肖穎斌，霍然，李江林，陳慶峰，楊佳

湖南臨武某地巖溶地面塌陷特征及成因機(jī)理探討

肖穎斌1、2，霍然2，李江林2，陳慶峰2，楊佳2

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 10083；2.湖南省湘南地質(zhì)勘察院，湖南 郴州 423000）

摘要：臨武某地于2019年12月19日發(fā)生巖溶地面塌陷，塌陷前后有大量因地面變形所致建筑物損壞，利用地表調(diào)查、高密度電法、鉆探等手段查明了巖溶地面塌陷所處的地質(zhì)環(huán)境條件、地下水位變化情況、巖溶發(fā)育和分布特征、建構(gòu)筑物變形特征、影響范圍等。本文從上部覆蓋層、淤泥質(zhì)粘土層特征、下部灰?guī)r的巖溶發(fā)育情況等結(jié)合巖溶地面塌陷形成條件的綜合研究，提出本區(qū)覆蓋型巖溶地面塌陷成因機(jī)理，并對(duì)巖溶地面塌陷進(jìn)行了分析預(yù)判，提出了相應(yīng)防治建議。

成因機(jī)理；地面塌陷；巖溶；

1 引言

我國(guó)國(guó)土面積的30％以上為巖溶區(qū)，巖溶地面塌陷已成重要地質(zhì)災(zāi)害之一。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)巖溶地面塌陷的成因機(jī)理、塌陷模型、探測(cè)方法、預(yù)測(cè)、評(píng)估方法等進(jìn)行了大量的研究工作，并在學(xué)術(shù)領(lǐng)域展開了深入的探討[1-16]?；谇叭斯ぷ鞒晒Y(jié)合臨武縣某地巖溶地面塌陷區(qū)的地質(zhì)環(huán)境、地表變形特征、物探及鉆探驗(yàn)證，對(duì)該巖溶地面塌陷成因機(jī)理進(jìn)行初探。

2019年臨武縣地質(zhì)災(zāi)害變更調(diào)查結(jié)果，臨武縣有巖溶地面塌陷隱患點(diǎn)9處。2019年12月19日，臨武某地發(fā)生巖溶地面塌陷，出現(xiàn)一圓形塌陷坑，坑口規(guī)模8m2，坑深2.1m。塌陷坑出現(xiàn)前，2019年10月15日起，居民區(qū)發(fā)生房屋變形開裂現(xiàn)象，變形一直未穩(wěn)定，呈增強(qiáng)趨勢(shì)。

圖1 變形區(qū)地貌照片

2 地質(zhì)環(huán)境條件

2.1 氣象、水文

臨武縣2009年~2018年歷年平均年降雨量1 475mm，每年4、5、6月集中降雨總量的平均值為650.22mm，占全年降雨量44%。塌陷區(qū)發(fā)育一條溪溝，流向自南東至北西，坡比2%，常年有水，旱季水量小，雨季水量較大。溝道寬2~3m，深2~2.5m，2019年10月對(duì)溪溝兩側(cè)岸堤砌有漿砌石護(hù)岸，溝床采用混凝土硬化。調(diào)查期間正值旱季，實(shí)測(cè)流速0.5m/s，流量20L/s。居民區(qū)沿溪溝兩側(cè)而建，受災(zāi)區(qū)范圍內(nèi)有多處水井在變形期間干枯，井深一般2.5~4m，往年旱季期間可作為居民飲用水源。

2.2 地形地貌

地貌類型為構(gòu)造剝蝕溶蝕低山-中山，沖溝不發(fā)育，地形起伏，最高海拔標(biāo)高1200m，最低海拔標(biāo)高位于西側(cè)溪溝出口577.07m，相對(duì)高差623m，地形坡度10°～35°，局部裸露巖壁坡度達(dá)80°。

2.3 地層巖性

第四系(Q)：分布于溝谷兩側(cè)低洼地段，由淺灰褐色、黃褐色粉質(zhì)粘土，灰黑色沖洪積淤泥質(zhì)粘土組成，局部夾有少量碎石，鉆探揭露厚度1.5~16.90m。

泥盆系中統(tǒng)棋梓橋組（D2q）：分布于變形區(qū)北東側(cè)及變形區(qū)覆蓋層之下。為深灰色中厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，巖石呈深灰色，中厚層狀構(gòu)造，單層厚10~40cm。表面見溶蝕溝槽及石芽，巖層傾向北東，傾角35°。

巖漿巖（γ52）：分布于變形區(qū)南西側(cè)，為黑云母花崗巖體，絕對(duì)年齡經(jīng)測(cè)定為155百萬(wàn)年，屬燕山早期的酸性侵入體，與周邊地層D2q呈侵入接觸關(guān)系，巖體的侵入致使圍巖變質(zhì)和破碎。

圖2 地質(zhì)及巖溶分布圖

1.泥盆系中統(tǒng)佘田橋組；2.泥盆系中統(tǒng)棋梓橋組；3.燕山期花崗巖；4.斷層；5.地層界線；6.剖面線及編號(hào)；7.開裂房屋；8.推測(cè)巖溶分布區(qū)；9.物探解譯巖溶發(fā)育范圍.

