尹歐 何陽 阮岳軍 楊帆 姚海鵬 彭祖武

(1.湖南省地質調查院，湖南 長沙 410116;2.中南大學，湖南 長沙 410000)

0 引言

長沙市岳麓區(qū)軍營村巖溶塌陷波及范圍包括蓮花社區(qū)、軍營村和金鳳村，面積約1.58 km2。自2000年～2010年6月，巖溶塌陷范圍不斷增加，造成的損失也越來越嚴重，已造成經濟損失500多萬元，受影響村民達50多人［3］。

1 地形地貌

調查區(qū)內屬低丘陵地貌區(qū)，地勢整體北西高南東低，塌陷發(fā)育地段位于近南北向發(fā)育的溶蝕沖溝內，其上部為第四系松散堆積層，下部為泥盆系泥灰?guī)r、灰?guī)r;沖溝寬為500 m～1 000 m，溝內多種植水稻［3］。區(qū)內植被發(fā)育良好，高程一般80 m～100 m。

2 地質環(huán)境背景

2.1 地層

塌陷區(qū)出露主要地層有新生界第四系、上古生界泥盆系及上元古界板溪群地層。自新至老分述如表1所示。

表1 軍營村巖溶塌陷調查區(qū)地層統(tǒng)計表

2.2 地下水類型

根據(jù)區(qū)域地質資料及現(xiàn)場調查，岳麓區(qū)軍營村塌陷區(qū)主要地下水類型有如下幾類:

1)松散巖類孔隙水。

主要分布于場區(qū)內蓮花河側及寬緩的沖溝區(qū)，含水層主要由河相沉積和灰?guī)r風化殘積土等組成，穩(wěn)定地下水位埋深0.5 m～6.9 m，水位標高54.69 m ～59.05 m，單井涌水量0.02 L/(s·m)～0.2 L/(s·m)。

2)巖溶孔隙裂隙水。

含水層由泥盆系中統(tǒng)沙河組(Ds)泥灰?guī)r組成，裂隙發(fā)育，主要為水量貧乏的風化裂隙水，主要分布于調查區(qū)沖溝西部，蓮花河右岸區(qū)域，上部為第四系覆蓋，鉆孔單位涌水量0.01 L/(s·m)，滲透系數(shù)為 0.02 m/d。

3)巖溶裂隙溶洞水。

含水層由泥盆系中統(tǒng)棋梓橋組(Dq)灰?guī)r組成，淺部溶洞及裂隙較發(fā)育，主要分布于調查區(qū)沖溝東部，蓮花河左岸區(qū)域，鉆孔單位涌水量 0.05 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.244 m/d。

2.3 導水斷裂構造帶

1)官沖寺—張家?guī)X—萬寶塘張性斷裂(F1)。

斷裂帶附近巖石破碎，泥質半充填狀態(tài)，斷裂導水性較好。斷層產狀 NW325°∠25°。

2)軍營大屋壓扭性斷裂(F2)。

近東西向發(fā)育，由于地層受斷裂壓扭作用，巖層相對破碎，裂隙較發(fā)育，裂隙多為泥質充填和半充填，為弱導水斷裂。

3)蚱蜢嶺壓性斷裂(F3)。

在露天采石坑內揭露，斷層破碎帶巖石較為破碎，斷層通過處巖溶裂隙較發(fā)育，但多被泥質充填。抽水試驗鉆孔涌水量較小，判定此斷裂為弱導水斷裂。鉆孔單位涌水量0.01 L/(s·m)。滲透系數(shù) 0.02 m/d。斷層產狀 NW310°∠60°。

2.4 人類采礦活動

岳麓區(qū)軍營村的采石歷史近200余年，調查區(qū)內共有4處采石坑，其中3處因開采深度和涌水量較大等原因已停采，成為天然地表水體，現(xiàn)有采坑呈不規(guī)則狀，采坑面積約3.7×104m2，采坑深度近40 m，其采石場內賦存的地下水位的標高約為20.0 m處，臨近的軍營村河水位標高56.0 m，根據(jù)現(xiàn)場調查，推測采石坑日排水量約為600 t/d。

3 巖溶塌陷特征

據(jù)調查，該區(qū)曾發(fā)生過48處巖溶塌陷:2009年以前共發(fā)生巖溶塌陷數(shù)量為28處，其中塌陷坑直徑大于5 m的共2處，小于5 m的共26處;2009年以來共發(fā)生巖溶塌陷20處，其中塌陷坑直徑大于5 m的共8處，小于5 m的共12處。

研究區(qū)巖溶塌陷集中分布于3個巖溶強烈發(fā)育帶區(qū)段，2009年以前所發(fā)生的塌陷集中分布于采石坑抽排水強徑流帶內，共計15處，占2009年以前所發(fā)生塌陷總數(shù)的55%，占總塌陷數(shù)量的31%。2009年以來發(fā)生的塌陷主要集中分布于沿斷層發(fā)育的巖溶強發(fā)育帶和沿地層分界線控制發(fā)育的巖溶強烈發(fā)育帶，分別為8處和10處，共18處，占2009年以來所發(fā)生塌陷數(shù)量的85%，占總塌陷數(shù)量的40%。

軍營村巖溶塌陷區(qū)塌陷分布圖見圖1。

圖1 軍營村巖溶塌陷區(qū)塌陷分布圖

4 巖溶塌陷成因及機理分析

4.1 塌陷形成原因分析

巖溶塌陷發(fā)生必須具備的三個基本條件，即:塌陷動力、塌陷物質、儲運條件［1］。調查區(qū)有巖溶相對發(fā)育的碳酸鹽巖地層、有較薄層的第四系松散堆積粘土層，而且調查區(qū)因人類采礦活動，有抽排地下水造成的地下水強徑流帶等［2］。這些條件的具備，有利于巖溶塌陷的孕育與發(fā)生，主要體現(xiàn)如下四個方面:

