泰安市岩溶地面塌陷的特征及其成因模式分析

2010-03-15钱丽丽周兰云张秀娟

地下水 2010年3期

钱丽丽,周兰云,张秀娟

(山东省泰安水文水资源勘测局,山东泰安 271000)

岩溶地面塌陷是岩溶地区因岩溶作用而产生的地面变形现象,是岩溶洞隙上方的岩土体在自然及人为作用下发生变形破坏、并导致地面形成塌陷坑(洞)的一种岩溶地质作用。山东省泰安市自上世纪 60年代出现岩溶地面塌陷,至今已有 40多年历史,它不仅造成铁路塌陷、破坏土地,还导致居民房屋裂缝甚至倒塌,直接危害当地居民的生命和财产安全。研究岩溶地面塌陷的特征及其成因模式对进一步控制塌陷的发生有重大意义。

1 岩溶地面塌陷的空间分布特征

从岩溶塌陷的发育历史分析可以看出,本区塌陷主要集中分布在三个区域。以泰安站南部铁路三角区为中心的铁三角塌陷区,该区扩展为东至上高街办、南至洪沟的整个泰安市城区的灰岩分布区;以大汶河畔的旧县水源地为中心的旧县塌陷区;以东、西羊娄为中心的羊娄塌陷区,该区实为旧县塌陷区的外围部分。以上三处塌陷区现已基本连在一起,截止目前已形成了一条南起旧县北至泰安站,南北长约 20 km、东西宽约 10 km的岩溶塌陷地带。

根据泰安市城区、旧县水源地及其外围近百个塌陷点的资料分析,并参考本区已进行的有关岩溶塌陷的工作,岩溶塌陷在空间上的分布具有以下的规律性：

1.1 塌陷区的分布与抽水造成的地下水位降落漏斗成正相关,且集中分布在漏斗内地下水的主要补给方向上

泰安市岩溶塌陷的发育发展与泰安市城区大规模开采地下水几乎是同步的。自 1977年至 1982年,泰安市城区抽水井发展到 26个,日抽取地下水量达 5×104m3/d,水位下降40m至基岩面下,岩溶塌陷开始数量开始增加,随着抽水井增至 100多个,抽水量达 10×104m3/d,降深增大,降落漏斗日益增大,塌陷日渐增多,1979年塌陷达到高峰期,仅火车站达 26个次,严重威胁行车安全。在三角区附近,路基下沉,站房开裂,民房倒塌,塌陷层生。

羊娄塌陷区位于旧县水源地地下水补给区,其发生发展也与地下水开采密切相关。2003年 5月羊娄发生塌陷时,该区正处于农灌期,地下水日开采量达到 4.2万 m3/d,持续高强度地开采岩溶地下水,使地下水位急剧下降至 31 m,并在21～31m范围内上下波动。

分析上述岩溶塌陷发生的原因,当抽排地下水时,自然形成降落漏斗,在降落漏斗内水力坡度增大,流速加快,地下水流对岩溶充填物的潜蚀和搬运比较迅速,故在降落漏斗内,特别是中心部位和地下水的主要补给方向上,塌陷出现较多。

1.2 塌陷沿构造断裂带或主导裂隙分布

从本区岩溶塌陷平面分布图上可以看出,本区坍陷已形成一个北起上高镇,南至旧县村的塌陷集中带,塌陷带走向NNW,与岱道庵断裂带走向及位置基本吻合。岱道庵断裂为区内主要断裂,南起旧县,北至上高镇—岱道庵一线,走向北北西,倾向北东,倾角 70°左右,为张扭性断层,两盘地层呈左行扭动。

岱道庵断裂的构造裂隙,为本区岩溶发育提供了有利条件,使地下水不断岩石裂隙进行化学溶蚀,形成空洞。如前旧县村委内 TA-3孔,钻遇地层为角砾状白云岩,40米以内钻遇溶洞 8个,最大溶洞 1.8 m,最小溶洞 0.32m。破碎的岩石又使地下空洞容易发生洞顶崩塌,为大型溶洞的形成提供了条件。物探资料剖面资料表明,断裂带有高电阻异常显示。

