栖霞中桥地区岩溶塌陷易发性及风险性评价

张生海

山东省第三地质矿产勘查院，山东 烟台 264004

0 引 言

栖霞中桥地区位于山东省胶东半岛中北部，区内分布岩溶地层，岩溶发育较为强烈，2005 年至今，先后发生15处岩溶塌陷(2 处为重复塌陷，共17 次)(见图1)，塌陷坑在平面上一般呈似圆形、椭圆形，在剖面上均为坛状。其中，5 次塌陷发生于村庄中，造成两间房屋倒塌、多处房屋开裂；其余塌陷发生于果园或河床中，给区内人民群众正常生产和生活带来了较大影响。因岩溶塌陷产生的突发性和隐蔽性，目前还难以实现准确预测，本文以栖霞中桥地区作为研究区，采用以定性分析为主，结合半定量的计算，对区内岩溶塌陷易发性进行了分析评价；在此基础上采用定性分析方法进行岩溶塌陷风险性评价。为当地政府及相关主管部门开展岩溶塌陷地质灾害防治、地区规划建设等提供基础性地质依据。

图1 研究区岩溶塌陷相对位置图Fig.1 Relative location of karst collapse in the study area

1 地质环境条件

研究区属暖温带东亚大陆性季风型半湿润气候，四季分明，多年平均降水量673.44 mm，为构造剥蚀丘陵—山间平原地貌，地势总体呈南北高中间低，区内主要河流为白洋河、燕地河，大地构造属华北板块(Ⅰ)胶辽隆起区(Ⅲ)胶北隆起(Ⅲa)胶北断隆(Ⅲa1)藏格庄凹陷(Ⅲa14)[1]，东、南部主要出露新元古界蓬莱群地层，局部出露中生界莱阳群和青山群及古元古界荆山群地层，中部山间平原及沟谷发育有新生界第四系地层。

研究区北部岩浆活动强烈，岩性主要花岗岩、闪长岩；区内断裂构造较为发育，走向主要为近东西向和北东向，规模较大的区域性断裂为近东西向的吴阳泉断裂，属控盆断裂，位于臧家庄盆地北部边缘，第四纪以来具有明显的活动特征(见图2)。

2 岩溶塌陷形成的影响因素

2.1 岩溶地层与构造断裂

研究区出岩溶地层主要为新元古界蓬莱群香夼组灰岩，根据其出露条件，可分为裸露型、覆盖型和埋藏型三种(见图3)，区内岩溶塌陷均发生于覆盖型岩溶区。

图2 研究区区域地质略图

图3 研究区岩溶区类型分布图

区内断裂构造整体呈网状发育，以左行压扭性、张扭性断裂及正断层为主，正断层、断层上盘相对于逆断层、断层下盘岩溶发育。区内岩脉较发育，走向多与断裂构造走向近，多倾向东，脉岩单体宽度小，长度亦短。

构造断裂控制着岩溶发育规模，同时也决定了岩溶发育方向，为地下水提供了良好入渗通道，加强了含水层之间的水利联系，有利于岩溶水的循环及溶蚀作用的进行，为坍塌岩土体提供了良好的储存场所和物质运移通道[2-3]。区内岩溶塌陷主要发生于构造发育地带且均位于断裂构造的上盘区。

2.2 岩溶发育程度

岩溶发育是塌陷形成的物质基础[4]。研究区岩溶形态主要为溶孔、溶隙、溶洞三种类型，其中溶洞累积规模一般<6 m，溶洞高度多数在2 m以下，其次为2～5 m，高度>5 m相对较少，充填程度呈现全充填、半充填及未充填状态。根据区内岩溶层组、岩溶形态、地下水通道、岩溶的发育形态等岩溶发育程度分级指标(见表1)，将研究区岩溶平面上的发育程度划分为发育、中等发育、不发育三个等级(见图4)。

图4 研究区岩溶发育程度分区图

表1 岩溶发育程度分级标志一览表

2.2.1 岩溶发育区

主要分布在北城子村—水道观村南部—泗水村—南桥村—中桥村南—中联水泥厂—油家泊村一带。该区岩溶地层主要为香夼组二段，岩性为灰岩；地下溶洞发育，钻孔遇洞率>60 %，钻孔岩溶率>10 %，溶洞高度一般小于4 m，个别钻孔遇溶洞高度可达9.5 m，溶洞多数无充填物，局部被砂砾或粉质粘土充填；该区富水性好，单井涌水量>1 000 m3/d，局部>5 000 m3/d。

2.2.2 岩溶中等发育区

主要分布于发育区外围以及炉头村周围。该区岩溶地层主要为香夼组一段，岩性为泥灰岩夹灰岩；地下溶洞发育不多，溶洞、溶孔、溶隙等岩溶形态相对较少；钻孔遇洞率为30%～60%，钻孔岩溶率3%～10%，溶洞高度0.50～1.00 m；该区域富水性中等，单井涌水量<1 000 m3/d。

