永州加六洲村巖溶地面塌陷成因特征及防治方法探討

李常輝

（湖南省煤田地質局第六勘探隊，湘潭，411100）

1 引言

我隊在收集并分析區域地質資料、水工環地質調查資料的基礎上，針對區內巖溶地面塌陷地質災害開展了專項調查工作，結合物探、鉆探及巖、土、水樣測試工作，查明了區內地質災害的分布、規模、危害程度，初步分析其形成機理、成災特征，綜合研究，提出防治措施。

2 概況

2.1 區域概況

工作區位于永州市道縣南部井塘鄉境內、沱江東岸，涵蓋加六洲村全部、沙子河村大部、馬江口村北部、桃花井村西部，總面積2.89km2，約1200戶、5100人，常駐人口約2700人[1]。

2.2 巖溶地面塌陷地質災害

區內現已發生巖溶地面塌陷13處，直徑在2.0～31.0m之間，洞高0.7m-3.8m之間。

3 地質環境條件

3.1 地形地貌

工作區總體地勢東高西低，向河谷逐步降低；一般地面標高190～220m，最高點標高236.00m。區內西部為巖溶地面塌陷地質災害點分布的主要區域（見圖2），河流侵蝕堆積地貌類型、一級階地，地形坡度小于5°，上覆為沖洪積層物質。

3.2 地層巖性

區內地層有：寒武系中組下段∈2-1、泥盆系下統D1、泥盆系上統佘田橋組D3s、泥盆系上統錫礦山組下段D3x1、泥盆系上統錫礦山組上段D3x2、石炭系下統巖關階組下段C1y1、石炭系下統巖關階組上段C1y2、石炭系下統大塘階組石磴子段C1d1以及第四系Q。

石炭系下統巖關階組下段巖性為深灰色厚層隱晶質灰巖夾薄至中層泥質灰巖，節理裂隙發育，脈狀方解石半～全充填，寬約0.5～2mm，且呈不規則分布，溶蝕現象強烈，為巖溶發育主要巖層。

3.3 地質構造

區內沒有斷層經過，單斜構造，地質構造簡單。

3.4 水文地質條件

3.4.1 地表水

區內只有沱江經過，水位標高一般為186.0m，最高洪水位標高192.2m（2005年7月18日），最大洪水位、枯水位差達7.0m。

3.4.2 地下水

區內地下水為雙層含水結構，上部為孔隙水，下部為巖溶水。由于裂隙、溶蝕裂隙、開口溶洞等的勾通，巖溶水常年接受上部孔隙水的滲透補給。地下水主要補給來源于大氣降水，雙層地下水的水位波動均受大氣降水和沱江水位的漲落影響，但程度存在較大差異，致使上、下兩層水的水頭差不斷變化。對區內的鉆孔及部分民井進行豐水期與枯水期統測數據對比，下部存在巖溶發育帶的地段，水位變幅普遍較大（一般為0.9～3.0m），如下圖1。據調查，孔隙水年變幅最大達7.0m，巖溶水年變幅最大達11.5m。

圖1 鉆孔、民井地下水位統測點枯水期與豐水期對比圖

3.4.3 水文地質參數

據以往資料區內基巖裂隙水含水層（C1y1）降深9.22m，涌水量0.0031 L/s，單位涌水量0.00034L/s·m，滲透系數0.0004m/d。

3.4.4 區內補、徑、排特征

3.4.4.1 孔隙水

區內降水充沛，多年平均年降雨量為1560.03mm。大氣降水的垂向補給是孔隙水的主要補給來源，稻田、池塘水的垂向滲透也是孔隙水的補給來源之一；另外，洪水期，得到沱江的補給。

孔隙水的徑流：在天然狀態下，地下水一般由階地后緣向前緣（沱江）方向滲透徑流，即總體向西北方向徑流（如圖2），有人工開采井的情況下，地下水向開采井方向徑流。

孔隙水的排泄：沿河邊以滲流方式排泄，在低洼地段以泉（井）方式排泄；天然狀態下，孔隙水排泄微弱，主要為人工排泄（機井、民井）。孔隙水的水位動態變化隨季節性而變化，孔隙水年變幅一般在0.9～7.0m。