岱道庵断裂的北北西走向控制本区地下岩溶的发育发展方向为北北西走向。在岱道庵断裂与宅子断裂、万家庄断裂的交叉部位,也是岩溶塌陷的集中区。

1.3 岩溶塌陷点的分布与第四系厚度、岩性有关

泰安地区岩溶塌陷的集中地区,第四系厚度变化较大。圣元官庄、旧县等地第四系厚度较薄,一般在 10m左右,最浅处圣元官庄村东,第四系厚度仅 3米,该点西北 200m处就有房屋裂缝现象;城区、徐家埠等地第四系厚度加大,一般超过 20m,羊娄大塌坑塌陷时可见第四系厚度为 27m。而大于 30m厚度的时候基本没有岩溶塌陷。因此,泰安地区岩溶塌陷与第四系厚度有关,但是不成线性关系,只能说：土层厚度越大,塌致地表所发生的时间越长。土层厚度与塌陷发生的关系直反映在实践因素上。但是土层厚度越小,发生塌陷的规模越小;土层厚度越大,发生塌陷的规模越大。

塌陷与第四系底部岩性有关,覆盖层土体可由结构由砂、砾石及粘土组成,它们可组成均一结构、双层结构或多层结构。在其他条件相同情况下,均一的砂或土较易塌陷,夹砂、土或砾石层状非均一机构次之;均一粘土抗塌性能相对为好,而多层结构最易塌陷,而泰安塌陷区的覆盖层大多属于多层结构,属于易发生塌陷区域。

1.4 塌陷分布在河床和地形低洼处

本区的岩溶塌陷有很大一部分是分布在河床和地形低洼处的。如前旧县陈家湾塌陷、旧县新村塌陷、苑庄西双龙河内发生的塌陷等。低洼地段在雨季容易积水,积水的渗漏加速了地下水对土体的侵蚀和搬运,导致岩溶塌陷的发生。

2 岩溶塌陷的成因模式

传统的岩溶地面塌陷机理理论有两种。其一是：“潜蚀论”.它是在具备前面所讲的塌陷产生的基本条件的基础上,当天然或人为原因使地下水位下降时,地下水流速加快、水力梯度加大,对盖层土体进行冲蚀、淘空、并带走,在可溶岩与盖层交接处形成土洞;土洞不断扩大,会产生两种结果：当盖层土体足够厚和强度足够大时,土洞发展到一定程度便形成天然平衡拱,如无其它诱因,不会发生塌陷;当土层较薄、强度较小时,土洞不断扩大,切穿土层,便形成塌陷坑。其二是“真空吸蚀论”,它是针对相对密闭的承压岩溶水而言的。由于地下水突然大幅度下降,当地下水位降到盖层底板以下时,地下水由承压状态转为无压状态,在地下水位与盖层底板之间形成低气压状态的相对真空腔。“真空腔”的形成,产生两种作用：对盖层底板土体产生吸蚀淘空和引起腔外大气压对盖层表面产生“冲压”作用;在这两种“内吸外压”作用下,便形成突发性塌陷。

以上“潜蚀论”和“真空吸蚀论”,无疑揭示某些塌陷类型的成因,但对塌陷具体过程和微观机制并未作很好的描述,因而无法用它们来建立数学预测模型。不论是潜蚀成因的塌陷或是真空吸蚀成因的塌陷,它们的发生,均是力的作用失去平衡使土体破坏的结果。其发生发展过程为：当一定厚度的盖层土体中土洞形成到一定规模,地下水位急速下降、当降到一定程度形成相对低压空洞时,大气压力与洞中低压之差△p便作用在盖层土体上。又由于地下水位下降使土体失去浮托力,土体自重压力增加等一系列力的作用下,土体内某一点某法向平面剪切应力等于土体的抗剪强度时(即：),这点便开始破坏。这点破坏后,其应力便转移集中到其它点上,以使该点发生破坏。如此发展下去,破坏面逐渐增多,贯通连成一个破坏面;沿着这个破坏面,土体向洞穴中坍落或滑动,部分土体被流动的水搬迁,最终形成塌坑。

