彭景亮，邱鵬飛，祝曉明（湖南省煤田地質(zhì)局物探測量隊，湖南株洲412000）

寧鄉(xiāng)縣靳江流域巖溶塌陷的成因機制和防治對策

彭景亮，邱鵬飛，祝曉明（湖南省煤田地質(zhì)局物探測量隊，湖南株洲412000）

寧鄉(xiāng)縣靳江流域巖溶塌陷的分布主要受地貌因素、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水活動和人為因素的影響，其成因類型可分為人為塌陷和自然塌陷。人為原因主要是由抽取地下水、振動或加載因素引起。本文除了論述寧鄉(xiāng)縣靳江流域巖溶塌陷的基本特征外，還提出了巖溶地質(zhì)災(zāi)害的防治對策。

寧鄉(xiāng)縣；靳江流域；巖溶塌陷；地質(zhì)災(zāi)害；地下水

前言

巖溶塌陷泛指巖溶地區(qū)土層中的塌陷、巖溶基巖中的塌陷及上覆土層同下伏基巖一起塌陷的塌陷總稱。其中土洞與溶洞有著內(nèi)在的聯(lián)系，在垂直上往往呈上下疊置關(guān)系。一般情況下若沒有巖溶發(fā)育，開放的巖溶洞穴沒有與土層相連接，巖溶塌陷是不會發(fā)生的。塌陷調(diào)查表明，塌陷處均無一例外地存在著巖溶洞穴。

寧鄉(xiāng)縣靳江流域位于寧鄉(xiāng)縣的東南角，主要包含東湖塘、花明樓、道林、大屯營四個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，區(qū)內(nèi)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，四季分明，雨量充沛，多年平均氣溫17.8℃，多年平均降雨量1418.3mm。在地質(zhì)構(gòu)造上位于道林盆地與陶家灣向斜過渡區(qū)域。區(qū)內(nèi)主要岀露的地層有二疊系、石炭系、泥盆系等，地層巖性以質(zhì)純、層厚的碳酸鹽巖為主夾少量碎屑巖，據(jù)部分鉆孔及調(diào)查揭露，第四系覆蓋層厚度一般為5～15m。地貌上以堆積河流階地、低丘陵為主，四周見少量高丘陵。區(qū)內(nèi)地下開采礦山較多，包含已關(guān)閉的礦山約二十多家。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止2015年底，區(qū)內(nèi)至少發(fā)生巖溶塌陷20余個，構(gòu)成了本區(qū)內(nèi)的主要的地質(zhì)災(zāi)害，給該區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、集鎮(zhèn)建設(shè)及人民生命財產(chǎn)安全等方面帶來嚴重的危害，因此通過對寧鄉(xiāng)縣靳江流域巖溶塌陷的成因機制的研究，進而提出對寧鄉(xiāng)縣靳江流域巖溶塌陷的防治原則和措施，對該縣積極地進行地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防工作具有重要意義。

1 寧鄉(xiāng)縣巖溶塌陷的成因機制

1.1 巖溶塌陷分布和影響因素

寧鄉(xiāng)縣巖溶塌陷的分布主要受地層巖性、地貌因素、地下水活動、地質(zhì)構(gòu)造和人為因素的影響。在地貌上，巖溶塌陷主要發(fā)育在侵蝕堆積河流階地（Ⅰ2）及侵蝕溶蝕低丘陵（Ⅱ1）（圖1）上；地勢上，地勢低洼帶或高低地勢過渡帶巖溶塌陷分布較多，此類塌陷大概占塌陷坑總數(shù)的75%，不同地貌單元基巖上方土壤覆蓋層的厚度不同，一般覆蓋層厚度越小，巖溶塌陷就越發(fā)育。

圖1 寧鄉(xiāng)靳江流域地貌分區(qū)圖

巖溶塌陷主要沿巖溶強烈發(fā)育的地段分布。洞隙是塌陷產(chǎn)生的基礎(chǔ)，巖溶越發(fā)育，洞隙越發(fā)育，塌陷密度越大。而后者顯然受制于巖性和地質(zhì)構(gòu)造（圖2）。區(qū)內(nèi)巖溶塌陷主要發(fā)生在二疊系下統(tǒng)、石炭系中上統(tǒng)可溶性碳酸鹽巖之上的土層中，質(zhì)純、層厚的灰?guī)r巖溶發(fā)育，塌陷密度亦大。巖溶塌陷在空間分布上與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系密切，具有成群性與成帶性。