2.4 地質(zhì)構(gòu)造

位于香花嶺短軸背斜北東傾伏端，背斜軸向北北東，斷裂構(gòu)造是香花嶺短軸背斜兩翼擠壓斷層。

變形區(qū)北側(cè)以陡峭灰?guī)r巖壁為天然邊界，巖壁底部往南稍有傾斜，傾角80°。初步分析，該巖壁由斷層所致，斷層發(fā)育于泥盆系中統(tǒng)棋梓橋組灰?guī)r中，所見巖壁為斷層下盤，斷層面傾向南，傾角約80°，上盤灰?guī)r破碎，巖溶發(fā)育，溶洞廣泛分布于斷層以南至花崗巖之間，局部形成地下暗河。在香花嶺礦區(qū)生產(chǎn)礦井內(nèi)曾多次在斷層帶遇到較大溶洞。

2.5 巖、土體工程地質(zhì)條件

1）較硬中厚至巨厚層石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r巖組，完整巖石抗壓強(qiáng)度35～60MPa。

2）較硬-堅(jiān)硬花崗巖巖組，中風(fēng)化花崗巖抗壓強(qiáng)度60～100MPa。

3）沖洪積淤泥質(zhì)粘土夾少量碎石：分布于河流谷地兩側(cè)，厚度變化較大。由灰黑色、黑色淤泥質(zhì)粘土組成，可塑-軟塑狀態(tài)，地下水位以下呈軟-流塑狀態(tài)，含強(qiáng)風(fēng)化巖碎塊，土質(zhì)不均勻，干強(qiáng)度中等，韌性中等，搖振無(wú)反應(yīng)，土質(zhì)松散，可壓縮性強(qiáng)，工程性質(zhì)差。

表1 驗(yàn)證鉆孔揭露溶洞情況

2.6 水文地質(zhì)條件

本區(qū)無(wú)大型地表水體，地下水可劃分為巖溶裂隙水和風(fēng)化裂隙水。接受大氣降水垂直入滲補(bǔ)給和外圍基巖風(fēng)化裂隙、碳酸鹽巖巖溶裂隙、落水洞等入滲補(bǔ)給。地下水流向與地表溪溝流大體一致，流經(jīng)地下巖溶通道及地下暗河，最終匯入甘溪河。通過(guò)鄰近民井與鉆孔靜止水位進(jìn)行對(duì)比，變形期間水位下降5.80m。

2.7 巖溶發(fā)育特征

地表常見圓形巖溶洼地，其次是漏斗、落水洞、溶槽、石芽。地下常見溶洞和多層地下暗河。溶洞的規(guī)模大小不一，一般溶洞高度為2~5m，最大者達(dá)50余米，多未被充填，地下暗河多沿層面和構(gòu)造發(fā)育。

2.8 物探異常特征

從高密度電法電阻率等值線斷面圖解譯出2處較明顯的物探異常（圖3），推測(cè)為巖溶發(fā)育地段，具體表現(xiàn)特征為相關(guān)測(cè)段電阻率在橫向上不連續(xù)，呈現(xiàn)為凹陷特征，可能為溶槽，異常從地表以下約10~30m。與瞬變電磁法顯示的地表以下10～30m存在連續(xù)低阻異常吻合較好。對(duì)推斷的2處巖溶發(fā)育部位進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，通過(guò)鉆探揭露，2孔均揭露到了巖溶，具體情況見表1。

圖3 地質(zhì)物探綜合異常剖面圖

1.第四系；2.泥盆系中統(tǒng)棋梓橋組；3.燕山期花崗巖；4.雜填土；5.粉質(zhì)粘土；6.淤泥；7.灰?guī)r；8.花崗巖；9.推測(cè)斷層；10.變形房屋；11.漿砌石護(hù)岸；12.地下水位線；13.溶洞；14.鉆孔位置及編號(hào)

3 巖溶地面塌陷引發(fā)的變形特征

該區(qū)巖溶地面塌陷引發(fā)地面變形所致房屋開裂、地面裂縫等。房屋裂縫有斜裂縫、豎向裂縫以及水平裂縫等，選擇5處裂縫進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

3.1 斜裂縫

斜裂縫最為普遍，發(fā)育于整個(gè)變形區(qū)各種房屋結(jié)構(gòu)中，發(fā)育數(shù)量最多，分布無(wú)明顯規(guī)律，對(duì)建筑物破壞程度大，一般位于墻體中部、門窗角或墻角，有時(shí)斜裂縫與水平或豎向裂縫聯(lián)通，形成傾斜環(huán)狀組合裂縫，對(duì)建筑破壞嚴(yán)重，斜裂縫寬度一般3~32mm，裂縫傾角15°~40°不等，長(zhǎng)度1~6.5m不等，整體形態(tài)呈彎曲波浪形，局部裂縫錯(cuò)動(dòng)位移現(xiàn)象明顯，墻面脫落，見圖4左圖。