图1 岩溶塌陷过程示意图

高强度开采岩溶水是造成岩溶地面塌陷的主要原因。“图 1”展示了天然状态下这一地区不同地下水之间的相互关系,说明岩溶水主要接受北部泰山火成岩、变质岩裂隙水补给,而后向汶河方向迳流并在与上覆孔隙水交替的“天窗”地带向上顶托排泄"然而当高强度开采岩溶地下水以后,局部形成降落漏斗,岩溶水由承压转为无压,孔隙水由接受岩溶水补给而变为垂直向下补给岩溶水,即所谓发生“倒流”,破坏了天然条件下岩土体的动力平衡,为产生冲刷、侵蚀等地质作用创造了条件,因而是形成岩溶塌陷的主要原因。“天窗”部位即下伏灰岩岩溶洞穴与上覆第四系含水砂层直接接触部位,既是两类水的强交替通道,也是第四系松散物质即松散岩土体垮塌后的“损失”途径。第四系松散物质在动力作用下通过“天窗”漏向岩溶空隙中,使上覆岩土体支撑力减弱,从而造成地面塌陷。所以“天窗”的存在是岩溶地面塌陷形成的先决条件。

图2 天然条件下泰安地下水相互关系示意图

岩溶水水位强烈波动形成的对第四系松散物质的冲刷、侵蚀和真空吸蚀作用是岩溶地面塌陷产生的主要原动力。“天窗”是在塌陷前已经存在的,但在天然状态下岩溶水与孔隙水水位差是有限的(一般小于 5m),因而岩溶水顶托补给孔隙水是个缓慢的过程,对土体结构不仅不形成破坏,反而还会产生一定的浮托力;而当开采强度较低,岩溶水仍处于承压状态,但水位低于孔隙水水位时,孔隙水补给岩溶水的过程也是缓慢的,只是由于水动力条件发生变化而产生轻度的与土体支撑力相反的作用。一般不构成土体结构破坏,当岩溶水低于岩溶水顶板,尤其是岩溶水水位在岩溶水顶板附近波动时,岩溶水面会产生对上覆土体的冲刷侵蚀即撞击作用从而破坏土体结构造成坍塌,央及地面即形成地面塌陷。图 4、图 5是实际监测结果,足以证实上述推断是正确的。由以下 2图可以看出,当岩溶水水位位于顶板附近并有大的起伏波动时,是岩溶地面塌陷的严重发生期或复发期。而当水位相对稳定即波动幅度较小时,是岩溶地面塌陷的减弱期或间歇 (停息)期。另外,在塌陷区施工地质钻孔过程中,当钻遇土洞(潜在塌陷源)时,常会发生强烈的喷吸气现象,并伴有“哨音”,表明地下岩溶水具有自由水面,并具有很强的流动性,这是由于潮汐作用。地下水开采强弱变化和地下水的补给、迳流等作用共同造成的"这种具有自由水面的岩溶水对可接触土体的冲刷侵蚀作用,宛如地表水体对河岸土体或海岸土体的冲刷侵蚀作用,其力量是巨大的,足以破坏土体的结构造成土体坍塌,从而扩大土洞空间、增加地面塌陷的可能性"同时随着岩溶水的波动即随着岩溶水水位的涨落,地下岩溶及岩土中空洞内的气压也将发生剧烈的转化,时而呈现正压,时而呈现负压,即所谓真空状态,其对上覆岩土体的真空吸蚀作用,亦成为造成土体结构破坏的一种巨大“营力”。