永州加六洲村岩溶地面塌陷成因特征及防治方法探讨

2019-12-26李常辉

世界有色金属 2019年18期

李常辉

（湖南省煤田地质局第六勘探队，湘潭，411100）

1 引言

我队在收集并分析区域地质资料、水工环地质调查资料的基础上，针对区内岩溶地面塌陷地质灾害开展了专项调查工作，结合物探、钻探及岩、土、水样测试工作，查明了区内地质灾害的分布、规模、危害程度，初步分析其形成机理、成灾特征，综合研究，提出防治措施。

2 概况

2.1 区域概况

工作区位于永州市道县南部井塘乡境内、沱江东岸，涵盖加六洲村全部、沙子河村大部、马江口村北部、桃花井村西部，总面积2.89km2，约1200户、5100人，常驻人口约2700人[1]。

2.2 岩溶地面塌陷地质灾害

区内现已发生岩溶地面塌陷13处，直径在2.0～31.0m之间，洞高0.7m-3.8m之间。

3 地质环境条件

3.1 地形地貌

工作区总体地势东高西低，向河谷逐步降低；一般地面标高190～220m，最高点标高236.00m。区内西部为岩溶地面塌陷地质灾害点分布的主要区域（见图2），河流侵蚀堆积地貌类型、一级阶地，地形坡度小于5°，上覆为冲洪积层物质。

3.2 地层岩性

区内地层有：寒武系中组下段∈2-1、泥盆系下统D1、泥盆系上统佘田桥组D3s、泥盆系上统锡矿山组下段D3x1、泥盆系上统锡矿山组上段D3x2、石炭系下统岩关阶组下段C1y1、石炭系下统岩关阶组上段C1y2、石炭系下统大塘阶组石磴子段C1d1以及第四系Q。

石炭系下统岩关阶组下段岩性为深灰色厚层隐晶质灰岩夹薄至中层泥质灰岩，节理裂隙发育，脉状方解石半～全充填，宽约0.5～2mm，且呈不规则分布，溶蚀现象强烈，为岩溶发育主要岩层。

3.3 地质构造

区内没有断层经过，单斜构造，地质构造简单。

3.4 水文地质条件

3.4.1 地表水

区内只有沱江经过，水位标高一般为186.0m，最高洪水位标高192.2m（2005年7月18日），最大洪水位、枯水位差达7.0m。

3.4.2 地下水

区内地下水为双层含水结构，上部为孔隙水，下部为岩溶水。由于裂隙、溶蚀裂隙、开口溶洞等的勾通，岩溶水常年接受上部孔隙水的渗透补给。地下水主要补给来源于大气降水，双层地下水的水位波动均受大气降水和沱江水位的涨落影响，但程度存在较大差异，致使上、下两层水的水头差不断变化。对区内的钻孔及部分民井进行丰水期与枯水期统测数据对比，下部存在岩溶发育带的地段，水位变幅普遍较大（一般为0.9～3.0m），如下图1。据调查，孔隙水年变幅最大达7.0m，岩溶水年变幅最大达11.5m。

图1 钻孔、民井地下水位统测点枯水期与丰水期对比图

3.4.3 水文地质参数

据以往资料区内基岩裂隙水含水层（C1y1）降深9.22m，涌水量0.0031 L/s，单位涌水量0.00034L/s·m，渗透系数0.0004m/d。

3.4.4 区内补、径、排特征

3.4.4.1 孔隙水

区内降水充沛，多年平均年降雨量为1560.03mm。大气降水的垂向补给是孔隙水的主要补给来源，稻田、池塘水的垂向渗透也是孔隙水的补给来源之一；另外，洪水期，得到沱江的补给。

孔隙水的径流：在天然状态下，地下水一般由阶地后缘向前缘（沱江）方向渗透径流，即总体向西北方向径流（如图2），有人工开采井的情况下，地下水向开采井方向径流。

孔隙水的排泄：沿河边以渗流方式排泄，在低洼地段以泉（井）方式排泄；天然状态下，孔隙水排泄微弱，主要为人工排泄（机井、民井）。孔隙水的水位动态变化随季节性而变化，孔隙水年变幅一般在0.9～7.0m。

