岩溶地面塌陷区地下水监测方法探究——以广东肇庆地区某自然村为例

黄文龙

(广东省地质调查院，广东 广州 510080)

岩溶地面塌陷是南方地区主要地质灾害之一。岩溶塌陷不但给建筑物、道路及市政设施构成危害而形成经济损失，甚至会造成人员伤亡，带来社会负面效应。在岩溶塌陷重点防治区布设有效的监测预警措施是有必要的，对防灾减灾具重要意义。本文以肇庆一自然村为例，分析其地质环境条件及岩溶塌陷形成演化，并对地下水监测应用情况进行分析。

1 研究区背景

1.1 研究区地理位置及岩溶地面塌陷情况

研究区位于肇庆市高要区新桥镇，北东侧为G324国道斜穿而过，车流量较大；南西侧为沙田村委张村居民地，人口约有200人；南侧为农田，主要种植水稻等农作物。

在塌陷点北为一花肥厂，南偏西约100 m有一供水机井，该深井约30 m，入岩10 m，抽取地下水类型为碳酸盐岩裂隙溶洞水，日开采量约100 m3(地下水降深约1.50 m)，不连续开采。周边地貌类型为山前平原，南侧为丘陵山区，北侧平原，水网密布；地势南高北低，地面高程一般在5～10 m。

2013年8月9日下午3时，研究区水田处发生一处地面塌陷，塌陷坑呈圆形，直径约5 m，影响面积约20 m2，水田内地表呈漏斗状往中心下陷，中心塌陷深度约1.0 m，塌陷坑内积水比水田地表低0.3 m，塌陷坑导致北侧单层瓦房墙体局部开裂，裂缝宽0.5 cm，长2.0 m，以及塌陷周围水田形成5～20 cm的地面裂缝。据地质灾害应急调查认为，该地面塌陷的成因是由于南侧抽水机井抽取地下水(碳酸盐岩裂隙溶洞水)导致。

1.2 研究区地质环境条件

研究区为覆盖型岩溶发育区，基岩面起伏大且岩面呈锯齿状，基岩面落差0.5～5.5 m，最大落差达12.4 m。结合物探和钻探资料来看，区内浅部岩溶发育，岩溶形态以溶洞、溶孔、溶蚀裂隙为主。浅层岩溶溶洞一般发育1～4个不等，洞高大小不一，普遍0.2～1.7 m，溶洞一般为半充填—全充填，填充物为粉质粘土、碎石和砂，钻孔见洞率54.55%，线岩溶率一般5.26%～14.29%；第一层溶洞距基岩面厚度一般1.8～2.5 m。溶蚀裂隙分布普遍，常与溶洞相通。局部地区发育土洞，高0.70～2.30 m。

第四系覆盖层厚度一般16.0～23.0 m，最深处28.4 m，土层结构以多层结构为主，岩性为湖沼相睦岗组淤泥质土(夹腐木)、粘性土、含粘土砂、砂土。底部为一层连续性较好的砂质粘性土(灰岩残积土)，通过实验室测取其临界水力梯度(icr)0.79～1.11，平均值0.95。

地下水类型有松散岩类孔隙水和碳酸盐岩裂隙溶洞水。松散岩类孔隙水的水位埋深0.18～1.01 m，水位年变幅0.83 m(2015年)，含水层岩性为含粘土碎石，其渗透性不均，在土质密实处渗透性差，而在土质不密实处渗透性好；岩溶水水位埋深1.08～2.47 m，年变幅1.39 m(2015年)，位于基岩面(埋深16.0～23.0 m)之上，富水性丰富，单孔涌水量可达1 296 m3/d。据访，研究区东侧约1.6 km的地区打井时曾揭露地下暗河。

2 研究区岩溶塌陷形成演化及监测

2.1 研究区岩溶塌陷形成演化

由于碳酸盐岩裂隙溶洞水既具渗流又具管道流特征，为确认研究区抽水机井抽水活动是否影响100 m外的塌陷坑，因此需对开采时段内的地下水位数据(图1)进行分析。在抽水机井进行开采活动时，对陷坑附近的地下水进行实时观测。通过图1可知，孔隙水水位变化有不同程度的下降，但裂隙溶洞水在抽水时段内水位埋深呈明显降低趋势：在记录的开采时段Ⅰ内裂隙溶洞水水位埋深从1.814 m降至1.914 m，开采时段Ⅱ内裂隙溶洞水水位埋深从1.922 m降至2.094 m，其水位下降趋势因为距离因素有一定的滞后性(开采时段Ⅰ为2015年10月24日14时30分-10月26日14时30分、开采时段Ⅱ为2015年11月2日6时40分-11月4日6时40分)。

图1 机井抽水时段内地下水水位变化曲线图

据附近气象站降雨记录，机井开采地下水时段内未有大气降雨等补给地下水，也未发现有其他影响沙田张村周围裂隙溶洞水的因素，只有机井开采裂隙溶洞水。因此，沙田张村的抽水机井在开采裂隙溶洞水时，对北侧塌陷点周围的地下水水位变化是有影响的，地下水水位变化是地面塌陷致灾的诱发因素。

