栖霞中桥地区岩溶塌陷时空分布规律及成因分析

张 杰，张生海

(山东省第三地质矿产勘查院，烟台 264004)

岩溶塌陷是岩溶地层分布区的一种地质灾害，其发育过程实质上是岩溶洞隙上方的岩土体和赋存在岩溶洞穴中的水、气所组成的综合体系，在一定动力作用下产生的失稳效应，是地下力学由不平衡状态向平衡状态发展的一个过程，该过程急缓不一，有的具有很强的突发性，有的则需历经缓慢的变形过程[1-5]。

图1 鲁东地区大地构造单元简图Fig.1 Schematic diagram of geotectonic units in East Shandong

栖霞中桥地区位于山东省胶东半岛中北部栖霞经济开发区附近，西起臧家庄镇，北至东石棚—大谷家一带，东至高疃镇西侧，南到京甲村—董家沟村一带，极值地理坐标：东经120°59′03″～121°05′09″、北纬37°25′41″～37°32′16″，面积约105.21 km2。2005—2017年间，本区共发生12 处岩溶塌陷(14 次)。上述岩溶塌陷部分位于村庄内，距离房屋较近，2016年7月19日发生在中桥村的岩溶塌陷，造成了两栋房屋及院墙局部倒塌，周围四栋房屋和地面出现不同程度裂缝，2017年6月又在同一地点发生二次塌陷，造成自来水管道破裂，水泥路面以下地面塌陷，严重威胁周围人民生命财产安全。以栖霞中桥地区作为研究区，通过收集资料、岩溶塌陷现状实地勘查、地球物理勘探、钻探、抽水试验、水位监测等工作方法取得本区岩溶塌陷、地层、降水、水位等翔实资料，综合分析研究了区内岩溶塌陷时空分布规律及成因。为栖霞市各级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地质科学依据，为胶东半岛岩溶塌陷后续相关分析研究工作提供翔实的理论基础。

1 地质环境背景

1.1 地层岩性

研究区北部岩浆活动强烈，发育有中生代—新太古代的侵入岩，岩性主要花岗岩、闪长岩等(表1)。

表1 研究区地层岩性一览表Table 1 List of formation lithology in the study area

1.2 地质构造

研究区断裂构造较为发育，断裂走向主要为近东西向和北东向。规模较大的区域性断裂主要有近东西向的吴阳泉断裂和北东向的大谷家断裂；其中，吴阳泉断裂属于控盆断裂，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，切割了大谷家断裂。

2 岩溶塌陷灾害

自2005年以来，研究区先后发生岩溶塌陷14次(其中2 处为重复塌陷)，形成岩溶塌陷点12 处，塌陷坑在平面上一般呈似圆形、椭圆形，在剖面上均为坛状(表2)。其中，有5 次岩溶塌陷灾害发生于村庄中，造成两间房屋倒塌、多处房屋开裂；其余岩溶塌陷发生于果园或河床中，总体造成经济损不大。

表2 研究区岩溶塌陷点情况一览表Table 2 List of karst collapse points in the survey area

3 岩溶塌陷时空分布规律

3.1 塌陷时间分布规律

岩溶塌陷与降水量多寡有显著关系，降水量加大增加了灰岩上覆土体含水量及自重，使其土体黏聚力、抗剪强度降低、内摩擦角减小、抗塌力下降，诱发岩溶塌陷；降水量减少使其地下水位持续降至灰岩顶板之下或灰岩与第四系盖层间上下波动，加快灰岩上覆土体的冲蚀搬运，有利于土洞的形成发展，诱发岩溶塌陷[7-9]。

从年度分布(图2)来说，研究区岩溶塌陷多发生于干旱及降水骤增年份。2014—2016 年降水量持续减少，地下水位持续下降，甚至降至灰岩面之下；2017 年降水量较上年骤增，地下水位迅速回升；2016—2017 年先后发生11 次岩溶塌陷，为区内岩溶塌陷年度盛发期。

从月度分布来说，研究区岩溶塌陷多发生于6、7 月份，如图3所示。该时期为年度枯丰交替月份，降水由少急剧增多，地下水位降至年度最低并快速回升并至年度高值，岩溶塌陷发生次数也最多，年度盛发期内6、7 月份，先后发生10 次岩溶塌陷，为区内岩溶塌陷盛发期。