2.2.3 岩溶不发育区

主要分布于西北大部分地区，地表主要出露第四系松散覆盖层或青山群八亩地组安山角砾岩和安山角砾熔岩，下伏灰岩埋深较大，钻孔遇洞率< 30 %，钻孔岩溶率< 3 %，浅部溶洞不发育。

2.3 第四系覆盖层厚度及土层结构

研究区第四系松散覆盖层分布广泛，岩性、厚度等特征组合在地下水动力条件发生改变时，有利于土洞形成，为岩溶塌陷提供了运移的物质条件，是岩溶塌陷产生和发展的一个重要影响因素[5-6]。

区内绝大部分地区的第四系覆盖层厚度<30 m，局部>30 m。15 处塌陷中，10 处发生在覆盖层厚度<15 m分布区，2处发生在度15～25 m分布区，3处发生在厚度>25 m分布区。

区内中部地区覆盖层多呈“粘性土-粘性土砂土互层”或“粘性土-粘性土砂土互层-粘性土”多层结构，西北地区、河谷附近和第四系边缘地带主要呈砂层或碎石层单层结构，局部地区呈“粘性土-砂土”或“砂土-粘性土”双层结构。15 处岩溶塌陷中，14 处发生于多层结构，1 处发生于单层结构；9 处土层底部岩性为粉质黏土，3 处土层底部岩性为碎石土，2 处土层底部岩性为粗砂，1处土层底部岩性为砾砂。研究区岩溶塌陷与第四系覆盖层厚度及土层结构分布详见图5。

图5 岩溶塌陷与覆盖层厚度及土层结构分布图Fig.5 Distribution of karst collapse,overburden thickness and soil structure

2.4 地下水位及变幅

2014—2016 年，研究区降水量持续减少，区内地下水位整体下降趋势较大，水位变幅较大，2017—2018 年，降水量较上年骤增，地下水位呈快速回升态势，水位变幅较大，水位变化最为明显的为2016—2017年，是区内岩溶塌陷地质灾害的盛发时期(见图6)。

图6 盛发期岩溶塌陷年度分布图Fig.6 Annual distribution of karst collapse in the peak period

岩溶水位下降至基岩面附近或以下，在基岩与土层界面附近长时间强烈波动是导致塌陷产生的根本原因[7-8]。盛发期12 次塌陷中，岩溶地下水位整体位于灰岩面3.5 m范围内波动，位于灰岩面之上的塌陷多于位于灰岩面之下的塌陷，水位越接近灰岩面且变化速率越大，越易诱发岩溶塌陷(见图7)。

图7 盛发期岩溶塌陷与岩溶水位关系图Fig.7 Relationship between karst collapse andkarst water level in the peak period

2.5 人为抽排地下水

人为抽排地下水引起水动力条件改变是诱发岩溶塌陷的最主要因素[9-11]，研究区内开采地下水活动主要为矿山疏干排水、工矿企业生产用水及农田灌溉，其中，最主要的引起地下水水动力条件改变为中联水泥厂采排地下水。

2003 年中联水泥厂开采至侵蚀基准面开始至今一直存在着采排地下水活动，且年度开采量整体呈持续上升趋势，改变了研究区原始地下水流场，致使区内地下水水位整体呈持续下降态势，形成以采坑为中心的岩溶地下水降落漏斗。区内岩溶塌陷均发生于采排地下水活动影响范围区(见图8)。

图8 塌陷点与地下水等水位线关系图(2018年5月)Fig.8 Relationship between collapse pointand groundwater isoline (May,2018)

3 岩溶塌陷易发性评价

3.1 评价方法

基于岩溶塌陷发育条件的复杂性、灾害影响因素的复杂性和多变性，以及岩溶塌陷产生的突发性和隐蔽性，目前还难以实现准确的岩溶塌陷易发程度定量分析评价，本次以定性分析为基础，结合半定量的计算，综合进行易发程度评价。

综合区内岩溶塌陷的影响因素，采用专家聚类法、层次分析-模糊综合评价法等分析评价方法对裸露型、埋藏型岩溶区采用定性分析评价，对覆盖型岩溶区采用定性辅以定量的方法进行评价[12-16]。其中定量评价主要用于评价因子的权重及评价单元格的综合得分计算；定性评价主要用于因子选择、分级标准建设、评价单元隶属分级级别、评价结果的人为修饰等过程。

3.2 评价因子选取及量化分级

本次只分一个层次进行评价，选取岩溶发育程度、与构造断裂带关系、可溶岩顶板土层岩性、第四系厚度、地下水年变幅、是否发生过塌陷和人类工程活动等7 个评价因子。根据研究区地质环境特点，将评价因子分为3 级，即强、中、弱(见表2)。