综合分析沙田张村岩溶地面塌陷形成演化过程为：抽取裂隙溶洞水的过程中，由于塌陷区孔隙水与溶洞水联系密切，孔隙水补给溶洞水，地下水水位降低使水力梯度增大，同时动水压力相应增大。底部砂质粘性土的临界水力梯度较小，在集中渗流点(岩溶管道开口、裂缝)发生渗透变形，进而形成土洞。随着抽水过程的延续，土洞长期向上发育，当土洞发展到底部土层之上时，上覆的无粘聚力的砂层和流塑～软塑状的淤泥质软土由于抗塌力较小，迅速发生坍塌而出现地面塌陷。总的来说，研究区岩溶塌陷属吸压-陷落模式，当地下水下降时，上覆土体在岩溶水与孔隙水所产生的压强差或真空负压作用下发生岩溶塌陷。

2.2 岩溶塌陷监测

岩溶塌陷的监测方法可分为直接监测法和间接监测法两类[1]。直接监测方法就是通过直接监测地下土体或地面的变形来判断地面塌陷的方法，如监测地面形变和房屋开裂等常规方法，常用的技术手段有地质雷达、光纤传感器等。间接监测方法主要有岩溶管道系统中水(气)压力的动态变化监测。研究区岩溶塌陷属抽水致塌型，水动力是最为关键的触发因子，通过对诱发岩溶塌陷的岩溶管道裂隙系统水(气)压力变化进行实时监测[2]，并分析是否触发临界条件可为监测预警提供参考。

对研究区岩溶管道裂隙水(气)压力变化进行自动化监测，监测设备采用美国基康仪器的GK8002-1单通道数据采集仪及北京基康仪器的BGK4500S振弦式渗压计。设置监测孔2个，分别监测岩溶地下水和底部土层之上的砂层孔隙水，监测起止时间为2014.12.28-2015.12.08。监测仪器安装完毕后，调节数据获取间隔为1 200 s，即间隔20分钟/次，每天获取数据72组。

3 监测数据分析

从研究区孔隙水和溶洞水监测曲线上看(图2)，第四系孔隙水与裂隙溶洞水响应度极高，两者水力联系密切。孔隙水水位埋深0.18～1.01 m，水位年变幅0.83 m；裂隙溶洞水的水位埋深1.08～2.47 m，水位年变幅1.39 m，位于基岩面(埋深16.0～23.0 m)之上。

图2 研究区地下水水位变化曲线

根据相邻20 min水位变幅数据来看，不管是孔隙水还是裂隙溶洞水，地下水水位20 min内波动幅度大部分小于2 cm，波动幅度都较小：孔隙水水位大于2 cm的波动次数为22次，最大水位变幅为4.57 cm(2015年10月4日)即0.003 8 cm/s，溶洞水水位大于2 cm的波动次数23次，最大水位变幅为7.19 cm(2015年1月20日)即0.006 cm/s。

研究区一个水文年内不同时期的地下水水位变幅(表1)具有以下特点：丰水期和枯水期的地下水水位变幅较其他时期都大，平水期水位变幅相对较小，这与大多数地面塌陷发生时间一般在丰水期或枯水期相一致；孔隙水水位波动速率最大值0.51 m/d，溶洞水水位波动速率最大值0.41 m/d。总的来说，在监测期内，无论是日水位变幅还是相邻20 min水位变幅值，岩溶水、孔隙水变化速率都较小，未出现较大的突变。

表1 研究区地下水水位变化特征

同时，根据岩溶水压力、孔隙水压力之差以及两个传感器距离计算出来的水力坡度范围值为0.024～0.108，底部土层临界水力梯度(icr)0.79～1.11，安全值取最小值为0.79，因此实际水力坡度值远小于临界水力梯度(0.79)。在监测时段内研究区无新发岩溶地面塌陷地质灾害，旧陷坑亦趋于稳定，未见扩大迹象，这与监测情况是匹配的。

据访，研究区供水井的开采强度相对较小，小部分居民已使用自来水，但在节假日村中人口增大时，会增加地下水的开采量及开采时间。因此，地下水开采活动仍有可能影响陷坑稳定，加速天然条件下的潜蚀、渗蚀、真空吸蚀、失托增荷等的作用，从而使岩溶洞穴之上的土层由稳定状态变为不稳定状态的趋势加快。总而言之，研究区隐伏岩溶发育程度较高，岩溶地下水仍需合理开采，减少大强度、持续、反复抽降地下水，避免引发新塌陷或旧塌陷“复发”。

4 结语

(1)在监测时段内，研究区地下水水位变幅及波动速率未有明显异常值，底部土层水力梯度远小于临界水力梯度，岩溶塌陷水动力条件属于正常值范围，该时段内亦无新发岩溶塌陷灾害。

(2)通过长期监测数据的积累，可为日后监测预警的阈值提供依据。