从日度分布来说，研究区岩溶塌陷多发生于干旱少雨地下水水位持续下降或降水突然增多地下水水位骤然回升后的1～3 d内。因土洞的形成发展需要一定的时间，岩溶塌陷的发生与水位的变化具有延时性。以2016年7月份为例，岩溶塌陷发生日度分布如图4所示，17日之前干旱少雨、地下水水位整体持续下降，于18—20日相继发生5处岩溶塌陷；7月22日降水突增、地下水水位骤升，于24日发生岩溶塌陷。

图2 岩溶塌陷发生年度分布Fig.2 Annual distribution of karst collapse

图3 岩溶塌陷发生月度分布Fig.3 Monthly distribution of karst collapse

图4 2016 年 7 月岩溶塌陷发生日度分布Fig.4 Daily distribution of karst collapse in July 2016

3.2 塌陷空间分布规律

3.2.1 岩性与构造

岩溶地层碳酸盐含量高，在弱酸性地下水作用下可发生岩溶作用，岩溶发育是岩溶塌陷形成的物质基础[10-11]。研究区内仅新元古界蓬莱群存在岩溶地层，岩性有灰岩、泥灰岩、大理岩。目前已发生岩溶塌陷均位于香夼组的灰岩分布区；而香夼组的泥灰岩分布区、南庄组和豹山口组的大理岩分布区均未发生岩溶塌陷(图5)。

断裂构造附近及断裂构造交汇处附近岩石破碎，岩溶较为发育，上盘相对于下盘岩溶发育；距离断裂构造越近，岩石越破碎，岩溶越发育。岩溶的发育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，加之断裂构造破碎带影响范围较大，渗透系数较高，地表水容易渗透土层使其地下水岩反应强烈，加速岩溶塌陷的进一步发育[12-15]。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，发生于距离断裂构造小于500 m范围内的岩溶塌陷9 处，占塌陷总数的75%，500～1 000 m范围内的岩溶塌陷3 处，占塌陷总数的25%，如图5所示。

3.2.2 岩溶区类型

研究区溶岩地层根据其出露条件，可分为裸露型、覆盖型和埋藏型三种。裸露型岩溶区分布于燕地村-后高格庄村东部、大栾家村-后高格庄村南部和大辽村-孙家疃村北部一带，面积约19.75 km2，岩溶地层直接出露地表，无覆盖层或覆盖层厚度很薄；覆盖型岩溶区分布于朱家村-京甲村一带，面积约13.05 km2，岩溶地层直接埋藏于第四系松散土层之下，为岩溶塌陷地质灾害的主要发育地段；埋藏型岩溶区分布于大潘家村-朱家村-北城子村以西以北地区，面积约36.64 km2，岩溶地层埋藏于非可溶岩之下，埋藏深度大于50 m，上覆非可溶岩厚度一般大于10 m。目前已发生的岩溶塌陷均位于覆盖型岩溶区，属土层塌陷，如图6所示。

3.2.3 第四系地层特征

第四系土层厚度是岩溶塌陷产生发展的一个重要影响因素。土层较薄时，防御地下水潜蚀能力差，土洞容易发展到地面产生岩溶塌陷；土层厚度大时，土洞不易发展到地面，塌陷孕育的时间越长，不易发生塌陷，但一旦发生，规模往往较大[16-17]。

图5 研究区地质略图Fig.5 Geological sketch of the study area

研究区大部分地区第四系土层厚度小于30 m，局部地区大于30 m。12处岩溶塌陷中，7处发生在第四系土层厚度小于15 m分布区内，占塌陷总数58.33%；2处发生在第四系土层厚度15～25 m分布区内，占塌陷总数的16.67%；3处发生在第四系土层厚度大于25 m分布区内，占塌陷总数的25%。

研究区中部地区第四系土层多呈现“黏性土-黏性土砂土互层”或“黏性土-黏性土砂土互层-黏性土”多层结构，西北大部分地区、河谷附近和第四系边缘地带主要为砂层或碎石层单层结构，局部地区呈现“黏性土砂土”或“砂土-黏性土”双层结构[18]。区内12 处岩溶塌陷中，11 处第四系土层为多层结构，占塌陷总数的91.67%；1 处第四系土层为单层结构，占塌陷总数的8.33%。

区内12 处岩溶塌陷中，6 处第四系土层底部岩性为粉质黏土，占塌陷总数的50.00%；3 处第四系土层底部岩性为碎石土，占塌陷总数的25.00%；2处第四系土层底部岩性为粗砂，占塌陷总数的16.67%；1 处第四系土层底部岩性为砾砂，占塌陷总数的8.33%。

