西江沿岸(肇庆段)岩溶塌陷地质灾害特征

2015-02-23王忠忠

地下水 2015年4期

王忠忠

(广东省地质调查院，广东广州510080)

岩溶地面塌陷地质灾害前期变形时间长，塌陷过程具突发性，严重威胁了岩溶地区人民生产、生活安全，极大制约了社会经济健康发展。西江沿岸(肇庆段)位于珠江三角洲西端、西江中下游，涵盖了肇庆市端州区，包括鼎湖区与高要市城区及其部分乡镇。该地区是有“中国砚都”之称的国家历史文化名城，也是沿海发达地区通往西南各省的重要交通枢纽，同时也是广东产业转移的重要地区。区域内隐伏岩溶发育，随着经济发展、人类活动加剧及气候变化，岩溶地面塌陷地质灾害时有发生，威胁了人民生活生产安全，也造成了一定经济损失。因此，分析岩溶地面塌陷时空分布规律和成因，探讨防治措施，对该地区建设规划及防灾减灾具有现实意义。

1 地质环境背景

西江沿岸(肇庆段)气候温和湿润，属亚热带海洋性季风气候，多年平均气温22.2℃，多年平均降雨量为1 649 mm，主要集中在4－9月(占80%)，雨季期间集中了92%，日最大降水量216.3 mm。高要段西江平均年径流量2.21×1011m3。地势上整体为西高东低，北部和东部地区以低山地貌为主，南部以丘陵为主，植被茂密。

研究区主要出露为震旦系、寒武系、泥盆系、石炭系、三叠系及白垩系沉积岩，侵入岩仅在西江右岸的丘陵山区发育。受地质构造、热液活动影响，岩石都具有不同程度的变质。可溶岩——碳酸盐岩面积约239 km2，占研究区面积的24.20%，主要为覆盖型碳酸盐岩，发育于泥盆系上统天子岭组(D3t)，石炭系下统石磴子组(C1^s)，石炭系上统大埔组(C2dp)、黄龙组(C2hl)和船山组(C2^c)，下二叠统栖霞组(P1－2q)。高要市莲塘——新桥镇北部少量发育浅埋藏型碳酸盐岩，端州区七星岩等地区零星出露裸露型碳酸盐岩。区内可溶岩中石磴子组微晶灰岩、白云质灰岩、角砾状灰岩分布面积最大，约178 km2;其次为天子岭组微晶灰岩、白云质灰岩，面积约41 km2。

本地区位于华南褶皱系粤西隆起与粤中拗陷的交接地带，主要由北东向、东西向断裂形成基本构造格架。北东向构造以断裂形式出现，规模较大;东西向构造由复式向斜和一系列断裂组成。

区内第四系松散岩类孔隙水、裸露型碳酸盐类裂隙溶洞水、层状岩类裂隙水和块状岩类裂隙水富水性贫乏，覆盖型、埋藏型碳酸盐类裂隙溶洞水富水性一般为中等。受地形控制，地下水整体自西向东流动。在山区，地下水补给来源以大气降水补给为主;在冲积平原区，除降水入渗补给外，地下水同时接受裂隙水侧向补给和西江等地表水下渗补给。地表水、孔隙水、裂隙水和裂隙溶洞水都具有一定的水力联系。

2 岩溶塌陷地质灾害特征

2.1 岩溶塌陷规模及危害

研究区岩溶地面塌陷从上世纪八十年代以来累计发生26起(图1)，广泛分布于为西江两岸的冲积平原隐伏岩溶地区，该区域人口稠密，工商业密集，农业、养殖业发达，是地下工程建设开发的重要场所。本地区以塌陷坑形式出露为主，其次为地裂缝。规模及影响较大的塌陷分别为:鼎湖区沙浦镇的江肇高速公路南岸引桥路段的塌陷坑群，其塌陷坑口形态各异，呈串珠状分布，最大单坑直径46.9 m，影响面积为104m2以上，造成经济损失200余万，但无人员伤亡［1］;肇庆大桥桥墩桩基施工过程中，引发周围100 m2下陷，工作平台报废［2］。其余均为直径1～10 m的小型塌陷，造成周围房屋等建筑物墙体开裂或部分农作物损失。

