山东荆泉断块区覆盖型岩溶塌陷控制因素和影响因素分析

2020-06-30冯亚伟李志峰

中国地质灾害与防治学报 2020年3期

冯亚伟，李志峰，仝路，曾斌

(1.山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地勘局第二地质大队)，山东兖州 272100；2.山东省地矿局岩溶地质重点实验室，山东兖州 272100；3.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北武汉 430074)

0 引言

据统计，全球岩溶发育区涉及85个主要国家，总面积约17.89×106km2，占全球陆地总面积的12%[1]，“一带一路”沿线国家为世界主要岩溶分布区，约55个国家分布有岩溶，占全球岩溶总面积的60%。我国岩溶分布面积约346.3×104km2，占国土总面积的三分之一以上，由此引发了一系列的岩溶地质问题，岩溶塌陷是其中主要地质灾害类型之一，主要分布在西南、华南、华中等岩溶强发育区[2]，截至2010年，全国已发生岩溶塌陷1 600起，形成塌陷坑40 000个[3]。随着山东省岩溶发育区社会经济的快速发展，土地资源、水资源和矿产资源开发的不断增强，由此引发的岩溶塌陷问题日益突出，自20世纪70年代初期以来，发生多起岩溶塌陷问题，主要分布于鲁中南的临沂、泰安、莱芜和枣庄等地[4]。

近年来，山东省荆泉断块岩溶塌陷灾害频发，以西坞沟村岩溶塌陷为例，该塌陷发生于2016年5月26日清晨的马铃薯田地，当时该田地正在灌溉，地面突然下陷，形成一个平面呈圆形、直径约12 m、深约13 m的塌陷坑，距京沪高铁直线距离仅80余米(图1)。

塌陷发生后，不仅在当地村民中引起了恐慌，还对京沪高铁运输安全造成严重威胁，引起了相关部门的高度重视，迫切需要查明当地岩溶塌陷诱发因素，提出岩溶塌陷防治措施，降低这一区域岩溶塌陷再次发生的可能性。

由于岩溶塌陷的突发性和破坏性，国内外众多学者致力于研究其诱发因素，以期降低危害。通常，岩溶塌陷的形成是由于上覆砂层被基岩渗透带中的水侵蚀至岩溶管道，在基岩面之上形成空腔，随着侵蚀的继续，空腔持续变大，达到砂土层的极限平衡之后，形成塌陷[5]。有些学者通过开展水气压力监测探讨岩溶塌陷的诱发因素[6-7]，评价岩溶塌陷形成临界力学模型[8]；有些学者通过开展地球物理勘探、钻孔、地下水高程测量及地下水水化学分析等多种方法，研究岩溶塌陷影响因素，总结岩溶塌陷形成机理[9]，认为大多数的岩溶塌陷均是由与水相关的因素(低水位和强降雨)直接造成的[10]。我国岩溶塌陷问题的研究始于20世纪80年代，特别是20世纪90年代以来，岩溶塌陷问题频发，与之相关的研究也越来越深入，取得了丰富的研究成果[11]。山东省岩溶塌陷的研究主要集中于临沂市城区预警系统的建设及风险性评价[12-13]、泰莱盆地岩溶塌陷形成机理及水源地岩溶塌陷演化过程[14-15]。荆泉断块岩溶塌陷的成因机理，在中国北方岩溶地区具有良好的代表性，但研究尚不深入。本文以荆泉断块岩溶塌陷为研究对象，探讨其诱发因素，不仅可以丰富中国北方岩溶塌陷理论研究，还可为政府职能部门防灾减灾提供决策依据。

1 研究区地质背景

荆泉断块位于山东省滕州市东北部，北部以长龙断裂为界，西南部边界为峄山断裂，东部和东南部以地层岩性及地表分水岭为界，总面积约160 km2，地势总体东北高、西南低，京沪高速铁路由北往南贯穿全区；地处暖温带半湿润大陆性季风气候区，多年平均降水量748 mm；属淮河流域运河水系，主要地表水体为荆河及城郭河，其次为分布于北部、东部边缘山区的马河水库和岩马水库。荆泉断块内变质岩多分布于桑村穹隆及其附近地区；奥陶系地层多分布于峄山断裂之东、长龙断裂之南，以隐伏分布为主；侏罗系地层多分布于峄山断裂以西的广大地区，多为浅埋藏状态，局部见有露头；古近系地层小范围分布于长龙断裂以南的杨明庄周围；第四系主要分布于本区中部及西部的广大地区，以长龙断裂之南田庄一带最厚；岩浆岩主要分布在桑村穹隆的核部及长龙断裂之北，在桑村穹隆的核部多为隐伏状态，长龙断裂之北大部分裸露(图2)。

