江西东乡县亭子上岩溶塌陷形成机理研究

2014-04-04吴雨夫聂智强冷从德

江西科学 2014年1期

吴雨夫，聂智强，冷从德，刘云

(1.江西省地质灾害应急中心，江西南昌330025;2.江西省天久地矿建设工程院，江西鹰潭335001)

0 引言

2012年7－8月，江西省东乡县孝岗镇西坪村亭子上发生数起岩溶塌陷，造成多间房屋变形、部分房屋受损，受灾范围较广，经济损失严重，给当地群众生产生活带来较大不便。通过钻探、物探及地下水试验等手段，分析岩溶塌陷形成的3个必要的基本条件［1］，研究岩溶塌陷的发育特征，探讨塌陷的形成机制及控制因素，以期为亭子上岩溶塌陷灾害的防治提供科学依据。

1 自然地理及地质环境

1.1 自然地理概况

亭子上岩溶塌陷研究区位于东乡县城北郊孝岗镇西坪村，距离县城约2 km。研究区属中亚热带湿润季风气候区，多年年平均降水量1 909.8 mm，降水多集中在4至8月，约占全年降水量的75.0%。研究区北侧约1 km处为幸福水库;北东-南西侧发育有一条长年性溪流，受雨季和水库排水影响，具暴涨暴落现象。

1.2 地质环境

研究区处于东乡盆地北缘，岩溶塌陷发生在地势平坦的平原区，北侧为构造剥蚀低丘岗埠地貌。区内揭露地层［2］有为第四系人工堆积层()、冲洪积层()、白垩系上统南雄组(K2nn)泥质粉砂岩、石炭系下统梓山组(C1z)泥岩粉砂岩、双桥山群(Pt2sh)千枚岩及可溶性岩层石炭系中上统壶天群(C2－3ht)灰、灰白色厚层状、块状白云质灰岩。

根据研究区地层岩性、地下水在含水介质中的赋存特征，区内地下水类型主要有松散岩类孔隙水、红层裂隙孔隙水和碳酸盐岩裂隙溶洞水。其中松散岩类孔隙水为该地主要开采地下水，区内共有民井34口，井内水位平均埋深约3 m，据访问调查，地下水位受降雨、上游水库排水影响明显。

图1 研究区工程地质示意图

2 岩溶塌陷形成条件分析

形成岩溶塌陷的3个基本条件［1］，一是可溶性岩要具有天窗、竖井、深溶隙、溶缝等开口的岩溶形态，为地下水和上覆土体坍塌提供储存场所和通道条件;二是要有能形成土洞的覆盖土体;三是要有地下水位变动、降雨入渗或外部荷载的动力条件。

2.1 岩溶发育分析

研究区揭露的可溶性岩为石炭系中上统壶天群(C2－3ht)微晶、泥晶状白云质灰岩和角砾状灰岩，岩石呈浅灰、灰白色，厚层状构造及块状构造，质较纯，主要矿物成份为方解石、次为白云石，局部见硅化。

据钻井资料显示，覆盖型灰岩区覆盖层厚度10.30～37.90 m，平均厚度20.84 m，平面上从中部往四周灰岩埋深逐渐增大，岩溶发育方向为北东向。覆盖型灰岩区11个钻孔中有9个钻孔揭露溶洞，钻孔见溶洞率为81.8%，溶洞顶板埋深10.70～38.20 m，平均埋深22.35 m，洞顶板灰岩厚度0.20～3.10 m。单洞洞高1.30～5.10 m，单孔线岩溶率65%～90%，各孔溶洞分布情况见表1。

表1 揭露溶洞发育特征统计表

由表1可知，覆盖型灰岩区岩溶发育强烈，以溶洞形态为主，包括岩溶洼地，其次为溶隙及溶孔;溶洞主要发育于灰岩顶面及其与覆盖层接触面附近，有70%的岩溶顶板厚度小于1 m，个别顶板厚度只有0.2 m，岩溶且多呈半充填状态，充物主要为棕色、黑色粉质粘土及淤泥质粘土。岩溶的发育为上覆土体流失提供了良好的储运条件。