1)覆蓋層較薄，有利于巖溶塌陷發(fā)生。

區(qū)內第四系松散層厚度一般小于5 m，局部可達到12 m，可溶區(qū)上覆松散土層厚度較小，松散土層易因潛蝕空洞失穩(wěn)而產生塌陷。

2)構造帶部位、地下水強徑流帶、巖性差異分界線等部位，有利于巖溶塌陷發(fā)生。區(qū)內泥灰?guī)r巖溶發(fā)育強度較弱，但構造帶發(fā)育，在斷裂擠壓影響區(qū)域，其巖石破碎，地下水相對活動強烈，其巖溶裂隙孔隙相對發(fā)育，是形成塌陷的主要地段。調查區(qū)已發(fā)生巖溶地面塌陷共48處，這些已知塌陷大部分處于構造帶部位、巖性差異分界線等部位。

3)采石坑開采爆破，加劇了臨近采坑區(qū)一帶巖溶塌陷的發(fā)生。

區(qū)內巖溶塌陷與采石坑長期開采爆破有一定的關系，采坑爆破能量巨大，產生巨大的沖擊能量，擴展其構造裂隙，同時對周圍松散土體也有振動影響，易形成微小裂隙，從而形成透水通道。

4)采石坑抽排地下水，有利于誘發(fā)巖溶塌陷。

調查區(qū)巖溶較發(fā)育，通過采石坑揭露的可溶巖界面分析，當采石坑抽排地下水，在灰?guī)r裂隙孔隙中形成較大的滲透壓力，加劇土體沿裂隙及孔隙運移［4］，從而揭穿第四系孔隙水底板而導致上層土體破壞并發(fā)展成為地面塌陷。

4.2 巖溶塌陷形成機理分析

調查區(qū)巖溶塌陷形成機理為“滲透破壞—土洞—地面塌陷”機理［8，9］。本工作區(qū)內第四系覆蓋層為二元結構沖積層，上部為粉質粘土，下部為飽和粉土、粉細砂土，直接覆蓋在有巖溶裂隙的基巖面之上，調查區(qū)裂隙主要沿構造F3斷層以及其次生斷層發(fā)育，在開采坑內直接可以在第四系孔隙水與采石坑周圍可溶巖中的巖溶裂隙水發(fā)生直接水力聯(lián)系。

在露天采石坑的長期抽排水作用下，基巖裂隙水水位即為現(xiàn)坑底水位約為35 m，低于地表水系水位20 m，坑外圍覆蓋層中的潛水與基巖裂隙水形成了強大的水頭差(塌陷區(qū)的水力坡度i約為0.455)，使得第四系的孔隙水發(fā)生近垂直滲流(如圖2中的地下水方向)。

圖2 軍營村巖溶塌陷形成機理分析略圖

首先，在表層覆蓋土體下部松散的碎屑顆粒在強滲流水壓力作用下，土層中的潛水對巖土交界位置(如基巖裂隙表面、溶蝕溝槽的表面等)的碎屑土的產生滲透、沖刷等潛蝕作用［8，9］。這樣覆蓋層底部的松散碎屑顆粒被滲透水流攜帶和搬運，從而引起土體的結構變松，強度降低，土體顆粒之間失去粘聚力，產生流土破壞形式。特別是在第四系與下伏基巖接觸帶以及基巖裂隙管道發(fā)育等地段，地下水的徑流帶上，土體受到強滲透力的作用下，極易被潛蝕攜帶。

巖溶塌陷潛蝕機理進程圖如圖3所示。

圖3 巖溶塌陷潛蝕機理進程圖

隨著滲透變形的范圍在巖土面附近不斷擴大，地下水的垂直滲流加劇，局部水力坡度加大，覆蓋層底部的粉細砂、粉質粘土等不斷被地下水流沖刷并攜帶流入巖溶裂隙通道，形成土洞，土洞底部不斷滲透變形被潛蝕，上部及周圍土體在水流作用下不斷的崩落破壞，使得土洞不斷擴大［7-9］。當土洞擴大至上覆土層無法自行支撐壓力時，頂部土體垮塌，產生地面巖溶塌陷。

［1］林宗元.巖土工程勘察設計手冊［M］.沈陽:遼寧科學技術出版社，1996.

［2］楊順泉，楊培焱，李佐海，等.湖南省地質災害［M］.長沙:湖南科學技術出版社，1999.

［3］阮岳軍，尹 歐，李幼惠，等.湖南省長沙市岳麓區(qū)軍營村巖溶塌陷地質災害勘查評價報告［R］.2010.

［4］潘 懋，李鐵鋒.災害地質學［M］.北京:北京大學出版社，2002.

［5］金 山，陽軍生.廣州巖溶塌陷形成條件及主要影響因素［J］.地質與勘探，2009，45(7):488-492.

［6］盛玉環(huán).巖溶塌陷的勘察與防治［J］.巖土工程界，2004，7(4):72-74.

［7］萬志清，秦四清，祁生文.桂林市巖溶塌陷及防治［J］.工程地質學報，2001，9(2):199-203.

［8］雷明堂，李 瑜，蔣小珍，等.巖溶塌陷災害監(jiān)測預報技術與方法初步研究——以桂林市柘木村巖溶塌陷監(jiān)測為例［J］.中國地質災害與防治學報，2004，15(S1):142-146.

［9］朱壽增，周健紅，陳學軍.桂林市西城區(qū)巖溶塌陷形成條件及主要影響因素［J］.桂林工學院，2000，20(2):100-105.