3.4.4.2 覆盖型岩溶水

岩溶水主要是接受大气降水的补给（通过孔隙水的垂直补给、基岩露头大气降水形成径流补给），另外，洪水期，得到沱江的补给。

岩溶水的径流，根据钻孔揭露的岩溶水水位分析，其总体流向为自南东向西北（向沱江）方向，以混合流方式沿溶蚀裂隙和岩溶管道径流。

岩溶水的排泄分为三种方式：

（1）主要通过第四系越流补给第四系潜水和以潜流的方式侧向河床排泄；

（2）工作区内两处泉水出露点排泄，春夏季节排泄流量较大、可以形成灌溉水沟，冬季流量较小、约17L/S；

（3）少量以机民井抽水方式人工排泄。

岩溶水的水位动态变化随季节性而变化，岩溶水年变幅一般小于11.5m，变幅一般。

3.4.4.3 基岩裂隙水

基岩裂隙水主要分布于工作区外附近区域（D1、∈2-1），主要接受大气降水补给。

基岩裂隙水的径流，降水入渗补给风化裂隙带，饱水后向下游径流、运移。

基岩裂隙水的排泄，区内基岩裂隙水大部分经短暂的径流后，以泉的形式排出地表；少部分径流补给河谷砂砾石层。

3.5 岩土体类型

岩溶地面塌陷区均为覆盖型岩溶区，岩溶直接顶板为松散冲洪积双层及多层土体。

3.5.1 土体

区内所有塌陷点的土体厚度都在10m-16m之间，上覆土体为粉质粘土、砂砾石双层土体结构。上部为粉质粘土，土黄色，软～可塑，手捏可成形；切面不光滑，干强度高韧性中等。下部为砂砾石层，土黄色夹灰黄色，稍密，饱和，卵石含量占55%～60%，其余充填约30%～35%细粒砂，10%粘性颗粒，粒径约2～6cm，最大约10cm主要成分为砂岩及石英砂岩、灰岩。分选不一，圆状、次圆状、次棱角状。

3.5.2 岩体

区内引起岩溶地面塌陷的岩体主要为石炭系下统岩关阶组下段C1y1岩层，为深灰色厚层隐晶质灰岩夹薄至中层泥质灰岩，局部地区偶夹石英砂岩及砂质页岩，厚206～374m。岩体节理裂隙较为发育、脉状方解石充填，宽约0.5～2mm，且呈不规则分布；基岩上石芽、溶沟、溶槽发育；浅部溶洞发育，溶蚀现象强烈。区内溶洞埋藏浅，一般具多层，部分～全充填，据钻孔资料统计：ZK2在标高180.54～179.84m处岩溶、裂隙发育区，溶洞0.7m；ZK3在标高164.19～160.29m处岩溶、裂隙发育区，溶洞4.0m[1]。

3.6 人类工程活动

区内人类工程活动主要为修建房屋、公路、农田耕种及水利设施建设，无地下采矿活动和大规模抽排地下水活动。

3.7 岩溶发育情况

通过野外机井、民井、岩性点调查及3个钻孔揭露，区内都属于岩溶发育区（见图2），且大部分区域属于覆盖型岩溶区，上覆为第四系更新统及全新统，厚度1～32m，下伏地层大部分为石炭系下统岩关阶组下段（C1y1），工作区北端局部为石炭系下统大塘阶组石磴子段（C1d1）及石炭系下统岩关阶组上段（C1y2），岩性为深灰色厚层隐晶质灰岩夹薄至中层泥质灰岩，质纯层厚的灰岩岩为岩溶发育奠定了基础。据钻孔揭露，ZK2、ZK3钻孔遇见溶洞（见图3），遇溶洞率66.7%，遇溶洞钻孔的钻孔线岩溶率分别为7.45%、59.7%。区内浅部岩溶发育，一般为半～全充填，充填物为泥、砂、砂卵石。

图2 加六洲村岩溶发育程度及岩溶地面塌陷分布示意图

图3 加六洲村工程地质剖面示意图

4 岩溶地面塌陷特征

4.1 分布特征

区内岩溶地面塌陷坑均分布于河流阶地、双层结构的覆盖层地区、地下水主要径流区和排泄区内，集中于地表水与地下水联系密切地段、地下水主径流方向和河水水位交替强烈的河谷；在平面走向分布上与C1y1地层走向分布基本一致。

