巖溶地面塌陷區地下水監測方法探究
——以廣東肇慶地區某自然村為例

黃文龍

(廣東省地質調查院，廣東 廣州 510080)

巖溶地面塌陷是南方地區主要地質災害之一。巖溶塌陷不但給建筑物、道路及市政設施構成危害而形成經濟損失，甚至會造成人員傷亡，帶來社會負面效應。在巖溶塌陷重點防治區布設有效的監測預警措施是有必要的，對防災減災具重要意義。本文以肇慶一自然村為例，分析其地質環境條件及巖溶塌陷形成演化，并對地下水監測應用情況進行分析。

1 研究區背景

1.1 研究區地理位置及巖溶地面塌陷情況

研究區位于肇慶市高要區新橋鎮，北東側為G324國道斜穿而過，車流量較大；南西側為沙田村委張村居民地，人口約有200人；南側為農田，主要種植水稻等農作物。

在塌陷點北為一花肥廠，南偏西約100 m有一供水機井，該深井約30 m，入巖10 m，抽取地下水類型為碳酸鹽巖裂隙溶洞水，日開采量約100 m3(地下水降深約1.50 m)，不連續開采。周邊地貌類型為山前平原，南側為丘陵山區，北側平原，水網密布；地勢南高北低，地面高程一般在5～10 m。

2013年8月9日下午3時，研究區水田處發生一處地面塌陷，塌陷坑呈圓形，直徑約5 m，影響面積約20 m2，水田內地表呈漏斗狀往中心下陷，中心塌陷深度約1.0 m，塌陷坑內積水比水田地表低0.3 m，塌陷坑導致北側單層瓦房墻體局部開裂，裂縫寬0.5 cm，長2.0 m，以及塌陷周圍水田形成5～20 cm的地面裂縫。據地質災害應急調查認為，該地面塌陷的成因是由于南側抽水機井抽取地下水(碳酸鹽巖裂隙溶洞水)導致。

1.2 研究區地質環境條件

研究區為覆蓋型巖溶發育區，基巖面起伏大且巖面呈鋸齒狀，基巖面落差0.5～5.5 m，最大落差達12.4 m。結合物探和鉆探資料來看，區內淺部巖溶發育，巖溶形態以溶洞、溶孔、溶蝕裂隙為主。淺層巖溶溶洞一般發育1～4個不等，洞高大小不一，普遍0.2～1.7 m，溶洞一般為半充填—全充填，填充物為粉質粘土、碎石和砂，鉆孔見洞率54.55%，線巖溶率一般5.26%～14.29%；第一層溶洞距基巖面厚度一般1.8～2.5 m。溶蝕裂隙分布普遍，常與溶洞相通。局部地區發育土洞，高0.70～2.30 m。

第四系覆蓋層厚度一般16.0～23.0 m，最深處28.4 m，土層結構以多層結構為主，巖性為湖沼相睦崗組淤泥質土(夾腐木)、粘性土、含粘土砂、砂土。底部為一層連續性較好的砂質粘性土(灰巖殘積土)，通過實驗室測取其臨界水力梯度(icr)0.79～1.11，平均值0.95。

地下水類型有松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖裂隙溶洞水。松散巖類孔隙水的水位埋深0.18～1.01 m，水位年變幅0.83 m(2015年)，含水層巖性為含粘土碎石，其滲透性不均，在土質密實處滲透性差，而在土質不密實處滲透性好；巖溶水水位埋深1.08～2.47 m，年變幅1.39 m(2015年)，位于基巖面(埋深16.0～23.0 m)之上，富水性豐富，單孔涌水量可達1 296 m3/d。據訪，研究區東側約1.6 km的地區打井時曾揭露地下暗河。

2 研究區巖溶塌陷形成演化及監測

2.1 研究區巖溶塌陷形成演化

由于碳酸鹽巖裂隙溶洞水既具滲流又具管道流特征，為確認研究區抽水機井抽水活動是否影響100 m外的塌陷坑，因此需對開采時段內的地下水位數據(圖1)進行分析。在抽水機井進行開采活動時，對陷坑附近的地下水進行實時觀測。通過圖1可知，孔隙水水位變化有不同程度的下降，但裂隙溶洞水在抽水時段內水位埋深呈明顯降低趨勢：在記錄的開采時段Ⅰ內裂隙溶洞水水位埋深從1.814 m降至1.914 m，開采時段Ⅱ內裂隙溶洞水水位埋深從1.922 m降至2.094 m，其水位下降趨勢因為距離因素有一定的滯后性(開采時段Ⅰ為2015年10月24日14時30分-10月26日14時30分、開采時段Ⅱ為2015年11月2日6時40分-11月4日6時40分)。

圖1 機井抽水時段內地下水水位變化曲線圖

據附近氣象站降雨記錄，機井開采地下水時段內未有大氣降雨等補給地下水，也未發現有其他影響沙田張村周圍裂隙溶洞水的因素，只有機井開采裂隙溶洞水。因此，沙田張村的抽水機井在開采裂隙溶洞水時，對北側塌陷點周圍的地下水水位變化是有影響的，地下水水位變化是地面塌陷致災的誘發因素。

