景營利 孫楊艷 張志衛(wèi) 周 進

（湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四一六隊 湖南株洲 412007）

引言

巖溶塌陷是世界上最常見的地質(zhì)災害類型之一。據(jù)初步統(tǒng)計，全世界有16個國家存在嚴重的塌陷問題，我國可溶巖分布面積363萬km2，也是巖溶塌陷發(fā)育最廣泛的國家之一。因此，有關(guān)巖溶塌陷的研究一直都是國內(nèi)學者們關(guān)注的熱點。巖溶塌陷的形成機制十分復雜，重力、水動力、氣動力、振動力等都是導致塌陷的力。徐衛(wèi)國[2]等對由于采礦排水、礦井突水、水資源開發(fā)等引起的巖溶塌陷提出“真空吸蝕論”，田級生[3]等傾向于滲透潛蝕作用，代群力[4]的“共振論”認為對于具彈性介質(zhì)的覆蓋層，當?shù)叵滤驓鈮翰▌优c蓋層固有頻率一致時，其產(chǎn)生的共振現(xiàn)象將引發(fā)塌陷。何宇彬[5]等則認為真正引起塌陷的機理是水流的水動力條件變化。左平怡[11]將形成塌陷的力概括為垂向力與側(cè)向力、塌力和抗塌力，提出塌陷實質(zhì)上是塌力和抗塌力綜合作用的結(jié)果。康彥仁[6]總結(jié)出8種基本的巖溶致塌模式，即重力致塌式、潛蝕致塌式、沖爆致塌式、真空吸蝕致塌式、振動致塌式、荷載致塌式、溶蝕致塌式、根蝕致塌式，即利用多種機制致塌模式研究各種條件下致塌力的作用效果。

本文選擇典型的覆蓋型巖溶—株洲市雷打石鎮(zhèn)塌陷區(qū)為研究對象，分析其巖溶塌陷機理，并選取典型塌陷點，開展專門分析。

1 研究區(qū)概況

巖溶地面塌陷區(qū)位于湖南省株洲縣雷打石鎮(zhèn)內(nèi)。區(qū)內(nèi)人類活動頻繁，居民密集，工礦企業(yè)較多，社會經(jīng)濟較發(fā)達，交通便利。塌陷區(qū)位于湘江左岸，主要地貌類型為河谷丘陵地貌。屬溫暖濕潤亞熱帶季風氣候，區(qū)內(nèi)大氣降水充沛，多年平均降水量1357mm。塌陷區(qū)東側(cè)的湘江多年平均水位標高32.67m，多年最高水位標高43.87m（1976年7月13日），多年最低水位標高29.82m，最大變幅達14.05m。

區(qū)內(nèi)地層主要為：第四系上更新統(tǒng)白水江組（Qp3bs）、中更新統(tǒng)馬王堆組（Qp2mw）、中更新統(tǒng)白沙井組（Qp2b）、殘坡積物（Qel），多具二元結(jié)構(gòu)。厚度6～40m，上部粘土、粉質(zhì)黏土，下步礫石層礫石含量55～70%，富水性中等；

白堊系上統(tǒng)羅鏡灘組（K2lj）灰質(zhì)礫巖、砂礫巖、礫巖等組成，礫石含量30～70%，礫徑2.0～60.0mm，礫石成分主要為灰?guī)r。巖溶及裂隙很發(fā)育，溶洞呈串珠狀發(fā)育，巖溶發(fā)育以溶洞為主，富水性以中等為主，局部可達豐富；

石炭系中上統(tǒng)壺天群（CPH）的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖等，巖溶及裂隙很發(fā)育，溶洞呈串珠狀發(fā)育，全沖填、半沖填或無沖填，沖填物為紫紅色軟塑至流塑狀含礫石粘土，富水性豐富。

區(qū)內(nèi)的構(gòu)造發(fā)育，發(fā)育一條區(qū)域壓扭性斷裂富水斷裂（F68）和3條物探推測小規(guī)模斷層（Fw83、Fw84、Fw85）。其中（F68）走向 20～25°，傾向北西西，傾角53～75°，斷裂兩側(cè)巖溶發(fā)育，富水性強，為區(qū)內(nèi)的強巖溶發(fā)育帶。

