广州西部隐伏岩溶发育特征及其对城市发展的制约

2022-07-18王忠忠郑志敏李宏卫王耿明

城市地质 2022年2期

王忠忠郑志敏李宏卫王耿明

摘要：发育的隐伏岩溶是广州西部地区城市发展的重大地质隐患之一。利用大量岩溶钻孔数据，结合地层岩性、断裂构造、水文地质等资料，分析隐伏岩溶发育特征及控制因素。广州西部地区隐伏岩溶发育特征：在平面上，隐伏岩溶分布面广，呈带状分布;在垂向上，浅部溶洞主体为单—双层结构，多集中发育在-5～-20 m（埋深10～30 m），随深度增加，岩溶发育程度减弱。隐伏岩溶发育的主控因素除地层岩性外，断裂构造、不整合面、地下水活动等对岩溶的发育程度和发育空间位置具有控制作用。同时，在分析隐伏岩溶对城市发展的制约基础上，依据其发育特征及控制因素提出了防治对策与建议。

关键词：广州西部;隐伏岩溶;发育特征;主控因素;对策与建议

Development characteristics of hidden karst and its constrains on urban development in Western Guangzhou

WANG Zhongzhong， ZHENG Zhiming， LI Hongwei， WANG Gengming

（Guangdong Institute of Geological Survey， Guangzhou 510080， Guangdong， China）

Abstract： The western part of Guangzhou is planned as an important ecological living function area， but hidden karst in this area posts a major geological hazard to urban development and construction. Based on the statistical analysis of a large number of karst borehole data， this paper studies the characteristics of hidden karst in the target area. The results show there is wide and zonal distribution in the horizontal direction; single-bilayer structure and concentrated development in the elevation of -5 ～-20 m （at depth of 10 ～ 30 m） of shallow karst in the vertical direction; and weakened karst development as depth increases. Combining lithology， faults， groundwater and other geological data， the study reveals that faults， unconformity surface and groundwater have a control effect on karst development and spatial location in addition to lithology. Meanwhile， on the basis of analysis of karst constraints to urban development， countermeasures and suggestion are proposed in accordance with hidden karst characteristics and major control factors.

Keywords： Western Guangzhou; hidden karst; development characteristics; major control factor; countermeasures and suggestions

廣州西部的白云区金沙洲和荔湾区大坦沙，毗邻佛山市南海区，位于广佛都市圈的中心位置，区位优势明显。该地区已被规划为广州重要的生态居住功能区，工程建设步伐日益加快，常住人口规模不断攀升。但该区域发育的隐伏岩溶严重制约了地区发展，其诱发的岩溶地面塌陷地质灾害对地表建筑和地下工程带来不可估量的危害，威胁到当地居民人身、财产安全，造成严重的社会影响。因此，以广州西部为研究区，分析隐伏岩溶发育特征，探讨岩溶引起的地面塌陷对城市发展的影响，提出相应的防治对策与建议，对城市安全建设和科学规划具有积极作用。

1 区域地质环境背景

研究区地层与岩浆岩零星出露，以覆盖型为主。地层由老到新为下石炭统大赛坝组、石磴子组、测水组、中—上石炭统壶天组、上白垩统大塱山组和全新统桂洲组;岩浆岩主要为晚白垩世辉绿玢岩、中侏罗世花岗闪长岩、晚侏罗世正长斑岩。区域上受2组基底断裂控制，分别为北东向广从断裂组、北西向白坭-沙湾断裂组，其中以北东向断裂组为主（图1）。

该地区属亚热带季风气候，雨量充沛，多年平均降雨量1751.7 mm（1970—2005年），多年平均蒸发量1598.4 mm，地下水位埋深1.5～5.0 m，受珠江水位影响明显，随着珠江水位涨落变化，局部水位变幅1.0～2.5 m（苏扣林等，2011）。地下水类型主要有第四系松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水、红层岩类孔隙裂隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水和火成岩裂隙水。总体上，地下水富水性贫乏—中等，其中，红层岩类孔隙裂隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水和火成岩裂隙水富水性贫乏，碳酸盐岩类裂隙溶洞水富水性中等。