4.2 发育特征

区内地面塌陷共13处，均为岩溶地面塌陷。规模中型2处、小型11处；长列式4处、群集式5处、分散式4处；6处稳定、7处较稳定。剖面形态呈碟状、坛状、漏斗状及葫芦状（以坛状为主），深度在0.7m-3.8m。平面形态呈近圆形、椭圆形、长条形、不规则型（以近圆形为主），直径2.0～31.0m不等（以1.2～6.8m为主）如下表1。

表1 加六洲村岩溶地面塌陷平面形态统计表

4.3 物质特征

上部为松散土体，下部为坚硬的石炭系下统岩关阶组下段C1y1灰岩、泥质灰岩，溶洞呈串珠状，半～全充填，充填物为泥、砂。

5 岩溶地面塌陷形成机制分析

工作区内共13个塌陷坑，其中12处塌陷坑发生于2005年7月18日当地洪水位下降时，1处发生于2013年5月当地洪水位下降时。

5.1 地层条件分析

据ZK2、ZK3钻孔等资料，岩溶地面塌陷区上部为松散土体，下部为石炭系下统岩关阶组下段灰岩，为覆盖型岩溶区。

上部松散土体：粉质粘土、砂砾石双层土体结构，厚度不稳定，其中粉质粘土呈软～可塑，天然含水量ω为20.2～30.1%，孔隙比e为0.576～0.93，液性指数Il为0.24～0.58，塑性指数Ip为9.6～16.6，压缩系数a为0.17～0.38，内摩擦角Φ为14.4～1度，土体力学性能一般，承载力特征值为15.4～33.5KPa，孔隙度48.2%～36.5%，土粒比重2.7～2.74g/cm3。ZK2孔土层厚14.7m，ZK3土层厚25.6m。

土的透水性差，含水量低，力学强度高，抗塌力就大，相对难以产生塌陷。土体厚度较薄，塌陷从孕育到产生所需的时间就短，容易产生塌陷；相反，土体厚度大，土洞发展至地面的过程长，从孕育到产生所需的时间就长，相对不容易产生塌陷。所在冲洪积层区域的粉质粘土在压力作用下受水浸漫后，结构迅速破坏，土体下沉，发生土体湿陷现象。根据区内塌陷区土体的性质及特征，地面塌陷现象与土体的湿陷形成土洞有着一定的关联。

下部灰岩（C1y1）：岩溶发育强烈，ZK2孔揭露基岩9.4m，孔深16.3-17.0m为溶洞；ZK3孔揭露基岩6.7m，孔深27.8-31.8为溶洞。上层溶洞顶板较薄，顶板厚度1.6-2.2m，其溶洞充填物成分与上部冲洪物接近，说明其多为开口溶洞。上覆二元粘性土与砂性土的上层结构及下伏可溶性碳酸岩基岩构成了形成本区岩溶地面塌陷的先决物质条件。

5.2 水动力条件分析

岩溶水水位降低均会在岩溶空腔产生负压，增加土体中的水头压力，加速土体渗透变形。土体的渗透变形破坏以土体中水位急剧下降时最强烈，水位稳定时变形变慢趋于稳定，土体中水位回升恢复到原水位时，变形又加快，频繁变化可以加快土洞的形成。

岩溶地面塌陷区为双层含水结构。上、下两层地下水存在水力联系，如果存在能让沙、土层产生扰动变形（或土洞）的水头差，且水头差的频繁变化，将加快土洞的形成。钻孔ZK2、ZK3均揭露到岩溶水水位，上部孔隙水水位埋深5.2～5.6m，下部岩溶水水位理深8.09～9.74m，两者存在水头差2.49～4.54m。由于裂隙、溶蚀裂隙、开口溶洞等的勾通，岩溶水常年接受上部孔隙水的渗透补给。

地下水主要补给来源于大气降水，双层地下水的水位波动均受大气降水和沱江水位的涨落影响，但程度上存在较大差异，致使上、下两层水的水头差不断变化。同时由于上部水塘、稻田及水渠等地表水下渗补给，也将引起上、下两层水的水头差的变化。