荆泉断块岩溶水系统为一相对独立、完整的地下水系统，具有间接补给、直接补给和汇集排泄等一套完整的地下水补给、径流、排泄与蓄存功能。岩溶主要发育在奥陶系马家沟组中，马家沟组地层连通性好，导水性强，水量丰富，是区内岩溶水的主要赋水岩组。以俞寨-罗庄一带为例，此区岩溶发育极为强烈，含水层厚50～70 m，井孔单位涌水量大于3 000 m3/(d·m)，最大达6 988.98 m3/(d·m)。本区岩溶水具有补给面积大，径流条件好，排泄集中的特点。区内岩溶水的补给以大气降水入渗、地表水渗漏补给为主，其次为农田灌溉回渗补给、孔隙水越流补给。岩溶水的整体径流方向为北东-南西向，水力坡度沿径流方向逐渐变小。岩溶水的主径流带在冯卯-邵疃-俞寨一线。岩溶水的排泄方式主要有自然排泄和人工开采排泄两种，自然排泄包括泉水排泄和向第四系孔隙水越流排泄；人工排泄以荆泉水源地的集中大量开采为主，也是区内岩溶水最主要的排泄方式。

京沪高铁滕州段从滕州市东北经过荆泉水源地主开采区北侧。水源地内，岩溶隐伏于第四系松散岩之下，岩溶发育于寒武-奥陶系碳酸盐岩内，岩溶发育，溶洞竖向直径一般1～2 m，最大约6 m，溶洞多为空洞或半充填，充填物为黏土夹碎石及粗砂、砾砂等。

2 岩溶塌陷现状

据初步统计，2015年5月份以来，区内共发生岩溶塌陷58起(图3、表1)，主要分布在杨明庄、大坞沟、罗庄、后梁及俞寨周边。塌陷平面形态一般为圆形、椭圆或不规则状，剖面形态多为圆柱状、锥状或碟状。小型塌坑约占所有塌坑的75.86%(圆形塌坑直径介于0.3～8 m，椭圆形塌坑长轴介于0.6～9.5 m，深度介于0.1～7 m)，其余为中型塌坑(圆形塌坑直径介于10～12 m，深度介于1～13 m；其余塌陷坑长轴介于10～34.6 m，深度介于0.3～4.5 m)。塌坑底部均被第四系黏质砂土覆盖，未见基岩出露，附近地面多见土体开裂，形成岩溶塌陷隐患点，分布多呈条带状，由南西向北东方向展布。

表1 岩溶塌陷点基本情况一览表

续表

注：S(Sinkhole岩溶塌陷)、黏(黏土)、砂(砂土)、粒(混粒土)、砂砾(砂砾石层)、淤泥(淤泥质黏土)。

3 岩溶塌陷控制因素分析

3.1 岩溶发育程度

研究区岩溶发育程度分区见图4。

图4 岩溶发育程度分区图Fig.4 Zoning map of karst development degree

由图3结合钻孔资料可知，奥陶系地层岩溶形态以溶蚀裂隙和蜂窝状溶孔为主，地层岩溶能见率介于10%～72%之间，强岩溶发育带位于俞寨、秦林、屯里、王庄一带等排泄区或近排泄区，隐伏奥陶系灰岩岩溶发育均一，以蜂窝状溶孔为主，大部分钻孔可见溶洞；寒武系地层岩溶发育情况不一，馒头组石店段地层岩溶发育强，地层岩溶能见率达30%，强岩溶发育带主要位于岩马水库大坝下游，前坞沟、邵疃、东郭一带等径流区，岩溶形态主要为溶蚀裂隙，溶孔次之，很少溶洞，岩溶能见率10%～20%，为岩溶发育区。

据岩溶埋深能见率统计，基岩顶板下埋深30～60 m段，岩溶埋深能见率31.4%，为岩溶最发育段；其次为0～30 m和60～90 m段，岩溶埋深能见率约24%，为岩溶强发育段；90～180 m，岩溶埋深能见率15%左右，为岩溶中等发育段；180～210 m，岩溶埋深能见率3.6%，为岩溶弱发育段；210 m以下，极少见岩溶发育，为岩溶极弱发育段。

