广东省廉江市北部湾大道岩溶地面塌陷稳定性评价

2014-02-26林毅

地质灾害与环境保护 2014年3期

关键词：灰岩岩性岩溶

林毅

（广东省地质局第四地质大队，湛江 524049）

1 前言

随着廉江市城镇化进程，市区内道路不能满足交通需求。廉江市为了缓解市内交通压力以及拓展城市发展空间，拟在市区西南部修建北部湾大道，将省道遂六线廉江市区路段改造绕城而行。

该线路全长12 195m，拟按双向四车道一级公路标准建设，设计速度100km／h，路基宽度26.0 m。全线共设计大桥1座，中桥3座，小桥1座，涵洞42道。

线路位于灰岩分布区，灰岩为石炭系天子岭组，岩溶发育，表层被第四系冲积层覆盖，岩土稳定性较差。本文通过充分分析工程沿线地质环境条件，通过采用定性－半定量评价方法，即采用层次分析－模糊综合评判方法（AHP－FUZZY）对岩溶地面塌陷作出综合评判，并依据评判结果进行岩溶地面塌陷发育强弱分区，进而对未来岩溶塌陷发展趋势作出预测与评价。

2 评价区地质环境条件

2.1 自然地理

线路处于北回归线以南的低纬度地区，属亚热带季风气候，日照时间长，终年受海洋气候调节，气候特征表现为风害多、雷暴频、雨量集中、旱季长、夏季长而冬季短、温和潮湿、偶有霜冻。

据当地气象台（站）资料，多年平均气温22.8℃～22.9℃，极端最高气温可达37.3℃，极端最低气温可达5.1℃；雨量充沛，年平均降雨量1 759.4～1 769.0mm，4～9月为雨季。

线路内地表水系发育，河渠纵横。地表水系主要由北向南，由台地地区向低洼地带的河沟汇流。主要河流为九洲江，其发源于广西陆川县，从石角流入廉江市，干流全长162km。河流平均坡降0.42‰，河面宽200～300m，流量约40m3／s。1981年7月25日发生的特大洪水，实测洪峰流量4 320 m3／s，相应水位18.80m。同时，沿线还有武陵河、大坡溪、廉江河、麒麟溪等九洲江支流以及众多山塘、水库和排灌渠。

2.2 地形地貌及地层岩性

2.2.1 地形地貌

工程沿线发育有台地和冲积洼地两种地貌，台地地面高程一般为17～50m，坡度10°～20°，植被茂盛，多为灌木林；冲积洼地较平坦，地面高程11.8～17m，现多为农田及旱地。总体上工程沿线地形地貌中等。

2.2.2 地层与岩石

工程沿线分布的地层主要为元古系莞塘组（Ptg）：岩性主要为浅灰、灰色石英片岩、绢云母片岩夹灰白色条带状硅质岩、大理岩；泥盆系杨溪组（Dy）：上部岩性为砂岩及粉砂岩夹含砾砂岩，下部岩性为杂砾岩、石英砂砾岩夹砂岩，与其下地层呈不整合接触，与上层老虎头组呈整合接触，生物化石稀少，为一套河流－三角洲相的碎屑沉积；泥盆系天子岭组（Dt）：岩性主要为薄层状、块状灰岩夹薄层状含碳质灰岩，白云岩夹炭质页岩，白云质灰岩，属海相沉积环境；泥盆系帽子峰组（DCm）：岩性为板岩夹砂岩、含砾变质粗砂岩、变质石英砂岩、砂质板岩，地表均已风化成残积土；第四系全新统曲界组（Qq）：岩性为灰黄、灰黑色粉质黏土、粉土和粗砂（图1）。

2.3 地质构造与区域地壳稳定性

评价区在区域地质构造位置上处于华南褶皱系云开大山隆起南部，区域地质构造条件较复杂，区域地质构造特征描述如下：

（1）中垌－廉江复式向斜：分布于中垌－廉江一带，为海西－印支期褶皱。区域上长达78km，宽10～16km，向斜由泥盆系、石炭系及下二叠统组成，复式向斜主要轴向NE－SW，轴面倾向NW，枢纽波状起伏，两翼多不对称，甚至倒转，岩层倾角多为40°～60°，局部达70°～80°。该向斜由繁多的、彼此平行的、狭长的次级背斜及向斜组成，幅度1～3 km，以软质岩为多的下－中泥盆统桂头群形成的次级背斜一般比中、上泥盆统灰岩、砂岩等硬质岩组成的次级向斜狭窄，轴向波状弯曲复杂。

（2）山背断裂（F48）：为信宜－廉江大断裂带的主要断裂之一，为区域性正断层，走向为N60°E，倾向NW，倾角60°，其上盘地层为泥盆系杨溪组（Dy），下盘为元古系莞塘组（Ptg）；断裂破碎带宽10～50m，断裂带物质由断层角砾岩组成。

