豫南大别山区大理岩岩溶塌陷形成机理初探

王伟才，李秀丽，王玉海

（河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院，河南郑州450001）

1 概述

2014年9月份，豫南大别山区某县某镇连续多日强降雨，受降水影响，某镇某地东侧田地内先后发生三次地面塌陷，产生5处塌陷坑，均位于朱庄—黄岗乡级公路东侧。地面塌陷共造成1处堰塘报废，10478m2耕地不同程度损毁，300m电力设施倒伏变形，100m朱庄—黄岗道路路面开裂变形，直接经济损失约200万元。

灾害发生后，地方政府启动地质灾害应急救援预案，委托专业单位开展了地面塌陷勘查工作。本文以“某县某镇某地岩溶地面塌陷应急勘查”为基础，对下古生界大理岩岩溶塌陷形成机理进行初步分析，为开展岩溶塌陷地质灾害科学防治提供基础数理支持。

2 地质背景概况

2.1 地形地貌

区域地貌为大别山余脉，以低山、丘陵为主。岩溶塌陷区内为波状起伏的丘陵岗地，西南高东北低。海拔高程范围+165～+255m，相对高差约90m，山坡坡度较缓，约为15°～25°。

2.2 地层岩性

塌陷区内出露地层主要有下古生界歪头山组（Pz1w）和新生界第四系（Q）。

2.2.1 下古生界歪头山组（Pz1w）

歪头山组地层岩性从下到上分别是黑云变粒岩、斜长角闪片岩、大理岩、绢云石英片岩以及斜长角闪片岩夹大理岩透镜体。

其中大理岩脉呈灰白色，中—粗粒变晶结构，块状构造，呈条带状展布，厚层状产出。其展布方向受背斜构造影响而发生弯曲，在背斜右翼呈北东向展布，左翼呈南东向展布。据勘查钻孔资料，塌陷区内大理岩层特性变化较大，埋深6.0～51.7m，大理岩岩体厚度8.9～60.0m，溶洞及溶蚀裂隙过水通道较发育。

2.2.2 新生界第四系（Q）

第四系主要出露于河床、沟谷及山坡处，为冲洪积及残坡积等松散堆积物。岩性主要为砾石、砂、粉土、粉质粘土及粘土，棕黄—棕红色，土体结构均一，密实、中—硬塑、孔隙和裂隙较发育，厚度在0.5～15.5m之间。

2.3 地质构造

区内构造较发育，以北西西向的线型褶皱和一条并列的压性—压扭性断裂挤压带为主。

其中塌陷区内北西向断裂为优势断裂构造。属压—压扭性断裂，呈带状、断裂束状北西西—南东东向分布。单条断裂走向l20°～140°，倾向200°～230°，倾角65°～78°，长度一般200～400m，宽度一般5～10m，局部宽度大于20m。沿断裂带岩石破碎、揉皱、糜棱岩化、片理化和硅化较为显著，并有岩脉充填。

2.4 水文地质

地下水类型主要为基岩裂隙水和碳酸盐岩类裂隙岩溶水，其中碳酸盐类裂隙岩溶水分布于大理岩区。

基岩裂隙水广泛分布于塌陷区，含水岩组为歪头山组变粒岩、石英片岩、角闪片岩。该类岩体岩石坚硬，受构造影响，岩石多破碎，断裂节理发育，沿断裂带有泉水出露。泉流量0.022～0.54L/s，地下水径流模数小于1L/（s·km2）。

碳酸盐岩类裂隙岩溶水沿大理岩分布区呈条带状展布。大理岩具中—粗粒结构，层状构造，单层厚一般0.3m，岩层倾角37°～70°。岩溶形态以溶蚀裂隙为主，宽度一般5～30cm。受阻水边界的影响，常以泉的形式出露，泉流量为0.5～3L/s。地下水径流模数为3～6L/（s·km2）。地下水化学类型HCO3-Ca·Mg型。

3 岩溶塌陷现状

3.1 1997年及2000年塌陷坑现状

区内发生于1997年及2000年的塌陷坑共有20处，主要分布于管庄村米南侧与赵庄水库支流之间的耕地以及廖北村民组西侧冲沟旁，平面形态多为椭圆形及长条形，目前大部分已被土石充填，现场仅留负地形。

3.2 2014年塌陷坑现状

3.2.1 Ⅰ号塌陷坑现状

发生于2014年9月28日，塌陷坑平面形态呈椭圆形，坑壁近直立，塌陷坑直径约14m，面积约150m2，塌陷深度5.5m，坑内村有积水，坑壁岩性自上而下为：耕植土、粘土、卵砾石、二云石英片岩。

3.2.2 Ⅱ号塌陷坑现状

发生于2014年9月28日，塌陷坑平面形态长方形，长33m，宽15m，面积495m2，深9.4m，位于Ⅰ号塌陷坑东侧20m，造成一处堰塘报废，塘内积水均沿塌陷坑底部地下水通道排泄。塌陷坑南侧发育有三条张拉裂缝，裂缝宽约0.2m，最大下错台坎高0.3m。坑壁岩性自上而下为：粉质粘土、碎石土、二云石英片岩、大理岩。

