钟祥市斑竹垱岩溶地面塌陷成因与治理效果分析

2022-03-12朱文彩关义涛

资源环境与工程 2022年1期

朱文彩，王戈，关义涛

(湖北省地质局水文地质工程地质大队，湖北荆州 434020)

钟祥市是中国著名的磷矿资源基地，至今已有60多年的大规模开采历史[1]。伴随着磷矿资源的开采开发，钟祥市出现大量矿山地质环境问题，主要包括岩溶地面塌陷、土地资源占用、地貌景观破坏、含水层破坏等，严重制约了经济社会的可持续发展。岩溶地面塌陷是钟祥市最主要的矿山地质环境问题，形成了峡卡河、大峪口、泉口、斑竹垱、刘冲等多个岩溶地面塌陷集中发育区[2]。

斑竹垱岩溶地面塌陷集中发育区位于钟祥市胡集磷矿区南部边缘地带(图1)，周边有放马山磷矿、红土山磷矿、熊家湾磷矿等多座磷矿山，磷矿开采层位为震旦系下统陡山沱组(Z1d)底部的含磷层[3]。据了解，放马山磷矿、红土山磷矿、熊家湾磷矿当前最低开采深度分别为10 m、-160 m、-265 m高程，主要采用联合降水方式进行疏排水，日排水量高达5万m3[4]。由于磷矿山大量疏排地下水，造成区域地下水水位下降，形成了以磷矿区为中心的地下水降落漏斗，影响半径约9 km。区域地下水水位下降引发了多个片区的岩溶地面塌陷，造成207国道因塌陷多次返修、漳河水库四干渠多次因渠堤塌陷断流、何家咀水库和古桥坪水库因塌陷渗漏干涸等现象[5]。

斑竹垱岩溶地面塌陷是采矿疏排水诱发疏干影响区地面塌陷的典型案例，本文对该岩溶地面塌陷的特征、影响因素进行分析，总结成因并简要介绍工程治理措施，为类似岩溶地面塌陷研究与治理提供借鉴。

1 研究区地质概况

研究区位于钟祥市双河镇斑竹村(图1-图2)，塌陷区中心位置地理坐标：东经112°17′41″，北纬31°20′32″，距离胡集磷矿区边界6.5～8.5 km，处于矿山采空影响区外、矿山降水疏干影响区内。

研究区地处鄂中丘陵与江汉平原过渡地带的汉江三级阶地，地势总体为西北高东南低。区内为丘陵地貌，岗垅相间，岗顶宽缓，高程一般为110～120 m，宽度一般为200～300 m；谷底平缓，高程一般为70～90 m，谷宽一般为300～500 m。古桥坪—朱堡埠河(又名长龙河，为季节性河流)为当地主要水系，也是区内地表水的主要外排通道。

图1 区域地质略图Fig.1 Regional geological sketch

图2 研究区岩溶塌陷坑分布图Fig.2 Distribution map of karst collapse pits in study area

2 岩溶地面塌陷基本特征

区域上最早于1984年出现1处岩溶地面塌陷坑，其位于熊家湾磷矿区内。自1998年多座磷矿山开始大规模降水疏干后，区域上每年都新发育数处塌陷坑。截至2018年，区域上共出现43处大大小小的塌陷坑(图1)，其中38处塌陷坑集中分布于斑竹垱一带(图2)，组成长约200 m、宽约100 m的岩溶地面塌陷集中发育区；另外5处塌陷坑零星分布于熊家湾磷矿区、放马山磷矿区、红土山磷矿区及其外围。

