陳紅丹,周洪博,郝喆,滕達,張穎

(1.遼寧大學環(huán)境學院，沈陽 110036；2.遼寧有色勘察研究院有限責任公司，沈陽 110013)

1 引言

巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害危害居民人身安全，同時地面塌陷破壞公路，造成當?shù)鼐用癯鲂胁槐?，也極易造成交通安全事故。另外，地面塌陷災(zāi)害仍有持續(xù)發(fā)作的可能，給區(qū)內(nèi)居民埋下了安全隱患[1]。巖溶地面塌陷具有突發(fā)性，且對建筑物的破壞性大、危害性強[2]。在巖溶塌陷勘查及致災(zāi)機理分析方面，繆世賢等[3]開展了巖溶塌陷形成機制的分析工作，劉鵬瑞等[4]開展了巖溶塌陷機理、致塌模型的分析工作，陳玉玲等[5]開展了巖溶塌陷分布特征研究以及局部隱伏斷層-管道型巖溶塌陷隱患預(yù)測工作，唐志祥等[6]開展了某煤礦巖溶塌陷勘察研究工作，李顏貴等[7]開展了唐山黃莊巖溶塌陷機理分析工作，LJ Hua[8]開展了某鐵路巖溶塌陷路基的勘察工作，YT Wang[9]開展了某盆地巖溶塌陷特征分析工作，張愛恒等[10]開展了平頂山礦區(qū)巖溶塌陷機理分析工作。

前人的工作主要集中在由于地層自身賦存特征引起的巖溶塌陷機理分析，對于礦井排水等外在因素引起的巖溶塌陷的勘查及機理研究尚未見開展。為彌補以前在巖溶塌陷勘查方面的不足，本文以遼寧省鳳城市青城子鎮(zhèn)桃源村羅家溝巖溶地面勘查工程為例，開展由礦井強排水引發(fā)的巖溶地面塌陷致災(zāi)機理研究工作，為類似巖溶塌陷研究工作提供了新思路。

2 地面塌陷災(zāi)害概況

2015年6月起，鳳城市桃源村羅家溝巖溶地面塌陷災(zāi)害仍有繼續(xù)惡化的可能，存在嚴重的地質(zhì)災(zāi)害隱患，因此，對區(qū)域巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害具體狀況進行了勘查，并開展相應(yīng)的致災(zāi)機理分析[11]。圖1為桃源村羅家溝地質(zhì)災(zāi)害勘查鉆孔工程布置圖。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害勘查鉆孔工程布置圖

本區(qū)工程鉆探共布置鉆孔19處，其中沿塌陷區(qū)共布置5個鉆孔，鉆孔深度位置以揭露塌陷區(qū)深度為原則，并對物探異常進行驗證，鉆孔深度40～60 m或達到揭露的塌陷區(qū)底板。

圖2為巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害分布圖，現(xiàn)場勘查表明，能辨識的地面塌陷點有4處。塌陷坑T1呈橢圓形，傾向130°，長2.3 m，寬1.4 m，填埋后深度2 m。塌陷坑T2呈圓形，直徑為3 m左右的圓形塌陷坑，填埋后深度2.7 m。塌陷坑T3呈長方形，走向北東，長約5 m，寬約3 m，深度約4 m。塌陷坑T4呈圓形，河道塌陷，深度不詳細，河道漏水8 h填埋。典型塌陷坑現(xiàn)狀見圖3，研究區(qū)典型工程地質(zhì)剖面圖見圖4。

圖2 巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害分布圖

圖3 典型塌陷坑現(xiàn)狀

圖4 綜合地質(zhì)剖面圖A-A’

3 地質(zhì)背景分析

3.1 地形地貌

勘查區(qū)處于遼東低山區(qū)，區(qū)內(nèi)山體最高峰為坪頂山，地貌類型單一，地形條件繁雜，地面高程363.6～619 m。地形坡度角為25°～50°，植被發(fā)育，地表徑流條件較好，勘查區(qū)處于區(qū)域河谷內(nèi)，上下游地面最高點標高變化幅度不大，階面上坡度3°～5°，地表標高373.0～399.0 m之間。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域出露地層為遼河群浪子山組、里爾峪組、高家峪組、大石橋組和蓋縣組。浪子山組、大石橋組、蓋縣組分別形成于裂谷初始擴張期、裂谷擴張期沉積環(huán)境和裂谷收縮期；里爾峪組和高家峪組分別屬于一套陸源碎屑巖和碳酸鹽巖形成。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖漿活動極端活躍。