线路位于中垌－廉江复式向斜西段，向斜轴地层为泥盆系帽子峰组，背斜轴为泥盆系天子岭组。向斜轴出露岩性为全－强风化粉砂岩，岩层产状分别为105°∠60°、105°∠40°，由于受褶皱挤压作用，向斜轴附近露头发育有小断裂，分别为140°∠60°，120°∠65°和305°∠60°；背斜轴地表为冲积层覆盖，未见岩石出露，钻探揭露岩性为灰色白云质灰岩。

区域新构造运动主要表现为地壳呈间歇性缓慢上升运动为主，局部河流地段见两级河流堆积阶地。全新世壳、幔物质处于重力均衡调整活动状态，地壳以间歇性缓慢上升为主；现代地壳以缓慢的差异性升降运动为主，基底断裂仍有活动，导致地热释放形成地热异常区，小地震时有发生。

图1 廉江市北部湾大道地质图Fig.1 Geological map of Northern Gulf Boulevard

3 岩溶发育特征

3.1 发育特征

根据钻孔资料，工程沿线冲积洼地中为泥盆系天子岭组（Dt）碳酸盐岩，岩性主要为薄层状、块状灰岩夹薄层状含碳质灰岩，白云岩夹炭质页岩，白云质灰岩。岩石呈灰绿、灰白、浅灰－暗灰色，粉晶或细粒状结构，层状构造，质纯，主要矿物成分为方解石、白云石，有少量石英及暗色矿物。岩面起伏变化较小，顶板埋深1.30～17.60m，属浅覆盖型岩溶。

据施工钻孔资料，线路内碳酸盐岩分布地段12个钻孔中有2个钻孔揭露溶洞，钻孔见洞率为16.7%，顶层溶洞埋深7.20～8.10m，洞顶板灰岩厚度1.20～3.90m，洞高0.70～0.80m，溶洞无充填状态。

3.2 岩溶地质条件影响

工程沿线岩溶区覆盖土层厚度1.30～17.60 m，土层岩性以粉质黏土为主，粉土和粗砂次之，其下灰岩发育有溶洞。区内地下水类型为松散岩类孔隙水和岩溶水，两者水力联系密切，在较多抽取岩溶水条件下，地下水径流速度快，地下水位下降变化大，易淘空灰岩上部松散土层形成土洞，土洞不断发育，顶板逐渐变薄，当顶板承载力小于上部土层自重或荷载时，会发生岩溶地面塌陷。

4 岩溶地面塌陷稳定性评价

线路冲积洼地中分布有灰岩，以天子岭组白云质灰岩为主，灰岩呈厚层状，质纯。顶板埋深2.30～17.70m，加上地处中垌－廉江复式向斜内，构造裂隙较发育，因此地下岩溶发育，工程线路灰岩分布地段施工钻孔12个，其中有2个孔揭露灰岩深度内发现溶洞2处，钻孔见洞率为16.7%，洞顶板灰岩厚度1.20～3.90m，单洞洞高0.70～0.80m。灰岩上覆土体主要为第四系冲积层粉质黏土、粉土和粗砂，当人为开采地下水，造成区域地下水水力坡度剧增时，土体容易发生潜蚀而形成土洞。土洞大部分都位于灰岩面与上覆土体接触带之间。当土洞不断向上发展扩大到一定程度时，土洞上部土体由于失去了下部支撑，原有力学平衡被破坏，将发生应力重新分配。失去支撑的土体便渐渐向下沉降，引起地面沉降。随着土洞不断向上扩展及地面沉降幅度和范围的不断扩大，当洞顶土体承载力小于上部土体自重应力及上部荷载时，便会发生岩溶地面塌陷。

岩溶地面塌陷是一种突发性的地质灾害，具有难于预测和突发性的特点。根据本次评价的研究程度，要较全面掌握岩溶塌陷评价要素的半定量－定量指标是有困难的。为了简化评价过程，但也尽可能涵盖主要影响要素，最大限度降低评价的随意性和模糊性，提高评价结果的合理性和可信度，为此，本次对评价区采用定性－半定量评价方法。即采用层次分析－模糊综合评判方法（AHP－FUZZY）对岩溶地面塌陷作出综合评判，并依据评判结果进行岩溶地面塌陷发育强弱分区，进而对未来岩溶塌陷发展趋势作出预测与评价。

4.1 评价因子的确定

评价区地质环境条件较为复杂，难以确切把握岩溶塌陷的主导因素，因此评价因素应尽量涵盖岩溶产生及塌陷形成的主要条件，且充分利用本次野外实际调查的资料和钻探资料，将影响岩溶塌陷稳定性的影响因素（通常可用稳定系数Fs表示），其是一系列影响参数的函数，不同的因素对地质灾害的影响程度是不同的，既不可能将所有因素都加以考虑，又必须反映本工程用地范围内的地质条件，据此，本次模糊评判按《广东省地质灾害危险性评估实施细则》中有关要求，选取其中4个重要的影响因素作评价因子即：