强烈发育的岩溶是区内岩溶塌陷形成的最基础条件[16]，岩溶越发育的地方越有利于岩溶塌陷的形成。与岩溶发育程度分区相一致，岩溶塌陷主要分布在强岩溶发育带中的俞寨、罗庄、后荆沟、后梁及杨明庄一带，这一地区地势较低洼，岩溶发育较为强烈，含水层厚约50～70 m，水量较为丰富，地下水径流迅速，上覆第四系砂层较为松散，在地下水流的冲刷作用下不断塌落，土洞越来越大，当其无法承受上覆土体压力时，就会在地表形成岩溶塌陷，反向证明了岩溶发育是本区岩溶塌陷形成的主要影响因素之一。

3.2 覆盖层土体结构及厚度

据表1可知，除S12岩溶塌陷点上覆土层结构为双层结构外，其余各点上覆土层结构均为多层结构，占总数的92.9%，多以砂土与黏土互层，少数含有砂砾石层、混粒土与淤泥质土。相对黏性土来说，砂土的黏结性较差，在地下岩溶水的冲刷下，易于土洞的形成，产生塌陷。

按可溶岩地层的出露条件，可将岩溶区划分为裸露型岩溶区、覆盖型岩溶区和埋藏型岩溶区[2]。据图5可知，区内上覆第四系土层厚度多在20 m以浅，属浅覆盖型。按照土层厚度结构分区来看，裸露岩溶区未产生岩溶塌陷，在地表多分布溶沟溶槽；0～5 m土层厚度分区产生岩溶塌陷8起，占总塌陷个数的13.8%，主要分布在东孙庄东北(S11)，距京沪高铁仅100余米；5～10 m土层厚度分区产生岩溶塌陷22起，占总塌陷个数的37.9%，主要分布在俞寨村西(S12)和后荆沟村东北(S14)，基本都分布在距荆泉水源地直线距离300 m范围内；10～15 m土层厚度分区产生岩溶塌陷28起，占总塌陷个数的48.3%，主要分布在罗庄及西坞沟村高铁沿线、杨明庄-虺城店一线，这一地区为荆泉断块地下水主径流区，地下水流速快，富水性好；15 m以上土层厚度分区基本未产生岩溶塌陷。

据研究统计分析，地面塌陷绝大多数发生在覆盖型岩溶区，而覆盖层是覆盖型岩溶塌陷发生的主体，其厚度和结构影响岩溶塌陷的易发程度[17]。综合来看，荆泉断块土层厚度相对较薄，且多夹有砂层及砂砾石层，为岩溶塌陷的形成提供了必要的基础条件。

图5 覆盖层土层厚度分区图Fig.5 Subarea map of overlying soil thickness

3.3 地质构造

地质构造主要是通过控制岩溶发育程度来影响岩溶塌陷程度的。断裂构造发育的地段，岩石破碎，利于地下水的渗透，是岩溶发育强烈的地段，亦是水流活动强烈之处，有利于岩溶塌陷的发生。荆泉断块构造特征是以断裂为主，区域节理、裂隙普遍发育，褶皱次之。构造活动所形成的断裂、节理、裂隙，为碳酸盐岩地下水溶蚀作用创造了有利条件，并制约着区域岩溶及垂向岩溶的发育与分布。岩溶发育形成了地下水运动的良好通道和储存空间。

由图3可知，在区内发生的58起岩溶塌陷中，有29起发生在距东郭断裂、峄山断裂及其次级断裂1 km范围内，占总塌陷点数的50%；3起发生在距东郭断裂1 km以外2 km以内范围，占总塌陷点数的5.2%；26起发生在距主要断裂2 km以外地区，占总塌陷点数的44.8%，这类岩溶塌陷点多沿河道及高铁周边分布；其它非构造发育区，岩溶裂隙不发育，没有岩溶塌陷发育的基本条件，基本没有产生岩溶塌陷。

4 影响因素和诱发因素分析

4.1 水动力条件

根据区内多年降雨量监测资料，选取荆泉水源地内孔隙水、岩溶水水位长期监测资料，做出多年地下水水位动态图(图6)。

图6 荆泉断块地下水水位动态图Fig.6 Dynamic groundwater level of Jingquan fault block

4.1.1 孔隙水

孔隙水与岩溶水水力联系越强，越有利于岩溶塌陷的产生。由图6可知，2014年初开始，区内降雨普遍偏少，2015年及2016年枯水期之后，区内降雨明显增加。由图7可知，岩溶塌陷多发区第四系覆盖厚度大多在15 m以浅，且含有砂层，而枯水期岩溶水水位远远低于基岩顶板，当夏季强降雨过后，大气降水迅速入渗补给孔隙水，松散土层快速饱和，后又迅速下渗补给岩溶水，在此过程中，孔隙水携带大量的砂土颗粒进入岩溶管道，“土洞”逐渐形成，当上覆土层不足以支撑自重时，就会在地表形成岩溶塌陷。

