铜陵地区岩溶地面塌陷发育的动力条件浅析

雷柱平

（安徽省地质环境监测总站，安徽合肥230001）

1 概况

铜陵地区位于安徽省中南部，长江中下游南岸，是皖江经济带重要区域。行政区划上包括池州市、铜陵市等。早于20世纪50年代在岩溶充水矿山就有岩溶地面塌陷出现，20世纪50～70年代区内尚且零星出现，规模小，成灾轻，未被人们所重视。进入20世纪80年代，地方经济飞速发展，矿产资源及岩溶水资源被大量开采，岩溶地面塌陷日益频繁，尤其是一些矿山疏干排水引发了大规模的岩溶地面塌陷，损失巨大。至2001年，不完全统计，区内有18处因采疏地下水诱发岩溶地面塌陷，2处自然产生岩溶地面塌陷，共产生岩溶地面塌陷坑355个，影响面积达376hm2。

2 地下水动力条件

2.1 抽取地下水水动力条件

本区平原区内的人口较为稠密，铜陵市、繁昌县以及规模较大村镇都抽取地表水作为自来水供水水源，供居民饮用和生活用水。岩溶丘陵区内岩溶泉分布点，大部分村落均以岩溶泉作为生活用水。其他丘陵山区，人口较为稀疏，多以引用高处地表水作为人畜生活用水；打井取水，点稀量少，对区内地下水干扰甚微。

矿山生产过程中抽排地下水是严重影响区内地下水动力条件唯一的因素。

以铜陵市铜山区朝山村为例，塌陷区周边有3座开采矿山，直线距离约为0.9～1.2km。3家矿山生产大量抽排地下水，造成地下水位大幅波动。铜陵SJ01孔水位埋深最大24.891m，最小水位埋深6.799m，水位年变幅18.092m（图1）。

图1 TLSJ01水位埋深变化曲线

铜官区西湖镇朝山村地下水水位瞬间变幅较大，水位10min内波动幅度大部分大于5cm，地下水水位波动十分强烈。铜陵SJ01孔地下水10min变幅曲线见图2。

2.2 自然条件下水位变化

本区雨季雨量充沛，地下水入渗强烈，引起第四系水位急速上升。根据长期监测孔数据及人工监测数据可知，山前浅丘状平原区地下水变幅较大，地下水也变幅较大，变幅一般不小于10m/a。波状平原向平原区过渡区地下水变幅5～10m/a；如FCZK02孔监测地下水年变幅6.46m（图3）。土层厚度较大的平原区地下水变幅较小，水位变幅一般小于5m/a。如MZZK02孔监测地下水年变幅1.23m（图4）。

图2 TLSJ01孔水位m/10min变幅

图3 FCZK02地下水水位变幅示意图

图4 MZZK02地下水水位变幅示意图

3 人类工程活动条件

本区整体上经济较为活跃，矿业开发等人类工程活动频繁。截止到2015年底，区内共有矿山319家。主要开采矿种为建材及其它非金属和有色金属，能源矿山数量较少。

目前，区内矿山多为关闭矿山和停产矿山，两者合计253家，占比分别为55.49%和23.82%。生产矿山62家，有4家矿山在建。

生产、在建矿山对本区地质环境影响较大，特别是地下开采矿山，都一定量抽排地下水，对矿山及周边地下水系统补径排条件产生重大改变。据不完全统计，区内矿山年排放水量达2375×104m3，包括矿坑水、生活用水、选矿水、综合废水。主要集中在铜陵市周边，矿山矿坑水、生活用水、选矿水、综合废水年排放量为2244×104m3，占总量的94.48%。

4 岩溶地面塌陷动力监测

本次岩溶塌陷监测以地下水水位变化监测为主，采用自动化监测手段。铜陵市朝山村典型区，人类工程活动强烈，岩溶地面塌陷发育，地下水水位波动强烈，水位监测时频为10min。

铜官区西湖镇朝山村岩溶裂隙水水位呈上升趋势。水位年变幅最大为TLZK03孔21.00m，最大水位埋深33.208m，最小水位埋深12.208m。地下水水位瞬间变幅较大，水位10min内波动幅度大部分大于5cm，占监测数据总数近60%，地下水水位波动十分强烈。