埋藏型灰岩区灰岩埋深35～200 m，上覆白垩系强-中风化钙质粉砂岩，厚度大于3 m，灰岩浅部岩石风化强烈，风化裂隙发育，风化程度很不均匀，自上而下岩石风化作用由强变弱;岩石较完整～完整，岩溶不发育。

2.2 覆盖土体分析

覆盖型灰岩区的整个土体覆盖层平均厚度约20 m，最薄处约10 m，最厚处约38 m。据武雄等人在研究枣庄岩溶塌陷时发现［3］，岩溶塌陷主要分布在第四系盖层厚度大于5 m的区域，这说明覆盖可溶性岩的土体需要一定的厚度满足在土体中形成土洞所需要的空间，显然研究区的覆盖层土体足以满足土洞形成的空间条件。

覆盖型灰岩区的覆盖层岩性从上而下分别为:(1)第四系人工堆积层(Qml4)，不均匀分布于研究区地表，主要为杂填土，为新近人工堆填而成，厚度0.5～2.0 m，平均厚约0.6 m;(2)第四系冲洪积层(Qal+pl4)，广泛分布于研究区浅地表，该层自上而下可分为灰黄色、黄色冲洪积粉质粘土、砂砾石层、含砾粘土层，其中砂砾石层为富水层，抽水试验资料，砂砾石层渗透系数K=8.754～17.52 m/d，粉质粘土中局部土洞发育，该层厚度6.8～24.5 m，平均厚约12.5 m;(3)白垩系上统南雄组(K2nn)，分布于第四系堆积物下，为紫红色全风化泥质粉砂岩，呈土状，可塑～硬塑，厚度1.50～17.30 m，平均厚约7.5 m，红层渗透系数K=0.274～1.911 m/d，单位涌水量0.126～0.143 l/s·m，透水性弱～中等，富水性弱。根据覆盖层的透水性可将盖层概化为透-阻型盖层地质模型。

2.3 地下水动力分析

研究区地下水自上而下为松散岩类孔隙水、红层裂隙孔隙水、碳酸盐岩裂隙溶洞水。松散岩类孔隙水主要赋存于砂砾石层中，水力性质为潜水，静止水位埋深一般1.17～6.03 m，平均埋深3.28 m，含水层厚度一般为3.00～10.00 m，主要接受来自大气降雨、幸福水库和沟溪地表水的入渗补给。红层裂隙孔隙水含水介质为白垩系红色碎屑岩，裂隙及孔隙较发育，地下水主要赋存于风化及孔隙裂隙中，该层地下水富水性贫乏，且透水性好，主要接受松散岩类孔隙水的渗透补给，在研究区北东侧出露红色碎屑岩直接接受大气降雨的渗入补给。碳酸盐岩裂隙溶洞水含水介质为石炭系中上统碳酸盐岩，岩性为白云质灰岩、角砾状灰岩等，分布于研究区隐伏灰岩的裂隙溶洞中，垂向上主要接受松散岩类孔隙水的越流补给(局部为渗透补给)和红色碎屑岩孔隙裂隙水的渗透补给，同时，岩溶水接受研究区外北东-南西向溶洞水的补给。

图2 典型工程地质剖面图

当松散岩类孔隙地下水接受大气降雨及地表水入渗补给时，地表雨水水头与松散岩类孔隙水地下水水头之间存在水头差，形成水力梯度，使雨水渗透过覆盖层岩土体时产生渗透力，研究区孔隙水埋藏较浅，受降雨影响较大，降雨后水位迅速上升，随着降雨的减少，水位又持续下降。居民区民井众多，日取水量约200 t，孔隙地下水位变化较明显，形成水力坡度，水力坡度2%～10%。松散岩类孔隙水与岩溶水存在间接的水力联系，当土层中具备通道时，就会形成比较紧密的水力联系。岩溶水地下水径流条件较好，以径流循环交替为主，当大量抽排该层地下水时，岩溶地下水位也将随之上下浮动。综上所述，研究区具备良好的地下水动力条件。

