李常輝

（湖南省煤田地質(zhì)局第六勘探隊，湘潭，411100）

1 引言

我隊在收集并分析區(qū)域地質(zhì)資料、水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，針對區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害開展了專項調(diào)查工作，結(jié)合物探、鉆探及巖、土、水樣測試工作，查明了區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的分布、規(guī)模、危害程度，初步分析其形成機理、成災(zāi)特征，綜合研究，提出防治措施。

2 概況

2.1 區(qū)域概況

工作區(qū)位于永州市道縣南部井塘鄉(xiāng)境內(nèi)、沱江東岸，涵蓋加六洲村全部、沙子河村大部、馬江口村北部、桃花井村西部，總面積2.89km2，約1200戶、5100人，常駐人口約2700人[1]。

2.2 巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害

區(qū)內(nèi)現(xiàn)已發(fā)生巖溶地面塌陷13處，直徑在2.0～31.0m之間，洞高0.7m-3.8m之間。

3 地質(zhì)環(huán)境條件

3.1 地形地貌

工作區(qū)總體地勢東高西低，向河谷逐步降低；一般地面標高190～220m，最高點標高236.00m。區(qū)內(nèi)西部為巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害點分布的主要區(qū)域（見圖2），河流侵蝕堆積地貌類型、一級階地，地形坡度小于5°，上覆為沖洪積層物質(zhì)。

3.2 地層巖性

區(qū)內(nèi)地層有：寒武系中組下段∈2-1、泥盆系下統(tǒng)D1、泥盆系上統(tǒng)佘田橋組D3s、泥盆系上統(tǒng)錫礦山組下段D3x1、泥盆系上統(tǒng)錫礦山組上段D3x2、石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階組下段C1y1、石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階組上段C1y2、石炭系下統(tǒng)大塘階組石磴子段C1d1以及第四系Q。

石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階組下段巖性為深灰色厚層隱晶質(zhì)灰?guī)r夾薄至中層泥質(zhì)灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，脈狀方解石半～全充填，寬約0.5～2mm，且呈不規(guī)則分布，溶蝕現(xiàn)象強烈，為巖溶發(fā)育主要巖層。

3.3 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)沒有斷層經(jīng)過，單斜構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造簡單。

3.4 水文地質(zhì)條件

3.4.1 地表水

區(qū)內(nèi)只有沱江經(jīng)過，水位標高一般為186.0m，最高洪水位標高192.2m（2005年7月18日），最大洪水位、枯水位差達7.0m。

3.4.2 地下水

區(qū)內(nèi)地下水為雙層含水結(jié)構(gòu)，上部為孔隙水，下部為巖溶水。由于裂隙、溶蝕裂隙、開口溶洞等的勾通，巖溶水常年接受上部孔隙水的滲透補給。地下水主要補給來源于大氣降水，雙層地下水的水位波動均受大氣降水和沱江水位的漲落影響，但程度存在較大差異，致使上、下兩層水的水頭差不斷變化。對區(qū)內(nèi)的鉆孔及部分民井進行豐水期與枯水期統(tǒng)測數(shù)據(jù)對比，下部存在巖溶發(fā)育帶的地段，水位變幅普遍較大（一般為0.9～3.0m），如下圖1。據(jù)調(diào)查，孔隙水年變幅最大達7.0m，巖溶水年變幅最大達11.5m。

圖1 鉆孔、民井地下水位統(tǒng)測點枯水期與豐水期對比圖

3.4.3 水文地質(zhì)參數(shù)

據(jù)以往資料區(qū)內(nèi)基巖裂隙水含水層（C1y1）降深9.22m，涌水量0.0031 L/s，單位涌水量0.00034L/s·m，滲透系數(shù)0.0004m/d。

3.4.4 區(qū)內(nèi)補、徑、排特征

3.4.4.1 孔隙水

區(qū)內(nèi)降水充沛，多年平均年降雨量為1560.03mm。大氣降水的垂向補給是孔隙水的主要補給來源，稻田、池塘水的垂向滲透也是孔隙水的補給來源之一；另外，洪水期，得到沱江的補給。

孔隙水的徑流：在天然狀態(tài)下，地下水一般由階地后緣向前緣（沱江）方向滲透徑流，即總體向西北方向徑流（如圖2），有人工開采井的情況下，地下水向開采井方向徑流。

