張曉斌

(福建省地質(zhì)工程勘察院，福州 350002)

1 概述

2017年10月16日三明市大田縣桃源鎮(zhèn)前厝村武陵自然村發(fā)生數(shù)十處巖溶地面塌陷，塌陷主要位于農(nóng)田及房前，導(dǎo)致1棟民房損毀，20多棟民房開裂、近13.33 hm2農(nóng)田不能耕種。同時(shí)，伴有道路和灌溉水渠塌陷、開裂等損壞，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活，威脅武陵自然村500余人生命財(cái)產(chǎn)安全。

我國(guó)可溶巖分布達(dá)1/3以上國(guó)土面積，有22個(gè)省份有分布，其中以桂、黔、湘、贛、川、滇、鄂等省區(qū)最為發(fā)育。巖溶塌陷不僅造成工業(yè)與民用建筑毀壞，破壞交通和水利水電設(shè)施，還造成巖溶區(qū)嚴(yán)重的地質(zhì)環(huán)境惡化?；诖耍瑖?guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)巖溶塌陷形成條件和成因機(jī)理進(jìn)行了深入研究，取得了豐碩成果[1～6]。福建省巖溶塌陷主要集中發(fā)生于閩西南山間盆地覆蓋性巖溶區(qū)(龍巖新羅區(qū)、永安大湖、連城北團(tuán)、三明市區(qū)等)[7,8]。本文所述巖溶塌陷位于三明市大田縣境內(nèi)覆蓋性巖溶區(qū)。在調(diào)查、勘查的基礎(chǔ)上，對(duì)區(qū)內(nèi)巖溶塌陷特征和成因進(jìn)行了總結(jié)和分析。

2 自然地理與地質(zhì)環(huán)境條件

2.1 氣象與水文

桃源鎮(zhèn)地處戴云山西側(cè)，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，溫暖適中，夏無酷暑，冬無嚴(yán)寒，日照充足，雨量充沛，年平均降水量1 551.0 mm，其中3～6月為雨季，占全年降雨量的50%以上；夏季高溫悶熱,受臺(tái)風(fēng)外圍影響，常伴有強(qiáng)降水；秋冬為相對(duì)少雨季節(jié)，干旱多晴天。年平均氣溫17.7℃，1月平均氣溫7.9 ℃，7月平均氣溫25.8 ℃，無霜期264 d。

區(qū)內(nèi)溝溪較發(fā)育，由南向北匯集與北部的溪河中，雨季溪水水量較大，旱季則水量小甚至干涸。因農(nóng)田灌溉所需，東、西山溝沿溝均建有引流水渠，水渠寬1.5 m，常年有水，局部水渠底見裸露的灰?guī)r。

2.2 地形地貌

武陵自然村屬低山地貌，自然村被一條近南北走向的山梁分隔成東、西兩條山溝，山頂標(biāo)高大多580～600 m，相對(duì)高差35～40 m，山坡自然坡度15°～25°，植被發(fā)育，主要為毛竹和雜木，山梁中北部整平成為木材廠。東、西山溝呈近南北向或北北東向延伸，溝底標(biāo)高一般556～574 m，縱坡降小于10°，溝底寬一般70 m左右，最小30 m，最大120 m。山溝為主要農(nóng)田分布區(qū)，沿山溝東西兩側(cè)山坡坡腳為民房分布區(qū)，房后普遍建房開挖形成人工邊坡。

2.3 地層巖性

區(qū)內(nèi)主要地層有三疊系下統(tǒng)溪口組(T1x)和二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興組(P2c)地層，兩者在區(qū)內(nèi)呈斷層接觸。山溝中有厚薄不一的第四系分布。

主要分布于東、西山溝中，主要為粉質(zhì)粘土、砂、卵石層，厚度1～8 m不等，表層為耕植土。

(2) 三疊系下統(tǒng)溪口組(T1x)

分布于F2斷層的上盤(南部)，巖性為青灰色薄層狀鈣質(zhì)粉砂巖，鈣質(zhì)、粉砂質(zhì)泥巖夾透鏡狀泥質(zhì)灰?guī)r。

(3) 二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興組(P2c)