綜合分析沙田張村巖溶地面塌陷形成演化過程為：抽取裂隙溶洞水的過程中，由于塌陷區孔隙水與溶洞水聯系密切，孔隙水補給溶洞水，地下水水位降低使水力梯度增大，同時動水壓力相應增大。底部砂質粘性土的臨界水力梯度較小，在集中滲流點(巖溶管道開口、裂縫)發生滲透變形，進而形成土洞。隨著抽水過程的延續，土洞長期向上發育，當土洞發展到底部土層之上時，上覆的無粘聚力的砂層和流塑～軟塑狀的淤泥質軟土由于抗塌力較小，迅速發生坍塌而出現地面塌陷。總的來說，研究區巖溶塌陷屬吸壓-陷落模式，當地下水下降時，上覆土體在巖溶水與孔隙水所產生的壓強差或真空負壓作用下發生巖溶塌陷。

2.2 巖溶塌陷監測

巖溶塌陷的監測方法可分為直接監測法和間接監測法兩類[1]。直接監測方法就是通過直接監測地下土體或地面的變形來判斷地面塌陷的方法，如監測地面形變和房屋開裂等常規方法，常用的技術手段有地質雷達、光纖傳感器等。間接監測方法主要有巖溶管道系統中水(氣)壓力的動態變化監測。研究區巖溶塌陷屬抽水致塌型，水動力是最為關鍵的觸發因子，通過對誘發巖溶塌陷的巖溶管道裂隙系統水(氣)壓力變化進行實時監測[2]，并分析是否觸發臨界條件可為監測預警提供參考。

對研究區巖溶管道裂隙水(氣)壓力變化進行自動化監測，監測設備采用美國基康儀器的GK8002-1單通道數據采集儀及北京基康儀器的BGK4500S振弦式滲壓計。設置監測孔2個，分別監測巖溶地下水和底部土層之上的砂層孔隙水，監測起止時間為2014.12.28-2015.12.08。監測儀器安裝完畢后，調節數據獲取間隔為1 200 s，即間隔20分鐘/次，每天獲取數據72組。

3 監測數據分析

從研究區孔隙水和溶洞水監測曲線上看(圖2)，第四系孔隙水與裂隙溶洞水響應度極高，兩者水力聯系密切。孔隙水水位埋深0.18～1.01 m，水位年變幅0.83 m；裂隙溶洞水的水位埋深1.08～2.47 m，水位年變幅1.39 m，位于基巖面(埋深16.0～23.0 m)之上。

圖2 研究區地下水水位變化曲線

根據相鄰20 min水位變幅數據來看，不管是孔隙水還是裂隙溶洞水，地下水水位20 min內波動幅度大部分小于2 cm，波動幅度都較小：孔隙水水位大于2 cm的波動次數為22次，最大水位變幅為4.57 cm(2015年10月4日)即0.003 8 cm/s，溶洞水水位大于2 cm的波動次數23次，最大水位變幅為7.19 cm(2015年1月20日)即0.006 cm/s。

研究區一個水文年內不同時期的地下水水位變幅(表1)具有以下特點：豐水期和枯水期的地下水水位變幅較其他時期都大，平水期水位變幅相對較小，這與大多數地面塌陷發生時間一般在豐水期或枯水期相一致；孔隙水水位波動速率最大值0.51 m/d，溶洞水水位波動速率最大值0.41 m/d。總的來說，在監測期內，無論是日水位變幅還是相鄰20 min水位變幅值，巖溶水、孔隙水變化速率都較小，未出現較大的突變。

表1 研究區地下水水位變化特征

同時，根據巖溶水壓力、孔隙水壓力之差以及兩個傳感器距離計算出來的水力坡度范圍值為0.024～0.108，底部土層臨界水力梯度(icr)0.79～1.11，安全值取最小值為0.79，因此實際水力坡度值遠小于臨界水力梯度(0.79)。在監測時段內研究區無新發巖溶地面塌陷地質災害，舊陷坑亦趨于穩定，未見擴大跡象，這與監測情況是匹配的。

據訪，研究區供水井的開采強度相對較小，小部分居民已使用自來水，但在節假日村中人口增大時，會增加地下水的開采量及開采時間。因此，地下水開采活動仍有可能影響陷坑穩定，加速天然條件下的潛蝕、滲蝕、真空吸蝕、失托增荷等的作用，從而使巖溶洞穴之上的土層由穩定狀態變為不穩定狀態的趨勢加快。總而言之，研究區隱伏巖溶發育程度較高，巖溶地下水仍需合理開采，減少大強度、持續、反復抽降地下水，避免引發新塌陷或舊塌陷“復發”。

4 結語

(1)在監測時段內，研究區地下水水位變幅及波動速率未有明顯異常值，底部土層水力梯度遠小于臨界水力梯度，巖溶塌陷水動力條件屬于正常值范圍，該時段內亦無新發巖溶塌陷災害。

(2)通過長期監測數據的積累，可為日后監測預警的閾值提供依據。