湖南省临武县黄寿湾村岩溶塌陷易发程度分区研究

肖 谆，肖其鹏，万方良，刘 雨，张 杨，李志磊

(湖南省有色地质勘查研究院，湖南 长沙 410015)

0 引言

黄寿湾村位于湖南省临武县北西约20 km的武源乡境内，为武源乡乡政府所在地，面积约5.07 km2。自2010年起已持续发生多处岩溶塌陷地质灾害，现已形成岩溶塌陷33处，其中有12处达中型规模，1处达大型规模，它们分布于黄寿湾村—满安江—武源乡政府—龙家等村落及其第四系低洼地带的溪沟、农田区，严重影响了村民的生活和安全，制约了村民的经济发展及新农村、新城镇建设。因此，对黄寿湾村进行岩溶塌陷预测评价十分重要、迫切。进行岩溶塌陷易发性分区研究可以帮助预测岩溶塌陷地质灾害的发展趋势，研究防治对策，为岩溶塌陷地质灾害防治方案的制定提供科学依据，为政府科学决策提供地学支撑。

1 研究区地质环境条件

1.1 地形地貌条件

研究区地貌按其成因，可分为三种地貌类型：河流溶蚀侵蚀堆积地貌、河流溶蚀侵蚀坡积地貌、构造剥蚀丘陵地貌，总体地势北高南低，随区内溪流流向降低，地面高程393.3～538.6 m，最大相对高差为145.3 m。

1.2 地层岩性及地质构造

地层岩性由老至新主要为寒武系(∈)厚层状长石石英砂岩、板岩、砂质板岩；中泥盆统跳马涧组(D2t)紫红、灰紫及灰白色含砾石石英砂岩，粗至细粒石英砂岩，粉砂岩及粉砂质页岩；棋梓桥组(D2q)灰岩、白云岩及白云质灰岩，局部地段下部夹粉砂岩及钙质页岩和第四系残坡积层(Qheld)，寒武系分布于研究区西、北两侧外围边缘，跳马涧组与下伏寒武系呈角度不整合接触(图1)。

研究区位于大石坪复向斜的东侧，四周由SN、NE和NW向断裂所控制，北西为近SN向凤凰岭逆冲断裂(F1)，北东为NW向谷富塘断裂(F2)，南东为NE向上大村压扭性断裂(F3)。

1.3 工程地质条件

研究区岩体按地层、岩性可划分为土体和岩体两部分。研究区土体属单层结构，残坡积成因，分布面积约2.95 km2，厚3～14 m。主要成分为黄褐色黏土含砾石、砂砾石碎块和粉质黏土，结构稍紧，呈硬塑—可塑状，具较强黏性。覆盖于垂直岩溶发育带及高边坡上，易于垮塌，属不稳定土层。根据岩石物理力学性质及岩性组合特征，将区内岩体划分为坚硬中厚层至厚层状碳酸盐岩体、坚硬中厚层状砂岩体、坚硬厚层状砂岩与板岩互层岩体三大类，研究区分布最广为坚硬中厚层至厚层状碳酸盐岩体(图2)，包含区内泥盆系棋梓桥组灰岩、白云岩及白云质灰岩等岩性综合体。岩石饱和抗压强度为60 MPa～160 MPa，中厚至厚层状，岩石完整，RQD为80%～95%，坚硬，抗压强度大于60 MPa，稳固性好。

图1 研究区地质简图

Fig.1 Gieological sketch map of the study area

1—第四系残坡积层 2—中泥盆统棋梓桥组 3—中泥盆统跳马涧组 4—寒武系 5—逆断层及编号 6—性质不明断层及编号 7—地质界线 8—不整合地质界线 9—向斜 10—产状 11—建筑物 12—评价区范围 13—岩溶塌陷点及编号 14—地裂缝15—溶洞 16—落水洞 17—剖面线及编号

图2 B—B′剖面图

1—第四系残坡积层 2—中泥盆统棋梓桥组灰岩(碳酸盐岩体) 3—中泥盆统跳马涧组石英砂岩(砂岩体) 4—寒武系长石石英砂岩(砂岩体) 5—地质界线 6—实(推测)岩溶发育带界线 7—地下水位线 8—施工钻孔 9—钻孔静止水位 10—断层 11—房屋 12—水塘