分布于西側(cè)山溝及東側(cè)山溝的北部，為不純之灰?guī)r，根據(jù)巖性特征將其分為上、中、下3段：

上段巖性主要為深灰色、灰黑色中層狀含泥質(zhì)、粉砂質(zhì)生物碎屑微晶灰?guī)r。

中段巖性主要為灰色、深灰色中-巨厚層狀白云巖質(zhì)生物碎屑微晶灰?guī)r。

下段主要為深灰色、灰黑色，薄層狀含泥質(zhì)、粉砂質(zhì)生物碎屑微晶灰?guī)r，

2.4 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，區(qū)內(nèi)發(fā)育一條軸向近南北的背斜構(gòu)造，次一級(jí)的構(gòu)造主要見F1、F2兩條斷層。此外，巖層中北東向、北西向和近南北向節(jié)理裂隙較發(fā)育，互相交叉呈“X”形格局。

(1) F1斷層：位于區(qū)內(nèi)近東西向山梁的東側(cè)、西側(cè)山溝的西部邊緣，走向北北東10°～20°，傾向南東，傾角50°～70°。正斷層，斷層帶兩側(cè)地層明顯錯(cuò)動(dòng)，巖層破碎，地形上多呈陡坎或沖溝，富水性好。

(2) F2斷層：位于調(diào)查場(chǎng)地中部，走向?yàn)楸蔽?00°～330°，傾向南西，傾角70°左右，該斷層將F1斷層一分為二。沿?cái)鄬訋Э梢姅鄬咏堑[巖、褐鐵礦透鏡體(村民曾試采過)和泉眼分布。

地質(zhì)構(gòu)造不僅控制了區(qū)內(nèi)的地形地貌特征，也控制了巖層的分布特征，并為巖溶的發(fā)育提供了極為有利的條件(圖1)。

2.5 水文地質(zhì)條件

地下水類型主要為松散巖類孔隙水和溶蝕溶洞裂隙水(巖溶水)兩種類型。

(1) 松散巖孔隙水：分布于東、西山溝中，主要由第四系沖洪積層組成，厚度1～8 m。普遍具二元結(jié)構(gòu)，上部為粉質(zhì)粘土，下部為含砂卵礫石層。滲透性良好，富水性弱-中等，與下伏碳酸鹽裂隙溶洞含水層水力聯(lián)系密切。主要由大氣降水補(bǔ)給，動(dòng)態(tài)變化大。

圖1 桃源鎮(zhèn)前厝村地面塌陷地質(zhì)略圖

(2) 碳酸鹽巖裂隙巖溶水：分布于區(qū)內(nèi)東、北側(cè)，含水層由二疊系上統(tǒng)灰?guī)r組成，巖溶較發(fā)育。地下水主要賦存于溶洞及裂隙帶中，中等富水。主要接受松散巖孔隙水、區(qū)域巖溶水的補(bǔ)給。地下水動(dòng)態(tài)受降水影響，隨季節(jié)變化。

2.6 人類工程活動(dòng)

區(qū)內(nèi)西北角距西側(cè)山溝塌陷約200 m處，有一個(gè)采礦石硐口，2017年10月14日在標(biāo)高475 m礦硐內(nèi)曾發(fā)生透水事故，說明采礦活動(dòng)較為強(qiáng)烈。

除此之外，村莊村民主要以務(wù)農(nóng)為主，在溝谷低洼處種植稻田等作物。

3 巖溶塌陷發(fā)育特征

3.1 時(shí)間分布特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及訪問，歷史上該區(qū)域曾發(fā)生過地面塌陷(個(gè)別塌陷洞口見木質(zhì)結(jié)構(gòu)支護(hù))，但規(guī)模和危害相對(duì)較小(圖2)。

圖2 塌陷坑內(nèi)早先木棍支撐

武陵自然村調(diào)查地面塌陷共37處，主要集中發(fā)生在2017年10月16～17日(礦洞透水發(fā)生于2017年10月14日)，數(shù)量達(dá)34處，占調(diào)查總數(shù)的92%，僅有3處發(fā)生在11月20日。塌陷發(fā)生期間均有降雨過程。可見礦洞開采透水是本次塌陷發(fā)生的誘因，塌陷發(fā)生后，受降雨影響，塌陷點(diǎn)的規(guī)模逐漸擴(kuò)大并伴隨新的塌陷點(diǎn)出現(xiàn)。

3.2 空間分布特征

塌陷區(qū)域主要集中在東、西山溝中的農(nóng)田、道路、水渠中，個(gè)別位于山坡坡腳處。其中西側(cè)溝谷共產(chǎn)生12處地面塌陷，東側(cè)山溝發(fā)生25處，其中東側(cè)山溝塌陷均分布于北邊的覆蓋型巖溶區(qū)，南邊尚未發(fā)現(xiàn)。

3.3 形態(tài)特征

圖3 水渠塌陷

(1) 主要以塌陷形式出現(xiàn)

