長沙瀏陽永和鎮(zhèn)大溪河南岸地面塌陷成因分析及防治對策

李干龍 張聯(lián)志

（湖南省有色地質(zhì)勘查局二總隊，湖南 湘潭 411102）

一、概況

湖南省瀏陽市永和鎮(zhèn)大溪河南岸地面塌陷位于瀏陽市北東部，距瀏陽市直距24km，地理坐標為：東經(jīng)113°48′23″～114°3′44″，北緯28°09′52″～28°17′42″。重點塌陷區(qū)位于永和鎮(zhèn)集鎮(zhèn)～大溪河南岸一帶。其北側(cè)為菊花石礦，分布于大溪河南岸；南側(cè)1100m 處為馬鞍嶺磷礦，通過幾十年的開采已形成一個近東西向的長約1600m，寬約600m，垂直深度達104m的大采坑，目前礦坑由于地下水補給形成巨大水庫。

自2006年至今，前后發(fā)生地面塌陷9 處，2012年初塌陷進入高峰期，導致區(qū)域內(nèi)的房屋、道路、水田等發(fā)生不同程度的下沉、開裂、變形等地質(zhì)災害現(xiàn)象，至今共造成51 戶民房不同程度的開裂、荒廢農(nóng)田近3.0 畝、水塘2 口、河岸道路下沉45m，直接經(jīng)濟損失800 多萬元，潛在威脅273 戶1127 人、農(nóng)田60 畝、水塘12 口、鄉(xiāng)村級公路150m，潛在經(jīng)濟損失8500 萬元，災情險情等級為大型[1]-[2]。給當?shù)厝罕娫斐闪艘欢ǖ目只藕蛽模瑖乐赜绊懥怂麄兊恼Ｉa(chǎn)、生活，直接威脅他們的生命、財產(chǎn)安全。

二、塌陷區(qū)地質(zhì)背景

塌陷區(qū)位于湘東丘陵山區(qū)地帶，屬覆蓋型～裸露型巖溶地貌。區(qū)域地層巖性較為單一，地表為第四紀粉質(zhì)粘土、含礫粉質(zhì)粘土及碎石土層覆蓋，厚度為3～22m，其中粉質(zhì)粘土層平均厚度3.7m，含礫粉質(zhì)粘土層平均厚度4.9m，底部為碎石土層，平均厚度為22m，最大可達40m。下伏基巖為二疊系和石炭系可溶性巖，主要為質(zhì)純層厚的灰?guī)r，巖溶較發(fā)育。

區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造上位于橫（山）古（港）斷裂的北側(cè)，也為塌陷區(qū)的主要斷裂，斷裂帶寬10～35m，最寬61m，縱貫馬鞍嶺磷礦的北緣，并伴生走向NW、NE 向次級斷裂，它們影響巖體的完整性、降低強度，同時成為導水的通道，致使大溪河和馬鞍嶺磷礦地下水貫通，地下水主要受降水補給，地表地下水交替強烈。

三、塌陷坑的分布及形態(tài)特征

據(jù)不完全統(tǒng)計，永和鎮(zhèn)集鎮(zhèn)周邊自2006年以來，累計發(fā)生塌陷9處，多為小型塌陷，長軸1～7m的居多，主要分布于斷裂發(fā)育、地表水與地下水聯(lián)系密切的可溶巖發(fā)育區(qū)域。地理位置上主要分布在永福村月山組～歐家組～明山組、菊香社區(qū)堆金組、三風～永和老街～沿溪鎮(zhèn)花園村沿河段，其中靠近大溪河及馬鞍嶺磷礦采坑附近相對較集中（圖1）。

四、地面塌陷的發(fā)育規(guī)律

（一）多分布于覆蓋型可溶巖區(qū)

地面塌陷與巖溶發(fā)育密切相關(guān)，由圖1 可知，地面塌陷均發(fā)育于覆蓋型可溶巖層分布區(qū)。

（二）多沿斷裂、巖溶強發(fā)育帶分布

由圖1 可知，隱伏斷層F8、隱伏斷層F9、橫古逆斷層、巖溶強發(fā)育帶附近共有塌陷9 處，房屋開裂51 處，說明塌陷發(fā)生與斷裂、強巖溶帶關(guān)系十分密切。

（三）多發(fā)生在相對低洼階地

在地形上，河谷或溝谷低洼地帶，往往是斷裂發(fā)育帶、巖溶發(fā)育帶、第四紀風化強烈?guī)А⒌谒南邓缮虞^薄地帶、農(nóng)耕等人類工程活動相對集中帶以及第四系表層黏土遭受較強破壞帶，下部巖溶管道及開口溶洞發(fā)育，巖溶地下水徑流對上覆土體的潛蝕作用，土拱破壞或變薄強度降低，地表水滲漏加劇，在多種不利因素的作用下，易發(fā)生地面塌陷。

（四）多發(fā)生在第四系相對較薄處

第四系土體厚度、性狀及下伏巖溶水水位波動密切相關(guān)，當上覆第四系較薄（一般＜20m），特別是上部表層粉質(zhì)粘土較薄（一般≤3m），巖溶水水位波動在基巖面上、下附近時，易發(fā)生地面塌陷。

