山東平邑地質災害重點風險區巖溶塌陷易發性評價及對策研究分析

祝麗媛 李鶯宇 方玉欽 杜偉 馮廣 劉乃彬 陳秀娟 周軍 劉海萍 竇連波

收稿日期：20231205；修訂日期：20240117；編輯：陶衛衛 基金項目：山東省國土空間生態修復中心“2021年中央自然災害防治體系建設（地質災害風險普查）”項目（魯財資環指〔2021〕20號），項目編號：SDBC2021CS078

作者簡介：祝麗媛（1984—），女，山東菏澤人，高級工程師，主要從事水工環地質工作；Email：402433139@qq.com

*通訊作者：竇連波（1981—），男，山東聊城人，高級工程師，主要從事水工環地質工作；Email：36413415@qq.com

摘要：平邑縣地質災害重點風險區內兗石鐵路、國道G327等交通沿線多次發生巖溶塌陷，雖尚未造成人員傷亡，但區域內人員密集，巖溶塌陷易發性高，給社會穩定帶來安全隱患。本文在已有資料分析的基礎上，從覆蓋層、巖溶發育程度、地質構造、地下水位變化、機械振動等方面分析了平邑縣重點風險區內巖溶塌陷的影響因素及成因機理，選取了7項巖溶塌陷影響因子作為評價指標，并運用AHP 法計算了各評價指標的權重，構建了有針對性的評價指標體系，結合GIS 空間分析方法進行了巖溶塌陷易發性評價，針對性地提出了防治措施建議，為相關部門重要工程建設選址提供地質參考依據。

關鍵詞：巖溶塌陷；影響因素；成因機理；易發性評價；防治措施；山東平邑

中圖分類號：P694??? 文獻標識碼：A??? doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.06.003

引文格式：祝麗媛，李鶯宇，方玉欽，等.山東平邑地質災害重點風險區巖溶塌陷易發性評價及對策研究分析［J］.山東國土資源，2024，40（6）：1827.

ZHU Liyuan， LI Yingyu，FANG Yuqin，et al. Study and Analysis on the Susceptibility Evaluation and Countermeasures of Karst Collapse in Key Risk Area of Geological Disasters in Pingyi County in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（6）：1827.

0? 引言

平邑縣地質災害重點風險區內兗石鐵路、國道G327等交通沿線多次發生巖溶塌陷，雖尚未造成人員和財產損失，但隱伏灰巖區分布范圍廣，分布區內人口較稠密，交通通信設施密集，巖溶塌陷易發性高，威脅塌陷區及周邊地區的人民群眾生命財產安全，給社會穩定帶來安全隱患。

巖溶塌陷易發性評價是對巖溶塌陷形成的地質背景進行評價［1］。近年來，眾多學者采用 AHP法（層次分析法）、模糊數學法、GIS技術處理等多種方法，陳菊艷［2］、江思義［34］、李海良［5］、吳遠斌［6］、黃健民［7］、理繼紅［8］等以GIS與層次分析法相結合的方法，對貴州、廣西、湖南、廣州、蘇州等多地巖溶發育區進行了巖溶塌陷易發性評價研究，山東省臨沂、泰安、棗莊、曲阜對巖溶塌陷易發性、監測研究做了大量工作［922］，這些研究都為本次分析提供了工作方法和思路。

1? 地質環境條件

研究區位于臨沂市西部、平邑縣中部，屬于平原區，海拔+155m左右，全年降雨量集中于7月份，地表河流主要是浚河，河床平均寬度250m，汛期最大行洪面寬692m，最大水深5m，平均水深2.87m，洪水流量4950m3／s。

研究區位于尼山凸起、臨沂凸起、平邑凹陷交會地帶，大部分被第四系覆蓋，下伏奧陶紀馬家溝群五陽山組、北庵莊組灰巖、寒武紀九龍群張夏組鮞粒灰巖，在平邑縣城北部、溫水鎮西北出露五陽山組灰巖，泰和村南部存在NNW向斷裂平邑銅石斷裂，一條導水斷裂，為平邑縣工農業用水的主要儲水構造。水文地質單元屬于平邑斷塊巖溶水系統內，地下水自西北向東南由高到低（圖1）。

