王忠忠

(廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州510080)

巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害前期變形時(shí)間長(zhǎng)，塌陷過(guò)程具突發(fā)性，嚴(yán)重威脅了巖溶地區(qū)人民生產(chǎn)、生活安全，極大制約了社會(huì)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展。西江沿岸(肇慶段)位于珠江三角洲西端、西江中下游，涵蓋了肇慶市端州區(qū)，包括鼎湖區(qū)與高要市城區(qū)及其部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)。該地區(qū)是有“中國(guó)硯都”之稱(chēng)的國(guó)家歷史文化名城，也是沿海發(fā)達(dá)地區(qū)通往西南各省的重要交通樞紐，同時(shí)也是廣東產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的重要地區(qū)。區(qū)域內(nèi)隱伏巖溶發(fā)育，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人類(lèi)活動(dòng)加劇及氣候變化，巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，威脅了人民生活生產(chǎn)安全，也造成了一定經(jīng)濟(jì)損失。因此，分析巖溶地面塌陷時(shí)空分布規(guī)律和成因，探討防治措施，對(duì)該地區(qū)建設(shè)規(guī)劃及防災(zāi)減災(zāi)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 地質(zhì)環(huán)境背景

西江沿岸(肇慶段)氣候溫和濕潤(rùn)，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫22.2℃，多年平均降雨量為1 649 mm，主要集中在4－9月(占80%)，雨季期間集中了92%，日最大降水量216.3 mm。高要段西江平均年徑流量2.21×1011m3。地勢(shì)上整體為西高東低，北部和東部地區(qū)以低山地貌為主，南部以丘陵為主，植被茂密。

研究區(qū)主要出露為震旦系、寒武系、泥盆系、石炭系、三疊系及白堊系沉積巖，侵入巖僅在西江右岸的丘陵山區(qū)發(fā)育。受地質(zhì)構(gòu)造、熱液活動(dòng)影響，巖石都具有不同程度的變質(zhì)?？扇軒r——碳酸鹽巖面積約239 km2，占研究區(qū)面積的24.20%，主要為覆蓋型碳酸鹽巖，發(fā)育于泥盆系上統(tǒng)天子嶺組(D3t)，石炭系下統(tǒng)石磴子組(C1^s)，石炭系上統(tǒng)大埔組(C2dp)、黃龍組(C2hl)和船山組(C2^c)，下二疊統(tǒng)棲霞組(P1－2q)。高要市蓮塘——新橋鎮(zhèn)北部少量發(fā)育淺埋藏型碳酸鹽巖，端州區(qū)七星巖等地區(qū)零星出露裸露型碳酸鹽巖。區(qū)內(nèi)可溶巖中石磴子組微晶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r分布面積最大，約178 km2;其次為天子嶺組微晶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，面積約41 km2。

本地區(qū)位于華南褶皺系粵西隆起與粵中拗陷的交接地帶，主要由北東向、東西向斷裂形成基本構(gòu)造格架。北東向構(gòu)造以斷裂形式出現(xiàn)，規(guī)模較大;東西向構(gòu)造由復(fù)式向斜和一系列斷裂組成。

區(qū)內(nèi)第四系松散巖類(lèi)孔隙水、裸露型碳酸鹽類(lèi)裂隙溶洞水、層狀巖類(lèi)裂隙水和塊狀巖類(lèi)裂隙水富水性貧乏，覆蓋型、埋藏型碳酸鹽類(lèi)裂隙溶洞水富水性一般為中等。受地形控制，地下水整體自西向東流動(dòng)。在山區(qū)，地下水補(bǔ)給來(lái)源以大氣降水補(bǔ)給為主;在沖積平原區(qū)，除降水入滲補(bǔ)給外，地下水同時(shí)接受裂隙水側(cè)向補(bǔ)給和西江等地表水下滲補(bǔ)給。地表水、孔隙水、裂隙水和裂隙溶洞水都具有一定的水力聯(lián)系。

2 巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害特征

2.1 巖溶塌陷規(guī)模及危害

研究區(qū)巖溶地面塌陷從上世紀(jì)八十年代以來(lái)累計(jì)發(fā)生26起(圖1)，廣泛分布于為西江兩岸的沖積平原隱伏巖溶地區(qū)，該區(qū)域人口稠密，工商業(yè)密集，農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)，是地下工程建設(shè)開(kāi)發(fā)的重要場(chǎng)所。本地區(qū)以塌陷坑形式出露為主，其次為地裂縫。規(guī)模及影響較大的塌陷分別為:鼎湖區(qū)沙浦鎮(zhèn)的江肇高速公路南岸引橋路段的塌陷坑群，其塌陷坑口形態(tài)各異，呈串珠狀分布，最大單坑直徑46.9 m，影響面積為104m2以上，造成經(jīng)濟(jì)損失200余萬(wàn)，但無(wú)人員傷亡［1］;肇慶大橋橋墩樁基施工過(guò)程中，引發(fā)周?chē)?00 m2下陷，工作平臺(tái)報(bào)廢［2］。其余均為直徑1～10 m的小型塌陷，造成周?chē)课莸冉ㄖ飰w開(kāi)裂或部分農(nóng)作物損失。