地下水以大气入渗补给为主，珠江地表水下渗补给以及地下水侧向径流补给为辅。地下水自北西向南东流动，受地形影响，水力坡度小，流速较缓。各类型地下水水力联系密切，其中，覆盖型碳酸盐岩裂隙溶洞水受断裂构造影响，在不同岩溶通道出现“越流”现象。地下水排泄整体以潜水蒸发和潜流为主，局部地区以人工开采为主。

2 隐伏岩溶发育规律

2.1 隐伏岩溶发育平面特征

区内可溶岩包括石磴子组（C1ŝ）灰岩、夹少量泥页岩，壶天组（C2+3ht）灰岩、生物碎屑灰岩、少量白云质灰岩，大塱山组一段（K2dl1）砾岩、灰质砾岩，大塱山组二段（K2dl2）钙质砂岩、粉砂岩、泥岩，大塱山组三段（K2dl3）钙质粉砂岩、泥岩。可溶岩约占研究区总面积的67%。

本次研究利用“广州城市地质调查”项目资料，收集揭露有溶洞的浅层钻孔528个（其中有坐标钻孔263个），溶洞总数905个，均隐伏分布，数量多，分布广，规模不等。钻孔揭露的溶洞平面上总体呈带状展布（图2），在金沙洲地区沿北东向展布，大坦沙南部呈北西向分布;而在大坦沙北部溶洞分布较均匀，呈面状展布。

2.2 隐伏岩溶发育纵向特征

地下隐伏岩溶发育规模不一，溶洞高度0.1～19.45 m，洞高在2 m以内的溶洞约占溶洞总数的73.04%。其中1 m以内的溶洞约占溶洞总数的44.30%，1～2 m溶洞约占28.73%，大坦沙地区溶洞高度普遍较金沙洲地区偏小。浅部岩溶主要集中发育在-5～ -20 m，该区间内溶洞占总数的64.53%，随着深度的增加，溶洞数呈明显减少趋势（图3，以5 m间隔统计，共统计溶洞905个）。以埋深统计，浅部隐伏岩溶集中发育在10～30 m，而深部岩溶发育深度为200～300 m（谢宝堂，2007）。

钻孔揭露表明，溶洞多为不规则单—双层结构，占钻孔总数的82.58%，局部呈串珠状连续发育，最多发育12层。溶洞以半充填、无充填为主，全充填溶洞相对较少，填充物多为泥、砂、淤泥、黏土。溶洞的充填情况与溶洞高度相关：溶洞埋深较浅时多为半充填或全充填;溶洞埋深较深时多为半充填或无充填（图4，以5 m间隔统计，共统计溶洞905个）。

3 隐伏岩溶发育控制因素

3.1 岩性控制

可溶岩的存在和分布是岩溶产生的先决条件。在弱酸性地下水和地表水的作用下可溶岩发生岩溶作用，岩性越纯，碳酸钙含量越高，岩溶越发育。不同碳酸盐岩岩溶发育强度具有如下规律：灰岩>白云质灰岩>白云岩>不纯灰岩。

区内灰岩、白云质灰岩中碳酸盐含量较高（表1），易溶蚀，岩溶发育程度高。石磴子组（C1ŝ）和壶天组（C2+3ht）地层岩性主要为灰岩，见有揭露溶洞的钻孔分别为132个、29个，平面溶洞密度分别为40个·km-2、47个·km-2。壶天组灰岩相对较纯，岩溶也较发育;大塱山组一段（K2dl1）岩性为砾岩、灰质砾岩，其砾石含量达60～75%，且砾石成分以灰岩为主，在该地层中的溶洞钻孔8个，平面溶洞密度达57个·km-2，岩溶发育;大塱山组二段（K2dl2）为钙质砂岩、粉砂岩，见有溶洞钻孔88个，平面溶洞密度37个·km-2;大塱山组三段（K2dl3）岩性主要为钙质粉砂岩、泥岩，平面溶洞密度4个·km-2，岩溶发育较弱（表2）。