5.3 成因机制分析

岩溶地面塌陷的产生，是致塌力大于抗塌力的结果；当岩溶、地下水动力条件及土洞等条件具备时，致塌力超过抗塌力时，则产生岩溶地面塌陷。抬高第四系水位或降低岩溶水位使两层水水头差达1m以上，水力坡度达1.5以上时，粘性土、砂土临界水力坡度Icr为0.8～0.9时易产生流土破坏，继续发展上部土层松动、发育成土洞，最终在上覆土体的自重或附加重力、或振动下产生地面岩溶塌陷 [1]。由于土体中地下水的渗透压力和下塌土体的牵引作用，塌陷区及塌坑附近地面土体以塌坑为中心，断续产生环状地面裂缝。

区内的岩溶地面塌陷均属自然型岩溶地面塌陷。区内存在可溶性岩岩层是岩溶地面塌陷的内在条件，地下水动力作用是外在条件。在大气降水时，引起地下水动力条件的改变。沱江在平水期及枯水期，通过粘土层、砂层渗透补给岩溶水，洪水期由承压作用，岩溶水补给地表水体。沱江水位的变化除可直接影响到近河边地下水的水力坡度外，还可因其退水而使附近沙土层扰动，反复扰动，带走沙土，形成土洞。在地下水渗透力作用、潜蚀作用和土层自重作用下，导致塌陷的产生。

综上，岩溶地面塌陷是各种影响因素综合作用的结果。区内岩溶发育，溶洞和开口溶洞的存在，是本区土洞形成的基本条件；而孔隙水、岩溶水又存在相互渗透补给关系；在长期地下水动力作用下，小颗粒土体不断被潜蚀，土洞规模不断扩大；在土洞的上方修建地面建筑，使原本处于基本地应力平衡状态的土洞顶板增加了荷载；当洞体上部土层抗剪强度小于其自重压力等荷载时，就会引发岩溶地面塌陷。

6 岩溶地面塌陷防治建议

6.1 发生前兆

岩溶地面塌陷发育过程较长，如果地面出现以下征兆，表明离发生塌陷时间较近：

发生塌陷的前几个月地面出现环状裂缝并不断扩展，局部下沉，水渠、水塘开裂干涸。

发生塌陷的前几日，附近民井水位的骤然升、降，且水色突然浑浊。

6.2 防治原则及方法

本着避让优先、以人为本、预防为主、统筹规划、标本兼治、先易后难、治急治险、落实责任原则，划分为重点防治区、次重点防治区、一般防治区。

6.3 防治措施

6.3.1 防治措施

岩溶地面塌陷地质灾害，是一个综合性范畴，是一个动态过程。在它的孕育、发生、发展过程中影响因子多、各因子间的相互作用力度与方式复杂，致使地质灾害的防治工作是一项系统工程，当以系统理论为指导。要做好地质灾害防治工作需要各有关部门的积极支持与配合。根据区内已发生的地质灾害的特征、成因、形成机理，以及所处的地质环境条件，采用工程治理与提前预防相结合，完善防治系统，加强系统管理，使地质灾害防治工作能够收到良好的经济、社会和环境效益。

结合现状，建议对已发生和可能潜在的地质灾害的防治措施如下：

1、对已发生的塌陷点进行回填、设置指示牌，指定群测群防责任人。

2、对区内已发生房屋开裂的区域采取适宜性措施：

（1）针对王某房屋多处开裂（最宽裂缝达20mm）、2017年底地面出现空洞现象，建议尽快采取搬迁避让措施。

（2）对区内另外多处已开裂房屋应进行地基稳定性评估，如有必要应采取地基加固措施。使用期间应密切关注房屋裂缝的动态变化，如果发生突变需尽快将人员及财产撤离到安全地区。

3、重点防治区中土坯房在塌陷产生时极易倒塌，建议尽快搬迁避让。

4、生产、生活在岩溶地质塌陷区的人们应当密切关注，提高安全意识。

5、对拟建建筑物地基进行加固处理或采用桩基础。宜统筹规划，房屋选址宜在非岩溶区。

6.3.2 预防措施

1、群测群防

汛期，特别在大雨和暴雨期间，对重点区域、居民聚集地进行巡查，监测地质灾害隐患区（塌陷区域、房屋受损区）的动态情况，发现地裂隙或地面塌陷，及时充填夯实，对小溪、河塘漏水地段采取河床辅底。

2、地下水动态监测