圖1 巖溶塌陷分布圖

2.2 巖溶塌陷時(shí)空分布

研究區(qū)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害在不同時(shí)間段發(fā)生的次數(shù)具有差異性(表1)。1990年前，巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)較少，主要致塌的原因是由于在端州區(qū)供水勘察過(guò)程中鉆探洗井引起。1990年后尤其是2000年后，隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，各地工程建設(shè)(橋梁、房地產(chǎn)、高速公路等)日益增多，巖溶塌陷致災(zāi)頻率增加。同時(shí)，隨著全球氣候變化，極端天氣頻現(xiàn)也是導(dǎo)致近年來(lái)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害增多的重要因素。

表1 不同時(shí)段巖溶塌陷頻次表

巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的空間分布和巖溶塌陷影響因素密切相關(guān)，這些因素包括巖性、地下水活動(dòng)、地質(zhì)構(gòu)造、上覆土層結(jié)構(gòu)和人類(lèi)工程活動(dòng)情況密切相關(guān)。研究區(qū)巖溶塌陷具有如下分布特征:

(1)巖溶塌陷主要發(fā)生在石磴子組和天子嶺組微晶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r中，共發(fā)生塌陷25處，占塌陷總數(shù)的 96.15%，塌陷分布密度分別為 0.12 個(gè)/km2、0.07個(gè)/km2。其淺層巖溶發(fā)育，單層～雙層結(jié)構(gòu)為主，局部呈串珠狀(見(jiàn)圖2)，溶洞普遍發(fā)育在 －10～－35m，洞高0.2～12.0 m。這主要由于這兩組地層中灰?guī)r較純，碳酸鹽含量高，在弱酸性地下水和地表水的作用下可溶巖發(fā)生巖溶作用，碳酸鹽含量越高，溶洞越發(fā)育。

(2)巖溶塌陷分布于地下水活動(dòng)強(qiáng)烈的山前補(bǔ)給區(qū)和西江沿岸。研究區(qū)地下水類(lèi)型主要為碳酸鹽類(lèi)裂隙溶洞水，其水量和運(yùn)移方向受地形、地質(zhì)構(gòu)造控制。在山前補(bǔ)給區(qū)和西江沿岸隱伏巖溶地區(qū)是碳酸鹽類(lèi)裂隙溶洞水水位年變幅較大［3］、地下水活動(dòng)相對(duì)強(qiáng)烈地區(qū)。這類(lèi)地區(qū)地表水、孔隙水和裂隙溶洞水水力聯(lián)系密切，有利于溶洞發(fā)育和巖溶塌陷形成。

(3)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害主要分布于斷裂周?chē)?，共?7處巖溶塌陷發(fā)生在脆性斷裂周?chē)?～600 m，占塌陷總數(shù)的65.38%。研究區(qū)內(nèi)脆性斷裂發(fā)育，尤其在隱伏巖溶區(qū)——端州區(qū)呈棋盤(pán)格狀。斷裂周?chē)?jié)理裂隙發(fā)育，在張性斷裂周?chē)仔纬傻叵滤畯搅魍ǖ?，有利于地下水交替循環(huán)，經(jīng)受溶蝕后形成溶洞繼而易發(fā)生巖溶塌陷。

(4)巖溶塌陷普遍分布在一元、二元土層結(jié)構(gòu)中。其中，一元土層結(jié)構(gòu)巖性為第四系古河道的卵礫石、漂石，分布于北嶺山東側(cè)和欄柯山南側(cè)的山前;二元土層結(jié)構(gòu)巖性為粘性土(局部為淤泥質(zhì)土)——砂土結(jié)構(gòu)。這些土層具有埋藏淺(一般厚度小于30 m)、基巖面上覆巖性一般為砂土或碎石土(部分為較薄的砂質(zhì)粘性土殘積土層)的特點(diǎn)。在外在動(dòng)力條件改變下，土層小顆粒不斷被水流帶走，形成土洞，上覆土體失穩(wěn)后塌落至下方的溶洞中，形成巖溶塌陷。

(5)巖溶塌陷主要分布在人類(lèi)工程活動(dòng)密集的城鎮(zhèn)、開(kāi)發(fā)區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，與人類(lèi)工程活動(dòng)密切相關(guān)的巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害占73.08%。在承接珠三角產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移背景下，西江沿岸地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，地下工程開(kāi)發(fā)建設(shè)增多，但隱伏巖溶地質(zhì)情況復(fù)雜，工程施工措施不當(dāng)極可能引起地面塌陷。

圖2 蜆崗鎮(zhèn)南村巖溶發(fā)育剖面(彈性波CT影像)

