湖南省臨武縣烏云洞村巖溶地面塌陷特征及成災(zāi)機(jī)理探討

霍然，陳慶峰，肖穎斌

（湖南省湘南地質(zhì)勘察院，湖南 郴州 423000）

0 引言

湖南省臨武縣烏云洞自然村，于2018年3月至2020年4月左右村內(nèi)及周邊陸續(xù)發(fā)生數(shù)個塌坑，部分房屋發(fā)生變形開裂現(xiàn)象，且變形現(xiàn)象仍在加劇，嚴(yán)重影響到當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉ睿c財產(chǎn)安全受到威脅。本文作者通過收集已有資料并進(jìn)行綜合分析研究的基礎(chǔ)上，通過地面水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查測繪、地球物理探測、工程地質(zhì)鉆探、室內(nèi)試驗(yàn)及綜合研究等工作手段，基本查明區(qū)內(nèi)地面塌陷的發(fā)育特征、災(zāi)害規(guī)模及危害程度。初步分析災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理，并預(yù)測未來地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展趨勢，提出防治建議[1]。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌

區(qū)內(nèi)地貌類型為構(gòu)造剝蝕溶蝕丘陵-低山地貌，地表沖溝發(fā)育，地形起伏，區(qū)內(nèi)最高海拔標(biāo)高位于北西側(cè)自然山體，標(biāo)高約750m，最低海拔標(biāo)高位于區(qū)南側(cè)農(nóng)田附近，標(biāo)高約472m，村莊分布標(biāo)高為546.29~585.13m。區(qū)內(nèi)原始地形坡度10°～35°。區(qū)內(nèi)整體地形北西高南東低。

圖1 地貌特征及地表巖溶分布照片

1.2 氣象水文

區(qū)內(nèi)多年年均降水1420.7mm，多年年均降水日159.3天，最長連續(xù)降雨日數(shù)19天，時間1998年4月3日止，年均蒸發(fā)1562.7mm，最高蒸發(fā)量238.6mm,最低蒸發(fā)量61.3mm，年均濕度79%，最高濕度82%，最低濕度77%,春夏兩季降雨量占年總降雨量的77%，其中4～9月占年降雨量的68%。

1.3 地層巖性

1.3.1 第四系殘坡積粘土(Qel+dl)

分布于自然斜坡及溝谷低洼地段，主要由淺灰褐色、黃褐色粘土組成，局部地段夾有少量碎石，局部地表見有基巖出露，該層厚約0~20m不等。

1.3.2 石炭系中上統(tǒng)壺天群（C2+3ht）

該地層主要分布于區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)，分布面積較大，北西側(cè)以花崗巖為界，與北西側(cè)花崗巖巖體呈侵入接觸關(guān)系；該層系淺海相碳酸鹽巖建造，厚度>310m，巖層總體走向近南北，小褶皺發(fā)育，局部變化較大，傾角一般40~60°，以40°左右居多，局部可達(dá)80°[2]。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造與地震

區(qū)內(nèi)及其周邊處于區(qū)域性背斜北東段，北側(cè)與花崗巖體呈侵入接觸。總體呈向東傾斜為單斜，地層傾角35°~80°，自北向南逐漸變陡。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造按其走向大致可以分為近南北向、南東東向。

區(qū)內(nèi)屬地震基本烈度Ⅵ度，地震動峰值加速度0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期值為0.35s，屬弱震區(qū)。

1.5 巖漿巖

勘查區(qū)內(nèi)出露的巖漿巖主要有北東部的花崗巖巖體和南東部的一條花崗斑巖脈。花崗巖巖體位于北東部，與壺天群大理巖地層接觸，其巖性主要為細(xì)粒斑狀黑云母鉀長花崗巖。花崗斑巖脈分布于區(qū)南東部，呈北東向展布，整體傾向南東。巖石呈灰白色，風(fēng)化面為淺黃褐色，多斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。