据调查研究，总结研究区岩溶地面塌陷基本特征如下：

(1) 降雨较集中的雨季(4—10月)是研究区岩溶地面塌陷的高发季节，绝大部分塌陷发生于这一时段。

(2) 岩溶地面塌陷主要沿着胡集—石牌断裂两侧分布，塌陷坑长轴方向与灯影组硅质白云岩走向基本一致。

(3) 所有塌陷坑均发育于地表水体(水塘、沟渠等)内及其相邻地段。

(4) 塌陷坑剖面形态呈漏斗状，塌陷深度一般为3～20 m，底部抵至基岩面；平面形态以椭圆形和长条形为主，直径1～100 m不等。

(5) 塌陷坑有逐渐发展连为一体的趋势，早期塌陷坑多呈独立的铁锅状(照片1)，后期逐渐连接呈葫芦状、梅花状等不规则形态(照片2)。

照片1 研究区21号塌陷坑Photo1 No.21 collapse pit in study area

照片2 研究区11、12号塌陷坑Photo 2 No.11 and No.12 collapse pit in study area

3 岩溶地面塌陷成因分析

岩溶地面塌陷是由可溶岩、覆盖层及其空间组合耦合发生的，需具备岩溶空间、一定厚度的覆盖层和诱发因素[6-7]。研究区地表大面积覆盖第四系全新统冲积层，上部为黏土层，厚0.5～2.0 m；下部为稳定的河床相含泥砂卵石层，厚2.5～12.4 m，渗透系数0.22 m/d，为岩溶地面塌陷的形成提供了覆盖层条件。第四系下伏基岩为薄—中厚层状硅质条带白云岩、白云质灰岩，岩层总体倾向SWW-NWW，倾角50°～60°，岩层面起伏变化较大，为浅埋型可溶岩，属强透水的含水岩组(图3)，有利于岩溶的发育。研究区地处汉江三级阶地的凹型岗谷中，汇水面积较大，有利于地表降水汇集；谷底有季节性溪沟、水塘，两侧地表径流条件好；研究区位于采矿降水疏干漏斗区内，地下水水位遭受磷矿区大规模抽排水等人类工程活动影响。受矿山降水和大气降水入渗的双重作用影响，研究区地下水水位变化幅度较大，丰水期埋深一般为3～15 m，枯水期埋深一般>28 m，尤其是采矿降水改变了疏干漏斗区地下水渗流途径，是岩溶地面塌陷形成和加剧的主要诱因。

3.1 构造破碎带(断裂)促使地下水富集带发育岩溶

研究区位于胡集—石牌断裂附近，该断裂为NNW向(330°)压扭性断裂，断裂两盘的白垩系—古近系红层与灯影组碳酸盐岩地层直接接触，岩层产状变化大，层间挤压错动强烈，节理裂隙发育。调查表明，研究区碳酸盐岩中的节理裂隙受控于区域构造格局，主要发育110°∠70°～80°和190°∠70°～80°两组，节理裂隙面常见呈蜂窝状、结核状溶蚀坑，易发展为溶隙，溶隙一般宽3～10 cm。溶隙与溶洞连通，有利于地下水补给、径流和排泄。

古桥坪—朱堡埠河为当地主要的地表水外排通道，河谷两侧斜坡岗地的大气降水多顺地势向谷底汇流和下渗，使河谷底部成为地下水强烈活动区段。而构造破碎带与断裂有利于导水，致使地下水沿胡集—石牌断裂富集，进而促进岩溶管道和溶洞发育，这与岩溶地面塌陷坑主要沿胡集—石牌断裂呈长条状断续分布的特征是一致的。

3.2 岩溶管道和溶洞为塌陷提供空间条件

物探解译资料显示，研究区存在5条串珠状的岩溶管道，在施工的9个验证性钻孔中(非全部专门用于揭露溶洞)就有8个钻孔揭露到溶洞，加之地表亦常见溶洞，说明本区溶洞大量发育。溶洞主要分布于地下埋深2～50 m范围内，洞高一般为7～8 m，充填物以泥砂、粗砂、卵(砾)石、硅质白云岩角砾等为主，充填率0～100%不等(表1)。区内岩溶强烈发育但很不均一，溶洞主要分布于207国道西侧，也就是构造角砾岩强发育部位，特别是在构造角砾岩带与砂岩、白云质灰岩接触部位，溶洞更加密集，规模也更大。