2? 巖溶塌陷發育特征

研究區銅石鎮泰和村2009年秋初次發生塌陷，2013年秋、2018年7月5日再次發生塌陷，2018年春、2021年4月銅石鎮兗石鐵路沿線龐家村西發生巖溶塌陷。

2.1? 泰和村巖溶塌陷特征

2009年秋銅石鎮泰和村北一住戶發生地面塌陷，塌陷深度約為2.1m，直徑為15m；2013年秋，塌陷點南側發生塌陷，塌陷坑呈圓形，面積約25m2，塌陷深度約0.5m，該民宅墻體裂縫最大寬度達20cm；2018年7月5日，下陷約10cm，塌陷坑近似圓形，半徑約4m；在2019年同一塌陷位置東南側房屋墻體裂縫寬度加大，西側墻體和部分屋頂整體向西側傾倒，房屋墻體裂縫大于30cm。

2.2? 龐家村巖溶塌陷特征

2018年4月龐家村西北兗石鐵路線K108+800外側首次發生塌陷，塌陷坑2個，大塌陷坑最大深度18.3m，截面最長8.7m、最寬7.3m，平面呈不規則三角狀，向下為直立型漏斗。大塌陷坑西側（兗州方向）有一個長13m，寬6.5m的小塌陷坑，塌陷坑形狀不規則，小塌陷坑西部二次塌陷痕跡明顯，呈坑中坑落水洞模式，二次塌陷長1.5m、寬1m、最深0.8m，目前已進行充填治理。

3? 巖溶塌陷影響因素及成因

3.1? 研究區巖溶塌陷影響因素分析

3.1.1? 地層巖性因素

研究區上覆第四紀地層（二元結構，上部為黏性土，下部為砂性土，厚度0～15m），下伏奧陶紀馬家溝群五陽山組、北庵莊組灰巖、寒武紀九龍群張夏組鮞粒灰巖，具備巖溶發育的地質環境條件。

（1）覆蓋層。

巖溶塌陷與第四系厚度有關，但是不成線性關系，土層厚度越大，致塌地表所發生的時間越長，發生塌陷的規模越大，土層厚度越小，發生塌陷的規模越小。

浚河西側，砂層厚度大且分選性好，砂層松散，發生巖溶塌陷的可能性大，已發生的2處巖溶塌陷均位于浚河西側；浚河以東，灰巖頂板分布有黏土層，且厚度普遍大于10m，不易發生巖溶塌陷。

銅石鎮附近覆蓋層厚度0～10m不等，總體表現為從浚河兩岸逐漸變薄的趨勢，在相同的覆蓋層結構的情況下，巖溶塌陷數量隨著覆蓋層的厚度增加而減小，塌陷點覆蓋層厚度多小于10m。

（2）巖溶發育程度。

巖溶洞隙的開口程度是巖溶塌陷形成的重要因素，淺部巖溶由于地下水活動頻繁，交替強烈，連通性較好，巖溶洞隙數量多，巖溶發育強烈。根據平邑歸來莊金礦103個鉆孔統計，奧陶紀東黃山組、三山子組含隧石結核條帶白云巖巖溶最發育，白云巖、砂糖狀白云巖巖溶發育次之，泥質灰巖與條帶狀灰巖巖溶發育較差。泰和村下伏北庵莊組厚層灰巖，根據收集的巖溶塌陷點西側5m左右工程地質剖面資料分析，15～25m巖溶發育較多，單個溶洞高度一般0.5～2.0m，單孔平均揭露溶洞個數2～4個，平均厚度1.6m。

3.1.2? 地質構造因素

銅石鎮泰和村巖溶塌陷坑位于銅石斷裂與閃長巖侵入巖體的交會處，附近發育3條斷裂，主要斷裂構造為NNW向的燕甘斷裂，從泰和村東部經過，為一條阻水斷裂;南部為NNW向斷裂平邑銅石斷裂，北部為NNE向斷裂小官路斷裂，均為導水斷裂。斷裂帶內及其旁側，巖溶裂隙帶發育，在地應力及其他因素的影響下，造成上覆第四系底部的中細砂層流失，形成第四系土洞，導致上部黏土層極不穩定，塌陷坑長軸方向與主干斷裂（燕甘斷裂）走向基本一致（圖2）。

3.1.3? 誘發因素

覆蓋層厚度5～10m，存在直徑大于3m以上的開巖洞穴，在可溶巖巖性較純，連續厚度較大，出露分布較廣，斷層較發育、巖層較破碎的地帶，雨季集中降雨后地表水不斷補給地下水導致地下水位上升，或者地下水大量開采導致地下水位下降，都極易形成巖溶塌陷。平邑縣重點風險區巖溶塌陷的誘發因素主要是地下水位變化及機械震動（圖3）。