1.6 巖土體類型

1.6.1 較硬中厚至巨厚層大理巖巖組

廣泛分布于區(qū)內(nèi)，由石炭系中上統(tǒng)壺天群白云石大理巖及方解石大理巖組成，巖石風(fēng)化表面呈深灰色、灰黑色，巖石風(fēng)化節(jié)理裂隙發(fā)育，局部較為破碎，巖石中巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，多處發(fā)育有落水洞及溶洞。大理巖飽和抗壓強(qiáng)度25~60MP。

1.6.2 堅硬花崗巖巖組

勘查區(qū)巖漿巖主要出露在北東側(cè)。基質(zhì)為長石石英、云母等礦物，斑晶有石英、長石，含團(tuán)塊狀及細(xì)脈狀石英。巖體較完整，中風(fēng)化花崗巖飽和抗壓強(qiáng)度60～100MPa[3]。

1.6.3 殘坡積可塑-硬塑粉質(zhì)粘土單層結(jié)構(gòu)土體

該層為第四系殘坡積成因，由粉質(zhì)粘土組成，土體厚度變化較大，局部地表見有基巖出露，厚度0.0~20.0m不等。土體呈可塑-硬塑狀態(tài)，局部軟塑，以粘性土為主，含強(qiáng)風(fēng)化巖碎塊，土質(zhì)不均勻，干強(qiáng)度中等，韌性中等，搖振無反應(yīng)，土質(zhì)松散，可壓縮性強(qiáng)，工程性質(zhì)差[4]。

1.7 水文地質(zhì)條件

（1）第四系孔隙水：主要分布于第四系殘坡積粘土內(nèi)，因勘查區(qū)內(nèi)第四系土層厚度差異較大，所以孔隙水含量不均，孔隙水與下部巖溶裂隙水呈互為補(bǔ)給關(guān)系，因孔隙水與巖溶裂隙水聯(lián)通不均，局部巖溶發(fā)育地段與巖溶裂隙水直接接觸。第四系孔隙水是大氣降水匯集地，屬于地下水下滲通道。

（2）巖溶裂隙水：主要地層為石炭系中上統(tǒng)壺天群。巖性主要為白云石大理巖及方解石大理巖；分布于勘查區(qū)大部分地區(qū)及其外圍。大理巖中巖溶發(fā)育，洼地、漏斗、落水洞、暗河溶洞等廣泛分布，富含巖溶構(gòu)造水。

（3）風(fēng)化裂隙水:由花崗巖組成，分布于勘查區(qū)北東側(cè)花崗巖巖體處。由于受構(gòu)造破壞及風(fēng)化作用，巖體裂隙發(fā)育，含裂隙水。

1.8 巖溶發(fā)育特征

地表巖溶常見的為圓形巖溶洼地，其次是漏斗、落水洞、溶槽。主要分布在調(diào)查區(qū)中部，總體走向近南北向。區(qū)域內(nèi)地下巖溶常見的為溶洞和地下暗河。本區(qū)巖溶發(fā)育，明顯地受到巖性、構(gòu)造和不同巖性接觸層面三個主要因素控制[5]。

1.9 物探異常特征

高密度電法能通過電阻率差異探測地下溶洞、溶槽、土石分界面等地質(zhì)體，能探測地下數(shù)十米內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括土洞、淺部巖溶地質(zhì)體、采空區(qū)、淺部地質(zhì)構(gòu)造、土石分界面等。為查明區(qū)內(nèi)巖溶分布和發(fā)育特征，本次勘查開展了高密度電法工作。綜合以往工作經(jīng)驗(yàn)及相近地區(qū)巖石電性參數(shù)資料，主要物性參數(shù)如表1。

表1 電性參數(shù)表

通過高密度電法的工作收集數(shù)據(jù)，經(jīng)整理剔除畸變及單點(diǎn)異常在勘查區(qū)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)32處有效低阻異常。選定異常特征明顯區(qū)域進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。鉆探施工揭露有溶洞深度0.60~1.0m不等，規(guī)模大小不等，溶洞形態(tài)不規(guī)則，溶洞呈半充填-無充填狀態(tài)，充填物主要為深灰色粘土夾碎石滾快，局部含有少量細(xì)砂，溶洞內(nèi)粘土呈軟塑-流塑狀態(tài)。