3.2.3 Ⅲ号塌陷坑现状

发生于2014年10月2日，塌陷坑紧邻Ⅱ号塌陷坑北侧约15m。平面形态呈长条形，东部连接堰塘，北侧为稻田，上游冲沟汇水自北向南流入塌陷坑内，沿地下水通道排泄至外围区域。塌陷坑长42m，宽26m，面积1092㎡，深7.4m。坑壁岩性自上而下为：耕植土、粘土、卵砾石、二云石英片岩。

3.2.4 Ⅳ号塌陷坑现状

发生于2014年10月2日，塌陷坑平面形态呈圆形，直径约9m，面积约65m2，深4m。紧邻Ⅲ号塌陷坑西侧10m，坑内有一电力线杆倒伏坑内。塌陷坑东部有拉张裂缝发育，呈圆弧状，裂缝宽0.1～0.15m。坑壁岩性自上而下为：耕植土、粘土。

3.2.5 Ⅴ号塌陷坑现状

发生于2014年10月26日，塌陷坑平面形态呈圆形，直径约5m，面积13m2，深4.4m，紧邻县级公路。坑壁岩性自上而下为：耕植土、粘土、卵砾石、云母石英片岩。

4 岩溶发育基本特征

4.1 大理岩分布形态

塌陷区内发育一条隐伏的大理岩透镜体，受朱庄背斜影响其展布方向发生弯曲，在背斜右翼呈北东向展布，左翼呈南东向展布。大理岩透镜体的分布是控制岩溶塌陷发育的重要因素。大理岩透镜体在区内呈近东西向走向，岩层产状320°∠22°。大理岩透镜体宽度90～285m，东窄西宽；埋深6.0～51.7m；大理岩岩体厚度8.6～60.0m，东薄西厚。该层位溶洞和溶蚀裂隙普遍较发育。

4.2 岩溶的形态特征

经应急勘查查明，区内岩溶的形成特征主要有溶洞、溶蚀裂隙和溶孔等，区内钻孔揭露有大量的溶洞，其特征是钻孔在钻进的过程中遇溶洞时常产生掉钻和用于护壁的泥浆大量漏失，甚至不返水现象，以及在钻进的过程中，会出现虽然不掉钻但进尺突然加快的现象（溶洞被软层所充填）；区内钻孔揭露有较多的溶蚀裂隙和溶孔，钻孔钻进的过程中遇到较大的溶蚀裂隙常产生剧烈的晃动现象。

5 威胁对象及危害程度

岩溶塌陷现状不稳定，随时可能发生变形，形成新的塌陷。预测岩溶塌陷影响范围呈条带状分布于管庄及其东部与南部、廖北村周围、河坎村周围及老官山林场周围，总面积约1.0km2。威胁管庄组32户105人，廖北村民组28户103人，河坎村40户200人，老官山林场3户12人，并威胁乡镇公路550m，焦桐高速250m及150亩土地，潜在经济损失约1亿元，危害程度为重大级。

6 岩溶塌陷形成机理初探

6.1 塌陷形成条件初步分析

6.1.1 岩溶洞隙

根据应急勘查资料，全区钻孔线岩溶率达到15.9%，最高溶洞高度可达8.5m，区内岩溶洞隙发育较好连通性较强，形成错综复杂的地下洞隙网络，为地下岩溶洞隙进一步发展提供了基础条件，并为地下水的活动和储存提供了较好的场所。岩溶洞隙不仅是物质转移和塌陷岩土体暂时陷落留存的同道或场所，也是地下水动力条件形成的重要环境。

岩溶洞隙的存在，成为上部地表水体补给岩溶水的大门，使得裂隙水与松散孔隙水或地表水体之间的联系增强。当地下岩溶裂隙水位下降时，岩溶洞隙上部土层与洞隙间水体水力梯度增大，水头差增大，在岩溶洞隙周围形成渗流场，该渗流场随着岩溶水位不断下降而增强，对上部松散盖层产生一定的潜蚀和渗透力作用也在增加；当岩溶水位低于岩溶洞隙顶板以下时，岩溶空腔内产生负压，对盖层产生吸蚀力，给岩溶洞隙顶板加大了外力作用，从而加速了上部土体破坏的速度，被破坏的土体陷落后储存在岩溶洞隙空腔内，后经地下水动力作用逐渐被移走，造成上部土体破坏循环发生，最终导致盖层失去平衡而发生整体塌陷。

6.1.2 上覆松散盖层

岩溶塌陷是上覆松散盖层土体的破坏塌落。上覆盖层土体既是塌陷的破坏主体，也是影响塌陷的重要因素，其土体物理性质、结构组成及上覆松散盖层的厚度对岩溶塌陷形成的特征及影响起决定性作用。

