黃文龍

(廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510080)

巖溶地面塌陷是南方地區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害之一。巖溶塌陷不但給建筑物、道路及市政設(shè)施構(gòu)成危害而形成經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)斐扇藛T傷亡，帶來(lái)社會(huì)負(fù)面效應(yīng)。在巖溶塌陷重點(diǎn)防治區(qū)布設(shè)有效的監(jiān)測(cè)預(yù)警措施是有必要的，對(duì)防災(zāi)減災(zāi)具重要意義。本文以肇慶一自然村為例，分析其地質(zhì)環(huán)境條件及巖溶塌陷形成演化，并對(duì)地下水監(jiān)測(cè)應(yīng)用情況進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)背景

1.1 研究區(qū)地理位置及巖溶地面塌陷情況

研究區(qū)位于肇慶市高要區(qū)新橋鎮(zhèn)，北東側(cè)為G324國(guó)道斜穿而過(guò)，車流量較大；南西側(cè)為沙田村委張村居民地，人口約有200人；南側(cè)為農(nóng)田，主要種植水稻等農(nóng)作物。

在塌陷點(diǎn)北為一花肥廠，南偏西約100 m有一供水機(jī)井，該深井約30 m，入巖10 m，抽取地下水類型為碳酸鹽巖裂隙溶洞水，日開(kāi)采量約100 m3(地下水降深約1.50 m)，不連續(xù)開(kāi)采。周邊地貌類型為山前平原，南側(cè)為丘陵山區(qū)，北側(cè)平原，水網(wǎng)密布；地勢(shì)南高北低，地面高程一般在5～10 m。

2013年8月9日下午3時(shí)，研究區(qū)水田處發(fā)生一處地面塌陷，塌陷坑呈圓形，直徑約5 m，影響面積約20 m2，水田內(nèi)地表呈漏斗狀往中心下陷，中心塌陷深度約1.0 m，塌陷坑內(nèi)積水比水田地表低0.3 m，塌陷坑導(dǎo)致北側(cè)單層瓦房墻體局部開(kāi)裂，裂縫寬0.5 cm，長(zhǎng)2.0 m，以及塌陷周圍水田形成5～20 cm的地面裂縫。據(jù)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查認(rèn)為，該地面塌陷的成因是由于南側(cè)抽水機(jī)井抽取地下水(碳酸鹽巖裂隙溶洞水)導(dǎo)致。

1.2 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

研究區(qū)為覆蓋型巖溶發(fā)育區(qū)，基巖面起伏大且?guī)r面呈鋸齒狀，基巖面落差0.5～5.5 m，最大落差達(dá)12.4 m。結(jié)合物探和鉆探資料來(lái)看，區(qū)內(nèi)淺部巖溶發(fā)育，巖溶形態(tài)以溶洞、溶孔、溶蝕裂隙為主。淺層巖溶溶洞一般發(fā)育1～4個(gè)不等，洞高大小不一，普遍0.2～1.7 m，溶洞一般為半充填—全充填，填充物為粉質(zhì)粘土、碎石和砂，鉆孔見(jiàn)洞率54.55%，線巖溶率一般5.26%～14.29%；第一層溶洞距基巖面厚度一般1.8～2.5 m。溶蝕裂隙分布普遍，常與溶洞相通。局部地區(qū)發(fā)育土洞，高0.70～2.30 m。

第四系覆蓋層厚度一般16.0～23.0 m，最深處28.4 m，土層結(jié)構(gòu)以多層結(jié)構(gòu)為主，巖性為湖沼相睦崗組淤泥質(zhì)土(夾腐木)、粘性土、含粘土砂、砂土。底部為一層連續(xù)性較好的砂質(zhì)粘性土(灰?guī)r殘積土)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)取其臨界水力梯度(icr)0.79～1.11，平均值0.95。

地下水類型有松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖裂隙溶洞水。松散巖類孔隙水的水位埋深0.18～1.01 m，水位年變幅0.83 m(2015年)，含水層巖性為含粘土碎石，其滲透性不均，在土質(zhì)密實(shí)處滲透性差，而在土質(zhì)不密實(shí)處滲透性好；巖溶水水位埋深1.08～2.47 m，年變幅1.39 m(2015年)，位于基巖面(埋深16.0～23.0 m)之上，富水性豐富，單孔涌水量可達(dá)1 296 m3/d。據(jù)訪，研究區(qū)東側(cè)約1.6 km的地區(qū)打井時(shí)曾揭露地下暗河。