孔隙水的排泄：沿河邊以滲流方式排泄，在低洼地段以泉（井）方式排泄；天然狀態(tài)下，孔隙水排泄微弱，主要為人工排泄（機井、民井）?？紫端乃粍討B(tài)變化隨季節(jié)性而變化，孔隙水年變幅一般在0.9～7.0m。

3.4.4.2 覆蓋型巖溶水

巖溶水主要是接受大氣降水的補給（通過孔隙水的垂直補給、基巖露頭大氣降水形成徑流補給），另外，洪水期，得到沱江的補給。

巖溶水的徑流，根據(jù)鉆孔揭露的巖溶水水位分析，其總體流向為自南東向西北（向沱江）方向，以混合流方式沿溶蝕裂隙和巖溶管道徑流。

巖溶水的排泄分為三種方式：

（1）主要通過第四系越流補給第四系潛水和以潛流的方式側(cè)向河床排泄；

（2）工作區(qū)內(nèi)兩處泉水出露點排泄，春夏季節(jié)排泄流量較大、可以形成灌溉水溝，冬季流量較小、約17L/S；

（3）少量以機民井抽水方式人工排泄。

巖溶水的水位動態(tài)變化隨季節(jié)性而變化，巖溶水年變幅一般小于11.5m，變幅一般。

3.4.4.3 基巖裂隙水

基巖裂隙水主要分布于工作區(qū)外附近區(qū)域（D1、∈2-1），主要接受大氣降水補給。

基巖裂隙水的徑流，降水入滲補給風化裂隙帶，飽水后向下游徑流、運移。

基巖裂隙水的排泄，區(qū)內(nèi)基巖裂隙水大部分經(jīng)短暫的徑流后，以泉的形式排出地表；少部分徑流補給河谷砂礫石層。

3.5 巖土體類型

巖溶地面塌陷區(qū)均為覆蓋型巖溶區(qū)，巖溶直接頂板為松散沖洪積雙層及多層土體。

3.5.1 土體

區(qū)內(nèi)所有塌陷點的土體厚度都在10m-16m之間，上覆土體為粉質(zhì)粘土、砂礫石雙層土體結(jié)構(gòu)。上部為粉質(zhì)粘土，土黃色，軟～可塑，手捏可成形；切面不光滑，干強度高韌性中等。下部為砂礫石層，土黃色夾灰黃色，稍密，飽和，卵石含量占55%～60%，其余充填約30%～35%細粒砂，10%粘性顆粒，粒徑約2～6cm，最大約10cm主要成分為砂巖及石英砂巖、灰?guī)r。分選不一，圓狀、次圓狀、次棱角狀。

3.5.2 巖體

區(qū)內(nèi)引起巖溶地面塌陷的巖體主要為石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階組下段C1y1巖層，為深灰色厚層隱晶質(zhì)灰?guī)r夾薄至中層泥質(zhì)灰?guī)r，局部地區(qū)偶夾石英砂巖及砂質(zhì)頁巖，厚206～374m。巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育、脈狀方解石充填，寬約0.5～2mm，且呈不規(guī)則分布；基巖上石芽、溶溝、溶槽發(fā)育；淺部溶洞發(fā)育，溶蝕現(xiàn)象強烈。區(qū)內(nèi)溶洞埋藏淺，一般具多層，部分～全充填，據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計：ZK2在標高180.54～179.84m處巖溶、裂隙發(fā)育區(qū)，溶洞0.7m；ZK3在標高164.19～160.29m處巖溶、裂隙發(fā)育區(qū)，溶洞4.0m[1]。

3.6 人類工程活動

區(qū)內(nèi)人類工程活動主要為修建房屋、公路、農(nóng)田耕種及水利設(shè)施建設(shè)，無地下采礦活動和大規(guī)模抽排地下水活動。

3.7 巖溶發(fā)育情況

通過野外機井、民井、巖性點調(diào)查及3個鉆孔揭露，區(qū)內(nèi)都屬于巖溶發(fā)育區(qū)（見圖2），且大部分區(qū)域?qū)儆诟采w型巖溶區(qū)，上覆為第四系更新統(tǒng)及全新統(tǒng)，厚度1～32m，下伏地層大部分為石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階組下段（C1y1），工作區(qū)北端局部為石炭系下統(tǒng)大塘階組石磴子段（C1d1）及石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階組上段 （C1y2），巖性為深灰色厚層隱晶質(zhì)灰?guī)r夾薄至中層泥質(zhì)灰?guī)r，質(zhì)純層厚的灰?guī)r巖為巖溶發(fā)育奠定了基礎(chǔ)。據(jù)鉆孔揭露，ZK2、ZK3鉆孔遇見溶洞（見圖3），遇溶洞率66.7%，遇溶洞鉆孔的鉆孔線巖溶率分別為7.45%、59.7%。區(qū)內(nèi)淺部巖溶發(fā)育，一般為半～全充填，充填物為泥、砂、砂卵石。

