辽宁省凤城市某岩溶地面塌陷工程勘查及其致灾机理分析

陈红丹,周洪博,郝喆,滕达,张颖

(1.辽宁大学环境学院，沈阳 110036；2.辽宁有色勘察研究院有限责任公司，沈阳 110013)

1 引言

岩溶地面塌陷地质灾害危害居民人身安全，同时地面塌陷破坏公路，造成当地居民出行不便，也极易造成交通安全事故。另外，地面塌陷灾害仍有持续发作的可能，给区内居民埋下了安全隐患[1]。岩溶地面塌陷具有突发性，且对建筑物的破坏性大、危害性强[2]。在岩溶塌陷勘查及致灾机理分析方面，缪世贤等[3]开展了岩溶塌陷形成机制的分析工作，刘鹏瑞等[4]开展了岩溶塌陷机理、致塌模型的分析工作，陈玉玲等[5]开展了岩溶塌陷分布特征研究以及局部隐伏断层-管道型岩溶塌陷隐患预测工作，唐志祥等[6]开展了某煤矿岩溶塌陷勘察研究工作，李颜贵等[7]开展了唐山黄庄岩溶塌陷机理分析工作，LJ Hua[8]开展了某铁路岩溶塌陷路基的勘察工作，YT Wang[9]开展了某盆地岩溶塌陷特征分析工作，张爱恒等[10]开展了平顶山矿区岩溶塌陷机理分析工作。

前人的工作主要集中在由于地层自身赋存特征引起的岩溶塌陷机理分析，对于矿井排水等外在因素引起的岩溶塌陷的勘查及机理研究尚未见开展。为弥补以前在岩溶塌陷勘查方面的不足，本文以辽宁省凤城市青城子镇桃源村罗家沟岩溶地面勘查工程为例，开展由矿井强排水引发的岩溶地面塌陷致灾机理研究工作，为类似岩溶塌陷研究工作提供了新思路。

2 地面塌陷灾害概况

2015年6月起，凤城市桃源村罗家沟岩溶地面塌陷灾害仍有继续恶化的可能，存在严重的地质灾害隐患，因此，对区域岩溶塌陷地质灾害具体状况进行了勘查，并开展相应的致灾机理分析[11]。图1为桃源村罗家沟地质灾害勘查钻孔工程布置图。

图1 地质灾害勘查钻孔工程布置图

本区工程钻探共布置钻孔19处，其中沿塌陷区共布置5个钻孔，钻孔深度位置以揭露塌陷区深度为原则，并对物探异常进行验证，钻孔深度40～60 m或达到揭露的塌陷区底板。

图2为岩溶地面塌陷地质灾害分布图，现场勘查表明，能辨识的地面塌陷点有4处。塌陷坑T1呈椭圆形，倾向130°，长2.3 m，宽1.4 m，填埋后深度2 m。塌陷坑T2呈圆形，直径为3 m左右的圆形塌陷坑，填埋后深度2.7 m。塌陷坑T3呈长方形，走向北东，长约5 m，宽约3 m，深度约4 m。塌陷坑T4呈圆形，河道塌陷，深度不详细，河道漏水8 h填埋。典型塌陷坑现状见图3，研究区典型工程地质剖面图见图4。

图2 岩溶地面塌陷地质灾害分布图

图3 典型塌陷坑现状

图4 综合地质剖面图A-A’

3 地质背景分析

3.1 地形地貌

勘查区处于辽东低山区，区内山体最高峰为坪顶山，地貌类型单一，地形条件繁杂，地面高程363.6～619 m。地形坡度角为25°～50°，植被发育，地表径流条件较好，勘查区处于区域河谷内，上下游地面最高点标高变化幅度不大，阶面上坡度3°～5°，地表标高373.0～399.0 m之间。

3.2 地质构造

区域出露地层为辽河群浪子山组、里尔峪组、高家峪组、大石桥组和盖县组。浪子山组、大石桥组、盖县组分别形成于裂谷初始扩张期、裂谷扩张期沉积环境和裂谷收缩期；里尔峪组和高家峪组分别属于一套陆源碎屑岩和碳酸盐岩形成。区内地质构造复杂，岩浆活动极端活跃。

3.3 地层岩性

区内出露变质岩系，为盖县组黑云母片岩层和大石桥组厚层状大理岩。盖县组黑云母片岩层主要分布于罗家堡子以北，呈大面积出露；大石桥组大理岩层分布在罗家堡子以南及梨树沟一带出露。西荒沟(101)北东向断裂横贯全区。区内出露的地层有新生界第四系和元古界辽河群盖县组黑云母片岩层及大石桥组三段白云石大理岩层。