（五）多發(fā)生于大規(guī)模抽排地下水影響范圍內(nèi)

據(jù)以往資料，2016年10 月以前馬鞍磷礦開采標高已達±0m，經(jīng)計算其影響范圍達2km，主要影響花園村～菊香社區(qū)～永福村～永和中學附近，共有房屋、地面開裂89處，馬鞍磷礦停產(chǎn)后，近兩年內(nèi)周圍地面塌陷與房屋開裂數(shù)量明顯減少。自來水機井深度達80m，曾多次大量抽水，尤其2013年湖南地區(qū)干旱，該機井連續(xù)抽水3 個月，降深達30m 以上，主要影響佳成村新平組、新灣組等區(qū)域，共發(fā)生房屋開裂171 處，共發(fā)生地面塌陷32 處。由此可見，塌陷與房屋開裂大多發(fā)生于大規(guī)模抽排地下水影響范圍內(nèi)。

五、地面塌陷的成因分析

（一）礦山及人為抽排地下水，破壞天然平衡

礦山及人為抽排地下水是塌陷區(qū)巖溶地面塌陷發(fā)生的主要誘因。根據(jù)以往工作資料，至2016年10 月，馬鞍嶺磷礦排水最低水位高程為±0m，礦坑排水量最大達67733m3/d（2012年7 月17 日），降落漏斗已擴大到磷礦以北較大區(qū)域，主要通過一個強徑流帶的控制，覆蓋了包括花園村州上組～菊香社區(qū)～永和老街～永福村明山組～月山組～歐家組等區(qū)段，降落漏斗半徑達2km。馬鞍嶺磷礦礦坑和自來水機井不斷突水及長年超深大量疏干排水是造成塌陷區(qū)土巖原有靜力平衡破壞，抗塌力減小，是致塌力增加的主要來源。目前磷礦雖已停產(chǎn)回水，但對地質(zhì)條件的影響已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)（圖2）。

（二）地質(zhì)構(gòu)造復雜，強巖溶帶發(fā)育，增加了地下水徑流強度與沖涮作用

塌陷區(qū)位于橫（山）古（港）斷裂的北側(cè)，并伴生F8、F9 次級強徑流帶和強巖溶帶，為導水的通道，致使大溪河和馬鞍嶺磷礦地下水貫通，地下水主要受降水補給，致使地表、地下水交替強烈，上部土體厚度一般為3～22m，下伏可溶巖巖溶發(fā)育，鉆孔見洞率78%，當?shù)叵滤唤档椭粱鶐r面以下時，基巖面上的部分土體隨地下水流向下部巖溶網(wǎng)絡中，基巖面上的部分土體被掏空形成土洞，由于易形成土洞的砂土、粉土和淤泥質(zhì)土抗剪強度低，土體被掏空后即容易產(chǎn)生巖溶地面塌陷[3]-[6]。

（三）降水

降水分布不均勻，使地下水的補給來源分布不均勻，雙層地下水水頭差而隨之變化。特別是暴雨期間，一方面加大上、下層地下水間的水頭差，使土體產(chǎn)生滲透變形，形成土洞；另一方面加大土體自重和同時降低土洞頂拱土體的抗剪強度，在已形成或?qū)⒁纬赏炼吹耐凉跋滤鷷r容易誘發(fā)地面塌陷。

（四）地下水恢復

當抽水達到穩(wěn)定時，地下水位達到一定位置不再下降，此時早先在土洞或溶洞中形成的負壓降慢慢消失，若地下水位的穩(wěn)定時間很長，負壓降會與地表達成平衡。停止抽水后，隨著水位回升，土洞溶洞中形成較高的壓力并足以使土層發(fā)生破壞。這種現(xiàn)象導致的巖溶塌陷被稱作“氣爆效應”引起的塌陷[7]。

六、地面塌陷的防治對策

（1）建立地下水、降雨量和建筑物裂縫的長期動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和預警預報平臺，及時掌握地下水徑流場的動態(tài)變化，分析預測地面塌陷的發(fā)展趨勢，為塌陷災害的防治提供重要依據(jù)。

（2）永久性關(guān)閉周邊負地形礦山企業(yè)。

（3）在已經(jīng)發(fā)生塌陷的地塌陷區(qū)，嚴禁礦山及人為抽排地下水活動。

（4）采用土石方、混凝土及時填封發(fā)生的塌陷坑洞回填處理。

（5）對于能通過修補仍可使用的房屋進行地基基礎(chǔ)補強加固。

七、結(jié)論

（1）塌陷區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件復雜脆弱，有利于地面塌陷的產(chǎn)生。

（2）塌陷區(qū)巖溶帶發(fā)育較強烈，潛在危害性大。

（3）塌陷區(qū)地面塌陷主要由馬鞍嶺磷礦、自來水機井等人為抽排地下水以及地下水位波動引發(fā)。

（4）塌陷區(qū)今后的地面塌陷，仍將呈間歇性繼續(xù)發(fā)育。