河南朱莊巖溶塌陷形成機制分析

侯利陽 賈金松 李嘯馳

摘 要：桐柏縣朱莊屬丘陵地貌，出露地層主要為下古生界歪頭山組和第四系，區(qū)域構造較復雜。區(qū)內(nèi)發(fā)育一條隱伏的大理巖透鏡體，是控制地面塌陷發(fā)育的重要因素。巖溶的形成特征主要有溶洞、溶蝕裂隙和溶孔等；巖溶的分布特征和發(fā)育規(guī)律分別與可溶巖的隱伏形態(tài)、埋深、可溶巖的厚度和距可溶巖頂板的距離有關。巖溶洞隙、上覆松散蓋層巖土體和動力條件，是區(qū)內(nèi)產(chǎn)生巖溶塌陷的三個基本條件。

關鍵詞：巖溶；塌陷；形成機制；朱莊

引言

2014年以來，河南省桐柏縣朱莊鎮(zhèn)朱莊村多次發(fā)生地面塌陷，主要威脅群眾、民居、普通公路、高速公路、耕地等。為保護人民財產(chǎn)，當?shù)卣叨戎匾暣耸录械刭|部門對塌陷地點開展調(diào)查，查明地面塌陷形成條件、結構、空間幾何特征及規(guī)模，分析塌陷形成機制；圈定可能發(fā)生塌陷的區(qū)段，對其發(fā)展變化趨勢進行預測；對地面塌陷區(qū)進行穩(wěn)定性分區(qū)與評價；并提出地面塌陷防治建議。

1 地質環(huán)境背景

塌陷區(qū)屬丘陵地貌，地勢較為平緩，為波狀起伏的丘陵崗地地帶，地勢呈西南高東北低。海拔高程+160～+250m，相對高差約90m，山坡坡度較緩，一般15～25°。

1.1 地層巖性

出露地層主要為下古生界歪頭山組（Pz1w）第四至第七巖性段及零星分布的新生界第四系（Q）。受朱莊背斜影響，地層走向60～70度，傾角30～40度，各巖性段呈整合接觸。

1.2 巖漿巖

僅見煌斑巖脈和石英脈。前者走向多為北東東向，傾向北北西，基本順層貫入，石英脈以脈狀沿裂隙充填于石英片巖和大理巖中。

1.3 構造

塌陷區(qū)域構造較復雜，構造線方向單一，以北西西向的線型褶皺和與其并列的壓性-壓扭性斷裂擠壓帶為主。

1.4 水文地質條件

地下水類型主要為基巖裂隙水，部分大理巖分布區(qū)存在碳酸鹽巖類裂隙巖溶水。

1.5 工程地質條件

依據(jù)區(qū)內(nèi)地質地貌條件，巖土體特征，將巖土體劃分為3個工程地質巖組。分別是：堅硬中厚層狀片巖組（Bs）、較堅硬厚層狀碳酸鹽巖組（Tc）、粉質粘土、粉土、細砂多層土體（NT）。

2 巖溶發(fā)育特征

2.1 大理巖分布形態(tài)

區(qū)內(nèi)發(fā)育一條隱伏的大理巖透鏡體，受朱莊背斜影響其展布方向發(fā)生彎曲，在背斜右翼呈北東向展布，左翼呈南東向展布，大理巖透鏡體的分布是控制地面塌陷發(fā)育的重要因素，該層位溶洞和溶蝕裂隙普遍較發(fā)育。

2.2 巖溶的形態(tài)特征及發(fā)育程度

巖溶的形成特征主要有溶洞、溶蝕裂隙和溶孔等。巖溶發(fā)育程度分兩個區(qū)：巖溶強發(fā)育區(qū)和巖溶中等發(fā)育區(qū)。

巖溶強發(fā)育區(qū)在空間上呈東窄西寬的條帶狀展布，與大理巖透鏡體走向一致，巖溶中等發(fā)育區(qū)為大理巖分布區(qū)除去巖溶強發(fā)育區(qū)以外的區(qū)域。

2.4 巖溶的空間分布特征及發(fā)育規(guī)律

巖溶的分布特征和發(fā)育規(guī)律分別與可溶巖的隱伏形態(tài)、埋深、可溶巖的厚度和距可溶巖頂板的距離有關。

區(qū)內(nèi)隱伏的大理巖呈條帶狀展布，揭露溶洞的鉆孔均位于隱伏的大理巖條帶上。巖溶的發(fā)育程度跟地貌有較大的關系，在地勢低洼常年積水的區(qū)域，巖溶發(fā)育較強烈。