（1）地下水位動態變化。地下水位的升降可使位于地下水位以下土體所受浮托力產生變化，使封閉較好的巖溶空腔中的氣體出現向上的沖壓或負壓腔，產生沖爆或吸蝕，引起巖土體的破壞。地下水本身具有的侵蝕、搬運能力，可使溶洞中的充填物部分被遷移，使充填的溶洞重新開啟，易發生塌陷。

汛期集中降雨、枯水期長久不下雨及地下水的開采都會引起地下水位動態變化。當地下水位低于基巖頂板時，降雨便成為誘發巖溶塌陷的主要因素。降雨量的大小直接影響水力梯度的大小，大旱過后的降雨，尤其是強降雨，對地下水影響較大。2009年、2013年、2018年年降水量相對于以往年份低，7月份之前降水量較少，7、8月份降水量較多，入滲量明顯增加，土體含水量增加，充沛且集中的降雨使地下水位升降和補、徑、排活動非常活躍。

地下水開采也會引起地下水動態變化，根據泰和村2010年建設的地下水動態觀測井資料及調查資料分析，自浚河挖砂以來，地下水位下降迅速，水位埋深一般在5～15m之間，自東向西由淺變深。浚河采砂及當地居民開采巖溶地下水作為生活用水，改變了地下水應力場，同時改變了地下水的排泄狀態，使地下水位下降迅速，水力坡度變大，地下水所承擔的那部分上覆壓力轉移給第四紀黏土層。在其他因素雙重疊加下致使2009年秋、2013年秋、2018年7月發生塌陷（圖4）。

（2）機械振動。

鐵路列車行駛引起鐵軌及土層震動，其致塌機制與耦合效應的破壞累積有關，相比其他區域來說，距離鐵路越近，影響時間越長，受到頻繁的機械振動從而產生致災力的可能性更大。頻繁的機械振動也是誘發龐家村巖溶塌陷的重要因素，龐家村巖溶塌陷點距離兗石鐵路僅7m，長年受火車運行產生的機械振動影響。

3.2? 成因機理分析

3.2.1? 銅石鎮泰和村巖溶塌陷成因機理分析

泰和村巖溶塌陷點下伏基巖為奧陶紀馬家溝群北庵莊組、東黃山組地層，北庵莊組厚層灰巖埋深10～15m，淺層巖溶裂隙發育，單層溶洞發育深度0.5～2m不等，充填物較少，連通性好。上覆第四系為二元相結構，上部為黏土，厚度一般在10～13m；下部為中細砂層，厚度一般在0.6～3.3m。浚河沿線F1斷裂東側，第四系水井水位埋深平均為10.10m，F1斷裂西側水井水位埋深平均為28.3m，地下水自西向東補給浚河水，浚河水自東向西補給地下水。F1斷裂附近水力梯度較大，地下水徑流速度較快。泰和村塌陷坑附近水位埋深在15m左右，位于第四系與基巖接觸帶上，近年來，水位呈持續下降趨勢。塌陷區正處在東側孔隙水與西側巖溶水相互交換更替的部位，水面的波動導致第四系底部砂層的流失，則形成巖溶塌陷［18］。地下水位波動與水位下降是銅石鎮泰和村巖溶塌陷的主要誘發因素（圖5）。

3.2.2? 銅石鎮龐家村巖溶塌陷成因機理分析

龐家村附近第四系厚度3m左右，下伏北庵莊組灰巖，該塌陷點位于歸來莊金礦附近，歸來莊金礦露天采坑開采排水，地下水的長期開采形成以歸來莊金礦為中心的地下水漏斗，改變了地下水徑流排泄路徑，周邊地下水與地表水入滲，由于東南部奧陶紀灰巖發育，使得地下溶洞原本應力狀態發生改變，加上真空負壓作用，極易發生巖溶塌陷［19］。

4? 研究區巖溶塌陷易發性評價

4.1? 評價指標體系

4.1.1? 評價指標選取

巖溶塌陷易發性評價采用AHP 法（層次分析法），是一個多層次、多因素的復雜評價體系，評價模型分為目標層、條件層、因子層3個層次，影響因子7個：

巖溶發育程度：基巖巖性（R1）和地質構造（R2，與斷裂距離）；

覆蓋層特征：土層結構（G1）和土層厚度（G2）；

誘發因素：水位變化（Y1，水位與基巖面關系）和機械振動（Y2）；

塌陷歷史條件：與已知塌陷點距離（T1）。

4.1.2? 評價模型

巖溶塌陷易發性評價模型采用一元多項式，綜合考慮各影響因素的重要性，運用層次分析法確立各指標的權重，并按照各指標對塌陷的影響進行等級劃分，利用MapGIS空間分析工具將各評價因子的指標權重進行疊加，評價模型如式（1）：