3.4.4.2 覆蓋型巖溶水

巖溶水主要是接受大氣降水的補給（通過孔隙水的垂直補給、基巖露頭大氣降水形成徑流補給），另外，洪水期，得到沱江的補給。

巖溶水的徑流，根據鉆孔揭露的巖溶水水位分析，其總體流向為自南東向西北（向沱江）方向，以混合流方式沿溶蝕裂隙和巖溶管道徑流。

巖溶水的排泄分為三種方式：

（1）主要通過第四系越流補給第四系潛水和以潛流的方式側向河床排泄；

（2）工作區內兩處泉水出露點排泄，春夏季節排泄流量較大、可以形成灌溉水溝，冬季流量較小、約17L/S；

（3）少量以機民井抽水方式人工排泄。

巖溶水的水位動態變化隨季節性而變化，巖溶水年變幅一般小于11.5m，變幅一般。

3.4.4.3 基巖裂隙水

基巖裂隙水主要分布于工作區外附近區域（D1、∈2-1），主要接受大氣降水補給。

基巖裂隙水的徑流，降水入滲補給風化裂隙帶，飽水后向下游徑流、運移。

基巖裂隙水的排泄，區內基巖裂隙水大部分經短暫的徑流后，以泉的形式排出地表；少部分徑流補給河谷砂礫石層。

3.5 巖土體類型

巖溶地面塌陷區均為覆蓋型巖溶區，巖溶直接頂板為松散沖洪積雙層及多層土體。

3.5.1 土體

區內所有塌陷點的土體厚度都在10m-16m之間，上覆土體為粉質粘土、砂礫石雙層土體結構。上部為粉質粘土，土黃色，軟～可塑，手捏可成形；切面不光滑，干強度高韌性中等。下部為砂礫石層，土黃色夾灰黃色，稍密，飽和，卵石含量占55%～60%，其余充填約30%～35%細粒砂，10%粘性顆粒，粒徑約2～6cm，最大約10cm主要成分為砂巖及石英砂巖、灰巖。分選不一，圓狀、次圓狀、次棱角狀。

3.5.2 巖體

區內引起巖溶地面塌陷的巖體主要為石炭系下統巖關階組下段C1y1巖層，為深灰色厚層隱晶質灰巖夾薄至中層泥質灰巖，局部地區偶夾石英砂巖及砂質頁巖，厚206～374m。巖體節理裂隙較為發育、脈狀方解石充填，寬約0.5～2mm，且呈不規則分布；基巖上石芽、溶溝、溶槽發育；淺部溶洞發育，溶蝕現象強烈。區內溶洞埋藏淺，一般具多層，部分～全充填，據鉆孔資料統計：ZK2在標高180.54～179.84m處巖溶、裂隙發育區，溶洞0.7m；ZK3在標高164.19～160.29m處巖溶、裂隙發育區，溶洞4.0m[1]。

3.6 人類工程活動

區內人類工程活動主要為修建房屋、公路、農田耕種及水利設施建設，無地下采礦活動和大規模抽排地下水活動。

3.7 巖溶發育情況

通過野外機井、民井、巖性點調查及3個鉆孔揭露，區內都屬于巖溶發育區（見圖2），且大部分區域屬于覆蓋型巖溶區，上覆為第四系更新統及全新統，厚度1～32m，下伏地層大部分為石炭系下統巖關階組下段（C1y1），工作區北端局部為石炭系下統大塘階組石磴子段（C1d1）及石炭系下統巖關階組上段 （C1y2），巖性為深灰色厚層隱晶質灰巖夾薄至中層泥質灰巖，質純層厚的灰巖巖為巖溶發育奠定了基礎。據鉆孔揭露，ZK2、ZK3鉆孔遇見溶洞（見圖3），遇溶洞率66.7%，遇溶洞鉆孔的鉆孔線巖溶率分別為7.45%、59.7%。區內淺部巖溶發育，一般為半～全充填，充填物為泥、砂、砂卵石。

圖2 加六洲村巖溶發育程度及巖溶地面塌陷分布示意圖

圖3 加六洲村工程地質剖面示意圖

4 巖溶地面塌陷特征

4.1 分布特征

區內巖溶地面塌陷坑均分布于河流階地、雙層結構的覆蓋層地區、地下水主要徑流區和排泄區內，集中于地表水與地下水聯系密切地段、地下水主徑流方向和河水水位交替強烈的河谷；在平面走向分布上與C1y1地層走向分布基本一致。

4.2 發育特征

區內地面塌陷共13處，均為巖溶地面塌陷。規模中型2處、小型11處；長列式4處、群集式5處、分散式4處；6處穩定、7處較穩定。剖面形態呈碟狀、壇狀、漏斗狀及葫蘆狀（以壇狀為主），深度在0.7m-3.8m。平面形態呈近圓形、橢圓形、長條形、不規則型（以近圓形為主），直徑2.0～31.0m不等（以1.2～6.8m為主）如下表1。