1.4 水文地质条件

研究区地下水类型有松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、碳酸盐岩裂隙溶洞水，水位埋深为0.25～33.3 m。松散岩类孔隙水主要补给来源为大气降水，局部受地表水体补给，向邻近河床迳流和排泄，富水性贫乏至中等，水位年变化幅度为1～2 m，地下水总的流向：自北西→南东→南西→东方向径流。基岩裂隙水以大气降水通过松散层间接补给为主，部分为大气降水直接补给，以泉或泄流形式向附近沟谷排泄，或以潜流的形式补给周边碳酸盐岩裂隙溶洞水，富水性贫乏。碳酸盐岩裂隙溶洞水受大气降水、地表水、松散岩类孔隙水、基岩裂隙水的补给，地下迳流以管道流为主，以暗河、泉形式排泄转为地表水，总的流向：自北西→南东，富水性中等—丰富，动态变化主要受降雨影响，年水位变化幅度约为5 m。

1.5 岩溶塌陷发育现状

研究区内发生岩溶塌陷33处，其中大型1处，中型12处。岩溶塌陷面积为0.75～2400 m2，长轴直径为1～60 m，塌陷深度为1～15 m，多数呈漏斗状，部分呈坛状下扩；塌陷坑在平面上总体呈长列式排列，部分塌洞中有水；其形成时间主要在2010年10月至2014年9月。岩溶塌陷主要分布在黄寿湾村—满安江—武源乡政府—成家岭—成家山—龙家村等村落及第四系低洼地带的溪沟、农田区，塌陷点地表土层为冲洪积的粉质黏土层，夹有碎石，下伏基岩主要为中泥盆统棋梓桥组(D2q)灰岩、白云岩及白云质灰岩。根据岩溶形态现状、岩溶泉分布及流量指标，并综合分析物探、钻探等成果资料，将调查区可溶岩地区的岩溶发育程度划分为强、中、弱三级(图3)。

2 岩溶塌陷的影响因素

岩溶塌陷是受多种因素共同作用的结果。结合研究区岩溶塌陷的分布规律，笔者认为影响研究区岩溶塌陷的主要因素有地形地貌、土层厚度、土层结构、岩溶发育程度、断裂构造、自然条件下水活动因素、人类工程活动等，其中最为密切的为岩土体类型(土层厚度、结构)、岩溶发育程度和人类工程活动。

1—第四系残坡积层 2—中泥盆统棋梓桥组 3—中泥盆统跳马涧组 4—寒武系 5—逆断层及编号 6—性质不明断层及编号 7—地质界线 8—不整合地质界线 9—向斜 10—产状 11—评价区范围 12—岩溶塌陷点及编号 13—地裂缝 14—溶洞 15—落水洞 16—岩溶强发育区及编号 17—岩溶中等发育区及编号 18—岩溶弱发育区及编号 19—非岩溶区 20—岩溶分区界线

2.1 岩溶塌陷与岩土体类型关系

区内溶岩埋藏条件大体划分为覆盖型岩溶区和裸露型岩溶区，岩溶塌陷发生于覆盖型岩溶区，而裸露区仅有溶洞、落水洞及少量岩洞塌陷分布。

覆盖区盖层土体结构多为单层结构，厚3～14 m，盖层土体之下主要为中泥盆统棋梓桥组厚层灰岩、白云岩、白云质灰岩，岩石质纯坚硬，非溶性成分较低，溶蚀作用主要集中在中上部灰岩中，岩溶深度一般在30 m以内，浅层形成溶沟溶槽、溶蚀裂隙、溶洞等，在外在动力条件改变下，上覆土层不断被地下水侵蚀，形成土洞，上覆土体失稳后垮塌，形成岩溶塌陷。

2.2 岩溶塌陷与岩溶发育程度的关系

受岩性及构造的影响，区内岩溶泉、岩溶地裂缝及溶洞发育。黄寿湾、满安江、武源乡政府等3处地段为岩溶强发育区，龙家村、黄寿湾村外围—成家岭—成家山馒头岭一带、新屋场—武源乡政府—寺湾村西南一带为岩溶中等发育区，这些均为岩溶塌陷的产生提供了前提条件。