3.3 地層巖性

區(qū)內(nèi)出露變質(zhì)巖系，為蓋縣組黑云母片巖層和大石橋組厚層狀大理巖。蓋縣組黑云母片巖層主要分布于羅家堡子以北，呈大面積出露；大石橋組大理巖層分布在羅家堡子以南及梨樹溝一帶出露。西荒溝(101)北東向斷裂橫貫全區(qū)。區(qū)內(nèi)出露的地層有新生界第四系和元古界遼河群蓋縣組黑云母片巖層及大石橋組三段白云石大理巖層。

第四系(Q4)分布于勘查區(qū)上部地層，主要由雜填土及沖、洪積圓礫組成，厚約8～18 m。大石橋組三段(Pt1Ld3)與蓋縣巖組整合接觸，但在接觸處發(fā)育一沿層斷裂，沿斷裂斷續(xù)見有花崗斑巖充填。該層位是本區(qū)主要含礦層位。蓋縣組(Pt1Lgx)出露在勘查區(qū)北部，區(qū)域內(nèi)以羅家堡子溝谷為界，西部地層呈北東向展布；東部呈東西向展布。以黑云母片巖為主，此巖層在本區(qū)與下伏大石橋組大理巖呈斷裂接觸(西荒溝101斷裂)。巖石片理化發(fā)育，局部見有揉皺構(gòu)造。

3.4 水文地質(zhì)特征

3.4.1 地下水類型及賦存特征

礦區(qū)地下水有3類：第四系孔隙潛水、基巖風化裂隙水和構(gòu)造-巖溶裂隙水。第四系孔隙潛水分布在溝谷及河谷區(qū)的第四系沖洪積砂礫卵石層中。水位埋深1.05～4.0 m，富水分布不均，受地形控制，一般在河谷區(qū)或排泄區(qū)含水較豐富。泉水流量1.75～2.0 l/s，屬中等富水，滲透系數(shù)0.028 cm/s?；鶐r風化裂隙水：礦床上盤發(fā)育遼河群蓋縣組黑云母片巖、矽線石黑云母片，大石橋組片巖及各類脈巖，這些巖層淺部基巖風化裂隙較發(fā)育，風化裂隙發(fā)育深度4.4～70.8 m，水位埋深2.0～22.6 m。構(gòu)造-巖溶裂隙水存在于大石橋組大理巖中，因受地下水的溶蝕，大理巖構(gòu)造-巖溶裂隙較發(fā)育，且裂隙發(fā)育水平不均一，富水程度差別大，為地下水的儲存提供條件。巖溶裂隙水在鉆孔ZK5附近揭露明顯，出水點流量統(tǒng)計值最大為0.002 9 l/s，巖溶裂隙水同地表徑流連通性良好。

3.4.2 隔水層性質(zhì)及分布

大理巖隔水層：大石橋組大理巖淺部風化裂隙發(fā)育，溶蝕嚴重，風化層以下巖體完整。

煌斑巖隔水層：這些巖石大多數(shù)發(fā)育在大理巖中，巖性大多數(shù)為緊密塊狀。大理巖隔水層和煌斑巖隔水層裂隙都較不發(fā)育，前者是良好的隔水層，后者可視為隔水層。

4 巖溶塌陷致災(zāi)機理分析

4.1 形成條件

巖溶地面塌陷過程的形成是各種不良要素的共同作用，本區(qū)地面塌陷災(zāi)害的發(fā)生滿足以下3個條件：

首先，巖溶洞穴是塌陷的發(fā)生基礎(chǔ)。勘查區(qū)位于區(qū)域成礦破碎帶位置，地表基巖風化程度較高，地表基巖裂隙較發(fā)育，透水性較強，地表水沿孔隙、裂隙向下滲透補給基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水，并通過基巖裂隙、構(gòu)造裂隙及破碎帶形成流通區(qū)域，本區(qū)塌陷位置下部存在不同規(guī)模的巖溶洞隙。