图3 区域水文地质略图Fig.3 Regional hydrogeological sketch

研究区下伏碳酸盐岩基岩中裂隙发育，岩溶管道和溶洞众多，特别是在地下水径排主要通道内形成的岩溶管道和溶洞，为形成地面塌陷提供了空间条件。加之基岩与上部透水性好的覆盖层间无隔水层，易于形成潜蚀通道，造成上部土层中的细颗粒流失，从而形成岩溶地面塌陷。

3.3 采矿降水改变疏干区地下水径流途径诱发塌陷形成

在磷矿区大规模降水之前(1998年前)，研究区地下水水位较高，据民井调查资料显示地下水水位为-1.5～-9.0 m(高程75.0～67.5 m)，而且地表常年有水塘、水田。多个钻孔揭露显示，在高程70～56 m范围普遍存在水平溶洞，反映1998年以前区内地下水水位长期处于水平渗流状态，而垂直渗流不明显，与区内在1998年前塌陷现象稀少的事实相吻合。

表1 钻孔揭露溶洞特征统计表Table 1 Statistical table of cave development characteristics revealed by boreholes

在磷矿区大规模降水之后(1998年后)，研究区地下水水位大幅降低，若以钻孔揭露溶洞的最低点作为该钻孔当时的最低地下水水位，对比该钻孔现今枯水期地下水水位，则可以得出以下结论：研究区中心地带(塌陷区)现今地下水水位较形成溶洞时下降了11.2～12.7 m，塌陷区外围向北(磷矿山所在方向)区域的现今地下水水位较形成溶洞时下降超过18.45 m，塌陷区外围向南区域的现今地下水水位变化不大。2010年7—10月塌陷区钻孔地下水水位观测资料显示，塌陷区地下水水位为2.85～32.50 m(高程74.09～44.44 m)，高水位出现在暴雨后，但仅维持1—4 d便迅速下降，并长时间维持在28.50～32.20 m(高程48.44～44.74 m)(图4)。受磷矿区降水影响，研究区成为采矿降水疏干漏斗区的一部分，地下水的渗流途径发生根本性改变，即在高程70 m以上主要表现为垂直大幅震荡，在高程70 m以下则主要表现为朝矿区斜向径流[4]。

图4 钻孔地下水水位动态变化图Fig.4 Dynamic change diagram of borehole groundwater level

在磷矿区地下水过量开采的环境下，区域性地下水水位下降并形成稳定的降落漏斗，研究区地下水因此震荡加剧，地下水径流和排泄促使原本存在于基岩溶隙、溶孔、溶洞、岩溶管道中的细粒土及覆盖层中的细粒土逐渐被地下水携带流失，导致上述岩溶空间被不断地潜蚀淘空、加宽扩大，特别是雨季地下水水位的骤升和骤降加剧了充填物的流失，打破了覆盖层的应力平衡状态，最终造成覆盖层土体的失稳并产生地面塌陷[8-9]。

3.4 岩溶地面塌陷形成过程总结

研究区岩溶地面塌陷从孕育到形成主要经历了三个阶段：①矿山降水疏干影响区形成前，地下水以小流速的水平渗流为主，基岩中的岩溶管道、溶洞和覆盖层受外界干扰小，处于相对稳定的潜伏阶段；②矿山降水疏干影响区形成后，地下水在大气降水和采矿降水疏干的共同影响下，覆盖层在冲刷、潜蚀和吸蚀作用下形成土洞塌陷，或者原岩溶管道、溶洞在失去填充物的支撑后坍塌；③土洞或溶洞坍塌扩展到地表形成岩溶地面塌陷[7]。