2.3 岩溶塌陷与人类工程活动关系

工作区范围内人类工程活动主要为地下水开采、修建房屋、公路及水利设施等。近年来，由于武源乡城镇规模不断扩大，公路民建等基础设施得到不断发展，村镇学校用水量也在逐年增多，抽取地下水对岩溶塌陷的发育也起到了不可忽视的作用。在溶洞和土洞的上方修建地面建筑时，使原本处于基本平衡状态的溶洞和土洞顶板增加重量而加快塌陷的形成。

3 岩溶塌陷易发程度分区

由于控制地质灾害形成的因素很多，既包括内动力地质作用，也包括外动力地质作用，因此，地质灾害的分区与区划是一个复杂的多元系统。目前，国内外可用于区划的方法很多，可分为定性分析和定量评价两种[1-9]。

根据地质灾害的发育分布规律、地质环境条件以及人类工程经济活动现状，选取影响地质灾害发生、发展的因素，再采用定量结合定性的方法，对地质灾害易发性有影响的主要因素进行分级处理并赋以分量值，同时充分考虑各选取因素对地质灾害的影响程度大小，赋予不同权重体现其影响程度。将黄寿湾村采用网格剖分法分成若干个评价单元，对每个评价单元内的各项分区指标进行打分赋值，经数值化处理后，从而获得评价单元内各项指标分区值，然后对各项分区指标进行叠加分析，得出各评价单元的易发程度指数值。易发程度指数值越大，表示该单元地质灾害易发程度越高，根据每个单元的易发程度指数，依据易发程度分区的标准进行地质灾害易发程度分区。

3.1 指标分级标准和权重的确定

确定因子权重的方法有德尔菲法、层次分析法(AHP)、主成分分析法、因子分析法、熵值法等[10-11]。本文利用已得到了广泛应用的层次分析法(AHP)确定各评价因子的权重，计算过程如下：

步骤一、建立层次结构模型

评价层次结构模型包括目标层(岩溶塌陷易发程度评价体系)、准则层和指标层(评价因子)3个层次。准则层有3个因素：地质环境条件、诱发因素和地质灾害现状。地质环境条件的下属指标层为地形地貌、土层厚度、土层结构、岩溶发育程度、断裂构造；诱发因素的下属指标层为自然条件下水活动因素和人类工程活动；地质灾害现状的下属指标层为岩溶塌陷发育程度。

步骤二、构造判断矩阵

根据层次结构模型只能确定上下层元素之间的关系，而在同一层次的各个元素的重要性也不尽相同，对某一层次中的影响元素进行重要性的两两比较，形成比较判断矩阵。首先对该地区岩溶塌陷地质灾害形成背景及影响因素的相对重要性进行打分，最后构造判断矩阵。其次，构造判断矩阵。从层次结构的第二层开始，逐层计算下一级层次各指标对上一层某个指标的相对权重，然后采用1～9标度方法分别对准则层和指标层中从属于准则层的每个评价指标的同一层要素进行两两比较，再根据调查资料、研究者的认识程度，加以平衡后得出。最后根据表1分别赋以相应标度值，构造出岩溶塌陷灾害易发程度综合评价指标体系重要度判断矩阵表2。

步骤三、计算评价指标权重

以表2构造矩阵为基础，根据求和法计算出构造矩阵的最大特征值及对应特征向量：

(1)

(2)

表1 标度法的含义

表2 易发程度综合评价指标体系重要度比较矩阵

注：A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8分别代表地形地貌、土层厚度、土层结构、岩溶发育程度、断裂构造、自然条件下水活动因素、岩溶塌陷发育程度、人类工程活动。

(3)

w=(w1，w2，w3……wn)T

(4)

w为构造矩阵A的特征向量，即评价因子的权重，经计算w=(0.05，0.05，0.15，0.22，0.05，0.06，0.32，0.10)T。

3.2 评价因子分析

在充分考虑单因子致塌效应，并结合大量的实践经验和前人的研究成果后，对8项评价因子进行相应分级赋值，其分级结果见表3及图4。各评价因子等级划分依据如下：

1)地形地貌：区内主要分布三种地形地貌类型，分别为河流溶蚀侵蚀堆积地貌、河流溶蚀侵蚀坡积地貌、构造剥蚀丘陵地貌。其中河流溶蚀侵蚀堆积地貌是塌陷集中分布地段，地形平坦开阔，地形坡度一般小于5°。