地下水活動是巖溶塌陷產(chǎn)生的主要動力。地下水位的頻繁升降會引發(fā)地下水水力坡度的變化，導(dǎo)致地下水的沖刷、潛蝕能力發(fā)生相應(yīng)的變化，產(chǎn)生滲透潛蝕作用；可以改變上覆土體的性狀、含水量和強度，促進土體崩落；可以引起地下水巖溶及土洞空腔內(nèi)的正負壓力的交替變化，使周邊巖石土體失穩(wěn)，并導(dǎo)致氣爆致塌或真空吸蝕致塌作用。地下水位波動頻率越高，地面塌陷會越容易發(fā)生。在地下水強徑流帶，地下水的潛蝕和沖刷能力相應(yīng)增強，塌陷分布亦較為密集。因此，塌陷多分布在池塘、河道及干渠兩側(cè)大概100m范圍內(nèi)，受抽排水影響而產(chǎn)生的塌陷一般分布在抽水井的周圍。

人類工程活動也是影響巖溶塌陷重要因素。一般而言，在人類工程活動越頻繁、活動強度越大的地區(qū)，塌陷產(chǎn)生的數(shù)量越多、規(guī)模越大?？傮w上看，巖溶塌陷有逐年遞增的趨勢，反應(yīng)隨著集鎮(zhèn)規(guī)模的不斷擴大，人類工程活動強度、頻度和范圍也急劇增大，因此對自然巖溶塌陷起著加速和誘發(fā)的作用。

在時間上，冬、春兩季巖溶塌陷發(fā)生較多，對20余個塌陷的統(tǒng)計表明，冬季、春季分別占27.3%和40.9%，夏季和秋季分別占18.2%和13.6%。原因是春季是寧鄉(xiāng)縣的雨季，有非常多的地表水補給地下水，寧鄉(xiāng)縣的枯水季節(jié)則在冬季，抽取地下水的強度增加，二者均易導(dǎo)致土體性狀、地下水位和洞穴空腔壓力的顯著變化。

1.2 巖溶塌陷的成因類型

寧鄉(xiāng)縣的巖溶塌陷從形成的原因上可分為自然塌陷和人為塌陷。

自然塌陷的形成主要是因為潛蝕作用，在地勢較低、地下水位較淺的地區(qū)，土壤層下伏的基巖有著發(fā)育的溶洞、溶隙等空洞，地表水的下滲及滲流作用導(dǎo)致土層底部被潛蝕，土粒被帶入溶洞或溶隙中繼而形成土洞，而土洞慢慢向上發(fā)展而引起地面塌陷。這種類型的塌陷寧鄉(xiāng)地區(qū)發(fā)生較少。

人為塌陷是在巖溶洞穴的基礎(chǔ)上因為人類活動而引發(fā)的塌陷，如抽取地下水、地表水下滲、工程荷載、爆破振動等均可造成塌陷。寧鄉(xiāng)縣的巖溶塌陷以人為塌陷為主。按其成因可分為：

（1）抽取地下水引起地面塌陷。該區(qū)地下開采礦山較多，主要開采的礦種為石灰?guī)r、白云巖等，礦山開采深度多為30～ 70m，開采礦石過程中，不斷抽取地下水，引起地下水位的反復(fù)升降，加劇了侵蝕作用，從而導(dǎo)致地面塌陷。據(jù)統(tǒng)計，因抽水引起的巖溶塌陷占區(qū)內(nèi)塌陷點的72.7%，占人為塌陷點總數(shù)的85%。如道林鎮(zhèn)河清村地面塌陷、花明樓鎮(zhèn)長塘組地面塌陷。

（2）振動和加載引起的塌陷。這類塌陷是在原有土洞基礎(chǔ)上，由于振動或上部負荷增加、破壞土體平衡所致。如三江華宇廠區(qū)地面塌陷就是由于超載堆積而引起地面塌陷。

2 巖溶塌陷的防治措施

2.1 塌陷前兆

一旦出現(xiàn)以下的情況，就有可能發(fā)生塌陷，應(yīng)特別引起注意和防范。①出現(xiàn)環(huán)形裂縫時是塌陷前的跡象，尤其是裂縫比較集中的部位。②出現(xiàn)不同方向的裂縫交叉區(qū)，已發(fā)現(xiàn)凹陷的地段。③已出現(xiàn)裂縫且延伸很遠，下雨后還在不斷加深、加大的地段。④水塘、農(nóng)田等突然發(fā)現(xiàn)漏水或冒水處。⑤聽到地下有響聲的地方。⑥抽水突然出現(xiàn)大量的渾水時。

2.2 預(yù)防與治理措施

2.2.1 監(jiān)測預(yù)防措施

巖溶塌陷的監(jiān)測預(yù)防是指在查明塌陷原因、影響因素的基礎(chǔ)上，為消除或削減塌陷發(fā)生、發(fā)展主導(dǎo)因素的作用而采取的措施。如調(diào)整抽排水方案、設(shè)置完善的排水系統(tǒng)、建立監(jiān)測網(wǎng)（對水點、地面、建筑物及塌陷前兆現(xiàn)象進行監(jiān)測）、工程選址時避開巖溶塌陷發(fā)育且尚有活動跡象的地段等。具體預(yù)防措施如下：