总而言之，研究区广泛分布的碳酸盐岩为岩溶发育提供了物质基础；区域性构造使得岩石裂隙发育、地下水径流排泄畅通，促进了地下岩溶管道、溶洞发育；采矿降水疏干导致周边形成稳定的降落漏斗，改变了地下水的补径排条件，加剧了岩溶地面塌陷的形成。

4 岩溶地面塌陷区治理及效果

研究区主要存在由岩溶地面塌陷导致的土地资源损毁和生态环境破坏两个方面的地质环境问题。以恢复土地资源和改善生态环境为治理目标，对遭受塌陷破坏和受隐伏性塌陷威胁的土地进行注浆充填和回填整治，对因塌陷而受到破坏的设施和植被进行恢复，并考虑后续生产需要建设相应的配套设施，以满足治理区后续环境恢复和经济发展的需要。对岩溶地面塌陷区进行治理要达到2个目的：①充填溶洞后形成充填结实体，支撑原空区上部覆盖层，改善因岩溶地面塌陷引发的围岩力学性质及塌落体的力学形态，防止地表塌陷区的蔓延扩大；②阻断岩溶地下水的运移通道，减轻甚至消除碳酸盐岩溶蚀现象的发生，提高地表岩体稳定性[6,10]。

斑竹垱岩溶地面塌陷区治理工程的主要措施[4,11]如下：

(1) 注浆加固工程。对于207国道及沿线国防、通讯光缆，在回填压实塌陷坑后采用帷幕灌浆方法进行工程治理。治理区长600 m，宽48 m，以207国道中心线为中线，两侧各布设4排注浆孔，注浆孔深50 m，孔径89 mm，排距6 m，间距7 m。采用水泥浆直接注入，设计注浆压力2 MPa，注浆扩散半径4 m，单孔注浆量50 m3，由外侧向内侧间隔跳孔注浆。注浆工程配合207国道路面维修并分区分序分阶段进行，共完成765个注浆孔，最终达到整体加固隔水的效果，有效地保护了207国道及国防、通讯光缆。

(2) 回填工程。对于207国道两侧处于裸露状态的塌陷坑，进行回填治理。塌陷坑回填工程按照坑底清方、细石砼回填、耕植用土回填的顺序进行。坑底清方以见基岩为准，回填时先选用C15细石砼回填至距塌陷坑口2 m位置，然后回填开挖出来的耕植用土。回填工程使抛荒的20万m2农田恢复了林地功能。

(3) 河床整治工程。岩溶地面塌陷破坏了斑竹村居民赖以生存的水库干渠，为解决多年来的饮水和灌溉用水难题，布置了河床整治工程。河床整治工程主要依据原河床形态布置，具体措施为：对原河床进行开挖、夯填、整平、压实，然后回填50 cm厚的卵石垫层，铺设C30钢筋混凝土；河床内壁采用M7.5防水水泥浆砂浆抹面2 cm厚；为增大河床整治工程汇水面积，减少隐伏性塌陷区的地表水与大气降水的下渗量，布设11条排水沟，排水沟按排除50年一遇暴雨容量设计，采用M7.5浆砌石砌筑，砌体厚40 cm，然后用砂浆抹面3.5 cm厚。

(4) 绿化工程。对隐伏性塌陷区和塌陷坑回填区进行植被绿化。在塌陷坑回填区和隐伏性塌陷区的抛荒地(20万m2)内种植榆树、杨树等经济林，采取小苗(树径>5 cm)栽植方式进行种植，植间距为株距4 m、行距4 m，然后在树林间撒播易生长的草籽。

斑竹垱岩溶地面塌陷区治理项目于2010年启动，2019年竣工验收。项目实施后，原有塌陷坑基本被回填，减少了裸露岩体，使治理区的生态环境得到恢复；消除了地质灾害隐患，保障了207国道及沿线国防、通讯光缆的安全通行；使农田免遭破坏，土地资源得到保护和利用，促进了当地经济的可持续发展。