陷坑以單體形式和群體形式出現(xiàn)，以陷坑群體出現(xiàn)的塌陷少則2個(gè)，多則5～6個(gè)。單個(gè)陷坑形狀呈圓形、橢圓形、長(zhǎng)條形或不規(guī)則形出現(xiàn)，大多數(shù)周邊伴有弧形裂縫，多數(shù)陷坑干涸無水，位于水渠邊陷坑塌陷后重新被水灌滿，部分陷坑仍可見水流現(xiàn)象(圖3)。西側(cè)山溝塌陷呈串珠狀分布(圖4)，陷坑面積相對(duì)較小，一般4～60 m2，塌陷深度3～7 m；東側(cè)山溝塌陷呈北西向、北東向和近南北向分布，坑面積相對(duì)較大，多以群體出現(xiàn)，一般4～1 000 m2，塌陷深度1～10 m。

圖4 串珠狀分布

圖5 房屋開裂下錯(cuò)

圖6 農(nóng)田塌陷

(2) 地表裂縫或沉降形式出現(xiàn)

塌陷區(qū)域內(nèi)，除陷坑外，還有部分表現(xiàn)為房屋開裂、下沉(圖5)，局部見稻田整塊下錯(cuò)、開裂(圖6)，發(fā)生在水渠附近的塌陷導(dǎo)致水泥村道與水渠多處變形、斷裂。這些地表裂縫及下錯(cuò)沉降主要受就近的塌陷牽引影響而成。

4 成因分析

巖溶塌陷的發(fā)生是諸多因素的影響下形成的。巖層巖溶化程度、上部覆蓋層厚度及性質(zhì)、活動(dòng)斷裂是前厝村塌陷形成的主要因素[9]，而礦洞開采透水是塌陷發(fā)生的誘發(fā)因素。

4.1 地層巖性(巖溶化程度)

巖溶發(fā)育程度是巖溶塌陷形成發(fā)生的先決條件[9]。研究區(qū)淺部巖溶發(fā)育，下伏基巖主要為二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興組石灰?guī)r(P2c)?；鶐r面附近巖溶化程度較高，巖溶形態(tài)多樣，溶隙、溶槽、溶洞發(fā)育(圖7)，為巖溶塌陷的形成提供了良好的排水和顆粒運(yùn)移通道[10]。據(jù)鉆探資料，特別是淺層巖溶發(fā)育(ZK5在地表以下50 m范圍內(nèi)發(fā)育13個(gè)溶洞)，大多為小溶洞，高度0.3～5.0 m不等，個(gè)別高度達(dá)30 m以上，多數(shù)為全-半充填狀態(tài)，充填物為泥砂及碎石(圖8)。

圖7 基巖巖溶發(fā)育

圖8 鉆孔揭示溶洞發(fā)育

4.2 覆蓋層厚度及性質(zhì)

4.2.1 覆蓋層厚度

覆蓋層是巖溶塌陷產(chǎn)生的物質(zhì)載體，既是巖溶塌陷的破壞體，又是抵抗巖溶變形塌陷的重要組成部分。覆蓋層厚度越薄，巖溶塌陷越發(fā)育，分布密度也越大。覆蓋層厚度越厚，地下水潛蝕路徑越長(zhǎng)，土洞擴(kuò)展到地面的時(shí)間也越長(zhǎng)，自身容易達(dá)到應(yīng)力平衡，越不容易發(fā)生塌陷[11]。據(jù)高密度電法測(cè)量，研究區(qū)東、西側(cè)山溝第四系覆蓋層厚度1～8 m，從鉆探情況看，表層覆蓋層厚度在1～5 m內(nèi)。

4.2.2 覆蓋層結(jié)構(gòu)

除了覆蓋層厚度外，覆蓋層的組成成分及性質(zhì)對(duì)塌陷的發(fā)生及形態(tài)也起著重要影響作用。根據(jù)調(diào)查及鉆探情況，研究區(qū)覆蓋層主要為沖洪積砂黏土、卵石及坡殘積粘性土組成。粘性土在土顆粒粘聚力作用下，可形成拱作用，不易塌陷；而砂黏土及卵石土顆粒自由度大，粘聚力很小，容易流失，形成塌陷。

