài)變化。

(2)地表水水均衡監(jiān)測。監(jiān)測地表水進(jìn)出區(qū)域的流量變化，通過水文地質(zhì)單元水均衡變化，宏觀掌握地表水流經(jīng)地段的漏失情況，及時(shí)采取堵漏工程措施。

(3)地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測。結(jié)合鉆孔、機(jī)民井監(jiān)測地下水位、水量、含砂量的變化，掌握地下水徑流場現(xiàn)狀和險(xiǎn)情影響范圍。監(jiān)測地下土層垮落聲、觀察動(dòng)物驚恐異常等發(fā)生巖溶地質(zhì)塌陷的先兆現(xiàn)象。

(4)建設(shè)預(yù)警預(yù)報(bào)平臺。以降雨量、地表水水均衡、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測為數(shù)據(jù)管理基礎(chǔ)，建設(shè)區(qū)內(nèi)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)平臺。

6 結(jié)語

區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷分布于田間地頭、居民生活區(qū)，雖然區(qū)內(nèi)良樹腳組已有部分居民搬遷，但仍有部分居民生活在巖溶地面塌陷嚴(yán)重區(qū)。巖溶地面塌陷依然對在此地生產(chǎn)、生活的21名居民、財(cái)產(chǎn)構(gòu)成較大威脅。本文綜合分析區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)條件、形成機(jī)理、影響因子、誘因和災(zāi)害特征，本著安全科學(xué)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、因地制宜、預(yù)防相結(jié)合的原則，提出相應(yīng)的防治方法，為當(dāng)?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)提供參考。