江苏徐州岩溶塌陷及其防治对策

邢 雪，周 丹，罗 跃

(江苏省地质矿产局第五地质大队，江苏徐州 221004)

0 概述

徐州位于江苏省西北部，地处苏、鲁、豫、皖交界，地理位置特殊，交通发达，城区及城市规划区内铁路、高速铁路、公路、高速公路纵横交错。徐州的快速发展和城市扩展及重点工程建设等带来对预防地质灾害的紧迫感，特别是即将实施的徐州市轨道交通工程，对预防地质灾害的发生犹为重要。

徐州地质灾害主要有采空地面塌陷、崩塌滑坡和岩溶地面塌陷及沙土液化坍塌等。其中地下岩溶所引起的地面塌陷灾害具有突发性、隐伏性和塌陷规模的不确定性等。

徐州岩溶塌陷地质灾害主要是由地下岩溶发育引起的。徐州地质构造属华北地台南缘，东部紧邻郯庐深大断裂带。其中具有继发性活动的废黄河断裂和不牢河断裂呈近东西向横穿徐州市区和市区北部。断裂带内岩溶、裂隙极为发育，是徐州市地下水富集地带，由于常年地下水超采，形成的地下岩溶空洞、断裂空隙较为密集，积聚成为城市建设的隐形杀手。1986年以来，徐州市先后发生过多起岩溶地面塌陷灾害，造成铁路路基变形、陷落、楼房断裂，许多民房陷落、倒塌等严重后果［1］。

1 岩溶发育条件

众所周知，岩溶发育的主要因素要有水源、可溶性岩和水流的运动空间。徐州地貌特征为低山丘陵和黄河泛滥冲积平原，汇水条件较好，古生代和太古代碳酸盐岩地层具有可溶性，NW-NWW向构造断裂较为发育为本区岩溶发育提供了良好条件［2］。

1.1 地貌和水文地质特征

区内低山丘陵约占本区总面积的三分之一，山体走向呈NNE向，形成徐州特有的山中有城和城中有山的地貌特征。徐州丘陵区标高多在50～300m之间，其中大洞山海拔361m，为群峰之最。黄河泛滥冲积平原标高多在30～40m之间，地势由北向南缓倾。黄河故道由北西向南东斜贯全区，河床高出地面4～7m，形成区内天然地表分水岭。区内地表水系主要有黄河故道(已废)，除雨季排洪行水，常年基本断流;京杭运河自西向东流经本区北部，水量随季节变化明显。微山湖、骆马湖是区内最主要的地表水体，其它中、小型水库、塘坝多个。本区属温暖带半湿润气候，多年平均降水量850mm。

本区地下水赋存特征主要有松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和碳酸盐岩裂隙溶洞水。其中碳酸盐岩裂隙溶洞水是本区主要地下水源，水量丰富是地下岩溶、裂隙溶蚀发育的主要水动力条件。

1.2 可溶性地层

徐州主要分布有古生界和上元古界碳酸岩地层(表1)，岩性多为灰岩、泥质灰岩、白云质灰岩、白云岩等，酸不溶物含量低，约1% ～2%之间，最大面溶蚀率可达30%以上，为岩溶发育创造了物质基础［3］。

1.3 区域地质构造特征

本区地质构造主要由弧形复式背、向斜为主体的一系列平行褶皱和与之相伴生的平行于褶皱的纵向压(压扭)性断层及垂直褶皱的横向断裂组成。其中发育于本区的垂直褶皱的横向断裂，废黄河断裂和不牢河断裂(图1)，断裂带裂隙极为发育，是徐州市地下水富集地带，为地下水溶蚀提供水流运动空间［4］。

表1 徐州地区碳酸盐岩类地层岩性特征表Table 1 Lithologic characters of carbonate rock strata in Xuzhou area

图1 构造体系略图Fig.1 Schematic map of tectonic system

2 岩溶发育特征

本区可溶岩分布面积较广，岩溶较为发育［5］。在可溶岩地层分布的低山丘陵区可见溶痕、溶沟、溶槽、溶丘、溶柱、溶孔、溶穴和不规则的溶洞等岩溶现象。地下岩溶类型主要有溶隙、溶孔、溶洞三种。

2.1 溶隙

地下水沿可溶岩的节理、裂隙作水平或垂直运动，水蚀作用使原有的空间稍有扩大、连通，并基本保持原节理、裂隙形态的几何空间。在裸露区，溶隙是大气降水或地表水渗入补剂地下水的通道;在地下则是岩溶水运移的有利空间。