表1 加六洲村巖溶地面塌陷平面形態統計表

4.3 物質特征

上部為松散土體，下部為堅硬的石炭系下統巖關階組下段C1y1灰巖、泥質灰巖，溶洞呈串珠狀，半～全充填，充填物為泥、砂。

5 巖溶地面塌陷形成機制分析

工作區內共13個塌陷坑，其中12處塌陷坑發生于2005年7月18日當地洪水位下降時，1處發生于2013年5月當地洪水位下降時。

5.1 地層條件分析

據ZK2、ZK3鉆孔等資料，巖溶地面塌陷區上部為松散土體，下部為石炭系下統巖關階組下段灰巖，為覆蓋型巖溶區。

上部松散土體：粉質粘土、砂礫石雙層土體結構，厚度不穩定，其中粉質粘土呈軟～可塑，天然含水量ω為20.2～30.1%，孔隙比e為0.576～0.93，液性指數Il為0.24～0.58，塑性指數Ip為9.6～16.6，壓縮系數a為0.17～0.38，內摩擦角Φ為14.4～1度，土體力學性能一般，承載力特征值為15.4～33.5KPa，孔隙度48.2%～36.5%，土粒比重2.7～2.74g/cm3。ZK2孔土層厚14.7m，ZK3土層厚25.6m。

土的透水性差，含水量低，力學強度高，抗塌力就大，相對難以產生塌陷。土體厚度較薄，塌陷從孕育到產生所需的時間就短，容易產生塌陷；相反，土體厚度大，土洞發展至地面的過程長，從孕育到產生所需的時間就長，相對不容易產生塌陷。所在沖洪積層區域的粉質粘土在壓力作用下受水浸漫后，結構迅速破壞，土體下沉，發生土體濕陷現象。根據區內塌陷區土體的性質及特征，地面塌陷現象與土體的濕陷形成土洞有著一定的關聯。

下部灰巖（C1y1）：巖溶發育強烈，ZK2孔揭露基巖9.4m，孔深16.3-17.0m為溶洞；ZK3孔揭露基巖6.7m，孔深27.8-31.8為溶洞。上層溶洞頂板較薄，頂板厚度1.6-2.2m，其溶洞充填物成分與上部沖洪物接近，說明其多為開口溶洞。上覆二元粘性土與砂性土的上層結構及下伏可溶性碳酸巖基巖構成了形成本區巖溶地面塌陷的先決物質條件。

5.2 水動力條件分析

巖溶水水位降低均會在巖溶空腔產生負壓，增加土體中的水頭壓力，加速土體滲透變形。土體的滲透變形破壞以土體中水位急劇下降時最強烈，水位穩定時變形變慢趨于穩定，土體中水位回升恢復到原水位時，變形又加快，頻繁變化可以加快土洞的形成。

巖溶地面塌陷區為雙層含水結構。上、下兩層地下水存在水力聯系，如果存在能讓沙、土層產生擾動變形（或土洞）的水頭差，且水頭差的頻繁變化，將加快土洞的形成。鉆孔ZK2、ZK3均揭露到巖溶水水位，上部孔隙水水位埋深5.2～5.6m，下部巖溶水水位理深8.09～9.74m，兩者存在水頭差2.49～4.54m。由于裂隙、溶蝕裂隙、開口溶洞等的勾通，巖溶水常年接受上部孔隙水的滲透補給。

地下水主要補給來源于大氣降水，雙層地下水的水位波動均受大氣降水和沱江水位的漲落影響，但程度上存在較大差異，致使上、下兩層水的水頭差不斷變化。同時由于上部水塘、稻田及水渠等地表水下滲補給，也將引起上、下兩層水的水頭差的變化。

5.3 成因機制分析

巖溶地面塌陷的產生，是致塌力大于抗塌力的結果；當巖溶、地下水動力條件及土洞等條件具備時，致塌力超過抗塌力時，則產生巖溶地面塌陷。抬高第四系水位或降低巖溶水位使兩層水水頭差達1m以上，水力坡度達1.5以上時，粘性土、砂土臨界水力坡度Icr為0.8～0.9時易產生流土破壞，繼續發展上部土層松動、發育成土洞，最終在上覆土體的自重或附加重力、或振動下產生地面巖溶塌陷 [1]。由于土體中地下水的滲透壓力和下塌土體的牽引作用，塌陷區及塌坑附近地面土體以塌坑為中心，斷續產生環狀地面裂縫。

