山東省滕州市荊泉水源地巖溶塌陷調查研究

潘繼明，榮曉偉，常杰，林波

(1.山東省煤田地質局第一勘探隊，山東 青島 266427;2.山東省地質科學研究院，山東 濟南 250013；3.山東省地質測繪院，山東 濟南 250002)

0 引言

我國地域廣闊，地理條件復雜，巖溶塌陷頻發，對工程建設項目和群眾生命財產安全有重要影響。專家學者針對不同區域的巖溶塌陷進行了研究分析，對巖溶塌陷的發育特征和發生機制進行研究。巖溶塌陷影響因素有可溶巖性質、覆蓋層條件、含水結構、巖溶水位與基巖面關系等，不同因素的共同作用也會造成巖溶塌陷的不同機理[1-7]。

滕州市城市供水水源地——荊泉水源地位于山東省滕州市東北部，2015年6月以來，在其范圍內的東郭鎮楊明莊村、羅莊村及俞寨地連續發生塌陷，對當地群眾生命財產安全、地下水水質、道路交通等方面造成了一定影響[8]。調查該區域的巖溶塌陷情況，總結巖溶塌陷的規律和機制，對保護該區域群眾生命財產安全和工程道路具有重要意義。

本文對滕州市荊泉水源地巖溶塌陷區域地質環境條件及巖溶塌陷災害發育現狀、分布規律、揭示巖溶塌陷發生的機制進行歸納研究，針對巖溶塌陷區域劃分進行易發性評價，并提出巖溶塌陷相關防治措施。

1 研究區概況

研究區位于滕州市境內東北方向，周圍三面環山，中間低洼，開口于西南部。地形東北高，西南低，略向西南傾斜，地面標高80～129m，西南部耿樓一帶為最低點。地貌類型為沖積—洪積山前傾斜平原。地勢平坦，微向西南傾斜，河流多次堆積而成，由砂質黏土、黏質砂土、中細砂及粗砂夾礫石組成。滕州市境內河流屬淮河流域南四湖水系，主要河流為城河，該河從研究區東南部流過。地處暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，四季分明，雨量充沛，光照充足。

研究區位于華北陸塊魯西隆起區，構造比較復雜，嶧山斷裂將其分為東、西兩部分：西部為滕州斷凹，其內發育著不同方向和規模的斷層和背向斜；東部為山亭斷凹的西部邊緣。境內斷裂構造較為發育，以正斷層為主，逆斷層較少(圖1)。區域地層主要為古生代寒武系和奧陶系，石炭—二疊系、中生代侏羅系均隱伏于第四系之下，第四系廣泛發育。

1—第四系；2—隱伏侏羅紀淄博群三臺組；3—隱伏石炭—二疊系；4—奧陶紀馬家溝群；5—寒武—奧陶紀九龍群三山子組；6—寒武紀九龍群炒米店組；7—寒武紀九龍群崮山組；8—寒武紀九龍群張夏組；9—寒武紀九龍群饅頭組；10—寒武紀長清群朱砂洞組；11—花崗閃長玢巖；12—石英閃長玢巖；13—二長花崗巖；14—斑狀中粒花崗閃長巖；15—中粒花崗閃長巖；16—石英閃長巖；17—斷塊分界線；18—地層界線；19—斷層；20—研究區范圍圖1 研究區區域地質構造圖

2 研究區巖溶塌陷發育特征

2.1 發育概況

根據研究區的調查統計(圖2)，查明該區域內巖溶塌陷坑有11處(包括村民自行回填6處或未做特殊處理的5處)，塌陷坑總面積552.35m2(已回填塌坑面積455.42m2)，巖溶塌陷隱患點(地表已變形但暫未形成塌陷坑)34處，總面積1361.78m2，以及根據物探工作推測的巖溶塌陷隱患點(表1)。調查區內巖溶塌陷按塌陷時期屬現代塌陷，人為塌陷，抽汲巖溶地下水塌陷，碳酸鹽巖類塌陷，蓋層結構為土層塌陷[9]。