（1）合理的抽排地下水。在塌陷區(qū)內(nèi)不宜長期連續(xù)大降深的抽水，抽水時水位降深值要從小到大，避免一開始就采用大降深，同時應(yīng)合理的控制水位降深值。盡量避免開采淺層地下水，從多個塌陷區(qū)的資料分析，塌陷大多與60～70m以內(nèi)的淺部巖溶水抽取有關(guān)。

（2）若重要建筑物建設(shè)在巖溶分布區(qū)時，必須在選址階段進行以巖溶塌陷為主的地質(zhì)災(zāi)害危險性評估分級。對可能繼續(xù)發(fā)生巖溶塌陷的地段進行預(yù)測，劃定潛在的危險區(qū)，并使規(guī)劃中的重要建筑物盡量避開易塌陷區(qū)。在巖溶地面易發(fā)生塌陷區(qū)制定防治方案，及時采取措施進行綜合防治，減輕災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失。修建建筑物時，應(yīng)避開低洼地段，盡可能建在高處。

（3）在塌陷區(qū)不宜開山放炮，因為放炮引起的地下震動有氣壓、液壓的傳播與沖擊，較地震動破壞更大。

（4）監(jiān)測措施：在巖溶塌陷發(fā)育區(qū)，開展地下水動態(tài)監(jiān)測、孔隙水壓力監(jiān)測、地面沉降與變形監(jiān)測、地球物理探測和遙感技術(shù)監(jiān)測等組成的綜合巖溶塌陷監(jiān)測網(wǎng)點，進行長期監(jiān)測。根據(jù)動態(tài)監(jiān)測資料找出水位、流量、水質(zhì)、水色變化與塌陷產(chǎn)生的相互變化規(guī)律，從而達到預(yù)知預(yù)防的目的。

2.2.2 工程防治措施

巖溶塌陷的治理主要是針對塌陷發(fā)育的基本要素如巖溶洞隙、土體、含水層等分別進行填堵巖溶通道、強化土層和洞穴充填物、堵截水流等工程措施。

清除填堵法：及時回填新、老地面塌陷，避免塌陷對周邊地面的牽連性破壞。首先清除塌陷土層直至基巖，然后自上為下地回填塊石、碎石、粗砂、粘土，做成反濾層，再進行灌漿固結(jié)。

跨越法：用于塌陷坑或土洞較深大，開挖回填有困難的處理方法。

灌注法：對砂性土土洞而言，則需要通過鉆孔填實空洞或加固擾動土層，并灌漿封蓋下面的巖溶通道開口。把灌漿材料通過鉆孔或巖溶洞口進行注漿，其目的是強化土層或洞穴充填物、充填巖溶洞隙、阻斷地下水流通道、加固建筑物基礎(chǔ)。

恢復(fù)水位法：恢復(fù)水位是從根本上消除因地下水位下降造成地面塌陷的病源。當(dāng)危及建筑物和行人安全相當(dāng)嚴重時，只得停止取水，使地下水位通過雨季補給得到恢復(fù)。

修筑圍堰法：規(guī)模較大的塌陷坑，往往反映其下巖溶強烈發(fā)育，一般很難根治。可構(gòu)筑土堤將塌陷區(qū)圈起來，防止洪水對匯水區(qū)塌洞的徑流補給。

在具體治理時，防治方法要結(jié)合區(qū)內(nèi)塌陷的成因、致塌模式及主控因素進行合理的選擇，以確保防治工作的效果。

3 結(jié)束語

寧鄉(xiāng)縣靳江流域巖溶塌陷從物質(zhì)組成上分為發(fā)生在石灰?guī)r中的溶洞頂板塌陷和發(fā)生在覆蓋層中的土洞頂板塌陷。

寧鄉(xiāng)縣靳江流域巖溶塌陷主要受地貌因素、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水活動和人類工程活動等因素的影響。

巖溶塌陷的發(fā)生一般具備下面幾個條件。巖溶發(fā)育的存在是巖溶塌陷形成的先決條件；土層是土洞形成和塌陷發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)。地下水活動是巖溶塌陷形成的主要因素；不合理礦山開采抽排地下水是造成巖溶塌陷的主要因素。

加強該區(qū)巖溶塌陷的分布規(guī)律、成因機制的分析研究，采取合理的防治措施，是減少該區(qū)巖溶塌陷的根本措施。

P642.26

A

2095-2066（2016）33-0111-02

2016-11-12

彭景亮（1982-），男，工程師，本科，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作。