3.2 断裂构造控制

断裂构造对岩溶发育的方向、规模和大小影响较大。研究区受区域多组断裂构造控制，主体为北东向广从断裂组控制，在不同地质时期曾发生不同程度的升降运动，有利于大气降水和地表水渗入形成径流带，使第四系之下的可溶岩发生溶蚀形成溶洞，如图5中ZK701和ZK709，受附近北东向断裂控制，在大塱山组二段中发育溶洞，ZK701中发育有不完整岩溶——鹰嘴岩形态。

以100 m为间隔，统计距主干断裂各影响带岩溶发育情况。结果表明：距主干断裂600 m范围内揭露溶洞钻孔共247个，距断裂岩溶发育最佳位置为0～200 m，该范围内溶洞钻孔167个，占总数的67.61%（表3）。

珠三角地区自晚更新世以来经历了3次较大的陆-海沉积旋回，同时遭受多次突发性的构造事件，导致不同块体呈现出不同尺度、规模的升降运动，多期次构造事件导致区域侵蚀基准面的升降，进而在研究区发育成3层岩溶通道（张永定等，2011）。

3.3 不整合面控制

研究区东南部在侏罗纪存在着岩浆活动，于晚白垩世受基底断裂控制，接受了该时期的陆源碎屑岩沉积，即大塱山组，该“红层”与下部石炭系为不整合接触。区内基岩埋藏浅，一般为十几米之内，基岩面起伏较大，特别是“红层”基底面起伏变化大，局部地段可能保留了古喀斯特地貌，呈“犬牙状”接触边界，复杂多变，有利于地下水交替循环，形成强径流区，加剧了溶蚀作用的进行，继而发育岩溶。溶洞多发育于不整合面以下的灰岩中，如大坦沙西钻孔ZK702中石磴子组与大塱山组不整合面附近发育的溶洞。一般来说，岩溶率在不整合面附近石磴子组灰岩中出现明显的增高;岩溶发育的方向、规模及大小受不整合面的控制作用亦明显。

3.4 地下水活动控制

水力活动影响岩溶发育程度及岩溶类型，是形成岩溶的必要条件。广花盆地孔隙水、溶洞水水位均隨季节变化，受大气降雨影响比较明显，在响应时间和动态变幅上均高度一致，二者之间存在着密切的水力联系（蒙彦，2020）。研究区作为广花盆地的一部分，孔隙水和溶洞水同样水力联系密切，孔隙水水位埋深0.20～5.30 m，溶洞水水位埋深0.34～5.77 m;地下水水位随着丰枯水期变化，但受潮水顶托作用，地下水年变幅较小，孔隙水年变幅0.45～1.50 m，溶洞水年变幅0.51～1.10 m。区内地下水运移方向受地形和张性断裂走向控制，总体上自北向南东流动，尤其是溶洞水沿断裂及周围张性裂隙运移，在北东和北西向上地下水互相联通，形成具有饱水、高透水性、方向性强、呈现水流管道作用的强径流带，为岩溶发育提供动力条件。

随着工程建设的开展，人为活动对该地区地下水水动力条件的影响日益明显。由于大降深抽排地下水，金沙洲西南武广客运专线隧道和大坦沙地铁6号线隧道沿线曾形成多个降落漏斗，改变了原来的地下水流场;而在降落漏斗中心附近，水力坡度大，水力联系强，可溶岩通过断裂、裂隙、不整合面等发生溶蚀、侵蚀等作用，有利于发育新的岩溶。

4 隐伏岩溶对城市发展的制约

4.1 隐伏岩溶对城市发展的制约

隐伏岩溶是工程建设中不可回避的地质问题，可诱发建筑不均匀沉降、岩溶塌陷、基坑和硐室涌突水、岩溶渗漏等重大危害。在建设“广佛现代服务业集聚区”和“国际健康生态岛”的政府政策、规划引导下，广州西部地区已有大量的建设工程正处于施工或规划设计之中，但工程建设中因隐伏岩溶这种重大地质隐患导致的地表建筑物坍塌和不均匀沉陷灾害严重威胁到周围居民日常生活，造成了巨大的经济损失。

2007—2012年，受大型地下工程施工抽排地下水的影响，金沙洲共发生了24处岩溶塌陷、21处地面沉降，形成7个地面沉降区域，受灾影响面积约1.73 km2，部分楼房发生倾斜、变形和开裂，造成直接经济损失约2.79亿元（黄健民等，2017）。2003—2008年，大坦沙发生岩溶塌陷及与岩溶塌陷相关的地面沉降20余处，引发了建设工程事故，导致工程维护经费增加，直接经济损失超过3000万元（广州市地质调查院，2009）。