圖2 加六洲村巖溶發(fā)育程度及巖溶地面塌陷分布示意圖

圖3 加六洲村工程地質(zhì)剖面示意圖

4 巖溶地面塌陷特征

4.1 分布特征

區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷坑均分布于河流階地、雙層結(jié)構(gòu)的覆蓋層地區(qū)、地下水主要徑流區(qū)和排泄區(qū)內(nèi)，集中于地表水與地下水聯(lián)系密切地段、地下水主徑流方向和河水水位交替強烈的河谷；在平面走向分布上與C1y1地層走向分布基本一致。

4.2 發(fā)育特征

區(qū)內(nèi)地面塌陷共13處，均為巖溶地面塌陷。規(guī)模中型2處、小型11處；長列式4處、群集式5處、分散式4處；6處穩(wěn)定、7處較穩(wěn)定。剖面形態(tài)呈碟狀、壇狀、漏斗狀及葫蘆狀（以壇狀為主），深度在0.7m-3.8m。平面形態(tài)呈近圓形、橢圓形、長條形、不規(guī)則型（以近圓形為主），直徑2.0～31.0m不等（以1.2～6.8m為主）如下表1。

表1 加六洲村巖溶地面塌陷平面形態(tài)統(tǒng)計表

4.3 物質(zhì)特征

上部為松散土體，下部為堅硬的石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階組下段C1y1灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，溶洞呈串珠狀，半～全充填，充填物為泥、砂。

5 巖溶地面塌陷形成機制分析

工作區(qū)內(nèi)共13個塌陷坑，其中12處塌陷坑發(fā)生于2005年7月18日當?shù)睾樗幌陆禃r，1處發(fā)生于2013年5月當?shù)睾樗幌陆禃r。

5.1 地層條件分析

據(jù)ZK2、ZK3鉆孔等資料，巖溶地面塌陷區(qū)上部為松散土體，下部為石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階組下段灰?guī)r，為覆蓋型巖溶區(qū)。

上部松散土體：粉質(zhì)粘土、砂礫石雙層土體結(jié)構(gòu)，厚度不穩(wěn)定，其中粉質(zhì)粘土呈軟～可塑，天然含水量ω為20.2～30.1%，孔隙比e為0.576～0.93，液性指數(shù)Il為0.24～0.58，塑性指數(shù)Ip為9.6～16.6，壓縮系數(shù)a為0.17～0.38，內(nèi)摩擦角Φ為14.4～1度，土體力學性能一般，承載力特征值為15.4～33.5KPa，孔隙度48.2%～36.5%，土粒比重2.7～2.74g/cm3。ZK2孔土層厚14.7m，ZK3土層厚25.6m。

土的透水性差，含水量低，力學強度高，抗塌力就大，相對難以產(chǎn)生塌陷。土體厚度較薄，塌陷從孕育到產(chǎn)生所需的時間就短，容易產(chǎn)生塌陷；相反，土體厚度大，土洞發(fā)展至地面的過程長，從孕育到產(chǎn)生所需的時間就長，相對不容易產(chǎn)生塌陷。所在沖洪積層區(qū)域的粉質(zhì)粘土在壓力作用下受水浸漫后，結(jié)構(gòu)迅速破壞，土體下沉，發(fā)生土體濕陷現(xiàn)象。根據(jù)區(qū)內(nèi)塌陷區(qū)土體的性質(zhì)及特征，地面塌陷現(xiàn)象與土體的濕陷形成土洞有著一定的關(guān)聯(lián)。

下部灰?guī)r（C1y1）：巖溶發(fā)育強烈，ZK2孔揭露基巖9.4m，孔深16.3-17.0m為溶洞；ZK3孔揭露基巖6.7m，孔深27.8-31.8為溶洞。上層溶洞頂板較薄，頂板厚度1.6-2.2m，其溶洞充填物成分與上部沖洪物接近，說明其多為開口溶洞。上覆二元粘性土與砂性土的上層結(jié)構(gòu)及下伏可溶性碳酸巖基巖構(gòu)成了形成本區(qū)巖溶地面塌陷的先決物質(zhì)條件。