其次，存在不厚的覆蓋層是巖溶塌陷的物質(zhì)源。巖溶塌陷產(chǎn)生實質(zhì)是土洞的頂板發(fā)生物質(zhì)掉落。土層厚度、基巖巖性和結(jié)構(gòu)，控制巖溶塌陷的產(chǎn)生和發(fā)展?？辈閰^(qū)內(nèi)出露的地層有新生界第四系和元古界遼河群蓋縣組黑云母片巖層及大石橋組三段白云石大理巖層。第四系(Q4)分布于勘查區(qū)上部地層，厚約8～18 m。大石橋組三段(Pt1Ld3)與蓋縣巖組整合接觸，但在接觸處發(fā)育一沿層斷裂，沿斷裂斷續(xù)見有花崗斑巖充填。蓋縣組(Pt1Lgx)巖層與下伏大石橋組大理巖呈斷裂接觸(西荒溝101斷裂)。

最后，動力條件包括水活動、地震及外加荷載等，其中水活動對于引發(fā)巖溶塌陷至關(guān)重要[12]，而人類水活動要比自然水活動影響作用更加強烈?？辈閰^(qū)的大氣降水補給及地表河流下滲，隨著礦山降水等工程活動，加劇本區(qū)地下水力流動。

4.2 誘發(fā)因素

本區(qū)中最主要誘發(fā)因素是礦井強排水，同時結(jié)合地表雨水入滲、河水位漲落，繼而引發(fā)地下水位下降，最終導(dǎo)致該地區(qū)巖溶塌陷。

本區(qū)地面塌陷發(fā)生時間正值雨季，4處塌陷均為大雨過后，而且塌陷位置均處于河流附近，其中T4塌陷坑位于河道內(nèi)，T1、T2、T3塌陷坑距離河道不足50 m。塌陷區(qū)附近巖溶裂隙、洞穴管道中的地下水與附近河水聯(lián)通，當河水位升降時，也會致使巖溶塌陷。本區(qū)發(fā)生地面塌陷位置河道進行襯砌處理后，巖溶水位顯著下降，其中ZK5、ZK17、ZK18號孔水位均下降1.5 m左右，說明本區(qū)地下水和地表雨水、河水有良好的水動力聯(lián)系。

另外，由于礦區(qū)礦井排水量急劇增大，導(dǎo)致地下巖溶水位下降，使溶洞內(nèi)產(chǎn)生負壓，巖溶水位下降還導(dǎo)致上覆土層受承托力減小，孔隙水轉(zhuǎn)而向下運動，最終致使巖溶地面塌陷。在本區(qū)4～8月的水文監(jiān)測中，發(fā)生巖溶塌陷區(qū)域的地下水位標高在374.8 m左右，距離地表深度近20.1 m，遠離塌陷區(qū)地下水位標高在376.8 m左右，距離地表深度近5.2 m左右。由此可見，地面塌陷已發(fā)生區(qū)域地下水已經(jīng)改變了原有的自然狀態(tài)，這充分說明地表巖溶塌陷與該區(qū)域礦井排水建立了良好的水力聯(lián)系。現(xiàn)場巖溶塌陷形成過程示意見圖5。

圖5 礦區(qū)巖溶塌陷形成過程

4.3 致塌機理

本區(qū)為多條斷裂構(gòu)造交匯區(qū)域，巖體零碎、大理巖巖溶發(fā)育，斷裂構(gòu)造、巖溶裂隙、溶洞構(gòu)成了復(fù)雜的地下水徑流系統(tǒng)，形成該區(qū)域“溶洞充填物潛蝕流動-壓差場-蓋層失托增荷效應(yīng)”。

受人為及自然因素作用的影響，蓋層土體和巖溶含水介質(zhì)作為一個完整體系，在承壓或微承壓含水層中，在地下水位下降、巖溶水力坡度極端增大的情況下，破壞首先產(chǎn)生于溶洞充填物中，該現(xiàn)象在鉆孔ZK5、ZK15中得到了印證。而溶洞充填物中的細小顆粒物產(chǎn)生潛蝕，具有粘性的土質(zhì)則隨著水流運動。隨著地下水的不斷潛蝕、搬運，這些充填物持續(xù)被損壞和隨水流運動，繼而引發(fā)形成洞隙。另外，在自然平衡狀態(tài)條件下，地下水位下降會使蓋層自重-承壓水浮托的動態(tài)平衡遭到破壞，土體中應(yīng)力持續(xù)增大。