2.3 巖溶塌陷成因類(lèi)型

西江沿岸巖溶塌陷成因類(lèi)型有:人為引起的振動(dòng)致塌、抽取地下水致塌、荷載致塌和自然引起的暴雨致塌等四種(見(jiàn)圖3)。其中，以振動(dòng)致塌、抽取地下水致塌為主，占塌陷總數(shù)的69.23%。

圖3 不同成因致塌頻次圖

振動(dòng)致塌主要是爆破、鉆探等工程建設(shè)中，振動(dòng)效應(yīng)引起砂土液化和粘性土觸變與陳化，降低了土體強(qiáng)度［4］，使無(wú)充填或半充填溶洞(土洞)上覆土體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致;抽水致塌是抽取地下水使地下水位迅速下降，動(dòng)水壓力增大到一定程度后，溶洞中及上覆土體中土顆粒隨著水流帶出，這種潛蝕效應(yīng)易形成土洞，隨著抽水時(shí)間的延長(zhǎng)，土洞向上發(fā)展到地下水位線(xiàn)后，在真空吸蝕效應(yīng)下土洞不斷向上發(fā)展，最后上覆土體失穩(wěn)出現(xiàn)塌陷;暴雨致塌是降雨使地下水水位波動(dòng)較大，土體經(jīng)受垂直滲壓效應(yīng)和潛蝕效應(yīng)作用，土顆粒被水流攜帶運(yùn)移，使巖溶發(fā)育區(qū)地基平衡發(fā)生改變，導(dǎo)致地面塌陷;荷載致塌是外部堆土等荷載超過(guò)溶洞(土洞)拱頂?shù)某惺芰r(shí)引起。

3 防治措施

巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的防治應(yīng)以預(yù)防為主，防治結(jié)合［5］。根據(jù)本地區(qū)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害特征提出幾點(diǎn)防治措施:

(1)工程建設(shè)合理規(guī)劃，盡量避開(kāi)易發(fā)巖溶塌陷地區(qū)，如可溶巖區(qū)的山前補(bǔ)給區(qū)、西江沿岸等地下水活動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū)以及斷裂發(fā)育附近600 m范圍內(nèi)。

(2)在易發(fā)巖溶塌陷地區(qū)開(kāi)展工程建設(shè)，施工前需以物探、鉆探工程查明土層結(jié)構(gòu)、巖土物理力學(xué)性質(zhì)、巖溶發(fā)育情況和富水特征。根據(jù)巖溶塌陷條件針對(duì)性的采取封閉防滲、結(jié)構(gòu)物跨越和地下加固處理等工程措施有效防治。

(3)制定合理的抽排水標(biāo)準(zhǔn)。在覆蓋層厚度小于30 m，砂土、碎石土較多，淺層巖溶發(fā)育且建筑物較密集的地段，避免大量開(kāi)采地下水。加強(qiáng)城鎮(zhèn)排水溝渠的防滲功能，防止地表水集中滲入。

(4)對(duì)于橋梁、高層建筑、地下水供水點(diǎn)等重要工程，在其附近建立必要的自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，如孔隙水(氣)壓力監(jiān)測(cè)、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及變形監(jiān)測(cè)等，對(duì)可能的巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)西江沿岸(肇慶段)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模小，但造成的經(jīng)濟(jì)損失大，威脅當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)安全，制約當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

(2)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害分布具有時(shí)空規(guī)律:時(shí)間上，巖溶塌陷主要發(fā)生在2000年后的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展期;空間上，巖溶塌陷分布與可溶巖巖性、地下水活動(dòng)、地質(zhì)構(gòu)造、上覆土層結(jié)構(gòu)和人類(lèi)工程活動(dòng)情況密切相關(guān)。

(3)巖溶塌陷成因有振動(dòng)致塌、抽取地下水致塌、荷載致塌及暴雨致塌，以人為因素引起的振動(dòng)、抽取地下水為主。

(4)為防治巖溶塌陷，應(yīng)合理規(guī)劃工程建設(shè)及抽排水，盡量避開(kāi)易發(fā)巖溶塌陷地區(qū)，在巖溶塌陷地區(qū)開(kāi)展工程建設(shè)時(shí)應(yīng)針對(duì)巖溶地質(zhì)特征采取工程措施。同時(shí)，在重要工程地區(qū)，應(yīng)建立自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警。

［1］王新武.肇慶市鼎湖區(qū)沙浦鎮(zhèn)巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告［R］.深圳:深圳地質(zhì)建設(shè)工程公司.2011.

［2］陳明曉.巖溶覆蓋層塌陷的原因分析及其半定量預(yù)測(cè)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2002.21(2):285 －289.

［3］梁俊平.廣東肇慶市地質(zhì)構(gòu)造對(duì)巖溶水的控制［J］.廣東地質(zhì).1994.9(1):58 －65.

［4］陳國(guó)亮.巖溶地面塌陷的成因與防治［M］.中國(guó)鐵道出版社.1994.

［5］錢(qián)建平.桂林市巖溶塌陷的基本特征和防治對(duì)策［J］.礦產(chǎn)與地質(zhì).2007.21(2):200 －204.