水南湾岩溶塌陷成因分析及防治措施建议

潘天录，李小飞，靳文斌，李建华

水南湾岩溶塌陷成因分析及防治措施建议

潘天录，李小飞，靳文斌，李建华

（湖北省地质局冶金地质勘探大队，湖北 黄石 435000）

根据水南湾典型岩溶地面塌陷点的地质勘查资料及水文监测数据，岩溶发育是水南湾发育地面塌陷灾害的内在原因，研究区属覆盖型岩溶区。研究表明，除周边地区矿山疏排水影响研究区地下水，诱发地面塌陷外，作为地下水补给来源的大气降水的年际变化，也会诱发地面塌陷的发生。水南湾岩溶塌陷发生受溶洞发育规律控制，主要分布在导水（F5、F6、）断裂带附近，沿F5、F6断裂带两侧，有溶管或较大的溶隙相连通，溶蚀空间较大。在上部荷载、地下水位下降的作用下，溶洞顶板冒落，覆盖层形成塌陷。研究区塌陷对周边居民生命财产安全、农田的生产安全及河流港堤造成严重威胁，需采取综合措施进行防治。

地面塌陷；岩溶；形成原因；治理措施

岩溶塌陷指在岩溶发育地区，覆盖层松散土体在自然因素或者人为因素影响下，塌落、扩展，形成地表塌陷的现象。岩溶塌陷作为地质灾害灾类之一，随着人类工程活动规模及程度加剧，对岩溶作用影响增加而频繁发生。对工业与民用建筑、交通干线、矿山及水利水电等基础设施造成巨大的影响或破坏，并且影响塌陷区周边环境。岩溶塌陷除受采矿工程活动抽排地下水影响、采空区冒落塌陷外，与地下岩溶发育状况也密不可分[1-3]。

湖北省黄石市水南湾岩溶塌陷位于大箕铺镇水南湾村。近两年来该区域连续发生地面塌陷，对周边居民生命财产安全、农田的生产安全及河流港堤造成严重威胁、群众恐慌。本文依据地质灾害勘查成果，对成因机制其进行分析，提出了防治措施建议。

1 地质环境条件

1.1 气象与水文

研究区处在亚热带边缘，具湿润季风亚热带气侯特征：四季分明，雨量充足，冬夏季风交替明显。多年平均降雨量1 382.6mm，年度最大降雨量2 180.1mm，降雨主要集中在3～8月份；4～7月成盛行东南风，余以北风、东北风居多，最大风速18m/s；多年平均气温17℃，最高气温40.3℃，最低气温－11℃。

大冶湖为当地最大的地表水体。每年5～11月为洪水期，常年洪水位标高17.31 m，历年最高洪水位23.31m（1954年7月25日）；附近地表水体有水南湾河及曹家湾河。研究区东部水南湾河由南向北注入大冶湖，正常河水位18m左右，最高洪水位21.73m，最低河水位17.43m，最大洪峰流量180m3/s，最小流量0.098 m3/s，雨季平均流量12.5～34.7 m3/s，旱季平均流量为0.5 m3/s，是本区地表水、地下水的排泄区。曹家湾河位于研究区西北方向1.2km，由南西向北东迳流，注入大冶湖，为一季节性河流。

1.2 地形地貌

研究区内地势平坦，西侧农田覆盖，东侧为水南湾村住宅区，房屋分布紧密。区西侧靠近河流，河内流水量较大，流向由南向北汇入大冶湖；区内人工灌溉沟渠发育。东西两侧为低山，中部为剥蚀残丘，北部与大冶湖盆低地相接。研究区处在南北向延伸，南高北低的汇水低洼地段。一般标高20～80m，东部大东山峰顶标高243.29m，西部黄皮山峰顶标高246.50m，中部剥蚀残丘的地势向北部大冶湖倾斜，中部标高一在30m左右。

1.3 地层岩性

研究区出露三叠系、二叠系、石炭系灰岩和上泥盆系砂岩及志留系砂页岩。其中：三叠系、二叠系、石炭系灰岩分布在东部和北西部低山丘陵区；泥盆系砂岩和志留系砂页岩仅在勘查区北部及东北部零星出露。矿体赋存在岩浆岩与大理岩的接触部位，大都埋藏在当地侵蚀基准面之下。

1.4 地质构造

研究区位于阳新岩体西北端的东北缘中段、大冶复向斜南翼，处在区域二级褶皱（曹家湾背斜）南翼次一级向斜（老林湾向斜）东段及叶家庄向斜西端。两向斜南翼被岩浆岩侵入，北翼为各时代灰岩组成。