P=∑XiCi? i=1（1）

式中：P—易發性評價綜合指數；Xi，Ci—分別為易發性因子取值及權重。

4.2? 巖溶塌陷評價指標因素分析

4.2.1? 巖溶發育程度

（1）基巖巖性。巖性是控制巖溶發育的基本條件，質純、厚層且均勻分布的灰巖地層巖溶發育較強，白云巖巖溶發育次之，碳酸鹽巖與碎屑巖互層的地層及泥質碳酸鹽巖類巖溶發育較弱。據資料分析，馬家溝群北庵莊組、三山子組及炒米店組灰巖、白云質灰巖、泥質灰巖，易發生巖溶塌陷，塌陷發生數量多。對兗石鐵路沿線下伏基巖地層按其巖溶發育程度進行了劃分并賦值。基巖出露的非灰巖區直接定為非巖溶發育區。

（2）地質構造。在巖性相同情況下，斷裂及其影響帶成為地下水的良好賦存空間和運移通道，地下水與巖石密切接觸，溶蝕作用更強；而非構造發育帶，相應的巖溶發育程度比構造帶的發育要弱。距離斷層越近，巖體越破碎，巖溶越發育，對巖溶塌陷的影響程度越大。根據區內斷層對巖溶塌陷影響程度，對斷層進行緩沖區分析，將斷層緩沖區分為0～100m、100～300m、＞300m共3個區，并分別賦值。

4.2.2? 覆蓋層特征

（1）土層結構。覆蓋層的巖性結構對巖溶塌陷的產生有較大影響，覆蓋層土體結構一般由黏性土、砂及礫石等組成，二元結構區（上部黏性土，下部砂性土）最容易發生巖溶塌陷，其次為多元結構區（黏性土與砂性土互層），一元結構區（粉質黏土為主）最不易塌陷。根據已有資料，將研究區內土層結構分為二元結構、一元結構及多元結構，并對其賦值。

（2）土層厚度。在相同的水文地質條件下，上覆土層厚度小，有利于地下水的潛蝕和掏空作用，使土洞擴展到地表的進程縮短，使塌陷易于發生。但覆蓋層厚度大時，其自重力也大，致塌力也相應的增大，土層破壞失穩形成土洞的可能性也會增大。將研究區土層厚度按10～25m、5～10m，＞25m 或＜5m共3個分區進行賦值。

4.2.3? 誘發因素

（1）地下水位變化。巖溶地下水位在基巖面附近波動的情況下，土體最易塌陷，將研究區巖溶地下水位與基巖面關系劃分為3個等級，并進行賦值（表1）。

（2）機械振動。鐵路列車行駛引起鐵軌及土層震動，其致塌機制與耦合效應的破壞累積有關，距離鐵路越近，影響時間越長，發生塌陷的可能性越大。按距離鐵路中心0～50m、50～100m、＞100m對3個分區進行賦值。

4.2.4? 巖溶塌陷歷史

巖溶塌陷歷史反映了該地區塌陷發育強度及活躍程度。與已知塌陷距離越近，表明影響塌陷的其他因素指標分值越高，在同等條件下發生巖溶塌陷的可能性越大。綜合分析研究區塌陷歷史資料，本次將與已知塌陷點距離分為3個等級，并分別賦值。

4.3? 評價指標權重的確定

采用層次分析法（AHP）來確定影響權重（表2）。AHP中，采用隨機一次性指標CR來檢驗判斷矩陣的合理性。通過對各評價指標相對重要性的比較，最終計算得出各指標權重，CR值均滿足一致性檢驗（＜0.1）。

4.4? 評價結果

用MapGIS作為計算工具，運用MapGIS強大的空間分析功能，對數據進行綜合處理，生成單評價指標圖，按照AHP法將建立的各單指標影響分區圖進行疊加計算，按綜合指數指標進行分區合并，最后根據實際情況進行必要的修正，得到研究區巖溶塌陷易發性評價分區。評價分值越高，巖溶塌陷的易發性越高（表3）。銅石鎮泰和村—龐家村一帶巖溶塌陷易發性高，溫水鎮北部、銅石鎮西部巖溶塌陷易發性中等，銅石—溫水鎮東部易發性低，其余基巖出露地段為巖溶塌陷非易發區（圖6）。