圖4 變形區(qū)房屋典型斜裂縫及豎向裂縫

3.2 豎向裂縫

豎向裂縫在變形區(qū)較為常見，發(fā)育數(shù)量較斜裂縫少，但其破壞程度較大，一般分布于墻體中部，裂縫寬度10~30mm，長(zhǎng)度2~4m，局部裂縫貫穿整個(gè)房屋，裂縫呈張開狀態(tài)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，豎向裂縫的發(fā)展變化迅速，破壞程度大，危險(xiǎn)性高，見圖4右圖。

3.3 水平裂縫

水平裂縫位于橫梁與砌體交接處及混凝土樓板附近，裂縫均勻且平直，縫寬多為1.5～4.0mm，長(zhǎng)度與墻同長(zhǎng)，外墻比內(nèi)墻裂縫稍寬（圖5）。相對(duì)于豎向裂縫和斜裂縫該類裂縫發(fā)育較少。

3.4 地面裂縫

地面裂縫分布于變形區(qū)水泥硬化地面、地與墻體連接部位、土層與巖壁交接部位等，地面裂縫總體走向與河流走向基本一致，局部地段走向與河流呈小角度斜交，平面形態(tài)主要為直線型及弧型，縫寬5~35mm，最寬達(dá)40mm，延伸長(zhǎng)度一般5~8m，可視最大延伸長(zhǎng)40m，深度5~10cm，最大深度40cm。

3.5 變形監(jiān)測(cè)情況

對(duì)整個(gè)變形區(qū)選出5處有代表性變形點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)易監(jiān)測(cè)，采用裂縫相對(duì)位移監(jiān)測(cè)法及目視檢查法，變化趨勢(shì)見圖6。

4 成因機(jī)理

按地質(zhì)特征確定本區(qū)屬覆蓋型巖溶地面塌陷。

從鉆孔揭露情況，沿河地段可溶巖上方覆蓋層基本可分為二層，底部為0.4-15.11m的淤泥質(zhì)粘土層，其上方為厚1.5-16.90m的粉質(zhì)粘土層夾少量碎石。覆蓋層底部淤泥質(zhì)粘土在地下水位以下呈流塑狀，具備形成泥流型巖溶地面塌陷條件，上部粉質(zhì)粘土易形成土洞，同時(shí)具備土洞型巖溶地面塌陷的土層條件。

圖6 變形區(qū)裂縫趨勢(shì)

5 結(jié)論及建議

該區(qū)地貌類型為構(gòu)造剝蝕溶蝕低山-中山地貌，變形區(qū)位于山間溝谷，為泥盆系中統(tǒng)棋梓橋組與花崗巖體接觸部位，花崗巖面以上地下水徑流相對(duì)較快；另有近平行溪溝的隱伏斷層發(fā)育，巖溶區(qū)位于隱伏斷層上盤，巖石破碎程度比周邊稍強(qiáng)，且地表溪流常年不枯，按尹若君等[1]總結(jié)的巖溶地面塌陷的分布規(guī)律，該區(qū)屬巖溶發(fā)育有利部位。

淺部溶洞規(guī)模大，分布復(fù)雜，地下暗河交錯(cuò)聯(lián)通，水文地質(zhì)條件較差。第四系土層厚度、性狀和強(qiáng)度差異較大，地下水位的變化加速淤泥的流失，形成土洞，土洞不斷發(fā)育直至形成塌陷坑。截至工作結(jié)束，變形尚未停止，再次發(fā)生塌陷的可能性仍然較大。

由于巖溶地面塌陷特有的突發(fā)性及隱蔽性，當(dāng)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)受災(zāi)往往比較嚴(yán)重，區(qū)內(nèi)地面沉降變形正處于加劇變形階段，建議對(duì)變形區(qū)內(nèi)地面以及建構(gòu)筑物采取專業(yè)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握變形的發(fā)展變化情況并采取有效措施，防治意外發(fā)生；該區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，淺部巖溶極為發(fā)育，今后生活及生產(chǎn)過(guò)程中，嚴(yán)禁在變形區(qū)及周邊過(guò)量抽排地下水破壞水力平衡；建議盡快撤離，整體搬遷避讓；確需就地重建應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的工程勘查，評(píng)價(jià)場(chǎng)地建設(shè)的穩(wěn)定性和適宜性。

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Characteristics and Genetic Mechanism of Karst Ground Collapse in Linwu County, Hunan Province

XIAO Yin-bin1,2HUO Ran2LI Jiang-lin2CHEN Qing-feng2YANG Jia2

(1-China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083; 2-South Hunan Institute of Geological Survey, Chenzhou, Hunan 423000)

A karst collapse occurred at a certain place, Linwu County on December 19,2019 which caused extensive damage to buildings. Surface survey, high-density electrical method, drilling and other means are used to find out the geological environment condition, the change of groundwater level and the karstification development and distribution for the karst ground collapse. This paper has a discussion on causes of the karst ground collapse and makes some suggestions on control measures.

genetic mechanism; ground collapse; karstification; Linwu, Hunan

2020-06-10

肖穎斌（1987-），男，湖南桃江人，水工環(huán)地質(zhì)工程師，從事水工環(huán)地質(zhì)工作

P642.25

A

1006-0995（2020）04-0651-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.04.026