照片1 2018年3月塌陷坑

照片2 2020年1月塌陷坑

2 岩溶塌陷发育特征

根据以往资料，大志山矿区降落漏斗影响范围先后共发生4期塌陷。分别为：放水前（1972年春～1974年2月7日）矿坑疏排水发生塌陷坑14处；放水期间（1974年2月8日～1974年3月24日）产生塌陷坑30处；放水后（1974年3月25日~1977年）产生塌陷坑110处；2000底至今又产生塌陷坑16处。2005年一号矿体开采完毕，未大量疏排水（2007年突水也未进行强排），未产生塌陷。塌陷坑平面形态主要为呈圆形、椭圆形，次为不规则状;剖面形态与岩性及垂直岩溶带岩溶发育特征关系密切；大多为坛状或漏斗状，少量井筒状，塌陷坑直径一般小于5m，个别达17～26m，深度一般小于5m。

2018年3月9日，水南湾村水南湾湾西侧农田内发生地面塌陷。据调查，该区曾数次发生地面塌陷。本次塌陷点属于老点新发一处塌陷坑。平面形态呈“圆形”，直径约9m，平面面积约80m2，可见深度约3m，塌陷坑周边发育多条环状裂缝，宽度最大约3cm，最大可见深度约5cm。该4处塌陷坑底部和坑壁均为粉质粘土，坑内积水（照片1）。

2020年1月以来发生的16处塌陷坑分布于水南湾村和柳林村，其中12处位于农田或农村道路旁、4处位于水南湾河道，塌陷坑直径1~5m，最大可见深度约3m，大部分塌陷坑内积水，水南湾河道4处塌陷在河水冲刷等因素影响下逐步贯通。经巡查发现，部分回填塌陷坑出现了再次下沉迹象，水南湾河道公路出现一条长约30m的拉裂缝，裂缝宽1~2cm，可见深度约5cm，局部出现下错迹象。（照片2）。

表1 研究区钻探揭露溶洞特征表

3 岩溶塌陷形成原因

3.1 岩溶发育程度

根据钻孔的钻进情况可知，所有20个钻孔中，见溶洞的钻孔8个，溶洞高度在0.5~4.5m（其中K13发育溶洞高度7.5m），钻孔溶洞发育率40%。通过对钻孔所处位置及溶洞发育情况统计得知，项目区范围内溶洞较发育，揭露的溶洞高度较大，基本无充填物（表1）。

3.2 覆盖层条件

水南湾主要属覆盖型岩溶区。覆盖层主要为粉质粘土、粘土和全风化大理岩残积高岭土等较高的亲水性矿物成份，在覆盖层与水直接接触，粉质粘土处于软化状态，粘聚力、内摩擦角、抗剪强度降低，盖层稳定性随之降低。由于塌陷土层是从可溶岩溶洞或沿溶隙逐步向上发展，上覆盖层越厚，发展到地面塌陷时间越长，越不易发生地面塌陷。钻孔揭露覆盖层厚度一般为11～54.8m，其中钻孔K13、钻孔K14位于3月9日塌陷坑附近，揭露覆盖层厚度为14.9m和18.3m，属于塌陷易发的覆盖层厚度区域。

3.3 地下水影响

根据历史资料，水南湾塌陷区域地下水主要受大志山矿疏排水影响。大志山联营铜矿放水试验（-160m）及矿坑排水期间（1978年以前），矿区周围已经产生了154个岩溶塌坑；2000年12月至2001年5月，在大志山联营矿将叶花香铜矿矿坑水从-10m排降到-60m中段期间，产生三个岩溶塌坑，分布在水南湾老河道及其支流附近；在大志山联营铜矿疏排-110m矿坑水的2002年3至4月，又产生了4个岩溶塌坑，其中3个分布在水南湾新河道、1个分布在接触带部位；2002年7月至2004年大志山联营铜矿在疏排-110m、-160m过程中，出现9个塌坑，其中一处在水南湾村集居地中。大志山联营铜矿排水是2000年12月至2004年期间产生地面塌陷的诱发因素。2015年大志山矿完成帷幕注浆工程，这种影响减轻。