以TLZK03为例，在监测的59000组数据中，水位10min内下降最大值为-6.218m，大于6m的1次，4～6m的6次，2～4m的22次，1～2m的22次，0.1～1m的8398次，0.05～01m的8292次；水位10min内上升最大值为11.627m，大于6m的5次，4～6m的3次，2～4m的7次，1～2m的13次，0.1～1m的8215次，0.05～0.1m的9005次（表1）。

表1 LTZK03孔水位10min变幅统计表

LTZK03地下水10min变幅曲线见图5。

5 岩溶地面塌陷发育的动力模式

图5 LTZk03孔水位变幅m/10min变幅

5.1 岩溶塌陷形成机理

已发生的岩溶塌陷形成主要有潜蚀效应和真空吸蚀效应2方面的作用，真空吸蚀效应为主要致塌作用。

（1）潜蚀效应。由于岩溶水位的大幅、快速下降，第四系土层孔隙水向下渗流补给岩溶水的作用增强，在集中渗流点（岩溶管道开口、裂缝）附近，作用于上覆土层的水力坡度超过了土体发生渗透破坏的临界水力坡度，土体发生渗透变形破坏，地下水位下降速度、幅度越大，作用于土体的水力坡度越大。土层在渗透变形作用下，经历适当时间后，在集中渗流点附近易缓慢形成土洞，随着土洞的不断扩大导致地面塌陷。

第四系底部土体类型不同，渗透变形的类型也不同。对于非粘性土，渗透变形以潜蚀为主；对于粘性土，渗透变形以流土为主；对于碎石土或有结构面存在的粘性土，渗透变形以接触冲刷为主。

潜蚀效应致塌是地下水的垂向渗透力和集中渗透点的作用。因垂向渗透力是土体获得的实际水头值，在集中渗透点附近，水流集中，流量大，潜蚀作用最强，有利于土洞塌陷的形成。

（2）真空吸蚀效应。由于地下水下降速度过快、幅度过大，在基岩面附近的岩溶管道裂隙系统（如开口型溶洞）及土洞等封闭的空腔中，就会产生真空负压，上部真空层对空腔盖层产生强大的抽吸力，发生真空吸蚀效应。理论上最大负压可以达到相当于岩溶水位下降幅度的水柱高度。当岩溶空腔中的有压水面下降到无压力的瞬间，水面对盖层地面产生吸盘似的液面吸吮作用，使盖层内部土颗粒的结构遭到破坏，土体由固态变为流态，土体向下塌落；真空吸盘脱离盖层底面后，在下降的水面与盖层之间形成低压空间，对盖层内部产生吸蚀作用，使盖层底部土体疏松，含水量增加，剥蚀加快，土颗粒解体，土洞进一步扩大直至坍塌。

5.2 岩溶地面塌陷发育的动力模式

致塌模式是指塌陷从孕育至产生全过程中的各种表现形式。它是由塌陷形成的各个阶段主要力学效应所决定的。由于塌陷的形成是多机制的，不同地区不同地段的地面塌陷往往具有不同的致塌模式。具体到特定塌陷区（或地段），以单一成因的较少，大多是自然+人为等多种致力共同作用的结果。本区致塌总体力学模式（型）为：

式中：F致——各种相关致塌力的合力；

F抗——各种相关抗塌力的合力。

对本区已发生的岩溶塌陷发育动力条件分析可知：在自然条件或人类工程活动等外动力因素引起地下水水动力变化过程中，地下水对碳酸盐岩和第四系土层发生“水—土—岩”作用，因此，可以概化出本地区岩溶塌陷发育的动力模式（图6）。

图6 岩溶塌陷发育动力模式图

碳酸盐岩经过漫长时期的地下水侵蚀作用，浅部发育岩溶，易形成溶蚀裂隙、溶洞等各种岩溶形态，成为岩溶塌陷物质的储集空间和运移通道；地下水动力变化时，当水力梯度值超过可溶岩地区基岩面上覆土层的临界水力梯度值，周围土体开始发生渗透变形（管涌或流土），地下水流携带细小土颗粒沿孔隙、溶蚀裂隙、岩溶管道等通道迁移，土体在长期潜蚀作用的结果是形成土洞；人类工程活动等外部环境作用下加快了土体力学平衡的破坏，导致了岩溶塌陷地质灾害的发生。