表2 研究区岩溶塌陷评价因子及量化分级一览表

3.3 评价因子权重确定

3.3.1 计算矩阵的特征向量

一般在层次分析法中对判断矩阵的特征向量值的计算不需要太大的精确度，多采用近似平方根计算：

(1)

W=(W1W2...Wn)T

将W归一化：

(2)

3.3.2 确定权重

评价因子权重确定方法：首先组织水工环地质专业的专家根据工作经验对各因子进行打分，按照打分情况进行异常值的剔除，取机率大的分值；然后按照公式(1)和公式(2)计算评价因子权重(表3)。

表3 评价因子权重专家打分一览表

3.4 易发性评价结果

本次评价在层次分析法的基础上选用综合指数法进行重点调查区岩溶塌陷易发性评价[20]。综合评价指数法计算公式如下：

式中：Rk为综合评价指数；αi为指标要素的权值；Xi为指标要素属性赋值；n为指标要素个数。

根据上述评价方法，用MAPGIS作为计算工具，通过叠加计算其指标值为3.6～8.41。依据本次岩溶塌陷易发性划分原则：综合指数指标≥6为岩溶塌陷高易发区；4.5<综合指数指标<6为岩溶塌陷中易发区；综合指数指标≤4.5为岩溶塌陷低易发区；按综合指数指标进行分区合并，共分为岩溶塌陷易发性高、中、低三个等级。

对裸露型和埋藏型岩溶区采用定性评价：裸露型灰岩区属于岩溶塌陷低易发区；埋藏型灰岩区有两部分，当非可溶岩厚度≤10 m，且覆盖层总厚度≤30 m时，属于岩溶塌陷高—中易发区，当非可溶岩厚度>10 m时，属于岩溶塌陷低易发区。

对覆盖型岩溶区采用定性辅以定量评价：首先将覆盖型岩溶区划分为200 m×200 m的单元网格共计295 个(见图9)，对每个单元格进行统计打分；其次运用计算机编程进行运算并运用MAPGIS强大的空间分析功能，得到各单元的地质环境质量评价结果；最后根据实际情况进行必要的修正。

按照以上评价方法将研究区岩溶塌陷易发程度划分为四个等级：岩溶塌陷高易发区、岩溶塌陷中易发区、岩溶塌陷低易发区和岩溶塌陷不易发区，其中不易发区为无灰岩分布的区域(见图10)。

3.4.1 岩溶塌陷高易发区

主要位于中桥村—泗水村—水道观村村南及东南地区，面积为2.42 km2，占研究区总面积的8.42 %。该区主要为岩溶发育区，分布有多条断裂构造；覆盖层厚度<30 m，且主要为多层结构，可溶岩顶板土层结构主要为粉质黏土；矿山排水活动对该区影响较大，区内有大量抽取岩溶水活动，岩溶地下水水位波动频繁、变幅较大，地下水动力条件变化明显；区内已经发生过多次岩溶塌陷。

3.4.2 岩溶塌陷中易发区

主要位于后高格庄村—北城子一带及燕地村周围，面积为5.60 km2，占研究区总面积的20.32 %。该区岩溶发育程度为发育—中等发育，距离断裂构造较近；松散覆盖层厚度多<30 m，局部地区>30 m，为单层或多层结构，可溶岩顶板土层结构主要为粉质黏土、粗砂、碎石土；矿山排水活动对该区域北侧影响较大，对区域南侧影响较小，区内抽取岩溶水活动较少，岩溶地下水位变幅相对较小，地下水动力条件变化较弱；有可能发生岩溶塌陷。

图9 覆盖型灰岩区单元网格化

3.4.3 岩溶塌陷低易发区

主要位于埋藏型岩溶区和裸露型岩溶区，面积为19.44 km2，占研究区总面积的69.65 %。该区西侧为埋藏型岩溶区，岩溶中等发育-弱发育；覆盖层为非可溶岩或非可溶岩与第四系地层组合，岩溶地层埋藏深度较大；矿山排水和人为抽取岩溶水对本区部分地段造成了一定的影响，但上覆的非可溶岩地层结构相对致密，隔断了第四系与下伏岩溶地层的联系，岩土体整体相对稳定。该区域东侧为裸露型岩溶区，岩溶发育-中等发育；无覆盖层或覆盖层很薄；本区位于矿山排水和人为抽取岩溶水的影响带之中，本区虽有岩溶溶洞发育，但由于岩体结构致密，地下水活动对本区岩土体的稳定性影响较轻。