3 岩溶塌陷发育现状

岩溶地面塌陷是指可溶岩洞、隙上方的岩、土体在自然或人为因素作用下发生变形破坏，并在地面形成塌陷坑的一种岩溶动力作用与现象［4］。

在2011－2012年间，东乡县亭子上共发生5起岩溶地面塌陷。2011年6月2日发生1起，位于研究区西北侧水田中;2012年7月31日发生1起，位于一新建4层民房右前方约3 m处;2012年8月11、12和17日各发生1起，都位于居民区。这5处塌陷面形状都近似椭圆形，塌陷面中径多在2.5～3 m，塌陷深约1.5～3 m。岩溶塌陷呈不规则分布，4处位于居民区，1处位于研究区西北侧农田中，在空间上看，多发育于研究区中西部，全部位于覆盖型灰岩区。从塌陷发生的时间看，多发生在汛期6－8月，该段时期，降雨较为集中。

图3 岩溶塌陷(左侧为T1，右侧为T4)

4 塌陷形成机理分析

岩溶塌陷的发生是由于塌陷体受到的致塌力大于抗塌力，各种致塌力可形成多种力学效应，重力效应、渗流潜蚀效应、失托增荷效应、真空吸蚀效应、水气冲爆效应、振动破裂效应等［5］。亭子上岩溶塌陷的形成是多种力学效应的结果。

渗流潜蚀和真空吸蚀效应使覆盖土体形成土洞。据调查，在研究区有一长观井，1994年以前一直处于自流状态，之后，自流现象消失，井中水位也逐渐降低，这说明研究区岩溶地下水位自1994年后一直处于下降过程，且其水头要明显低于上层松散岩类孔隙水。因此，在1994年之后研究区的松散岩类孔隙水开始补给岩溶地下水。一方面，由于灰岩上覆的全风化泥质粉砂岩透水性弱，当松散岩类孔隙水透过含砾粘土层通过红层裂隙与岩溶地下水联系时，可在局部形成降落漏斗，成为松散岩类孔隙水补给岩溶地下水的汇集中心，围绕这些中心，水流集中、流速加大，渗透压力增强;另一方面，岩溶地下水的下降，可在局部形成负压，产生向下的吸蚀力，在钻井过程中就出现过吸气的现象。在渗流潜蚀和真空吸蚀的共同作用下，土体中细小颗粒被带走，导致局部微小坍塌，逐渐形成土洞。在覆盖土体中土洞形成之后，随着地下水位的升降变化，渗流潜蚀和真空吸蚀的效应持续，土洞空间逐渐扩大，洞顶位置逐渐上移，拱顶土层相应变薄，在土层自重或外加荷载的作用下，土洞顶板土体突然产生大幅度破坏变形，产生岩溶地面塌陷。

失托增荷效应触发地面塌陷。据资料显示，2012年8月8－11日，研究区有一个明显的降雨过程，降雨量较大。降雨过后，研究区于11、12、17日分别发生一起地面塌陷，这是由于雨水入渗土体后，一方面增加了土体自重，另一方面又降低了土体强度，再加上雨水的垂直渗透力使得覆盖土体致塌力上升，抗塌力下降，破坏了土体的力学平衡从而导致了塌陷的发生。另外2起地面塌陷1起发生在研究区西北侧稻田内，靠近溪流，另1起发生在新建的2层楼房旁边。这2起塌陷发生前10 d均未降雨，显然，降雨不是这2起塌陷的诱因，6月份正值水稻生长期，稻田内水量丰蕴使得土洞上覆土体的荷载增加，同理新建的2层砖混楼房给土洞上覆土体带来了较大的荷载，当土洞顶板随着时间的推移在地下水的作用下一点点变薄后，其承载力也在逐渐降低，最终在外加荷载增大的情况下失稳坍塌形成地面塌陷。