第四系(Q4)分布于勘查区上部地层，主要由杂填土及冲、洪积圆砾组成，厚约8～18 m。大石桥组三段(Pt1Ld3)与盖县岩组整合接触，但在接触处发育一沿层断裂，沿断裂断续见有花岗斑岩充填。该层位是本区主要含矿层位。盖县组(Pt1Lgx)出露在勘查区北部，区域内以罗家堡子沟谷为界，西部地层呈北东向展布；东部呈东西向展布。以黑云母片岩为主，此岩层在本区与下伏大石桥组大理岩呈断裂接触(西荒沟101断裂)。岩石片理化发育，局部见有揉皱构造。

3.4 水文地质特征

3.4.1 地下水类型及赋存特征

矿区地下水有3类：第四系孔隙潜水、基岩风化裂隙水和构造-岩溶裂隙水。第四系孔隙潜水分布在沟谷及河谷区的第四系冲洪积砂砾卵石层中。水位埋深1.05～4.0 m，富水分布不均，受地形控制，一般在河谷区或排泄区含水较丰富。泉水流量1.75～2.0 l/s，属中等富水，渗透系数0.028 cm/s。基岩风化裂隙水：矿床上盘发育辽河群盖县组黑云母片岩、矽线石黑云母片，大石桥组片岩及各类脉岩，这些岩层浅部基岩风化裂隙较发育，风化裂隙发育深度4.4～70.8 m，水位埋深2.0～22.6 m。构造-岩溶裂隙水存在于大石桥组大理岩中，因受地下水的溶蚀，大理岩构造-岩溶裂隙较发育，且裂隙发育水平不均一，富水程度差别大，为地下水的储存提供条件。岩溶裂隙水在钻孔ZK5附近揭露明显，出水点流量统计值最大为0.002 9 l/s，岩溶裂隙水同地表径流连通性良好。

3.4.2 隔水层性质及分布

大理岩隔水层：大石桥组大理岩浅部风化裂隙发育，溶蚀严重，风化层以下岩体完整。

煌斑岩隔水层：这些岩石大多数发育在大理岩中，岩性大多数为紧密块状。大理岩隔水层和煌斑岩隔水层裂隙都较不发育，前者是良好的隔水层，后者可视为隔水层。

4 岩溶塌陷致灾机理分析

4.1 形成条件

岩溶地面塌陷过程的形成是各种不良要素的共同作用，本区地面塌陷灾害的发生满足以下3个条件：

首先，岩溶洞穴是塌陷的发生基础。勘查区位于区域成矿破碎带位置，地表基岩风化程度较高，地表基岩裂隙较发育，透水性较强，地表水沿孔隙、裂隙向下渗透补给基岩裂隙水、构造裂隙水，并通过基岩裂隙、构造裂隙及破碎带形成流通区域，本区塌陷位置下部存在不同规模的岩溶洞隙。

其次，存在不厚的覆盖层是岩溶塌陷的物质源。岩溶塌陷产生实质是土洞的顶板发生物质掉落。土层厚度、基岩岩性和结构，控制岩溶塌陷的产生和发展。勘查区内出露的地层有新生界第四系和元古界辽河群盖县组黑云母片岩层及大石桥组三段白云石大理岩层。第四系(Q4)分布于勘查区上部地层，厚约8～18 m。大石桥组三段(Pt1Ld3)与盖县岩组整合接触，但在接触处发育一沿层断裂，沿断裂断续见有花岗斑岩充填。盖县组(Pt1Lgx)岩层与下伏大石桥组大理岩呈断裂接触(西荒沟101断裂)。

最后，动力条件包括水活动、地震及外加荷载等，其中水活动对于引发岩溶塌陷至关重要[12]，而人类水活动要比自然水活动影响作用更加强烈。勘查区的大气降水补给及地表河流下渗，随着矿山降水等工程活动，加剧本区地下水力流动。

4.2 诱发因素

本区中最主要诱发因素是矿井强排水，同时结合地表雨水入渗、河水位涨落，继而引发地下水位下降，最终导致该地区岩溶塌陷。

本区地面塌陷发生时间正值雨季，4处塌陷均为大雨过后，而且塌陷位置均处于河流附近，其中T4塌陷坑位于河道内，T1、T2、T3塌陷坑距离河道不足50 m。塌陷区附近岩溶裂隙、洞穴管道中的地下水与附近河水联通，当河水位升降时，也会致使岩溶塌陷。本区发生地面塌陷位置河道进行衬砌处理后，岩溶水位显著下降，其中ZK5、ZK17、ZK18号孔水位均下降1.5 m左右，说明本区地下水和地表雨水、河水有良好的水动力联系。

另外，由于矿区矿井排水量急剧增大，导致地下岩溶水位下降，使溶洞内产生负压，岩溶水位下降还导致上覆土层受承托力减小，孔隙水转而向下运动，最终致使岩溶地面塌陷。在本区4～8月的水文监测中，发生岩溶塌陷区域的地下水位标高在374.8 m左右，距离地表深度近20.1 m，远离塌陷区地下水位标高在376.8 m左右，距离地表深度近5.2 m左右。由此可见，地面塌陷已发生区域地下水已经改变了原有的自然状态，这充分说明地表岩溶塌陷与该区域矿井排水建立了良好的水力联系。现场岩溶塌陷形成过程示意见图5。