綜合物探解譯成果及鉆探驗證信息，塌陷坑T1和塌陷坑T2形成原因主要為覆蓋型巖溶區(qū)。T1下伏分別在21 m、26 m及30 m區(qū)間存在溶洞，T2分別在11 m、18 m區(qū)間存在溶蝕空洞，地下水經(jīng)覆蓋層向空洞滲流(或地下水位下降時，水力梯度增大)。在水壓作用下，地下水對土體或空隙中充填物進行沖蝕、掏空，上部覆蓋層含砂量減少，最終引發(fā)塌陷。

塌陷坑T3和塌陷坑T4淺部10～25 m地層破碎。T4塌陷坑位于河道內(nèi)，根據(jù)物探成果，此處河道為一條斷裂所在位置，受大氣降水及礦井排水等工程活動補給，隨著水體補給量增大，地表形成塌陷坑。初步推測塌陷坑T3及塌陷坑T4為貫通塌陷坑，其中河道內(nèi)T3塌陷坑塌陷兩次。T4塌陷坑有鉆孔ZK5進行驗證，其中溶洞12.4～12.9 m為粉質(zhì)粘土及角礫充填，溶洞16.0～16.3 m為粉質(zhì)粘土及角礫充填，溶洞17.0～21.8 m為空洞。

依照本區(qū)巖溶塌陷產(chǎn)生的條件及原因，將蓋層、巖溶介質(zhì)放在同一個系統(tǒng)中，并通過巖溶洞隙充填物使兩者聯(lián)系在一起。該系統(tǒng)的典型代表單元見圖6。由圖可知，自然條件下，由于溶洞充填物及承壓水的浮托作用，使得蓋層處于相對平衡狀態(tài)。當?shù)叵滤患彼俳档汀⑺ζ露瘸鲩撝禃r，溶洞充填物中透水物質(zhì)被潛蝕破壞，粘性土進行塑性流動，洞穴最先在充填物中產(chǎn)生和擴充。隨著水位的不斷下降，溶洞中開始出現(xiàn)較大空腔，主要是失托增荷作用于蓋層土體，土體中自重應(yīng)力增加。當巖溶水位與頂板分離，構(gòu)成真空條件，增荷失托作用上升至最大，不再增大。受壓差場影響，蓋層應(yīng)力持續(xù)增加，開始發(fā)生局部破壞，形成土洞。當?shù)叵滤幌陆邓俣容^大時，土體應(yīng)力超出其抗剪強度，導(dǎo)致蓋層土體被剪切破壞，繼而產(chǎn)生井形塌陷。形成土洞后，水位的下降逐漸趨向平穩(wěn)，土洞逐漸增大，最終形成壇形塌陷。

圖6 現(xiàn)場巖溶塌陷成因示意圖

5 結(jié)論

(1) 巖溶地面塌陷的形成是復(fù)雜地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造作用的結(jié)果，現(xiàn)場調(diào)查表明：勘查區(qū)地貌及地形條件繁雜；地層巖性簡單；地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件復(fù)雜；礦山開采的人類活動強烈?？辈閰^(qū)地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜。

(2) 勘查區(qū)屬覆蓋型巖溶區(qū)，斷裂構(gòu)造、巖溶裂隙、溶洞構(gòu)成了復(fù)雜的地下水徑流系統(tǒng)，地下巖溶區(qū)構(gòu)成水力通路。地下水位升降、礦山開采長期降水、人工開采地下水均可加劇地下水的潛蝕作用，引發(fā)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害。

(3) 塌陷坑T1和塌陷坑T2形成原因主要為覆蓋型巖溶區(qū)。T1、T2下伏區(qū)間存在溶蝕空洞，地下水經(jīng)覆蓋層向空洞滲流。在水壓作用下，地下水對土體或空隙中充填物進行沖蝕、掏空，上部覆蓋層含砂量減少，最終引發(fā)塌陷。塌陷坑T3和塌陷坑T4淺部10～25 m地層破碎。初步推測塌陷坑T3及塌陷坑T4為貫通塌陷坑，其中河道內(nèi)T3塌陷坑塌陷兩次。

(4) 塌陷區(qū)具有分布空間形態(tài)復(fù)雜、不均一化的特點，應(yīng)對塌陷區(qū)等地質(zhì)災(zāi)害進行綜合治理降低其地質(zhì)災(zāi)害危險性。另外，建議對流經(jīng)本區(qū)的季節(jié)性地表徑流進行治理，以防地表水滲入巖溶區(qū)內(nèi)，從而引發(fā)嚴重的地面塌陷。