图1 岩溶塌陷分布图

2.2 岩溶塌陷时空分布

研究区岩溶塌陷地质灾害在不同时间段发生的次数具有差异性(表1)。1990年前，岩溶塌陷地质灾害发生次数较少，主要致塌的原因是由于在端州区供水勘察过程中钻探洗井引起。1990年后尤其是2000年后，随着经济持续高速发展，各地工程建设(桥梁、房地产、高速公路等)日益增多，岩溶塌陷致灾频率增加。同时，随着全球气候变化，极端天气频现也是导致近年来岩溶塌陷地质灾害增多的重要因素。

表1 不同时段岩溶塌陷频次表

岩溶塌陷地质灾害的空间分布和岩溶塌陷影响因素密切相关，这些因素包括岩性、地下水活动、地质构造、上覆土层结构和人类工程活动情况密切相关。研究区岩溶塌陷具有如下分布特征:

(1)岩溶塌陷主要发生在石磴子组和天子岭组微晶灰岩、白云质灰岩、角砾状灰岩中，共发生塌陷25处，占塌陷总数的 96.15%，塌陷分布密度分别为 0.12 个/km2、0.07个/km2。其浅层岩溶发育，单层～双层结构为主，局部呈串珠状(见图2)，溶洞普遍发育在－10～－35m，洞高0.2～12.0 m。这主要由于这两组地层中灰岩较纯，碳酸盐含量高，在弱酸性地下水和地表水的作用下可溶岩发生岩溶作用，碳酸盐含量越高，溶洞越发育。

(2)岩溶塌陷分布于地下水活动强烈的山前补给区和西江沿岸。研究区地下水类型主要为碳酸盐类裂隙溶洞水，其水量和运移方向受地形、地质构造控制。在山前补给区和西江沿岸隐伏岩溶地区是碳酸盐类裂隙溶洞水水位年变幅较大［3］、地下水活动相对强烈地区。这类地区地表水、孔隙水和裂隙溶洞水水力联系密切，有利于溶洞发育和岩溶塌陷形成。

(3)岩溶塌陷地质灾害主要分布于断裂周围，共有17处岩溶塌陷发生在脆性断裂周围0～600 m，占塌陷总数的65.38%。研究区内脆性断裂发育，尤其在隐伏岩溶区——端州区呈棋盘格状。断裂周围节理裂隙发育，在张性断裂周围易形成地下水径流通道，有利于地下水交替循环，经受溶蚀后形成溶洞继而易发生岩溶塌陷。

(4)岩溶塌陷普遍分布在一元、二元土层结构中。其中，一元土层结构岩性为第四系古河道的卵砾石、漂石，分布于北岭山东侧和栏柯山南侧的山前;二元土层结构岩性为粘性土(局部为淤泥质土)——砂土结构。这些土层具有埋藏浅(一般厚度小于30 m)、基岩面上覆岩性一般为砂土或碎石土(部分为较薄的砂质粘性土残积土层)的特点。在外在动力条件改变下，土层小颗粒不断被水流带走，形成土洞，上覆土体失稳后塌落至下方的溶洞中，形成岩溶塌陷。

(5)岩溶塌陷主要分布在人类工程活动密集的城镇、开发区。据统计，与人类工程活动密切相关的岩溶塌陷地质灾害占73.08%。在承接珠三角产业转移背景下，西江沿岸地区经济发展迅速，地下工程开发建设增多，但隐伏岩溶地质情况复杂，工程施工措施不当极可能引起地面塌陷。

图2 蚬岗镇南村岩溶发育剖面(弹性波CT影像)

2.3 岩溶塌陷成因类型

西江沿岸岩溶塌陷成因类型有:人为引起的振动致塌、抽取地下水致塌、荷载致塌和自然引起的暴雨致塌等四种(见图3)。其中，以振动致塌、抽取地下水致塌为主，占塌陷总数的69.23%。

图3 不同成因致塌频次图

振动致塌主要是爆破、钻探等工程建设中，振动效应引起砂土液化和粘性土触变与陈化，降低了土体强度［4］，使无充填或半充填溶洞(土洞)上覆土体稳定结构破坏导致;抽水致塌是抽取地下水使地下水位迅速下降，动水压力增大到一定程度后，溶洞中及上覆土体中土颗粒随着水流带出，这种潜蚀效应易形成土洞，随着抽水时间的延长，土洞向上发展到地下水位线后，在真空吸蚀效应下土洞不断向上发展，最后上覆土体失稳出现塌陷;暴雨致塌是降雨使地下水水位波动较大，土体经受垂直渗压效应和潜蚀效应作用，土颗粒被水流携带运移，使岩溶发育区地基平衡发生改变，导致地面塌陷;荷载致塌是外部堆土等荷载超过溶洞(土洞)拱顶的承受力时引起。