2 研究區(qū)巖溶塌陷形成演化及監(jiān)測(cè)

2.1 研究區(qū)巖溶塌陷形成演化

由于碳酸鹽巖裂隙溶洞水既具滲流又具管道流特征，為確認(rèn)研究區(qū)抽水機(jī)井抽水活動(dòng)是否影響100 m外的塌陷坑，因此需對(duì)開(kāi)采時(shí)段內(nèi)的地下水位數(shù)據(jù)(圖1)進(jìn)行分析。在抽水機(jī)井進(jìn)行開(kāi)采活動(dòng)時(shí)，對(duì)陷坑附近的地下水進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。通過(guò)圖1可知，孔隙水水位變化有不同程度的下降，但裂隙溶洞水在抽水時(shí)段內(nèi)水位埋深呈明顯降低趨勢(shì)：在記錄的開(kāi)采時(shí)段Ⅰ內(nèi)裂隙溶洞水水位埋深從1.814 m降至1.914 m，開(kāi)采時(shí)段Ⅱ內(nèi)裂隙溶洞水水位埋深從1.922 m降至2.094 m，其水位下降趨勢(shì)因?yàn)榫嚯x因素有一定的滯后性(開(kāi)采時(shí)段Ⅰ為2015年10月24日14時(shí)30分-10月26日14時(shí)30分、開(kāi)采時(shí)段Ⅱ?yàn)?015年11月2日6時(shí)40分-11月4日6時(shí)40分)。

圖1 機(jī)井抽水時(shí)段內(nèi)地下水水位變化曲線圖

據(jù)附近氣象站降雨記錄，機(jī)井開(kāi)采地下水時(shí)段內(nèi)未有大氣降雨等補(bǔ)給地下水，也未發(fā)現(xiàn)有其他影響沙田張村周圍裂隙溶洞水的因素，只有機(jī)井開(kāi)采裂隙溶洞水。因此，沙田張村的抽水機(jī)井在開(kāi)采裂隙溶洞水時(shí)，對(duì)北側(cè)塌陷點(diǎn)周圍的地下水水位變化是有影響的，地下水水位變化是地面塌陷致災(zāi)的誘發(fā)因素。

綜合分析沙田張村巖溶地面塌陷形成演化過(guò)程為：抽取裂隙溶洞水的過(guò)程中，由于塌陷區(qū)孔隙水與溶洞水聯(lián)系密切，孔隙水補(bǔ)給溶洞水，地下水水位降低使水力梯度增大，同時(shí)動(dòng)水壓力相應(yīng)增大。底部砂質(zhì)粘性土的臨界水力梯度較小，在集中滲流點(diǎn)(巖溶管道開(kāi)口、裂縫)發(fā)生滲透變形，進(jìn)而形成土洞。隨著抽水過(guò)程的延續(xù)，土洞長(zhǎng)期向上發(fā)育，當(dāng)土洞發(fā)展到底部土層之上時(shí)，上覆的無(wú)粘聚力的砂層和流塑～軟塑狀的淤泥質(zhì)軟土由于抗塌力較小，迅速發(fā)生坍塌而出現(xiàn)地面塌陷?？偟膩?lái)說(shuō)，研究區(qū)巖溶塌陷屬吸壓-陷落模式，當(dāng)?shù)叵滤陆禃r(shí)，上覆土體在巖溶水與孔隙水所產(chǎn)生的壓強(qiáng)差或真空負(fù)壓作用下發(fā)生巖溶塌陷。

2.2 巖溶塌陷監(jiān)測(cè)

巖溶塌陷的監(jiān)測(cè)方法可分為直接監(jiān)測(cè)法和間接監(jiān)測(cè)法兩類[1]。直接監(jiān)測(cè)方法就是通過(guò)直接監(jiān)測(cè)地下土體或地面的變形來(lái)判斷地面塌陷的方法，如監(jiān)測(cè)地面形變和房屋開(kāi)裂等常規(guī)方法，常用的技術(shù)手段有地質(zhì)雷達(dá)、光纖傳感器等。間接監(jiān)測(cè)方法主要有巖溶管道系統(tǒng)中水(氣)壓力的動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)。研究區(qū)巖溶塌陷屬抽水致塌型，水動(dòng)力是最為關(guān)鍵的觸發(fā)因子，通過(guò)對(duì)誘發(fā)巖溶塌陷的巖溶管道裂隙系統(tǒng)水(氣)壓力變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[2]，并分析是否觸發(fā)臨界條件可為監(jiān)測(cè)預(yù)警提供參考。