2015年及2016年的9月—10月，区内共产生5起岩溶塌陷，占总塌陷点数的8.6%，相对增强的水力联系，是这一时期岩溶塌陷产生的一大影响因素。

图7 荆泉断块岩溶塌陷地质剖面图Fig.7 Geological profile of karst collapse in Jingquan fault block

4.1.2 岩溶水

岩溶水位波动对岩溶塌陷的影响主要表现在改变基岩面附近岩溶水管道中水气压力的变化速度及变化幅度。

由图6可知，从2014年年初开始，到2016年枯水期结束，为区内相对枯水时段，这一时期区内降水量明显低于多年平均降水量，从而导致在2016年枯水期达到历史最低水位。且岩溶塌陷出现的时间集中分布于岩溶水水位在基岩面附近波动时期，也就是水位标高在68 m左右。

相对以往多年平均地下水水位埋深来说，2015年5、6月份地下水水位平均埋深分别下降8.31 m、10.74 m，水位波动分别为1.20 m、4.04 m，发生岩溶塌陷34起，占总塌陷点数的58.6%；2016年5、6月份地下水水位平均埋深分别下降26.98 m、26.49 m，水位波动分别为1.12 m、1.56 m，发生岩溶塌陷5起，占总塌陷点数的8.6%；2017年5、6月份地下水水位平均埋深分别下降1.38 m、1.11 m，水位波动分别为0.49 m、0.78 m，发生岩溶塌陷8起，占总塌陷点数的13.8%；2018年5、6月份地下水水位平均埋深分别下降-0.8 m、-0.11 m，水位波动分别为0.60 m、2.44 m，发生岩溶塌陷8起，占总塌陷点数的13.8%。由此可以看出，岩溶水水位波动大的时段易产生岩溶塌陷，主要原因为：地下水水位波动明显，岩溶水空腔中产生负压，且这一时期，区内灌溉活动频繁，第四系中含有较多的灌溉回渗水量，负压出现后，会加剧灌溉回渗水的渗流作用，从而导致土体破坏，诱发岩溶塌陷。

4.1.3 地表水

区内河流基本为季节性河流，只有在雨季下大雨后河道才会有水，且河道部分基岩裸露，下伏基岩岩溶发育，大气降水沿河床溶孔溶隙下渗迅速补给地下水，造成地下岩溶水位的快速抬升，大大加速岩溶水的流动，岩溶管道内压力快速变化，产生压力差，从而诱发岩溶塌陷。

4.2 人类活动

一个地区岩溶塌陷的形成除受自然因素(地质、水文和气象)影响以外，还受人类活动(地下水开采、地面载荷)的影响，而人类活动的影响是至关重要的[18]。

4.2.1 水源地开采

自20世纪70、80年代以来在泉水出露的排泄区建立了供应滕州市工业与生活用水的集中供水水源地，大量抽取地下水，造成泉水逐年减少，地下水位持续下降。该水源地允许开采量为8×104m3/d，目前实际开采量约9×104m3/d，超过允许开采量约1×104m3/d。近几年来降水偏少，地表水干涸，农业开采岩溶水量增大，岩溶水位连续下降。俞寨水厂水位埋深36.346 m(2016年6月)，远低于松散层底板。水源地内大部分地段岩溶水位已低于松散岩底板。地下水的大量开采，改变了原始地下水动力条件，加大了地下水流速，加快了地下水三水转化速率，易于诱发岩溶塌陷。

4.2.2 灌溉

据表1可知，岩溶塌陷发生时间多集中分布于每年的5～6月份，占总塌陷点数的86.2%。这一时期，区内降雨偏少，气温偏高，普遍干旱，农作物需水量增加，农田灌溉集中进行，地下水开采量增大。灌溉开采的地下水除部分以蒸发和根系吸收等方式散失以外，其余均回渗补给地下水，增强了地下水的补给，改变了原有地下水动力条件，增加了表层土体的含水率及自重，地下水环境由相对静态转换为相对动态，易于诱发岩溶塌陷。

4.2.3 地表载荷

2011年6月京沪高速铁路通车之前，区内未记载发生过岩溶塌陷，之后，随着京沪高速铁路车辆密度的逐渐增加，对区内的影响也逐渐显现出来。由图2可知，在京沪高速铁路附近分布有S03、S05、S09及S11等岩溶塌陷点。列车在行驶过程中，不但会产生振动，振动波还会改变上覆土层的密实程度，当土洞顶板承载力不满足要求时，就会在地面形成塌陷坑，产生岩溶塌陷。