表1 研究區巖溶塌陷基本情況一覽表

1—研究區范圍；2—巖溶塌陷坑編號及位置；3—巖溶塌陷隱患點；4—物探區范圍；5—物探剖面線及編號圖2 研究區地面塌陷平布分布圖

2.2 時空分布規律

通過對區內已有塌陷點資料分析，本研究區內巖溶塌陷災害的發生在時間上具有突發性，在空間上具有隱蔽性，其分布上具有規律性。

針對區內2015年6—10月的巖溶塌陷情況進行總結歸納，累計產生塌陷坑11處(圖3)。根據調查情況發現，塌陷主要集中發生旱季后期(6—7月)或者豐水期末期(9—10月)，即塌陷發生在降雨期前農田大量灌溉之后或大雨量降水后，受到農業灌溉情況和降雨豐水期的短時間內的影響，塌陷的發生在一定時間程度上存在集中突發的情況。

圖3 巖溶塌陷發生的時間分布圖(2015年)

巖溶塌陷具有明確的地域性。發生巖溶塌陷的后大宮、楊明莊、羅莊及虺城店，均位于水源地徑流區；且巖溶水開采水位降落漏斗區邊緣和漏斗展布方向以漏斗中心呈放射狀。

塌陷的發生與地層巖性結構及構造相關性較強。巖溶塌陷點及隱患點統計塌陷多發生在第四系厚度10～30m之間，從土層性質方面來說，砂層厚度較大時粉質黏土、黏土較易發生塌陷，隨著砂層的逐漸變薄，發生巖溶塌陷的程度變緩。巖溶塌陷及隱患點的分布與下伏基巖的巖性密切相關，多發生在寒武—奧陶紀九龍群三山子組白云質灰巖、石灰巖和馬家溝群白云質灰巖、石灰巖分布區。下伏基巖斷裂構造附近更容易形成巖溶塌陷，如楊明莊位于東郭斷裂附近。俞寨、前梁、羅莊、后大宮及后荊溝是在嶧山斷裂及其衍生的次生斷裂附近。

區內巖溶塌陷及隱患點的產生與地形和地表水體具有密切的關系，多發生在地形低洼及近河流附近。發生在河流階地的巖溶塌陷及隱患點，占總數的81.48%，沿河床分布的塌陷，占總數的12.59%。

綜上所述，研究區內的巖溶塌陷在時間上與降水和農田灌溉的季節性有關；空間上主要發生在水源地徑流區，受地層構造和水位的影響。因此，對研究區的巖溶塌陷的形成機理分析應重點考慮地質、水文等因素的影響。

2.3 巖溶塌陷形態特征

巖溶塌陷的平面和剖面形態特征取決于巖溶裂隙發育特征狀況，在不同方向和深度發育狀況不同的巖溶裂隙會形成不同形態的塌陷坑，區內巖溶塌陷形態具以下特征：

研究區內巖溶塌陷塌坑平面形態多為圓形，塌陷深度0.5～7m，面積25～300m2不等。

在剖面上，塌陷后區內塌坑剖面形態一般呈直圓柱狀(圖4)。并且塌陷坑在不同時期的形態也不盡一致。有的塌陷坑在回填后，又會出現重復塌陷，塌陷坑周邊就會在剖面上形成階梯狀地形。

1—粉質黏土層；2—粗砂層；3—黏土層；4—碳酸鹽巖層圖4 巖溶塌陷剖面特征示意圖

3 巖溶塌陷成因分析

巖溶塌陷的產生大多具有隱伏性、突發性、多因素性、不確定性和模糊性的特點。巖溶塌陷的形成，一般來說，都要經過由溶洞—土洞—塌陷(土層塌陷)的過程。在塌陷形成的過程中，往往要受到多種因素的影響和作用，但總的來說，塌陷的產生都是發生在當致塌力(如土體自重、地下側向滲透、巖土體空隙中正負壓力等)超過抗塌力(如巖土體內聚力、地下水的浮托力等)的情況下。因此分析巖溶塌陷的形成條件及主要誘發因素研究是進行其防治的重要基礎工作。就本研究區域而言，發育的淺層開口巖溶洞隙的存在、一定厚度的松散覆蓋層及地下水位大幅下降是產生巖溶塌陷的基本條件。超采地下水是研究區內發生巖溶塌陷的主要因素。在枯水期農業上集中開采地下水進行農田灌溉及強降雨是產生巖溶塌陷的誘發因素。