5.2 水動力條件分析

巖溶水水位降低均會在巖溶空腔產(chǎn)生負壓，增加土體中的水頭壓力，加速土體滲透變形。土體的滲透變形破壞以土體中水位急劇下降時最強烈，水位穩(wěn)定時變形變慢趨于穩(wěn)定，土體中水位回升恢復到原水位時，變形又加快，頻繁變化可以加快土洞的形成。

巖溶地面塌陷區(qū)為雙層含水結(jié)構(gòu)。上、下兩層地下水存在水力聯(lián)系，如果存在能讓沙、土層產(chǎn)生擾動變形（或土洞）的水頭差，且水頭差的頻繁變化，將加快土洞的形成。鉆孔ZK2、ZK3均揭露到巖溶水水位，上部孔隙水水位埋深5.2～5.6m，下部巖溶水水位理深8.09～9.74m，兩者存在水頭差2.49～4.54m。由于裂隙、溶蝕裂隙、開口溶洞等的勾通，巖溶水常年接受上部孔隙水的滲透補給。

地下水主要補給來源于大氣降水，雙層地下水的水位波動均受大氣降水和沱江水位的漲落影響，但程度上存在較大差異，致使上、下兩層水的水頭差不斷變化。同時由于上部水塘、稻田及水渠等地表水下滲補給，也將引起上、下兩層水的水頭差的變化。

5.3 成因機制分析

巖溶地面塌陷的產(chǎn)生，是致塌力大于抗塌力的結(jié)果；當巖溶、地下水動力條件及土洞等條件具備時，致塌力超過抗塌力時，則產(chǎn)生巖溶地面塌陷。抬高第四系水位或降低巖溶水位使兩層水水頭差達1m以上，水力坡度達1.5以上時，粘性土、砂土臨界水力坡度Icr為0.8～0.9時易產(chǎn)生流土破壞，繼續(xù)發(fā)展上部土層松動、發(fā)育成土洞，最終在上覆土體的自重或附加重力、或振動下產(chǎn)生地面巖溶塌陷 [1]。由于土體中地下水的滲透壓力和下塌土體的牽引作用，塌陷區(qū)及塌坑附近地面土體以塌坑為中心，斷續(xù)產(chǎn)生環(huán)狀地面裂縫。

區(qū)內(nèi)的巖溶地面塌陷均屬自然型巖溶地面塌陷。區(qū)內(nèi)存在可溶性巖巖層是巖溶地面塌陷的內(nèi)在條件，地下水動力作用是外在條件。在大氣降水時，引起地下水動力條件的改變。沱江在平水期及枯水期，通過粘土層、砂層滲透補給巖溶水，洪水期由承壓作用，巖溶水補給地表水體。沱江水位的變化除可直接影響到近河邊地下水的水力坡度外，還可因其退水而使附近沙土層擾動，反復擾動，帶走沙土，形成土洞。在地下水滲透力作用、潛蝕作用和土層自重作用下，導致塌陷的產(chǎn)生。

綜上，巖溶地面塌陷是各種影響因素綜合作用的結(jié)果。區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育，溶洞和開口溶洞的存在，是本區(qū)土洞形成的基本條件；而孔隙水、巖溶水又存在相互滲透補給關(guān)系；在長期地下水動力作用下，小顆粒土體不斷被潛蝕，土洞規(guī)模不斷擴大；在土洞的上方修建地面建筑，使原本處于基本地應(yīng)力平衡狀態(tài)的土洞頂板增加了荷載；當洞體上部土層抗剪強度小于其自重壓力等荷載時，就會引發(fā)巖溶地面塌陷。

6 巖溶地面塌陷防治建議

6.1 發(fā)生前兆

巖溶地面塌陷發(fā)育過程較長，如果地面出現(xiàn)以下征兆，表明離發(fā)生塌陷時間較近：

發(fā)生塌陷的前幾個月地面出現(xiàn)環(huán)狀裂縫并不斷擴展，局部下沉，水渠、水塘開裂干涸。

發(fā)生塌陷的前幾日，附近民井水位的驟然升、降，且水色突然渾濁。

6.2 防治原則及方法

本著避讓優(yōu)先、以人為本、預防為主、統(tǒng)籌規(guī)劃、標本兼治、先易后難、治急治險、落實責任原則，劃分為重點防治區(qū)、次重點防治區(qū)、一般防治區(qū)。