2.2 溶孔

溶孔的发育与组成可溶岩的物质成分及所处的构造部位有关，前者多形成星散状、蜂窝状;后者则以串珠状、树枝状、似层状为主，且连通性好，是地下水的径流通道。

2.3 溶洞

溶洞是在构造运动的同时，使可溶岩溶蚀动力加剧，连通溶隙、溶孔，形成较大的溶蚀空间。溶洞的发育与所处的构造部位及地下水交替强弱有关，一般多发育于构造接触带及侵蚀基准面以上。地下溶洞的发育受区域地质构造控制，一般沿构造断裂带及其附近发育，发育深度多在150m以浅。如1976年徐州人防工程在市区废黄河断裂带中勘探见一溶洞深达40m;茅村地质勘探孔标高负100m标高处揭露溶洞，钻具掉落6m。

3 岩溶发育规律

本区岩溶发育程度主要与岩石性质、岩层结构特征及地质构造、地貌条件等因素有关［6］，并且具有在同等条件下受另一种条件所控制的规律。下面从平面分布、垂向变化和局部性发育特征来阐述本区地下岩溶发育规律。

3.1 平面分布规律

岩石性质、岩层结构对岩溶发育程度起着主导作用，质纯、厚层的碳酸盐岩岩溶发育最强，含泥质或夹层、互层状发育相对为弱。根据相关资料统计显示本区地下岩溶平面分布和可溶岩地层分布相吻合。发育程度与区域可溶性盐岩岩性密切相关(表2)。

地下岩溶平面分布在地质构造上明显沿褶皱轴部，张扭性断裂带及其附近发育。如，本区规模较大的废黄河断裂和不老河断裂，属NWW向张扭性正断层，断裂带内及其两侧岩溶特别发育;在徐州复式褶皱背、向斜的核部岩溶也较发育;地貌上，则山前缓坡地带岩溶发育较好。

表2 可溶岩类地层溶蚀情况统计表Table 2 Statistics of stratum dissolution

3.2 垂向变化规律

本区岩溶发育在垂向上与地质构造关系密切，根据有关资料显示本区溶洞发育多在标高150m～-150m之间，向上或向下渐弱。地下岩溶发育深度又与所处构造部位有关，沿褶皱带发育的岩溶，一般以表面为好，深度较浅，溶蚀作用较弱。沿构造断裂带，岩溶发育深度较深，溶蚀作用较强烈。根据有关资料和区域勘探显示，本区可溶岩在废黄河断裂和不老河断裂带中岩溶遇洞率达47% ～81%，线溶蚀率10% ～26%。

3.3 局部性发育规律

(1)沿断裂或断裂复合部位岩溶发育强烈，特别是低序次的断裂与主干断裂的交汇部位更甚。本区较大的溶洞多发育在该部位。

(2)强烈褶皱带及其转折端岩溶也较发育。如，徐州复式背斜的两翼及其次级褶皱背斜核部、向斜核部转折部位岩溶较为发育。

(3)可溶岩与难溶岩体的接触带及可溶岩组成的压扭性断层旁侧岩溶较为发育。

(4)可溶盐岩与上覆第四系松散土层的接触部位岩溶也较发育，特别是砂性土层。

4 岩溶塌陷的影响因素及塌陷特点

岩溶地面塌陷主要是指可溶岩在特定的条件下受自然风化、降雨、地下水侵蚀、构造运动等因素形成的隐伏于地下的空洞或充填岩洞、裂隙经人为或构造运动等动力条件使其失衡发生的地面坍塌现象。

4.1 引起岩溶塌陷的主要因素

4.1.1 自然因素

地下水交替作用引发岩溶地面塌陷。岩溶在发育过成中，由于溶蚀作用的不断的加剧，使溶蚀空间不断加大，破坏了原有的平衡条件引起的塌陷现象。如本区第四系厚度15～35m，以粉砂、粉土为主，底部老粘性土厚度小于5m，土层结构以砂性土单层结构和砂性土—粘性土双层结构为主;下伏寒武、奥陶系纯碳酸盐岩，岩溶强烈发育。碳酸盐岩地层与上覆松散土层接触部位，粉砂、粉土中的空隙潜水与下伏岩溶水水利联系密切，孔隙水常年越流补给岩溶水，岩溶水水位多年来在土层底板作上下升降波动，由此造成地区诸多的地面塌坑、陷落等［6］。