對(duì)研究區(qū)巖溶管道裂隙水(氣)壓力變化進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)設(shè)備采用美國(guó)基康儀器的GK8002-1單通道數(shù)據(jù)采集儀及北京基康儀器的BGK4500S振弦式滲壓計(jì)。設(shè)置監(jiān)測(cè)孔2個(gè)，分別監(jiān)測(cè)巖溶地下水和底部土層之上的砂層孔隙水，監(jiān)測(cè)起止時(shí)間為2014.12.28-2015.12.08。監(jiān)測(cè)儀器安裝完畢后，調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)獲取間隔為1 200 s，即間隔20分鐘/次，每天獲取數(shù)據(jù)72組。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

從研究區(qū)孔隙水和溶洞水監(jiān)測(cè)曲線上看(圖2)，第四系孔隙水與裂隙溶洞水響應(yīng)度極高，兩者水力聯(lián)系密切。孔隙水水位埋深0.18～1.01 m，水位年變幅0.83 m；裂隙溶洞水的水位埋深1.08～2.47 m，水位年變幅1.39 m，位于基巖面(埋深16.0～23.0 m)之上。

圖2 研究區(qū)地下水水位變化曲線

根據(jù)相鄰20 min水位變幅數(shù)據(jù)來(lái)看，不管是孔隙水還是裂隙溶洞水，地下水水位20 min內(nèi)波動(dòng)幅度大部分小于2 cm，波動(dòng)幅度都較?。嚎紫端淮笥? cm的波動(dòng)次數(shù)為22次，最大水位變幅為4.57 cm(2015年10月4日)即0.003 8 cm/s，溶洞水水位大于2 cm的波動(dòng)次數(shù)23次，最大水位變幅為7.19 cm(2015年1月20日)即0.006 cm/s。

研究區(qū)一個(gè)水文年內(nèi)不同時(shí)期的地下水水位變幅(表1)具有以下特點(diǎn)：豐水期和枯水期的地下水水位變幅較其他時(shí)期都大，平水期水位變幅相對(duì)較小，這與大多數(shù)地面塌陷發(fā)生時(shí)間一般在豐水期或枯水期相一致；孔隙水水位波動(dòng)速率最大值0.51 m/d，溶洞水水位波動(dòng)速率最大值0.41 m/d?？偟膩?lái)說(shuō)，在監(jiān)測(cè)期內(nèi)，無(wú)論是日水位變幅還是相鄰20 min水位變幅值，巖溶水、孔隙水變化速率都較小，未出現(xiàn)較大的突變。

表1 研究區(qū)地下水水位變化特征

同時(shí)，根據(jù)巖溶水壓力、孔隙水壓力之差以及兩個(gè)傳感器距離計(jì)算出來(lái)的水力坡度范圍值為0.024～0.108，底部土層臨界水力梯度(icr)0.79～1.11，安全值取最小值為0.79，因此實(shí)際水力坡度值遠(yuǎn)小于臨界水力梯度(0.79)。在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)研究區(qū)無(wú)新發(fā)巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害，舊陷坑亦趨于穩(wěn)定，未見(jiàn)擴(kuò)大跡象，這與監(jiān)測(cè)情況是匹配的。

據(jù)訪，研究區(qū)供水井的開(kāi)采強(qiáng)度相對(duì)較小，小部分居民已使用自來(lái)水，但在節(jié)假日村中人口增大時(shí)，會(huì)增加地下水的開(kāi)采量及開(kāi)采時(shí)間。因此，地下水開(kāi)采活動(dòng)仍有可能影響陷坑穩(wěn)定，加速天然條件下的潛蝕、滲蝕、真空吸蝕、失托增荷等的作用，從而使巖溶洞穴之上的土層由穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)的趨勢(shì)加快?？偠灾?，研究區(qū)隱伏巖溶發(fā)育程度較高，巖溶地下水仍需合理開(kāi)采，減少大強(qiáng)度、持續(xù)、反復(fù)抽降地下水，避免引發(fā)新塌陷或舊塌陷“復(fù)發(fā)”。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，研究區(qū)地下水水位變幅及波動(dòng)速率未有明顯異常值，底部土層水力梯度遠(yuǎn)小于臨界水力梯度，巖溶塌陷水動(dòng)力條件屬于正常值范圍，該時(shí)段內(nèi)亦無(wú)新發(fā)巖溶塌陷災(zāi)害。

(2)通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的積累，可為日后監(jiān)測(cè)預(yù)警的閾值提供依據(jù)。