2.5 區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育的有關因素

據(jù)區(qū)域地質背景和區(qū)內(nèi)的地形地貌、地層巖性、構造等條件，分析影響本區(qū)巖溶發(fā)育的因素有以下三個條件，巖性特征對巖溶發(fā)育的影響、水的溶蝕性和循環(huán)交替條件對巖溶發(fā)育的影響、構造條件對巖溶發(fā)育的影響。

3 巖溶塌陷形成機制分析

巖溶塌陷是受多種因素影響和作用的結果，巖溶洞隙、上覆松散蓋層巖土體和動力條件（主要指地下水的活動），是產(chǎn)生巖溶塌陷的三個基本條件。地面塌陷的形成，是由地層巖性與構造（巖溶洞隙+上覆松散蓋層）、氣象與水文、人類工程活動（動力條件）等綜合因素作用下發(fā)生的，成因分析如下。

區(qū)內(nèi)隱伏一條走向60°，寬90～285m的大理巖透鏡體，據(jù)鉆探及物探資料，大理巖透鏡體巖溶洞隙非常發(fā)育。上覆第四系松散蓋層厚度在0.6～15.5m之間，巖性以粉質粘土、粉質粘土夾碎石為主，結構松散，孔隙裂隙發(fā)育，地表入滲能力強。加之勘查區(qū)位于朱莊背斜軸部，斷裂構造發(fā)育，巖石破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，使巖體的力學性能及土體的強度降低。綜上所述，地層巖性與構造為區(qū)內(nèi)塌陷的形成具備了基礎先決條件。

周邊礦山多年的疏干排水，致使區(qū)內(nèi)巖溶地下水水位下降，不僅使地下水對上覆蓋層土體的支撐力減小，而且隨著巖溶地下水位的下降，使其與上部水體的聯(lián)系加強，在巖溶洞隙附近形成滲流場，加快了水流速度，使得蓋層土體及坍塌土體被水沖刷和攜帶走的速度和體積量也隨之增大，土體破壞的時間變短，加速了塌陷的形成和發(fā)展。當?shù)V山停止抽排水時，巖溶地下水水位急速上升，巖溶空腔中的氣體在封存條件下被壓縮呈壓縮氣團，對蓋層土體產(chǎn)生沖擊，促進塌陷的產(chǎn)生。

近年來，氣象條件極不穩(wěn)定，極端天氣增多，長時間的干旱與連續(xù)的強降雨天氣交替。干旱時，由于地表水水位的降低且要補給趙莊水庫，促使了地下水的流動，從而形成了地下水的潛蝕滲透作用，同時伴隨失托加荷作用，進而引起真空負壓作用的形成，這一連續(xù)的發(fā)展，使得上覆蓋層土體不斷加劇破壞，促使地面塌陷的形成。當連續(xù)的強降雨天氣時，使上覆蓋層土體飽和、軟化增荷，從而加速失穩(wěn)，同時，地表水與趙莊水庫不斷補給巖溶地下水，加大巖溶地下水徑流量。水位上升，引起水動力條件改變，水力坡度與流速加大，從而帶走溶洞中的充填物質，并對上覆蓋層土體產(chǎn)生超飽和及掏空作用，致使土體失穩(wěn)，導致地面開裂、下沉、塌陷。

在上述過程孕育發(fā)展的同時，區(qū)內(nèi)頻繁的拉運礦石等人類工程活動也起到了一定的誘發(fā)作用。車輛產(chǎn)生的振動力及加載效應不僅增加了土體的附加應力而且破壞了土體的穩(wěn)定性，促進了塌陷的產(chǎn)生。

綜上所述，朱莊巖溶地面塌陷形成的主要原因為礦山多年的疏干排水造成地下水位的下降，并促進了巖溶的發(fā)育形成溶洞，降雨及地表水的滲流帶走了第四系與溶洞接觸部位的土體在地表形成了塌陷坑。朱莊地面塌陷是以自然因素（地層構造+氣象+水文基礎條件綜合作用演化）和人類工程活動（礦山疏干排水+車輛振動加載）等綜合因素影響而引發(fā)的地面塌陷災害。

4 結束語

區(qū)內(nèi)地面塌陷產(chǎn)生的主要成因是：以自然（基礎條件地層+氣象+水文）塌陷為主，人類工程活動次之而導致的地面塌陷災害發(fā)生。即第四系松散層下伏大理巖溶洞-裂隙-破碎帶較發(fā)育和降水-水位變化（潛蝕-運移-掏空-自重增荷-力學變化-下落塌陷）及人類工程活動長期綜合作用之結果。

參考文獻

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