岩溶塌陷直接原因是岩溶洞隙上覆盖层力的平衡条件被打破而发生的破坏。岩溶塌陷体抗塌力主要有地下水浮力与源于土体抗剪强度的侧壁摩擦阻力组成，地下水不断下降时，支撑浮力不断减小，抗塌力主要有侧摩力组成。因此当摩阻力起完全作用时，岩溶洞隙顶板的稳定性，既由上部覆盖层土体物理特性决定，也因外围因素如地下水位升降引起的土体内摩擦角和抗剪力变化决定。

6.1.3 动力条件

（1）地下水动力条件。地下水动力条件是岩溶塌陷形成的主要关键因素，也是岩溶塌陷形成的主要动力。岩溶塌陷主要是受地下水变化引起的岩溶塌陷。在天然条件下，覆盖层土体的各种力学作用保持着稳定状态，地下水环境的变化打破了土体内部力学平衡状态，土体的内部应力状态随之发生变化，引起土体内部的连续反应，而致塌力与抗塌力的变化又加速了地下水动力条件的变化。地下水环境变化频率的高低，又决定了地下溶洞坍塌的时间长短，由于地下水环境变化是岩溶塌陷关键因素，因此，地下水位的升降又会引起溶蚀洞隙的真空负压作用、失托加荷作用、潜蚀作用和冲爆作用。

（2）地表水体动力条件。赵庄水库为区内最大的地表水体，位于勘查区东南约400m处，赵庄水库于1979年建成，蓄水量2904×104m3，兴利库容1588×104m3。水库洪水位的上升与下降产生的波动作用对区内塌陷的形成有一定的促进作用。

6.2 岩溶塌陷成因初步分析

区内岩溶塌陷的形成，是由地层岩性与构造（岩溶洞隙+上覆松散盖层）、气象与水文、人类工程活动（动力条件）等综合因素作用下发生的。成因综述如下：

区内隐伏一条走向近东西向，宽90～285m的大理岩透镜体，大理岩透镜体岩溶裂隙非常发育。上覆第四系松散盖层厚度在0.5～15.5m之间，岩性以粉质粘土夹碎石为主，结构较为松散，孔隙裂隙发育，地表水入渗能力强。加之勘查区位于朱庄背斜轴部，断裂构造发育，基岩破碎，节理裂隙发育，使岩体的力学性能及土体的强度降低。综上，地层岩性与构造为区内塌陷的形成具备了基础先决条件。

区内岩溶地下水位受周边矿山（现已关闭）多年的疏干排水的影响不断下降，不仅使地下水对上覆盖层土体的支撑力减小，而且随着岩溶地下水位的下降，使其与上部地表水体的联系加强，在岩溶洞隙附近形成的渗流场加快了水流速度，使得盖层土体及坍塌土体被水冲刷和携带走的速度和土体方量也随之增大，土体破坏的时间变短，加速了塌陷的形成和发展。当矿山停止抽排水时，岩溶地下水水位急速回升，岩溶空腔中的气体在封存条件下被压缩呈压缩气团，对盖层土体产生冲击，促进塌陷的产生。

近年来，当地气象条件极不稳定，极端天气增多，长时间的干旱与连续的强降雨天气交替。干旱时，由于地表水水位的降低且要补给周边水库，促使了地下水向水库流动，从而形成了地下水对盖层的潜蚀渗透作用，同时伴随失托加荷作用，进而引起真空负压作用的形成，这一连续的发展，使得上覆盖层与洞隙交界面土体不断加剧破坏，促使岩溶塌陷的形成。当连续的强降雨天气时，使上覆盖层土体处于饱和、软化增荷，土体抗剪能力下降，从而加速失稳，同时，地表水与赵庄水库不断补给岩溶地下水，加大岩溶地下水径流量。水位上升，引起水动力条件改变，水力梯度与流速加大，从而带走溶洞中的充填物质，并对上覆盖层土体产生掏空和超饱和作用，致使土体失稳，导致地面开裂、下沉、塌陷。

综上认为，朱庄岩溶塌陷是以自然因素（地层构造+气象+水文基础条件综合作用演化）和人类工程活动（矿山疏干排水+车辆振动加载）等综合因素影响而引发的岩溶塌陷灾害。

7 结论

豫南大别山区下古生界地层以变质岩、沉积岩为主，因气候、地形条件限制，岩溶塌陷发育微弱。但豫南山区由于人类活动强烈，近年来发生了多起灰岩分布区岩溶塌陷灾害，造成较大经济损失，但在条带状大理岩分布区发生的岩溶塌陷未有报道。某镇某地一带，大理岩脉呈60°走向，岩层产状320°∠22°，大理岩长约2600m，宽度100～300m，面积约0.552km2，却发生了危害程度较大的岩溶塌陷灾害。通过地质灾害应急勘查，查明了岩溶塌陷是由矿业活动、地质构造及极端降水气候引发，并分析了岩溶塌陷形成因素、发育特征、形成机理，划分了地质灾害危险区，提出了防治建议，为豫南大别山区岩溶塌陷勘查及科学防治提供了新的思路和方法。