四川古蔺岩溶区地质灾害发育特征及治理措施

2022-07-15曹水合苟丹峰

西部探矿工程 2022年7期

曹水合，苟丹峰，钟东

（四川省地质矿产勘查开发局九一五水文地质工程地质队，四川眉山 620010）

古蔺县位于四川省南部边缘，处于四川盆地与云贵高原过渡带乌蒙山系大娄山西段北侧，幅员面积3184.19km2。境内地势西高东低，南陡北缓地形起伏较大，山峦耸立，沟壑纵横，“七山一水两分地”，地层古老，构造复杂，灰岩出露广泛，加之极强的暴雨降水特征，岩层风化、溶蚀作用强烈，地质灾害频发，是四川省滑坡、崩塌等地质灾害易发区[1]。

岩溶作用是地下水和地表水共同对可溶性岩石的破坏和改造的地质过程[2]。地下水作为主要水动力条件，地表水为辅，以化学溶解与沉淀过程为主，流水侵蚀、搬运、沉积，重力崩滑和堆积等机械过程为辅[3]。其作用的特殊性使得地质灾害易于在岩溶地区发生，较为常见的灾害如地面塌陷、石漠化和岩溶突水，此外滑坡、崩塌也较为发育[4]。研究区碳酸盐岩地层分布面积1561.8km2，约占全区面积的49%，岩溶地质灾害的数量和规模也较为显著，对区内居民生命财产安全造成了较大损失和严重威胁，阻碍地方经济发展。因此，研究古蔺县岩溶区地质灾害发育分布特征[5-6]、影响因素与形成机理，进而提出行之有效的治理措施十分必要。

1 岩溶发育概况及影响因素

1.1 岩溶发育概况

1.1.1 地表岩溶

古蔺县岩溶地貌表现为侵蚀—溶蚀中、浅丘地貌和断层溶蚀谷槽地貌。地表岩溶发育程度为中等，石芽、溶沟、溶槽零星分布，地表溶洞零星分布于岩壁，少见落水洞、漏斗。

（1）溶沟、溶槽、石芽主要分布于古蔺县中部及东南部，溶沟、溶槽半出露型零星分布于山顶、山坡及山麓地带。溶沟溶槽宽度一般0.2～2.5m，主要为粘土半填充（图1-a）；石芽出露高度一般0.2～1.5m（图1-b）。

（2）区内漏斗平面形态主要为椭圆形，漏斗底部往往被冲洪积物所充填，多被牧草、杂草、灌木丛覆盖或被改造成农田。部分岩溶漏斗中发育有落水洞，是研究区较少见的地表岩溶。

（3）溶蚀洼地在整个碳酸盐岩区均有分布，三叠系雷口坡组（T2l）地层中发育较多；奥陶系中上统地层中各有部分发育。洼地底部为第四系冲洪积物所覆盖，厚度较大，多被改造为耕地。

（4）溶蚀残丘在整个碳酸盐岩区均有分布，区内溶蚀浅丘绝大部分沿岩性界线分布。受岩性组合控制形成的溶蚀残丘平面形态一般呈近椭圆状、馒头状。

1.1.2 地下岩溶

古蔺县地下岩溶中等发育，地下岩溶主要有溶洞、隐伏石芽、溶蚀破碎带等。

（1）隐伏石芽多分布于沟谷底部及覆盖层相对较厚的缓坡地带。石芽埋深多0.5～8.0m，在洼地等地势低洼处埋深较大，可达15m 以上；单个石芽呈尖脊状、石柱状，表面粗糙，高度一般0.5～2.0m，起伏较裸露型石芽大；石芽与上覆粉质粘土、粉土在接触带呈犬牙交错态（图1-c）。

图1 古蔺县岩溶地貌特征

（2）调查发现区内大中型溶洞6 个，其中皇华镇利河村二叠系下统地层中出露3处。此外，大寨乡三叠系雷口坡组（T2l）地层、石宝镇奥陶系中上统地层均有发育，发育程度相对较高，顶板厚一般0.3～8.5m（图1-d），最厚为16.3m，洞高一般0.2～8.0m，最大可达13.3m，总体以半—微充填为主。

1.2 岩溶发育的影响因素

岩溶发育程度与地层岩性、地形地貌、地质构造、地下水活动等因素密切相关[7-8]。古蔺县地表岩溶的平面分布及外部形态受地层岩性和地质构造作用控制明显。

1.2.1 地层岩性

地层岩性主要影响可溶岩地层的空间分布，以及岩矿化学组成、岩性组合及厚度、埋藏深度等。古蔺县共出露7 套地层，其中含碳酸盐岩的地层有5 套，地层岩性为：三叠系下统嘉陵江组（T1j）及中统雷口坡组（T2l）灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩，厚0～474m；二叠系下统栖霞组（P1q）、茅口组（P1m）灰岩，厚67～391m，上统龙潭组（P2l）不纯灰岩，厚度66～130m；志留系下统石牛栏组（S2sh）灰岩、泥灰岩，厚度260～553m；奥陶系下统桐梓组和红花园组(O1t+h)生物碎屑灰岩，出露厚度44～86m，中上统(O2+3)灰岩夹泥质条带，厚度25～80m；寒武系中上统娄山关群(∈2-3Ls)白云岩，厚度354～406m。根据区内地层岩石中可溶性岩碳酸盐岩的成分、结构及构造，可将古蔺县岩溶层组分为5种类型（图2和表1）。