上層蓋層土體是影響塌陷的重要因素，其物理力學性質(含水率ω、孔隙比e、飽和度Sr等)、結構組成及厚度等都對巖溶塌陷的形成產生重要影響。本次工作對該地區的4個塌陷區和相鄰的3個非塌陷區分別進行了工程地質鉆探取樣工作，并進行了物理力學指標測試(表2)。

表2 塌陷區及巖溶塌陷隱患區樣品物理力學指標

據調查結果可知，研究區內巖溶塌陷上覆蓋層土體結構主要為粉質黏土、中粗砂和黏土，上覆蓋層土體均為多層結構，大量的工程實踐證明，多元結構的蓋層產生破壞的可能性大于一元結構的蓋層[10]。區內土體的飽和度為69.0%～100%，能產生30～50kPa的真空負壓效果。由于飽和度增加，一方面，土體的透氣變差，有利于負壓真空的形成，另一方面，使得土體黏聚力及內摩擦角減少，土體天然容重增加，導致抗塌力降低[11]。據初步統計，巖溶塌陷發生區域的土層厚度大多小于30m，原因主要是在相同的水文地質條件下，上覆土層的厚度越小，越有利于地下水對土體的潛蝕和掏空作用，從而使得土洞擴展到地表的進程縮短，使塌陷易于產生，相反土層厚度大，從土洞發育到塌至地面的時間也長，即形成地表塌陷坑的可能性變小。

另外，地下水水位起落變化是產生塌陷的主要動力來源，也是其形成的關鍵。造成水位變化的主要影響因素有降雨的減少和開采量的逐步增加。據長期監測(棗莊市地質環境監測站)和調查資料分析顯示(表3,圖5)，2008—2010年、2012—2015年地下水水位呈下降狀態，2006年均水位為72.539m，到2014年下降至68.047m，下降了4.492m。據2015年水位監測資料，區內第四系孔隙水從2015年6月份已被疏干，裂隙巖溶水水位仍呈下降狀態，水位位于基巖面以下，至2015年6月巖溶塌陷開始出現，地下水位下降了14.97m。

表3 巖溶塌陷與開采量、地下水水位關系表

圖5 巖溶塌陷與開采量、地下水水位關系圖

對地下水開采量的增加是造成水位降低的主要因素，據收集資料(棗莊市地質環境監測站)2009年荊泉的水資源開采量為5.76萬m3/d增加到2015年的8萬m3/d(其中2012年開采量有所減少)，隨著開采量的逐年增加，造成地下水水位持續下降，至2015年6月，巖溶塌陷開始發生。與表2調查的巖溶塌陷情況相比，在開采井附近，發現塌陷點最為密集，因此可得出地下水的開采量增加會造成地下水位降低，與巖溶塌陷情況發生存在對應情況。即對地下水開采量的增加造成的水位持續下降是導致該區域塌陷點密集發生的一個主要因素。

此外，在枯水期農業上集中開采地下水進行農田灌溉及強降雨是產生巖溶塌陷的誘發因素。據調查發現，巖溶塌陷及巖溶塌陷隱患點多產生于地形相對低洼的農田，這是由于地形低洼處的農田灌溉及降雨，增加孔隙水補給、孔隙水向孔洞流動、地下水潛蝕作用增強，農田、村莊往往先于地形較高處塌陷；在地形較高處，降水及農田灌溉水流匯集不充分，孔隙水得到補給差，地表水與地下水的交替運動較差，出現塌陷的時間晚，次數也少，規模不大。

4 巖溶塌陷災害易發性評價

4.1 評價因子選取

從上文巖溶塌陷的形成機理分析，塌陷產生與否主要取決于地質環境，包括巖溶發育程度、覆蓋層特征、地下水動力條件、地質構造、基巖特性和地形地貌等。而人類工程活動主要體現在對碳酸鹽巖地下水的開采方式和開采強度，它不過是形成巖溶塌陷的催化劑，在一定程度上促進或引發巖溶塌陷[12-14]。

為了突出影響地災易發性的主要指標，本次評價采用層次分析法對區內碳酸鹽巖隱伏分布區進行易發性綜合分區評價[15]，并結合研究區域巖溶塌陷的實際發生情況和前文分析研究得到的結論，選取了巖溶發育程度、覆蓋層特征及地下水動力條件作為評價指標，7種評價因子的等級指標和權重列于表4中。