正是由于研究區(qū)覆蓋層薄且局部組成成分不利，使得容易產(chǎn)生塌陷。

4.3 地質(zhì)構(gòu)造

4.3.1 斷層

斷層不僅控制了區(qū)內(nèi)灰?guī)r分布，斷層性質(zhì)和產(chǎn)狀還控制了地面塌陷的分布特點(diǎn)。正斷層的張性特征為巖溶發(fā)育提供了有利的導(dǎo)水通道。塌陷多分布于斷層上盤，如西側(cè)山溝塌陷均位于斷層上盤，且沿該斷裂走向帶呈串珠狀分布(圖4)。

4.3.2 節(jié)理裂隙

東側(cè)山溝中塌陷主要受北東向、北西向和近南北向節(jié)理裂隙控制，特別是兩條裂隙交匯處塌陷成群出現(xiàn)。

4.4 地下水水位變化

4.4.1 礦坑涌水及排水

塌陷區(qū)淺部巖溶較發(fā)育，自然狀態(tài)下巖溶地下水水位埋深一般為1～3 m，地下水與地表水的水力聯(lián)系較密切，地下水動(dòng)態(tài)受降水影響，隨季節(jié)變化，變幅1～3 m。2017年10月14日塌陷區(qū)西北角礦硐(約200 m)內(nèi)發(fā)生透水事故，導(dǎo)致塌陷區(qū)域地下水在短時(shí)間內(nèi)快速下降，破壞了原有的平衡狀態(tài)，是形成地面塌陷的誘發(fā)原因。

礦坑疏干排水形成的地下水水位降落漏斗勢(shì)必造成地下水力坡度與地下水流速加大，潛蝕與真空吸蝕作用加強(qiáng)，破壞地殼的相對(duì)穩(wěn)定，隨之地面開裂、陷落。

4.4.2 降雨與負(fù)壓

塌陷主要形成于2017年10月16～17日的降雨期間和11月20日的人工降雨期間，短時(shí)間較強(qiáng)降水導(dǎo)致第四系土層含水量大大增加，土體重度增加，地下水補(bǔ)給徑流加快，水位變幅頻繁，在上覆土體自重、動(dòng)靜水壓力及土洞真空吸蝕(負(fù)壓)等共同作用下，產(chǎn)生地面塌陷。降雨前后，天氣比正常年份雨水偏少，出現(xiàn)較明顯的干旱，不僅改變了地下水動(dòng)力條件，也造成土壤干裂，為地表水的入滲提供了良好通道。

相關(guān)研究表明，當(dāng)?shù)叵滤畡?dòng)力條件改變時(shí)，原來被堵塞的洞隙及其相連的下部排水通道復(fù)活，重新成為地下水集中活動(dòng)的地段；地下水位上升，抗水性差的土強(qiáng)烈崩解，一部分順喇叭口落入溶洞中，初步形成上覆土層的土洞；土洞進(jìn)一步擴(kuò)大，向地表發(fā)展，頂板漸薄，當(dāng)頂板薄到不能支撐上部土層重量時(shí)，便突然發(fā)生塌落。

5 結(jié)論

(1) 福建省三明市大田縣武陵自然村地面塌陷主要分布于東、西兩側(cè)山溝農(nóng)田中，其走向與山溝走向基本一致。2017年10月14日礦洞出現(xiàn)開采透水，10月16～17日、11月20日降雨過程中，出現(xiàn)巖溶塌陷，并伴有地面及房屋開裂。陷坑以單體和群體出現(xiàn)，單個(gè)陷坑多呈圓形，少量呈橢圓形、長(zhǎng)條形和不規(guī)則形，面積最小3 m2，最大達(dá)1 000 m2，深度1～10 m。塌陷導(dǎo)致1棟民房損毀，20多棟民房開裂、水渠、道路破壞，近13.33 hm2農(nóng)田不能耕種，影響村民日常生產(chǎn)生活和生命財(cái)產(chǎn)安全。

(2) 區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境較為脆弱，下伏灰?guī)r淺層巖溶發(fā)育，形態(tài)多樣，基巖面附近巖溶化程度較高，第四系覆蓋層較薄，巖溶受斷層及節(jié)理裂隙控制影響明顯。淺層巖溶發(fā)育和覆蓋層薄、結(jié)構(gòu)松散成為地面塌陷產(chǎn)生的內(nèi)因。礦坑開采透水及排水、降雨等是誘發(fā)地面塌陷及發(fā)展的外因。其中，礦坑涌水和干旱改變了地下水動(dòng)力條件，使原來被堵塞的洞隙及其相連的下部排水通道復(fù)活，重新成為地下水集中活動(dòng)的地段，地下水位的變化使覆蓋層失去賴以穩(wěn)定的頂托作用力，在上覆土體及降雨作用下，產(chǎn)生地面塌陷。