區內的巖溶地面塌陷均屬自然型巖溶地面塌陷。區內存在可溶性巖巖層是巖溶地面塌陷的內在條件，地下水動力作用是外在條件。在大氣降水時，引起地下水動力條件的改變。沱江在平水期及枯水期，通過粘土層、砂層滲透補給巖溶水，洪水期由承壓作用，巖溶水補給地表水體。沱江水位的變化除可直接影響到近河邊地下水的水力坡度外，還可因其退水而使附近沙土層擾動，反復擾動，帶走沙土，形成土洞。在地下水滲透力作用、潛蝕作用和土層自重作用下，導致塌陷的產生。

綜上，巖溶地面塌陷是各種影響因素綜合作用的結果。區內巖溶發育，溶洞和開口溶洞的存在，是本區土洞形成的基本條件；而孔隙水、巖溶水又存在相互滲透補給關系；在長期地下水動力作用下，小顆粒土體不斷被潛蝕，土洞規模不斷擴大；在土洞的上方修建地面建筑，使原本處于基本地應力平衡狀態的土洞頂板增加了荷載；當洞體上部土層抗剪強度小于其自重壓力等荷載時，就會引發巖溶地面塌陷。

6 巖溶地面塌陷防治建議

6.1 發生前兆

巖溶地面塌陷發育過程較長，如果地面出現以下征兆，表明離發生塌陷時間較近：

發生塌陷的前幾個月地面出現環狀裂縫并不斷擴展，局部下沉，水渠、水塘開裂干涸。

發生塌陷的前幾日，附近民井水位的驟然升、降，且水色突然渾濁。

6.2 防治原則及方法

本著避讓優先、以人為本、預防為主、統籌規劃、標本兼治、先易后難、治急治險、落實責任原則，劃分為重點防治區、次重點防治區、一般防治區。

6.3 防治措施

6.3.1 防治措施

巖溶地面塌陷地質災害，是一個綜合性范疇，是一個動態過程。在它的孕育、發生、發展過程中影響因子多、各因子間的相互作用力度與方式復雜，致使地質災害的防治工作是一項系統工程，當以系統理論為指導。要做好地質災害防治工作需要各有關部門的積極支持與配合。根據區內已發生的地質災害的特征、成因、形成機理，以及所處的地質環境條件，采用工程治理與提前預防相結合，完善防治系統，加強系統管理，使地質災害防治工作能夠收到良好的經濟、社會和環境效益。

結合現狀，建議對已發生和可能潛在的地質災害的防治措施如下：

1、對已發生的塌陷點進行回填、設置指示牌，指定群測群防責任人。

2、對區內已發生房屋開裂的區域采取適宜性措施：

（1）針對王某房屋多處開裂（最寬裂縫達20mm）、2017年底地面出現空洞現象，建議盡快采取搬遷避讓措施。

（2）對區內另外多處已開裂房屋應進行地基穩定性評估，如有必要應采取地基加固措施。使用期間應密切關注房屋裂縫的動態變化，如果發生突變需盡快將人員及財產撤離到安全地區。

3、重點防治區中土坯房在塌陷產生時極易倒塌，建議盡快搬遷避讓。

4、生產、生活在巖溶地質塌陷區的人們應當密切關注，提高安全意識。

5、對擬建建筑物地基進行加固處理或采用樁基礎。宜統籌規劃，房屋選址宜在非巖溶區。

6.3.2 預防措施

1、群測群防

汛期，特別在大雨和暴雨期間，對重點區域、居民聚集地進行巡查，監測地質災害隱患區（塌陷區域、房屋受損區）的動態情況，發現地裂隙或地面塌陷，及時充填夯實，對小溪、河塘漏水地段采取河床輔底。

2、地下水動態監測

建立重點防治區、次重點防治區地下水長期動態監測系統，及時掌握地下水徑流場變化，預測地面塌陷區域；結合工程地質鉆孔、民井，掌握地下水主要流向、地下水徑流場現狀和險情影響地域。密切注意地下水量、水位和含砂量的變化、動物驚恐異常、地下土層垮落聲等發生巖溶地質塌陷的先兆現象。

3、地表水水均衡監測

監測地表水進出區內的流量變化，宏觀掌握地表水流經地段的漏失情況，及時調整堵漏工程的實施，減小重點防治區、次重點防治區水文地質單元水均衡變化。

4、預警預報平臺建設

以地下水動態監測、地表水水均衡監測、降水量監測為數據管理基礎，建設區內地面塌陷地質災害預警預報平臺。

7 結語

區內巖溶地面塌陷大多分布于稻田、居民居住生活區，對居民的生產生活構成很大的威脅。本文綜合分析研究區內地質災害地質條件、災害特征、影響因素、誘發因素和形成機理，本著科學、實用、安全、經濟、因地制宜、工程治理、預防相結合的原則，提出一系列防治措施，為當地防災減災提供參考。