表2? 評價指標權重一覽表目標層條件層因子層條件層相對目標層權重因子層相對目標層權重

巖溶塌陷易發性評價巖溶發育程度基巖巖性（R1）地質構造（R2）0.310.180.13

覆蓋層特征土層結構（G1）土層厚度（G2）0.260.150.11

誘發因素水位變化（Y1）機械振動（Y2）0.240.150.09

塌陷歷史與已知塌陷點距離（T）0.190.19

5? 研究區巖溶塌陷防治對策分析

（1）盡量避免在泰和村—龐家村一帶實施村鎮建設和重要建設項目，實在避讓不了的，項目開展前需進行詳細的地質災害勘查評價工作，劃定可能塌陷區范圍，將建筑物和交通設施等人類工程避開塌陷區，以避免造成重大人員傷亡和重大經濟損失。

（2）密切關注泰和村高壓注漿后對巖體裂隙破碎情況，同時嚴格注意漿液對地下水質的污染。注漿隔斷了土體中水的運動渠道，導致土體表面儲水能力降低，將導致土體孔隙水壓力的減小，需要密切注意土體的沉降變化趨勢［20］。

（3）合理控制地下水開采，建議封堵泰和村南北向斷裂西側的大口井，盡量避免地下水的大量開采使用。雨季集中降雨后關注龐家村一帶兗石鐵路沿線地基變化，一旦發現異常啟動地質災害應急預案，避免人員逗留。

（4）建議完善巖溶水自動化監測系統，提升地質災害自動化監測預警水平，在泰和村、龐家村加密安裝地下水自動化監測設備及雨量計，一旦出現短時間內強降水、地下巖溶水大幅度變化時，及時通知相關部門，做好人員撤離及財產搶險工作。

6? 結論

（1）平邑縣重點風險區重要交通干線巖溶塌陷多為突發性塌陷，塌陷前大多無明顯征兆，塌陷過程短，從發生到終止僅幾小時，經過一段時間后，在原塌坑及附近再次發生巖溶塌陷的可能性大。塌陷集中發生在 4-10月份，在旱季后期及雨季初期，且塌陷多發生在降雨期間或大雨量降水后較短時間內。

（2）平邑縣重點風險區重要交通干線沿線第四系厚度0～15m，下伏奧陶紀馬家溝群五陽山組、北庵莊組灰巖、寒武紀九龍群張夏組鮞粒灰巖，淺部巖溶發育，具備發生巖溶塌陷的地質環境條件。

（3）雨季集中降雨后地表水不斷補給地下水導致地下水位上升，枯水期長久不下雨時地下水得不到有效補給，或者地下水大量開采導致地下水位下降，都極易誘發巖溶塌陷。金礦開采疏干水、浚河采砂及當地居民開采巖溶地下水，改變了地下水應力場，地下水位急劇變化，是兗石鐵路沿線發生巖溶塌陷的誘發因素。

（4）巖溶塌陷多沿斷裂帶分布，受斷裂構造影響明顯，距離斷層越近，巖體越破碎，巖溶越發育，溶蝕作用越強烈，平邑縣重點風險區巖溶塌陷主要位于近SN向阻水斷裂破碎帶上。需重點關注平邑縣重點風險區SN向斷裂兩側位置，重大工程建設時盡量避讓。

（5）積極響應國家政策，完善巖溶水自動化監測系統，提升“人防+技防” 預警能力，提升地質災害自動化監測預警水平，關注地下水位變化，做好人員撤離及財產搶險工作。

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Study and Analysis on the Susceptibility Evaluation and Countermeasures of Karst Collapse in Key Risk Area of Geological Disasters in Pingyi County in Shandong Province

ZHU Liyuan，LI Yingyu，FANG Yuqin，DU Wei， FENG Guang，? LIU Naibin，CHEN Xiujuan， ZHOU Jun， LIU Haiping， DOU Lianbo

（No.7 Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources， Shandong Linyi 276006， China）

Abstracr：Karst collapse has occurred many times along traffic lines， such as Yanshi Railway and G327 National Road in key risk areas of geological disasters in Pingyi county. Although no personnel casualties have been caused， the area is densely populated and karst collapse occurs easily. It will bring security risks to social stability. Based on analysis of existing data， the influencing factors and genetic mechanism of karst collapses in main risk areas in Pingyi county have been analyzed from the aspects of overburden， karst development degree， geological structures， groundwater level change and mechanical vibration. Selecting seven influencing factors of karst collapse as evaluation indexes，? by using AHP method， the weight of each evaluation index has been calculated， and? a targeted evaluation index system has been constructed. Combining with GIS spatial analysis method， the susceptibility of karst collapse has been evaluated，? and suggestions for prevention countermeasures have been put forward.

Key words：Karst collapse; influencing factors; genetic mechanism；susceptibility evaluation; prevention countermeasures; Pingyi county in Shandong province