6.3 防治措施

6.3.1 防治措施

巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害，是一個綜合性范疇，是一個動態(tài)過程。在它的孕育、發(fā)生、發(fā)展過程中影響因子多、各因子間的相互作用力度與方式復雜，致使地質(zhì)災(zāi)害的防治工作是一項系統(tǒng)工程，當以系統(tǒng)理論為指導。要做好地質(zhì)災(zāi)害防治工作需要各有關(guān)部門的積極支持與配合。根據(jù)區(qū)內(nèi)已發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害的特征、成因、形成機理，以及所處的地質(zhì)環(huán)境條件，采用工程治理與提前預防相結(jié)合，完善防治系統(tǒng)，加強系統(tǒng)管理，使地質(zhì)災(zāi)害防治工作能夠收到良好的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。

結(jié)合現(xiàn)狀，建議對已發(fā)生和可能潛在的地質(zhì)災(zāi)害的防治措施如下：

1、對已發(fā)生的塌陷點進行回填、設(shè)置指示牌，指定群測群防責任人。

2、對區(qū)內(nèi)已發(fā)生房屋開裂的區(qū)域采取適宜性措施：

（1）針對王某房屋多處開裂（最寬裂縫達20mm）、2017年底地面出現(xiàn)空洞現(xiàn)象，建議盡快采取搬遷避讓措施。

（2）對區(qū)內(nèi)另外多處已開裂房屋應(yīng)進行地基穩(wěn)定性評估，如有必要應(yīng)采取地基加固措施。使用期間應(yīng)密切關(guān)注房屋裂縫的動態(tài)變化，如果發(fā)生突變需盡快將人員及財產(chǎn)撤離到安全地區(qū)。

3、重點防治區(qū)中土坯房在塌陷產(chǎn)生時極易倒塌，建議盡快搬遷避讓。

4、生產(chǎn)、生活在巖溶地質(zhì)塌陷區(qū)的人們應(yīng)當密切關(guān)注，提高安全意識。

5、對擬建建筑物地基進行加固處理或采用樁基礎(chǔ)。宜統(tǒng)籌規(guī)劃，房屋選址宜在非巖溶區(qū)。

6.3.2 預防措施

1、群測群防

汛期，特別在大雨和暴雨期間，對重點區(qū)域、居民聚集地進行巡查，監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)（塌陷區(qū)域、房屋受損區(qū)）的動態(tài)情況，發(fā)現(xiàn)地裂隙或地面塌陷，及時充填夯實，對小溪、河塘漏水地段采取河床輔底。

2、地下水動態(tài)監(jiān)測

建立重點防治區(qū)、次重點防治區(qū)地下水長期動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，及時掌握地下水徑流場變化，預測地面塌陷區(qū)域；結(jié)合工程地質(zhì)鉆孔、民井，掌握地下水主要流向、地下水徑流場現(xiàn)狀和險情影響地域。密切注意地下水量、水位和含砂量的變化、動物驚恐異常、地下土層垮落聲等發(fā)生巖溶地質(zhì)塌陷的先兆現(xiàn)象。

3、地表水水均衡監(jiān)測

監(jiān)測地表水進出區(qū)內(nèi)的流量變化，宏觀掌握地表水流經(jīng)地段的漏失情況，及時調(diào)整堵漏工程的實施，減小重點防治區(qū)、次重點防治區(qū)水文地質(zhì)單元水均衡變化。

4、預警預報平臺建設(shè)

以地下水動態(tài)監(jiān)測、地表水水均衡監(jiān)測、降水量監(jiān)測為數(shù)據(jù)管理基礎(chǔ)，建設(shè)區(qū)內(nèi)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害預警預報平臺。

7 結(jié)語

區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷大多分布于稻田、居民居住生活區(qū)，對居民的生產(chǎn)生活構(gòu)成很大的威脅。本文綜合分析研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害地質(zhì)條件、災(zāi)害特征、影響因素、誘發(fā)因素和形成機理，本著科學、實用、安全、經(jīng)濟、因地制宜、工程治理、預防相結(jié)合的原則，提出一系列防治措施，為當?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)提供參考。