圖2 綜合地質(zhì)剖面圖

2 巖溶地面塌陷特征

烏云洞村共發(fā)生塌陷13處，除TX09-TX12為老塌陷坑外，其余9個塌陷坑（TX01-TX08、TX13）均為2018年3月至2020年4月發(fā)生，其中年代久遠(yuǎn)塌陷4處，2018年發(fā)生2處，2019年發(fā)生5處，2020年發(fā)生2處，3處塌陷坑位于村內(nèi)，10處塌陷坑位于村莊周邊且距離村莊較近，2018年以后發(fā)生的塌陷現(xiàn)狀均處于欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定狀態(tài)[6]。

表2 烏云洞塌陷坑統(tǒng)計表

從地面塌陷分布平面圖上可以看出，塌陷分布具有明顯的帶狀分布特征，總體走向呈南北向，與區(qū)內(nèi)地層走向一致，塌陷坑的帶狀分布特征也代表著地下暗河所在位置[7]。

3 巖溶地面塌陷成災(zāi)機(jī)理分析

康彥仁在《論巖溶塌陷形成的致塌模式》中對巖溶地面塌陷的致塌模式進(jìn)行了總結(jié)歸納，提出了八大致塌模式，分別為重力致塌式、潛蝕致塌式、真空吸蝕致塌式、沖爆致塌式、振動致塌式、荷載致塌式、溶蝕致塌式、根蝕致塌式。

圖3 塌陷分布平面示意圖

烏云洞巖溶地面塌陷的形成主要經(jīng)過溶洞→土洞→塌陷的過程，在塌陷體陷落的過程中，往往要受到多種因素、多種作用力的影響和作用，當(dāng)致塌力超過抗塌力時，便產(chǎn)生形成。一般情況下，致塌力主要包括巖土體自重力、地下水垂向滲透力和側(cè)向滲透力，巖土體空隙中氣體的正壓力或負(fù)壓力、振動力；抗塌力包括巖土體的內(nèi)聚力、塌陷體周邊摩阻力、地下水浮托力。

據(jù)分析，烏云洞巖溶地面塌陷屬于潛蝕致塌模式，潛蝕致塌模式是指覆蓋巖溶地區(qū)土層，在地下水流的滲流作用下，當(dāng)其獲得的實(shí)際水頭值或水力坡度足夠大，使土層產(chǎn)生機(jī)械潛蝕或流土等潛蝕作用，引起土層破壞，形成土洞，土洞發(fā)展變化從而導(dǎo)致塌陷。

潛蝕式塌陷主要是因地下水的垂向滲透力和集中滲透點(diǎn)的作用，因?yàn)榇瓜驖B透力使土體獲得實(shí)際水頭值，在集中滲透點(diǎn)附近，水流集中，流速較大，潛蝕作用最強(qiáng)，有利于土洞塌陷的形成。土層可因地下水位的反復(fù)升降，受到多次潛蝕作用，而在土層中形成土洞發(fā)育帶[8]。

圖4 塌陷成災(zāi)機(jī)理分析

4 結(jié)語

區(qū)內(nèi)地面沉降變形正處于變形階段，部分房屋開裂變形仍在繼續(xù)，地面塌陷處于不穩(wěn)定狀態(tài)。勘查區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)條件差，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶極為發(fā)育，且該區(qū)具備了形成巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害的條件，在條件得不到改善的情況下，地表房屋開裂加劇、現(xiàn)有地面塌陷規(guī)模擴(kuò)大及新發(fā)地面塌陷的可能性極大[9]。

（1）區(qū)內(nèi)部分房屋變形開裂嚴(yán)重，應(yīng)立即組織房屋變形嚴(yán)重村民撤離，并對已發(fā)生塌陷坑進(jìn)行回填。

（2）應(yīng)對變形區(qū)內(nèi)地面以及建構(gòu)筑物采取專業(yè)監(jiān)測，及時掌握變形的發(fā)展變化情況并采取有效措施，防止意外發(fā)生。

（3）根據(jù)以上結(jié)論，建議變形區(qū)內(nèi)居民應(yīng)盡快搬遷避讓，確保人民群眾生命財產(chǎn)安全。