塌陷第四系土层特征情况详如图7及表3所示。

图6 研究区岩溶类型及塌陷点分布Fig.6 Karst type and collapse point distribution in the study area

图7 研究区岩溶塌陷第四系土层特征占比图Fig.7 Proportion of Quaternary soil layer characteristics of karst collapse in the study area

3.2.4 与地下水位的关系

地下水动力条件的改变是岩溶塌陷的主要诱发因素[19-21]，研究区岩溶塌陷主要分布在地下水径流带或分水岭处，为岩溶水径流通道的两翼且地下水水力坡度急剧变化的地段，如图8所示，均是由于岩溶地下水位变化造成水动力条件的改变而引发。

区内岩溶塌陷均发生在岩溶地下水水位较明显波动时期，包括急剧下降或上涨、持续性下降或上涨及在岩土界面下反复波动。

2014 年 6 月份地下水水位降至年度较低水平，诱发TX3；2016 年，研究区进入第三年干旱时期，1—3 月份降水量极少且地下水水位出现突降现象，诱发TX4；2016年7月，区内降水量虽有所上升，但1—7月降水总量较少，加之工、农、民用生产生活大量开采地下水，区内地下水水位呈持续下降趋势，且下降幅度较大，7月18日地下水水位标高降至年度最低值，导致18—24日时间段内，中桥、泗水、水道观三村相继发生岩溶塌陷(TX4二次塌陷、TX5～TX8)；2017 年上半年，研究区降水少，地下水水位持续下降，6 月 21 日TX6 发生二次塌陷。上述五处塌陷均属水位下降塌陷，如图9所示。

2016年7月22日降水突增、地下水水位骤升，于24日发生岩溶塌陷(TX9)；2017年6月23日开始，降水增多，地下水水位显著回升，23日 —24 日降水量达到大雨和暴雨级别，30 日中桥发生岩溶塌陷(TX10)；7 月份开始降水突增，地下水水位回升速度加大，于15 日和25 日，水道观和中桥村相继发生岩溶塌陷(TX11和TX12)。上述四处塌陷均属水位上升塌陷，如图9所示。

图8 塌陷点与地下水等水位线关系(2017 年 9 月)Fig.8 Relationship between subsidence point and groundwater isoline (September,2017)

表3 研究区岩溶塌陷点第四系土层特征情况一览表Table 3 Characteristics of Quaternary soil layer at karst collapse point in the study area

3.2.4 与人类工程活动的关系

人类工程活动与岩溶塌陷的关系，主要为采排地下水引起水动力条件改变而诱发岩溶塌陷。研究区最主要的引起地下水水动力条件改变的人类工程为中联水泥厂采排地下水。自2003 年至今中联水泥厂一直存在着矿山排水活动，矿山年度排水量呈逐年上升趋势，对距采坑约1.6 km处的中桥岩溶地下水长观孔水位有着显著影响，如图10所示，该孔年均水位随排水量呈现明显的变化趋势，2016 和2017 年水位变化最为明显，是区内岩溶塌陷的盛发时期。

图9 岩溶塌陷与降水量、地下水水位的关系Fig.9 Relationship between karst collapse and precipitation,groundwater level

图10 水泥厂采排地下水与长观孔年均水位变化曲线Fig.10 Annual average water level change curve of underground water and long-term observation hole in cement plant

4 岩溶塌陷成因分析

目前人们普遍接受的塌陷成因有潜蚀、真空吸蚀、气爆及压强差等效应，塌陷发生并非由某一种塌陷机理所致，而是几种机理综合作用产生的结果。研究区岩溶塌陷因季节降雨分布不均、矿山排水等人为开采地下水活动，引起的地下水水位变化成为导致岩溶塌陷发生的主要诱发因素[22-26]。

4.1 潜蚀效应

地下水在一定水力坡度下产生较大动水压力将土体中细小颗粒冲刷带走或融滤掉易溶部分的现象称为潜蚀。研究区雨、旱季交替显著，自然及人为因素引起水位变化明显，地下水对覆盖土层潜蚀作用较强，土体中细小颗粒随地下水沿着已形成的岩溶通道向外流出；土体含水量随水位升降而变化，含水量增加使土体重度增大，力学强度降低，土体易受潜蚀作用形成土洞；上述变化使土洞上覆土层力学平衡状态恶化，上覆土体无法承受自身重力及上部荷载，进而导致岩溶塌陷发生。