2 巖溶發(fā)育特征

區(qū)內(nèi)基巖為灰質(zhì)礫巖（K2lj）和灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r（CPH）。上部灰質(zhì)礫巖（K2lj）假整合或角度不整合于下部壺天灰?guī)r（CPH）之上，兩組巖石組成一共同的巖溶地下水含水介質(zhì)。基巖巖溶發(fā)育強烈，鉆孔揭露其頂板埋深8.0～15m，遇溶洞率達34.6～52.8%，溶洞多層發(fā)育，洞高 0.3～2.5m，以紫紅色軟塑～流塑狀粘性土半充填為主。上層溶洞頂板薄，一般≤0.4m，其溶洞充填物成分與上部殘積物接近，說明其為開口溶洞。下部溶洞多為流塑狀粘性土半充填，由于礦坑突水的影響，南部2個鉆孔ZK2和ZK7均未揭露到巖溶地下水水位。

圖1 雷打石塌陷區(qū)地質(zhì)略圖

區(qū)內(nèi)發(fā)育一條受F68斷裂構(gòu)造的強巖溶發(fā)育帶（圖2）。此條帶長約3km，寬一般為30～150m，巖溶發(fā)育深度一般為5～50m不等，中間寬，向南、北兩頭逐漸變窄至尖滅，其他地方局部有小型巖溶發(fā)育。沿巖溶發(fā)育帶，多層溶洞和開口溶洞、土洞（擾動土層）的存在，下部擾動土層（或土洞）呈帶狀分布，是塌陷產(chǎn)生的有利條件，區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷主要分布在該強巖溶發(fā)育帶內(nèi)，且其上覆第四系薄，屬于覆蓋型巖溶。

圖2 T5線綜合剖面圖

3 雷打石巖溶塌陷形成機理分析

3.1 塌陷空間分布

雷打石巖溶塌陷點具有明顯的帶狀集聚性。從地形地貌類型看，區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷分布于河流兩側(cè)平緩低階地或地形低洼處，地形平坦開闊，有利于地表水的匯集。從土層性質(zhì)看：區(qū)內(nèi)上覆第四系土層具有二元或三元結(jié)構(gòu)，厚度一般6～42m，沿巖溶發(fā)育帶局部可達50m。上部以粘土為主，下部均有不同厚度的砂礫石層，擾動土層（或土洞中的沖填物）以軟塑為主，鉆孔揭露最大土洞高達10.2m，土洞中充填軟塑～流塑粘性土狀，力學強度很低。從構(gòu)造發(fā)育看：區(qū)內(nèi)4個塌坑在平面上沿構(gòu)造帶分布，一般斷裂帶上盤發(fā)育多，下盤相對較少；其中3個塌坑位于沿F68構(gòu)造發(fā)育的強巖溶發(fā)育帶，該巖溶發(fā)育帶同時也是巖溶水主要的徑流通道。

3.2 塌陷產(chǎn)生的基本條件

巖溶塌陷形成的基本條件包括巖（可溶性巖石）、土（上覆第四系松散層）、水（地下水水動力及水化學）。即“巖-土-水”塌陷三要素?，F(xiàn)就塌陷“三要素”敘述如下：

（1）可溶性巖石是巖溶地面塌陷的先決條件，區(qū)內(nèi)4處巖溶塌陷發(fā)育于白堊系上統(tǒng)羅鏡灘組（K2lj）灰礫巖分布區(qū)，溶洞發(fā)育具有多層性，特別是溶洞、溶槽等地下水進入通道地段，可直接決定其上部或附近土洞的發(fā)育與否。

（2）區(qū)內(nèi)上覆土體多具二元結(jié)構(gòu)。在降雨或地表水入滲作用下，其水力坡度較大，可在土層中產(chǎn)生潛蝕作用，將土的細小顆粒帶走，形成土洞。當巖溶地下水位波動使巖溶洞隙上覆蓋巖土體處于頻繁的干濕交替狀態(tài)，使其發(fā)生崩解和垮塌，促進土洞的發(fā)育和擴展形成塌陷。

（3）區(qū)內(nèi)巖溶塌陷均位于盆地內(nèi)或者盆地邊緣與斷褶帶交接處，地下水徑流強烈，且多為雙層結(jié)構(gòu)，上、下兩地下水間因裂隙勾通而存在水力聯(lián)系，地表水和第四系松散巖類孔隙水向下滲透或地下水位在巖土交界附近作頻繁升降運動，由于水對土層的潛蝕作用，產(chǎn)生土洞和地面塌陷。

4 典型巖溶塌陷分析

巖溶地面塌陷與“巖-土-水”相互作用密不可分。根據(jù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件，其中“上覆二元土層結(jié)構(gòu)+強巖溶發(fā)育基底”型特點尤為明顯，現(xiàn)以區(qū)內(nèi)最大最典型的L073塌坑為例進行闡述。