除周边地区矿山疏排水影响研究区地下水，诱发地面塌陷外，作为地下水补给来源的大气降水的年际变化，也会诱发地面塌陷的发生。

图1 研究区长期水文观测孔水位数据变化图

所在区域黄石市2019年年降雨量偏少，该市2019年发生多起岩溶塌陷灾害。研究区2020年1月至3月发生16处塌陷坑，期间水位长时间处于较低值（图1），塌陷发生与地下水位低值变化的一致性，反映地下水位下降诱发岩溶塌陷的不利影响。

3.4 地表水的影响分析

区内地下水埋深较大，强降雨或周围生活用水长期排放时，地表水与地下岩溶水间水头差很大，加剧了地表水对地下水的补给速度，造成较强的渗流场。地表水沿松散土层裂隙空隙下渗，对土层进行着潜蚀作用，由于雨水提高了土层的饱和度，增加土层自重，降低土层强度，对已存在塌陷扰动土层地段地段可诱发塌陷再次产生。

4 地面塌陷的塌陷模式

地面致塌是在一定的地质环境条件下发生的。根据研究区岩溶塌陷发育条件，岩溶地面塌陷覆盖层的地质模型可概化为“溶洞→覆盖土层→塌陷”过程（图2）。

溶洞（溶隙、漏斗)与塌陷土层的发育与地下水有关，可将塌陷形成过程概化为3个阶段，即地下水大幅下降前的覆盖土层形成阶段；地下水大幅下降后的覆盖土层变化阶；因荷载效应引发的地面塌陷阶段[4]。

根据资料分析，水南湾岩溶塌陷发生受溶洞发育规律控制，主要分布在导水（F5、F6、）断裂带附近，沿F5、F6断裂带两侧，有溶管或较大的溶隙相连通，溶蚀空间较大。在上部荷载、地下水位下降的作用下，溶洞顶板冒落，覆盖层形成塌陷。

图2 “粉质粘土/粘土+大理岩”型地质概化模型

5 防治措施

1）建议水南湾周边大志山矿继续开展长期的水文地质观测工作，如发现井下涌水变浑、幕外水位急剧下降、地面塌陷、观测孔水位降至基岩顶板以下、帷幕截流能力衰减等现象，应及时采取控制措施。加强帷幕的保护工作，靠近帷幕20m范围内严禁爆破，避免产生强烈震动，破坏幕体止水效果。

2）加强水南湾周边地下水位和建筑物变形监测，进一步健全已有的地质灾害群测群防系统。

3） 根据水南湾地质灾害勘查结果，部分房屋下部发育溶洞或靠近溶洞发育区，且规模较大，建议政府开展相应的治理工作。

4）对今后发生的塌陷坑及时回填，回填时应按照规范回填。

5）规划地下水开采层位、开采强度、开采时间，禁止或合理开采地下水，同时加强地下水动态监测[5]。

[1] 王延岭 .山东省泰莱盆地岩溶地面塌陷影响因素分析[J]. 中国岩溶，2016,35（1）：60-66.

[2] 冯发焱，陈绍义. 矿山地下水位下降是导致房屋开裂的重要原因[J]. 四川地质学报，2009,29（2）：195-198+223.

[3] 宋磊. 丰都县某地区岩溶发育特征及影响因素[J]. 四川地质学报，2019,39（2）：277-279+284.

[4] 汪铁山，王玲，高洋，周蒙. 鄂州市啤酒厂还建楼地面塌陷形成机理研究[J]. 中国水运，2013,13（5）：258-260.

[5] 封林波，董毓，刘前进. 赣西城镇发展带东段岩溶地面塌陷成因分析与防治建议[J]. 国土与自然资源研究，2017,（1）：59-64.

Causes of Ground Collapse in Shuinanwan and Suggestions on Its Control Measures

PAN Tian-lu LI Xia-fei JIN Wen-bin LI Jian-hua

(Metallurgical Geological Exploration Brigade, Hubei Bureau of Geology and Mineral Resources, Huangshi, Hubei 435000)

The Shuinanwan area is a karst development area. Karstification development is the main cause of ground collapse disaster in the Shuinanwan area. In addition, the ground collapse is induced by mine drainage and atmospheric precipitation. The ground collapse is controlled by kart cave development on the sides of the faults such as F5and F6. The roof of the karst cave has caved in due to the load on the upper part and the lowering of the groundwater level. The ground collapse seriously threats to safety of the lives and property of the surrounding residents, farmland and the river embankment. Comprehensive measures should be taken to control.

ground collapse; karst; cause; control measure

2020-04-22

潘天录（1983-），男，甘肃武威人，水工环工程师，现主要从事水工环地质工作

P642.25

A

1006-0995（2020）04-0647-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.04.025