TX3～TX9 是以潜蚀效应为主的岩溶塌陷，在干旱时期，地下水水位下降，覆盖土层土体受地下水潜蚀作用形成土洞，力学强度骤降，加速土洞向地表方向发展和规模的扩大，当土洞上覆土体无法承受自身重力及上部荷载时，引发塌陷。

4.2 真空吸蚀效应

真空吸蚀效应中负压是导致松散覆盖土层坍塌从而形成塌陷的主要因素，引起负压的主要原因为地下水水位持续下降到岩溶封闭空腔(溶洞或土洞)盖层下方，导致空腔上部形成真空状态，这时盖层产生强大的吸力(负压)。负压的产生能引起吸盘吸蚀、空腔吸蚀和漩吸漏斗吸蚀作用，这三种作用共同构成了真空吸蚀作用，当真空吸蚀力大于上覆土体自重压力时，引发岩溶塌陷。

TX4 及 TX6 的二次塌陷是以真空吸蚀效应为主的岩溶塌陷，在持续干旱时期，地下水水位持续快速下降至灰岩基岩面下，上覆土层中已形成的土洞形成真空状态，最终引发塌陷。TX3～TX9 也存在真空吸蚀作用，2016年7月和2017年7月降水量增大的时期内，地下水水位总体还是呈现下降趋势，对已形成的土洞产生负压状态，与其他效应工作总用下，引发塌陷。

4.3 气爆效应

TX10～TX12 是以气爆效应为主的岩溶塌陷。地下水位位于覆盖土层之下时，若空腔内水位上升较快，土层与地下水之间形成竖直向上的正压力，逐渐抵消重力作用，使正压力与重力达到平衡；正压力随水位持续快速回升继续增大，当大于土层自重或土层抗剪强度时，土层发生破坏；随着土层破坏，土洞中高压被快速释放，盖层上下不在存在压强差，正压力变为零，土层受自重作用向下运动，形成塌陷。

4.4 重力效应

重力是所有岩溶塌陷形成过程中始终起作用的一种引力，研究区灰岩上覆土体多为黏性土，受降水和地下水水位强烈变幅的影响，土体吸水增重，剪应力快速降低，继而无法承受自身重力条件下引发岩溶塌陷。

5 结论

(1)研究区岩溶塌陷具有一定的时空分布规律：在时间上主要发生于枯水期与丰枯交替时期；在空间上多发生于覆盖性岩溶区岩溶水径流通道的两翼且地下水水力坡度急剧变化地段，均为断裂构造上盘区，岩性为灰岩，第四系厚度多小于25 m，土层结构为“黏性土-黏性土砂土互层”或“黏性土-黏性土砂土互层-黏性土”多层结构，与基岩面接触的岩性为粉质黏土及碎石土。

(2)研究区岩溶塌陷发生期间，地下水水位呈现持续下降、骤然上升或上下起伏变化，已形成的土洞负压与高压相互交替，对土洞顶板产生吸力与压力，剪应力快速降低，在土体无法承受自身重力条件下引发岩溶塌陷，是潜蚀、真空、气爆及重力共同作用下引发的，以潜蚀、真空效应为主。

(3)及时成立地质灾害应急救援队伍或应急管理机构，制定应急管理预案，健全做好应急物资储备工作，做好防灾避险宣传。建立由政府相关管理部门组建的群测群防监测网络，发现险情，及时上报并合理处置。

(4)建议将本区岩溶塌陷地质灾害及时纳入《烟台市地质灾害防治规划》及《栖霞市地质灾害防治规划》，在规划中提出相应防灾减灾措施。

(5)矿山排水导致区域性岩溶水位下降，是诱发本区岩溶塌陷的主要因素之一。建议对排水矿山水文地质条件进行进一步研究，查明矿坑周边主要地下水径流通道，采用注浆帷幕进行止水，降低矿山排水对周围岩溶水位的影响。

(6)控制地下水采排，维持水位稳定是避免发生岩溶塌陷的关键控制因素。建议加强矿山排水的综合利用，减少区域工农业用水对地下水开采；严格控制新岩溶水井施工及当地企业、村庄现有岩溶水井的开采强度；合理调整岩溶水开采布局，控制开采时间，采取分段错时等开采措施，避免造成地下水径流强度过大；尤其在枯水季节，避免集中长时间开采。

(7)建议在区内建立统一的岩溶塌陷地质灾害监测网络，进一步完善调查区内地下水及地面变形监测网，进行预警工作。

(8)如区内新增排水活动、兴建地表水库、建设重大交通设施、修建拦河坝等工程活动时，应组织相关地质专家进行论证防治对策。