暴雨或连续降雨、过度积水可诱发岩溶地面塌陷。如新生里1997年7月17日、24日发生的岩溶塌陷地质灾害就是暴雨诱发造成。

地震因素诱发岩溶地面塌陷。测区位于华北断块南缘，胶辽断块与冀鲁断块结合带西侧。根据有关资料显示，本区地震背景为:测区北西丰县—沛县、南部符离集和北东韩庄—台儿庄为5级地震危险区;东部郯城—宿迁为7.5～8.0级地震危险区。其中东部郯城—宿迁地震危险区对本区影响最大，并控制本区地震烈度为7度。据江苏地震局编制的《江苏地震历史资料汇编》统计，记录测区及外围丰、沛、邳等县地震54次，震中皆位于邻区。其中超过5级以上地震有15次，对徐州市造成不同程度震害的有4次。尽管由地震引起本区岩溶地面塌陷尚未有记载，但从地下岩溶机理分析和岩溶地下水过量开采所形成的地下岩溶隐患上分析，本区受地震因素引起岩溶塌陷地质灾害的发生率极大。

4.1.2 人为因素

影响岩溶塌陷的人为因素主要有岩溶地下水过量开采［7］和城市建设产生重载、震动等。

岩溶发育地段也是地下水最富集地段，人工取水会使水位下降，带来地下水交替作用加强，促使岩溶作用加速，导致上覆土层失重，砂质土流失形成空洞。当地下水位降至岩溶含水层顶板时，土层与可溶岩接触带地下水循环、交替作用更强，使原已填充或半填充的裂隙、溶洞中充填物流失，上覆土层失重产生塌陷，因此，岩溶水超采是引起岩溶塌陷的主要因素。如1986年5月27日发生的京沪和陇海线交汇处铁路路基塌陷，就是位于七里沟岩溶水源地开采中心的漏斗部位。

另外城市建设进行地基开挖和打桩震动使岩溶上覆沙土液化或溶洞内充填物流失产生失重也是引起本区岩溶塌陷造成地质灾害的主要因素。

4.2 岩溶塌陷的特点

4.2.1 隐伏性

岩溶塌陷地质灾害与区内其它地质灾害相比，具有隐伏性。采煤塌陷和采石、工程建设切坡造成的崩塌、滑坡等地质灾害都有利益驱使的人为因素，对它的预防和防治措施都有较明确的地点、位置、规模等。而岩溶塌陷地质灾害的预防难度较大。

4.2.2 突发性

岩溶塌陷地质灾害都是在特定的地质环境下诱发引起。特别是岩溶地面塌陷是隐伏于地下洞穴受内、外动力因素，破坏了原有的平衡条件产生的，具有突发性。因而，造成应对及时性受到限制，使受灾损失加大。

4.2.3 规模的不确定性

造成岩溶地面塌陷是隐伏于地下的岩溶空间在内、外动力作用下造成的。隐伏于地下的岩溶空间的大小、充填物的质地及内、外动力条件决定了地质灾害的规模和破坏程度。由于目前人类技术手段的限制，很难对地下岩溶进行定量分析，也带来了对地下岩溶易发生地质灾害的范围和继发性预测的难度。故对产生岩溶地面塌陷地质灾害发生的规模具有不确定性。当然由于科学技术的发展，科技手段不断的更新，一定会在岩溶塌陷地质灾害中有较大的突破。

4.3 岩溶塌陷预测

4.3.1 影响岩溶塌陷因素［8］

可溶盐岩是岩溶发育的基础条件，岩溶发育程度又与可溶盐岩性和岩层结构有关，一般情况岩溶发育强度为由灰岩-泥质灰岩-白云质灰岩-泥质白云岩-白云岩和厚层-中厚层-薄层-互层-夹层的规律由强变弱。

地质构造是岩溶发育的内在因素，张性断裂和张扭性断裂是岩溶发育的有利部位，背、向斜核部和背、向斜侧部岩溶较为发育。

岩溶地下水的开采是诱导岩溶塌陷的外在条件，一般岩溶地下水过量开采的漏斗部位最易造成岩溶地面塌陷。

另外，可溶盐岩上覆松散层岩性对岩溶塌陷也有渐接的诱导作用，一般为粘土-粉质粘土-淤泥质粉土-粉砂土-粉土、粉细砂的诱导作用由弱到强。

4.3.2 预测方法和指标的判别

综合本区岩溶发育特征和影响岩溶塌陷的因素，本文采用模糊评判的方法对本区可能引起岩溶塌陷地质灾害进行了预测。将影响岩溶发育的可溶岩岩性、岩层结构、地质构造、地下水开采和上覆松散土层性质5种条件和每项影响因素，按影响程度分别赋于一定的分值如表3:

表3 影响岩溶塌陷因素及分值表Table 3 Factors influencing karst collapse and its values

将产生岩溶塌陷影响条件各因素分值之和作为进行预测岩溶塌陷地质灾害的指数I。即:

岩溶塌陷地质灾害指数I=影响因素分值之和。

当I大于30为极易发生岩溶塌陷地质灾害危险区;

当I小于30大于20为易发生岩溶塌陷地质灾害危险区;

当I小于20为不易发生岩溶塌陷地质灾害区。

4.3.3 预测结果评述

根据上述方法可以进行本区点上或面上岩溶塌陷地质灾害易发性预测，本区可分极易塌陷地质灾害危险区、易塌陷地质灾害危险区和不易塌陷地质灾害危险区(图2)。

(1)极易塌陷地质灾害危险区，主要分布于可溶盐岩发育的近东西向废黄河断裂带、不牢河断裂带和岩溶地下水过量开采的漏斗区;

(2)易塌陷地质灾害危险区，主要分布于可溶盐岩浅埋型的山间和山前地带;

(3)不易塌陷地质灾害危险区，主要为可溶盐岩分布的裸露区和深埋区。

图2 岩溶地面塌陷地质灾害预测图Fig.2 Prediction chart of Karst collapse hazards

5 岩溶塌陷的防治措施和对策

5.1 加强岩溶塌陷研究

徐州近年来虽然由岩溶塌陷引起的地质灾害频发，但造成的灾害性较小，尚未引起人们的重视。根据已造成岩溶塌陷地质灾害的性质和徐州地区地下岩溶发育强度分析，推测本区岩溶塌陷仍有造成重大地质灾害的条件。特别是由岩溶地下水的超采所形成的地下水降落漏斗未得到完全恢复，构造断裂中溶孔、溶蚀裂隙形成的地下岩溶空洞，尚未经由地震环境地质的考验。因此，加强徐州岩溶塌陷地质灾害研究很有必要。

结合徐州城市城镇化建设和经济大力发展的需要，充分分析徐州已发生岩溶塌陷地质灾害的历史情况和产生原因，根据徐州区域地质环境、地质构造、岩溶发育规律、岩溶地下水开采、人为和自然因素等，充分加强和气象、地震监测部门的沟通、联网，建立徐州岩溶地面塌陷地质灾害数学模型和预警系统。

5.2 合理开采岩溶地下水

徐州岩溶地下水资源较为丰富，开采历史较早，开采程度较高。特别是随着社会经济的快速发展，城市化工程建设和人口密度的增加对水资源的需求增大。徐州岩溶地下水的超采已导致岩溶地下水位下降，出现区域性或局部性岩溶地下水位降落漏斗，为引起岩溶塌陷地质灾害的发生埋下了隐患。

因此建议有关部门制定合理的岩溶地下水开采方案，充分利用地面水来调节对岩溶地下水的开采［9］，避免因岩溶地下水过量开采造成的灾害。

5.3 预测岩溶塌陷对城市建设的影响和工程治理措施

在城市建设规划和重点或大型工程建设中，应根据徐州地区岩溶发育规律预测其影响程度。查明隐伏岩溶发育特征，采取相应的设防措施。根据预测岩溶塌陷对工程的影响和岩溶发育特征，进行桩基设计、避让和基础处理［10］。

5.4 适时进行岩溶地面塌陷监测、预报

对极易发生岩溶地面塌陷易区域、地带设立岩溶地面塌陷地质灾害监测站、点，根据气象条件做好日常地面沉降监测工作。时时跟踪可能发生岩溶塌陷的地质迹象，对可能产生地质灾害的现象及时做出预报和采取防护措施。

充分发动群众，利用现代化网络信息，加强对地质灾害险情的动态监测［10］。将防治地质灾害发生纳入各级政府部门的议事日程，明确监管单位和责任人，制定合理的岩溶地面塌陷地质灾害抗灾、救灾预案，使可能发生的岩溶地面塌陷地质灾害所造成的损失降为最低。

6 结论

徐州地区可溶岩分布较广，岩溶较为发育，具有形成岩溶塌陷地质灾害的条件。由于徐州地区岩溶发育在平面上受可溶岩性控制，在垂向变化上受地质构造控制，以及岩溶地下水的过量开采等因素，在自然降雨、地下水交替和地震地质环境及城市建设过程中可能会引起较为严重的岩溶塌陷地质灾害。为避免由岩溶塌陷地质灾害造成损失，应加强对本区岩溶塌陷地质灾害的研究、预测和制定合理的抗灾、救灾预案及防灾对策。

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