图7 人为诱发塌陷动力模式图

人为诱发塌陷为区内主要塌陷类型。人为因素主要是过量抽排地下水，使得区域岩溶地下水水位埋深降低数米至数十米，地下水天然流场受到严重破坏，上部松散土体在渗透压力及真空吸蚀力（或失浮托力）等的作用下，土洞形成并发展，经降水入渗或地表水体渗入而诱发，产生岩溶塌陷。

致塌模式概化为抽排地下水→地下水水位剧烈波动→土体破坏形成土洞→土洞扩大→岩溶塌陷产生（图7）。

铜陵市铜官区朝山村、新民岩溶地面塌陷发生在铜陵市铜官区西湖镇朝山村和天门镇新民村境内。2006～2015年9月，新产生岩溶地面塌陷坑121个。塌陷分布区南北长约1400m，东西宽约200m，总影响面积28×104m2。

塌陷区微地貌为坳谷，标高约12～16m，地表为第四系全新统粘土覆盖，下部为中更新统粘土；周边地区为岗地，标高约17～31m，地表为第四系中更新统粘土覆盖。塌陷区表层由第四系全新统冲洪积层（Qhal+pl）覆盖，为灰色粘土、亚粘土；下部为中更新统冲洪积层（Qp2al+pl），岩性为褐黄色粘土，结构紧密，含水性微弱，厚度约8～10m。

矿山生产过程中抽排地下水是严重影响区内地下水动力条件唯一的因素。塌陷区周边有3座开采矿山，直线距离约为0.9～1.2km。A矿山恢复基建进行矿山疏干排水试验，从11月1日起每日排水量4800m3。B矿正常生产每天排水1000m3。C矿正常生产每天排水1300m3。3家矿山每天有7100m3的排水量，造成地下水位剧烈波动，一方面疏通了基岩的溶蚀裂隙，另一方面加剧了对上部土体的潜蚀破坏，使土层破坏流失，土洞规模不断扩大。后因地下水位降低，塌陷体失去水体浮力，重力相应增加，引起塌陷。

铜官区西湖镇朝山村塌陷区岩溶水水位受人类工程活动及大气降雨的影响，大幅波动，年变幅达10～20m。铜陵SJ01孔水位埋深最大24.891m，最小水位埋深6.799m，水位年变幅18.092m。

人工大规模抽取地下水的过程中，形成以抽排水点为中心的降落漏斗，地下水径流速度加快，并发生垂向的渗流补给，水力梯度增大，大于了底部土层临界水力梯度值，土层破坏发生潜蚀效应形成土洞。随着抽水过程的延续、地下水水位剧烈波动，土洞持续向上发展。当地下水水位线到达土洞顶部后继续发展，形成真空状空腔，对上覆土体产生抽吸力，发生真空吸蚀效应发生地面塌陷。

[1]安徽省第二水文地质工程地质队.1∶20万铜陵幅区域水文地质普查报告[R].1984.

[2]安徽省地勘局第二水文地质工程地质队与321地质队.铜陵市水文地质工程地质环境地质综合详查报告（1∶50000）[R].1997.

[3]蒋小珍，雷明堂，郑小战，管振德，等.岩溶塌陷地质灾害监测技术[M].地质出版社.

[4]韩行瑞，等.岩溶水文地质学[M].科学出版社.

[5]安徽省地矿局321地质队.铜陵市郊区铜山镇南泉村南泉鲍岩溶塌陷地质灾害勘查报告[R].2007.

[6]雷明堂，蒋小珍.岩溶塌陷研究现状、发展趋势及其支撑技术方法[J].中国地质灾害与防治学报,1998.

[7]姜伏伟，雷明堂，管正德，等.土洞发育水动力判据及应用研究[J].工程地质学报，2014.

[8]陈国亮.岩溶地面塌陷的成因与防治[M].中国铁道出版社，1994.