3.4.4 岩溶塌陷不易发区

分布于研究区东南小部分地区，面积为0.45 km2，占研究区总面积的1.61 %。该区域无可溶岩分布。

图10 研究区岩溶塌陷易发性评价分区图

4 岩溶塌陷风险性评价

4.1 评价方法

岩溶塌陷易损性及期望损失评价目前行业内没有统一的方法和标准，故其岩溶塌陷风险性难以实现准确定量评价，本次采用定性分析法进行风险性评价[17-20]。岩溶塌陷易损性是指研究区岩溶塌陷可能造成的人员伤亡，工程、财产等的破坏损失，据实地调查，将区内岩溶塌陷易损性划分为高、中、低及无易损性地区：其中区内村庄、学校及道路地区为高易损性地区，工业厂房、水泥厂、公司及产业园地区为中易损性地区，无岩溶分布地区为无易损性地区，其他地区为低易损性地区。岩溶塌陷风险性评价是结合易发性以及易损性评价结果基础上进行评价的，评价等级划分为高、中、低及无风险区(见表4)。

4.2 风险性评价结果

根据上述评价方法，研究区岩溶塌陷风险性评价划分为高、中、低及无风险性区(见图11)。

4.2.1 岩溶塌陷高风险区

主要分布于吕家庄—中桥村南部、泗水村、水道观村、南桥村西南部、北城子村、前高格庄—后高格庄村北、栖霞经济开发区中心小学、栖霞市中桥污水处理厂以及主要的交通道路地带，面积约1.74 km2，占比6.23 %。该区主要为岩溶塌陷高易发区内人员与车辆活动密集地段，具备发生岩溶塌陷的客观条件，且区内建筑物及设施等抵御塌陷的能力较差，塌陷可能造成的危害大。往期区内发生过岩溶塌陷，造成了一定的财产损失。

表4 研究区风险性评价分级等级一览表

图11 研究区岩溶塌陷风险性评价分区图Fig.11 Risk assessment zoning map of karst collapsein the study area

对本区内住户、学校、厂房原则上采取搬迁避让措施，如搬迁困难，应建立群测群防体系；对本区内道路原则上禁止重型车辆行驶，如不可避免，应及时设立警示标志并加强巡查。

4.2.2 岩溶塌陷中风险区

主要分布于工业厂房、水泥厂、公司及产业园地区，面积约14.45 km2，占比51.77 %。该区主要为岩溶塌陷中-低易发区内人员与车辆活动密集地段，区内建筑物及设施等抵御塌陷的能力较差，塌陷可能造成的危害较大。对本区采取监测和巡查为主，工程手段为辅的防治措施。

4.2.3 岩溶塌陷低风险区

分布于高、中风险区外的农田、果园以及闲置土地等人员与车辆活动相对较少的地段，塌陷可能造成的危害较小，面积约11.27 km2，占比40.38 %。对本区采取巡查的防治措施，发生岩溶塌陷及时上报处理。

4.2.4 岩溶塌陷无风险区

位于区内东南角无岩溶分布地段，面积约0.45 km2，占比1.61 %，该区为岩溶塌陷不易发区。

5 结语

(1)研究区岩溶塌陷的主要影响因素为岩溶地层与构造断裂、岩溶发育程度、第四系覆盖层厚度及土层结构、地下水位及变幅及人为抽排地下水活动。

(2)研究区岩溶塌陷易发程度划分为高、中、低及不易发区，其中高易发区面积为2.42 km2，岩溶及断裂构造发育，覆盖层厚度<30 m，且主要为多层结构，矿山排水活动对该区影响较大，地下水动力条件变化明显；中易发区面积为5.60 km2，岩溶及断裂构造较发育；覆盖层厚度多<30 m且多为单层或多层结构，矿山排水活动北部影响较大、南部影响较小，地下水动力条件变化较弱；低易发区面积为19.44 km2，岩溶中等-弱发育，矿山排水活动对该区影响较小，地下水活动对本区岩土体的稳定性影响较轻；不易发区面积为0.45 km2，无可溶岩分布。

(3)研究区岩溶塌陷风险性划分为高、中、低及无风险区，其中高风险性区面积约1.74 km2，主要分布于岩溶塌陷高易发区内人员与车辆活动密集地段，塌陷可能造成的危害大；中风险性区面积约14.45 km2，主要分布于岩溶塌陷中-低易发区内人员与车辆活动密集地段，塌陷可能造成的危害较大；低风险区面积约11.27 km2，主要分布于高、中风险区外的农田、果园以及闲置土地等人员与车辆活动相对较少的地段，塌陷可能造成的危害较小；无风险区面积0.45 km2，无岩溶分布。

(4)建议研究区建立统一的岩溶塌陷地质灾害监测网络进行岩溶塌陷预警预报研究工作，加强对本区地质环境的管理力度；定制完善岩溶塌陷地质灾害防灾预案；严格控制在高、中风险性区内新建房屋，对拟建项目高度重视岩土工程地质勘察工作，建设单位要根据相应结果做好岩溶塌陷的防治工作。