Fs＝｛U1、U2、U3、U4｝＝｛岩溶条件、覆盖层条件、地形地貌条件、水文地质条件｝

本次评多级模糊多级目标决策方法将4个子因素集用二级因素表示如下：

岩溶条件U1＝｛X11｝＝｛岩溶发育程度｝；

覆盖层条件U2＝｛X21、X22｝＝｛覆盖层厚度、覆盖层岩性、结构｝；

地形地貌条件U3＝｛X31｝＝｛地面地貌特征｝；

水文地质条件U4＝｛X41、X42、X43｝＝｛岩溶地下水位及动态变化、岩溶水钻孔单口井涌水量、岩溶水位降深｝；

可得岩溶发育程度、覆盖层厚度等7个亚级评价因子。

4.2 评价因子对地面塌陷稳定性的权重分析

影响因子对岩溶塌陷地质灾害影响的权重指各因子对地质灾害影响的重要程度，因于影响因素关系复杂，难以直接地确定而量化。因此，本报告根据评价区以往影响塌陷形成的控制因素重要性不同，结合前人在岩溶区评价总结之经验，采用两两因子之间的相对重要性来确定，即对两个因子相比较，取相对重要因子为1，次要因子的权重为0，当两个因子同等重要时，各取0.5，其比较结果见表1。

从表1分析得到岩溶塌陷地质灾害危险性评价影响因子的权重向量，即：

W ＝｛X11、X21、X22、X31、X41、X42、X43｝

将权重向量归一化处理：

从这一权重向量不难看出，各评价因子对岩溶塌陷稳定性的影响程度是不同的，其中以岩溶发育程度类型为最大，地面地貌特征为最小。与实际已发生的地面塌陷地质灾害成因分析一致。

从判断矩阵求出的权重值是否合理，还必须进行一致性的检验。由于客观事物的复杂性，会使我们的判断带有主观性和片面性，在每次进行两两比较判断时其思维标准常是不一致的——称为比较判断的不一致性。当判断偏移一致性过大时，把判断矩阵的权向量计算结果作为决策依据将是不可靠的。为此在求得λmax后需进行一致性指标C.I.检验，其中

表1 评价因子权重分析结果表Table 1 Evaluation factor weights

当λmax＝0.1时，可以认为判断矩阵具有满意的一致性。否则，就必须重新进行两两比较以调整判断矩阵中的元素，直至判断矩阵具有满意的致性为止。这时从判断矩阵中计算出的最大特征根所对应的特征向量经标准化后，才可以作为层次分析的排序权值。

4.3 稳定性的确定

由于影响岩溶地面塌陷的因素较多，并且关系复杂，评价因素指标之间也有着很多的不确定性，考虑到资料精度和评价的实际价值，按《广东省地质灾害危险性评估实施细则》中有关要求，将岩溶塌陷的的评语集（即稳定性等级）划分四个等级（表2），即：稳定（不塌陷）、基本稳定（不易塌陷）、较不稳定（易塌陷）、不稳定（极易塌陷）。

为了满足定性－半定量评价要求，对各个影响因子进行对应评评语的数值化，因此用层次分析法来确定其稳定性是行之有效的方法之一。其基本公式为：

式中，FS为稳定性指数；αi为权值，Xi为危险性级别量化指标，其值按表2取用。根据FS值，按表3划分岩溶塌陷稳定性等级。

4.4 岩溶塌陷稳定性评价结果

线路按灰岩分布划分为5个里程段，各个里程段统计结果见表4。

表2 岩溶地面塌陷稳定性预测评价要素表Table 2 Stability evaluation and prediction of karst ground subsidence

表3 岩溶地面塌陷稳定性分级表Table 3 Karst collapse stability classification

表4 评价因子权重分析结果及评价表Table 4 Evaluation factor weights and evaluation

由表中可看出，评价区内各里程段岩溶地面塌陷稳定性指数Fs在3.0～7.5之间，根据表3分级原则，岩溶地面塌陷稳定性为基本稳定（易塌陷）、较不稳定（易塌陷）、不稳定（极易塌陷）三个级别。其中线路K1＋635～K3＋078里程段岩溶地面塌陷稳定性为不稳定（极易塌陷），线路K3＋180～K4＋020和K4＋875～K9＋295里程段岩溶地面塌陷稳定性为较不稳定（易塌陷），线路K9＋525～K11＋175和K12＋075～K12＋195里程段岩溶地面塌陷稳定性为基本稳定（易塌陷）。

综上所述，工程沿线浅层岩溶发育，地下水赋存和运移在浅层裂隙溶洞系统中。在场地内建设工程时，溶洞安全顶板厚度或强度不足时，可能会引起岩溶地面塌陷，造成建筑物受损或人员伤亡。