4.1 L073塌坑形成過程概述

2007年8月11日位于塌陷區(qū)南約300m的礦坑突水，區(qū)內(nèi)地下水水位急降幾十米。礦坑正常開采排水量為2400～3600m3/d，8月11日礦坑突水積水排干后礦坑排水量16800～19200m3/d，區(qū)域地下水系統(tǒng)遭受嚴重破壞。塌坑發(fā)生前一晚（2007年8月25日晚上5點半）采石場放排炮，附近房屋普通或藍色玻璃震裂震碎，隨后塌坑房前水泥地坪產(chǎn)生地裂縫。26日 11：30～15：30，L073號塌坑發(fā)生，起初塌坑直徑約 3m、可見深4～5m，以后塌陷坑不斷發(fā)展擴大，最后于2007年9月4日，坑口直徑達30m，可見深約21m（2007年9月4日前）。塌坑上部0～20m呈上大下小的似喇叭狀，20m以下呈園柱狀，口徑約1m，整個塌坑未見下伏基巖。塌坑四周稻田、北西部房前地坪及部分房屋也出現(xiàn)開裂，地面裂隙最寬近20cm，地裂中棍子探深最大達0.8m，地裂走向多呈環(huán)狀，傾向塌坑，裂隙間土體沿傾向多有呈階梯狀下沉，最大相對錯距達25cm（9月3日），地裂縫密度一般2～3條/m，最密為土坎上小路3～5條/m。至9月4日因塌陷坑坑壁坍塌土體將坑底堵塞而坑中充滿水。

4.2 塌陷形成機理分析

根據(jù)勘察結(jié)果，L073塌坑為一典型的“土-洞”結(jié)構(gòu)，上覆厚層第四系松散層，皮下層巖溶發(fā)育強烈，并有巖溶管道與區(qū)域地下水系統(tǒng)連接（圖3）。L073塌坑形成主要是以下因素的綜合影響。

圖3 L073號塌坑地質(zhì)模型

（1）突發(fā)性礦坑涌水，短時間內(nèi)排水量突增約15000m3/d。一方面使其地下水系統(tǒng)內(nèi)地下水水位急降幾十米，大幅度增加上、下兩層水間的水頭差（水力坡度），從而大幅度地提高了地下水的水力坡度，加速、加強了地下水滲透破壞和土洞的發(fā)育。地下水位大幅度下降（或疏干），還會消除洞頂?shù)叵滤母×ψ饔?，引起滲透變形（或潛蝕作用），另一方面還可產(chǎn)生正負壓吸蝕作用。巖溶區(qū)突發(fā)性礦坑涌水突泥，常將地下巖溶系統(tǒng)中的泥土大量而快速帶出，加速土洞的擴展。

（2）區(qū)內(nèi)采石場，采石放炮，特別是大藥量的爆破作業(yè)，其振動波尤如發(fā)生小型地震，其橫波、面波對地表土體及建筑物的破壞性很強，易使溶洞或土洞的頂板因震動而垮塌，從而誘發(fā)地面塌陷。

（3）降雨年內(nèi)分布不均勻，使地下水的補給來源分布不均勻，雙層地下水水頭差而隨之變化。特別是暴雨期間，一方面加大地下水之間的水頭差，另一方面加大土體自重和降低土洞頂板土體的抗剪強度，在人為因素的影響下，打破土拱平衡狀態(tài)而地面塌陷。

塌坑附近的地面土體（稻田及北西地坪）由于下塌土體的牽引和土中地下水的滲透壓力等綜合作用，地面以塌坑為中心，產(chǎn)生斷續(xù)的環(huán)狀地裂縫，并向塌坑傾斜。位于塌陷影響圈的房屋首先發(fā)生地基變形，繼而發(fā)展產(chǎn)生房屋開裂。

5 結(jié)論

基于上述分析，可溶性巖石、上覆第四系松散層、地下水水動力是巖溶塌陷形成的基本條件，礦坑突水、突發(fā)暴雨、爆破等人類活動改變水動力條件是導致巖溶地面塌陷的誘導因素。研究區(qū)內(nèi)在雙層具有一定水力聯(lián)系（裂隙或開口溶洞）的含水結(jié)構(gòu)條件下，由于上、下存在足夠的水頭差和水力坡度，土層在地下水的滲透壓力作用下產(chǎn)生變形，形成擾動土層。當下部基巖巖溶發(fā)育時，其下有排泄、儲存沖填物的通道和空間，由于水對土層的潛蝕、搬運、吸蝕作用，產(chǎn)生土洞，加上外動力誘發(fā)影響，當土洞發(fā)展到難以保持穩(wěn)定時，便產(chǎn)生了巖溶地面塌陷。