表4 巖溶塌陷易發性評價因子權重一覽表

權重的確定是判斷矩陣的元素反映了研究者對影響因子之間相對重要性的認識。本次所選用的權重，均采用經驗法和試算法確定，即先確定一套試算權重初值，選擇一些塌陷程度不同的實例單元進行權重反演，若相差太大時，則再對權值進行調整，直到調試合理后方可作為計算權值。在本次評價工作中，對于基本條件層：WA={WA1，WA2，WA3}，則有WA={0.25，0.28，0.47}，對于因子層：WB={WB1，WB2，WB3，WB4，WB5，WB6，WB7}，則有WB={0.1662，0.0851，0.1695，0.1067，0.1981，0.1643，0.1101}。于是得到某預測單元j評價預測集的計算模型：

Ej=WAAj=WBBj={e1，e2，e3，e4}

(1)

式中：e1，e2，e3，e4分別為巖溶塌陷非易發級(e1)、巖溶塌陷低易發級(e2)、巖溶塌陷中易發級(e3)、巖溶塌陷高易發級(e4)隸屬度。

通過不同層次、不同影響因子的權重，以此來劃分各影響因素對巖溶塌陷產生的影響程度和影響因素之間的組合效應，然后在確定各因子隸屬度的基礎上進行多因子綜合，得到各單元的巖溶塌陷預測結果。

4.2 巖溶塌陷易發性評價結果

通過對評價因子的預測分析，并結合《滕州市荊泉水源地區域巖溶塌陷地質災害調查報告》及《山東省棗莊市地質災害核查報告》，生成巖溶塌陷易發性評價圖(圖6)，從圖中可以看出：劃分巖溶塌陷高易發區(面積約24.03km2)、中易發區(面積約56.23km2)、低易發區(面積約33.70km2)、非易發區(面積約1381.04km2)4個區，巖溶塌陷的發生分布情況可體現出該易發性評價工作的可靠性。

1—非易發區；2—低易發區；3—中易發區；4—高易發區；5—巖溶塌陷圖6 巖溶塌陷易發性分區圖

5 巖溶塌陷防治措施

研究區過量開采地下水資源是引起該區域巖溶塌陷的主要因素，誘發因素有農田灌溉和降水。但考慮到巖溶塌陷的產生大多具有隱伏性、突發性、多因素性、不確定性和模糊性的特點，因此降低巖溶塌陷災害的危害程度主要以預防為主，現主要提出以下幾點防治措施：

控制地下水資源的過度開采。地下水資源的不合理開采使用是導致巖溶塌陷產生的最根本原因，因此合理規劃地下水的開采是預防巖溶塌陷最有效的方法[16]。

在巖溶塌陷多發的地區，建議提前制定相應的應急預防措施，在有巖溶塌陷發生時降低對群眾生命財產的影響。例如，雨季來臨前，應提前做好巖溶塌陷易發區建筑物附近的排水工作；提前制定好計劃和災害應急處理方案科學合理的災害應急處理等。

對巖溶塌陷區的房屋和變形地面進行監測預警。巖溶塌陷監測是在巖溶塌陷區域的長期觀測，包括降雨量、巖溶地下水水位、涌水量、地表水水位和塌陷、地面變形、建筑物開裂變形位移等觀測的基礎上進行的，是長期觀測的繼續和擴展，對觀測巖溶塌陷前的前兆現象的變化進行進一步分析，便于分析判斷災害的發生發展趨勢，為及時采取應急措施提供科學依據[17-20]。

6 結論

(1)基本查明位于滕州市東北部荊泉供水水源地地質環境條件，具備發生巖溶塌陷的基本條件。研究區內發生巖溶塌陷的主要原因是過量開采巖溶水，誘發因素有農田灌溉和降水。

(2)研究區巖溶塌陷分布特征，發生于地勢相對低洼，距河流較近的農田或村莊路；發生時間一般是枯水期至豐水期之間和豐水期后的地下水位變化劇烈期。

(3)運用層次分析法對該區域的巖溶塌陷情況進行易發性評價，將該研究區劃分巖溶塌陷高易發區、中易發區、低易發區、非易發區4個區，巖溶塌陷的實際發生分布情況可體現出該易發性評價工作的可靠性。

(4)針對區內巖溶塌陷地質災害的主要防治措施有控制規劃地下水資源開采量，采取應急預防和監測預警措施。