广泛发育的浅层隐伏岩溶对广州西部地区城市建设发展影响主要有3方面。一是限制了地铁、隧道、地下综合管廊和地下商场、地下车库、人防工程等城市地下空间利用与开发，如地铁5号线在大坦沙段建设为地表轻轨线路，同样地铁6号线在金沙洲段也为地表轻轨线路，研究区地下空间开发程度整体受限。二是约束了地面建筑的规模、类型和高度等，区内普遍为小高层、中高層建筑，超过30层的高层较少。三是提高了工程建设资金成本和时间成本，在工程建设基本费用上必须考虑处理隐伏岩溶相关工程治理费用，建设周期变长，投资性价比相对降低。在如今城市土地资源匮乏、人口急剧攀升的广州，这无疑会造成土地资源利用率低、城市容量偏小，严重阻碍了地区发展。

4.2 对策与建议

隐伏岩溶这一特殊地质条件是详细规划布局和工程建设中需重点考虑的地质因素。针对研究区隐伏岩溶发育特征及控制因素，提出以下3点防治对策与建议。

1）合理规划居住功能区建设。利用综合指数法（吴亚楠等，2020）、层次分析法（武运泊等，2015）、模糊综合评价（李巧灵等，2018）等方法开展岩溶塌陷风险评价，精准指导功能区规划建设。工程选址时尽量避开不良地质地段：北东向广从断裂组0～200 m地区;大塱山组一段（K2dl1）和壶天组（C2+3ht）的地层分布区;地下水活动强（大降深的降落漏斗中心）和-5～ -20 m（埋深10～30 m）的可溶岩区;“红层”与下部石炭系不整合面周围。

2）加强岩溶塌陷探测和监测。运用地质雷达、高密度电阻率法、浅层地震、微动、混合源面波、瞬变电磁法、绕射波（张燕生等，2020）、孔间层析成像和地面核磁共振法等物理探测手段对隐伏岩溶和岩溶塌陷进行有效探测（何军等，2020）。

利用光纤传感技术（蒋小珍等，2006）、微地震监测（李成香等，2021）、孔隙水（气）压力自动化监测（牛建军等，2004）等手段建立对水点、地面、建筑物及塌陷前兆现象的监测网（钱建平，2007）。

3）开展岩溶塌陷机理定量研究，制定合理的防治措施。尝试性开展室内试验（雷明堂等，2002）、数值模拟（贾龙等，2014）研究，量化岩溶塌陷临界条件、塌陷模式，以此为基础制定科学合理的工程治理措施和应急预案。针对致灾主控因素合理选用回填、灌浆填充、地表封闭防渗、结构物跨越、桩基加固等工程措施（陈国亮，1994）消除或抑制形成岩溶塌陷的条件和影响因素，进行岩溶塌陷工程治理;优化工程中的抽排水方案，对降落漏斗较大的地区可采用人工回灌措施恢复地下水动态平衡，加强排水沟渠的防渗措施，防止地表水集中渗入（朱真，2002）。

5 结论

1）平面上，研究区隐伏岩溶总体呈带状分布，金沙洲地区沿北东向展布，大坦沙南部呈北西向分布，而在大坦沙北部溶洞分布较均匀，面状展布;垂向上，浅部溶洞主体为不规则单—双层结构，集中发育在-5～ -20 m（埋深10～30 m），且随着深度增加，岩溶发育程度明显减弱。溶洞埋深较浅时多为半充填或全充填;溶洞埋深较深时多为半充填或无充填。

2）研究区隐伏岩溶主控因素有：可溶岩的分布情况、北东向广从断裂影响带（0～200 m）、“红层”与下部石炭系的不整合面以及地下水活动情况。

3）隐伏岩溶制约了广州西部地区地下立体开发，造成土地资源利用率低、城市容量偏小，阻碍了地区城市发展。城市规划和工程建设中应考虑隐伏岩溶发育特征及控制因素，采取合理的防治对策。

参考文献

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