图5 矿区岩溶塌陷形成过程

4.3 致塌机理

本区为多条断裂构造交汇区域，岩体零碎、大理岩岩溶发育，断裂构造、岩溶裂隙、溶洞构成了复杂的地下水径流系统，形成该区域“溶洞充填物潜蚀流动-压差场-盖层失托增荷效应”。

受人为及自然因素作用的影响，盖层土体和岩溶含水介质作为一个完整体系，在承压或微承压含水层中，在地下水位下降、岩溶水力坡度极端增大的情况下，破坏首先产生于溶洞充填物中，该现象在钻孔ZK5、ZK15中得到了印证。而溶洞充填物中的细小颗粒物产生潜蚀，具有粘性的土质则随着水流运动。随着地下水的不断潜蚀、搬运，这些充填物持续被损坏和随水流运动，继而引发形成洞隙。另外，在自然平衡状态条件下，地下水位下降会使盖层自重-承压水浮托的动态平衡遭到破坏，土体中应力持续增大。

综合物探解译成果及钻探验证信息，塌陷坑T1和塌陷坑T2形成原因主要为覆盖型岩溶区。T1下伏分别在21 m、26 m及30 m区间存在溶洞，T2分别在11 m、18 m区间存在溶蚀空洞，地下水经覆盖层向空洞渗流(或地下水位下降时，水力梯度增大)。在水压作用下，地下水对土体或空隙中充填物进行冲蚀、掏空，上部覆盖层含砂量减少，最终引发塌陷。

塌陷坑T3和塌陷坑T4浅部10～25 m地层破碎。T4塌陷坑位于河道内，根据物探成果，此处河道为一条断裂所在位置，受大气降水及矿井排水等工程活动补给，随着水体补给量增大，地表形成塌陷坑。初步推测塌陷坑T3及塌陷坑T4为贯通塌陷坑，其中河道内T3塌陷坑塌陷两次。T4塌陷坑有钻孔ZK5进行验证，其中溶洞12.4～12.9 m为粉质粘土及角砾充填，溶洞16.0～16.3 m为粉质粘土及角砾充填，溶洞17.0～21.8 m为空洞。

依照本区岩溶塌陷产生的条件及原因，将盖层、岩溶介质放在同一个系统中，并通过岩溶洞隙充填物使两者联系在一起。该系统的典型代表单元见图6。由图可知，自然条件下，由于溶洞充填物及承压水的浮托作用，使得盖层处于相对平衡状态。当地下水位急速降低、水力坡度超出阈值时，溶洞充填物中透水物质被潜蚀破坏，粘性土进行塑性流动，洞穴最先在充填物中产生和扩充。随着水位的不断下降，溶洞中开始出现较大空腔，主要是失托增荷作用于盖层土体，土体中自重应力增加。当岩溶水位与顶板分离，构成真空条件，增荷失托作用上升至最大，不再增大。受压差场影响，盖层应力持续增加，开始发生局部破坏，形成土洞。当地下水位下降速度较大时，土体应力超出其抗剪强度，导致盖层土体被剪切破坏，继而产生井形塌陷。形成土洞后，水位的下降逐渐趋向平稳，土洞逐渐增大，最终形成坛形塌陷。

图6 现场岩溶塌陷成因示意图

5 结论

(1) 岩溶地面塌陷的形成是复杂地形地貌和地质构造作用的结果，现场调查表明：勘查区地貌及地形条件繁杂；地层岩性简单；地质构造及水文地质条件复杂；矿山开采的人类活动强烈。勘查区地质环境条件复杂。

(2) 勘查区属覆盖型岩溶区，断裂构造、岩溶裂隙、溶洞构成了复杂的地下水径流系统，地下岩溶区构成水力通路。地下水位升降、矿山开采长期降水、人工开采地下水均可加剧地下水的潜蚀作用，引发地面塌陷地质灾害。

(3) 塌陷坑T1和塌陷坑T2形成原因主要为覆盖型岩溶区。T1、T2下伏区间存在溶蚀空洞，地下水经覆盖层向空洞渗流。在水压作用下，地下水对土体或空隙中充填物进行冲蚀、掏空，上部覆盖层含砂量减少，最终引发塌陷。塌陷坑T3和塌陷坑T4浅部10～25 m地层破碎。初步推测塌陷坑T3及塌陷坑T4为贯通塌陷坑，其中河道内T3塌陷坑塌陷两次。

(4) 塌陷区具有分布空间形态复杂、不均一化的特点，应对塌陷区等地质灾害进行综合治理降低其地质灾害危险性。另外，建议对流经本区的季节性地表径流进行治理，以防地表水渗入岩溶区内，从而引发严重的地面塌陷。