表3 各影响因子名称以及赋值

2)土层厚度：区内岩溶塌陷的发育分布与第四系土层厚度存在密切的关系。在其他条件基本相似的前提下，当第四系覆盖层厚度为5～15 m时，最容易发生塌陷；当第四系覆盖层厚度大于30 m或厚度小于5 m时，一般相对较难发生或塌陷相对较弱。

3)土层结构：土层结构对塌陷发育有重要影响。区内土层为单层结构，根据勘查分析区内单层结构软塑土最易产生塌陷(土洞)，单层结构可塑土发育岩溶塌陷可能性次之，单层结构硬塑土较难发生岩溶塌陷。

4)岩溶发育程度：浅部岩溶发育程度是产生塌陷的前提条件，据地表调查土洞、溶洞、落水洞及塌陷的分布情况，绘制出与岩溶发育程度有关的因子分析图。

5)断裂构造：地质构造是研究区内岩溶发育的必要条件，同时也是区内岩溶发育的内在控制因素之一。研究区内较大断裂有3条：SN向凤凰岭逆冲断裂(F1)、NE向谷富塘断裂(F2)和NW向上大村压扭性断裂(F3)，其中近SN向断裂F1附近发育有数处岩溶岩溶塌陷。故断裂构造通过处划分为高易发区。

6)自然条件下水活动因素：地下水的影响主要从年变化幅度按照就高原则进行评价，碳酸盐岩裂隙溶洞水年变化幅度大，该区域划分为高易发区，其他为低易发区。

图4 黄寿湾村单因子评价分区图

Fig.4 Zoning map of single factor evaluation in Huangshouwan Village

1—高易发区 2—中易发区 3—低易发区

7)人类工程活动：将城镇和大村等居民集中及基础建设活动区域划分为高易发区，其他区域划分为低易发区。

8)岩溶塌陷现状发育程度：据研究区内岩溶塌陷主要分布于黄寿湾村、满安江、龙家村等地段，其他地段零星分布。

3.3 综合分区

根据各影响因子图层，运用栅格数据处理方法对研究区进行剖分，每个单元面积为0.1 km×0.1 km，共534个格子。利用MapGIS空间分析功能进行叠加综合分析处理，计算出易发程度指数值，指数值6～8分为高易发区；4～6分为中等易发区；小于4为低易发区。按照岩溶塌陷灾害易发程度高低分为3个等级：岩溶塌陷高易发区、岩溶塌陷中等易发区和岩溶塌陷低易发区(表4)，进而对整个研究区进行易发性半定量评价，得出易发性分区图(图5)。

表4 易发程度指数值

图5 各影响因子叠加分析易发分区图

1—高易发区及编号 2—中易发区及编号 3—低易发区及编号4—断层 5—建筑物 6—岩溶塌陷点及编号 7—地裂缝 8—溶洞 9—落水洞 10—水系

由图5可见，在工作区可划分出岩溶塌陷高易发区2个，中易发区3个，低易发区1个；岩溶塌陷高易发区面积为0.45 km2，中易发区面积为0.92 km2，低易发区面积为3.70 km2。岩溶塌陷高易发区分为2个块段，分别为黄寿湾周边与满安江周边一带。黄寿湾村地表见19处岩溶塌陷，83处房屋开裂；满安江一带地表见4处岩溶塌陷，多处农田漏水。这与研究区岩溶塌陷发育的实际情况基本一致。

4 结论

本文从岩溶塌陷的影响因素分析出发，综合考虑了岩溶塌陷发育分布规律、地质环境条件以及人类工程经济活动现状对黄寿湾地区岩溶塌陷形成发育产生的实际影响，并在此基础上，选定了地形地貌、土层厚度、土层结构、岩溶发育程度、断裂构造、自然条件下水活动因素、人类工程活动、岩溶塌陷发育程度等8项子因素作为评价因子，按照定量结合定性的方法确定评判模型，利用AHP方法计算了各评价因子的权重，通过MapGIS平台进行空间叠加分析，并输出了评价结果图件(即研究区岩溶塌陷易发性分区图)。该评价结果客观、合理，能够与实际情况相互印证，具有较高的可信度。