表1 古蔺县岩溶层组分类表

一般而言，碳酸盐类岩石中方解石含量越高，含白云石和杂质越少，更易溶蚀。此外，矿物微观结构也是影响其可溶性的重要因素，通常颗粒越细、骨架越疏松、孔隙度越大，溶蚀越发育。区域出露的灰岩、白云质灰岩、白云岩为碳酸盐岩，以纯度较高的灰岩—白云岩为主，占比例较大，易于溶解的矿物成份（白云石、方解石等）、化学成份（CaO、MgO等）含量较高，为岩溶发育提供了良好的岩性条件。

1.2.2 地质构造

区内地质构造以压性及压扭性断裂和褶皱为主，构造线方向呈45°～50°展布于古蔺县南部及东部地区（图2）。主要构造形迹有：古蔺背斜、石宝向斜（包含土城鼻状向斜和石宝鼻状向斜）、水口寺背斜、茅台向斜、赤水河向斜、刘家沟断裂和水口寺断裂等以及由之引起的次级断裂和褶皱。南北向构造体系主要分布于测区北部，以压性为主，主要构造形迹为龙爪坝向斜以及众多性质不明小型断裂。东西向构造体系仅见于区内中南部，以压性及压扭性为主，但多受其它构造体系干扰破坏，显得面目不清。这些规模较大的断层及褶皱带往往构成小型或次级断裂的集水通道，也是区内岩溶作用的差异性和岩溶发育在空间分布上不均匀性的重要原因。

1.2.3 岩溶水文地质

岩溶区地下水主要为碳酸盐岩类岩溶水和基岩裂隙水。浅层基岩裂隙水在未到达节理闭合性较好的中风化灰岩顶面或局部侵蚀基准面之前，主要以垂向径流为主，而在到达之后以水平向径流为主。其径流通道主要为可溶性岩体中的溶洞、溶孔、溶隙和张性裂隙；当岩溶地下水径流过程中径流遇到非岩溶地层中的砂岩、泥页岩时，地下水会顺着泥页岩层面整体向下运移。可见，灰岩与砂岩、泥页岩接触面既是这类地下水径流通道，也是其储存空间，为岩溶发育提供了良好的水文地质环境。

2 地质灾害与岩溶的关系

2.1 地质灾害分布与岩溶

根据古蔺县地质灾害的统计分析，岩溶发育程度较为强烈的区域，地质灾害发育也较强烈。岩溶区发育地质灾害类型为滑坡、崩塌和地面塌陷，共计50处，占全县地质灾害总数（2015地质灾害详查数据133处）的38%（表2和图2），地质灾害宏观分布与岩溶关系具有以下特征：①岩溶塌陷多分布于岩溶水系统沿线；②滑坡崩塌数量多于岩溶塌陷，滑坡崩塌多分布于干流和一级支流两岸（水力梯度大、地下水循环强烈）或岩溶水系统出口附近；③岩溶发育程度较弱，则滑坡崩塌数量少，岩溶发育程度较强，则滑坡崩塌数量较多，但岩溶作用作为地质灾害影响因素之一，是与其他因素（易滑地层、斜坡结构、临空面高度等）相叠加进而控制滑坡、崩塌的空间分布。

表2 古蔺县地质灾害分布与岩溶发育特征对照表

2.2 岩溶地面塌陷

岩溶区发育地面塌陷13 个，为土洞塌陷和冒顶塌陷。在地下水侵蚀、自重、气团压缩、水流潜蚀等作用下形成，多出现于汛期。主要发育于二叠系下统茅口组及上统龙潭组、志留系下统、奥陶系中上统等地层中，塌陷坑平面形态为圆形，剖面形态多呈漏斗状、竖井状，塌陷规模大小不一，塌陷深度最大可达2.5m。

2.3 滑坡、崩塌（危岩）与岩溶风化

岩溶区滑坡、崩塌主要集中在地质构造变形强烈的地段，发育滑坡13 个，崩塌（危岩）10 个。滑坡类型以岩溶堆积层滑坡为主，多发于三叠统下统和二叠系下统地层中，滑坡体为岩溶风化形成的残积土，下伏滑床岩性以灰岩为主；崩塌以中高位灰岩崩塌为主，多发于二叠统下统和志留系灰岩形成陡崖带。

3 岩溶区地质灾害成因机理

3.1 滑坡

岩溶作用作为表层岩溶堆积物的控制因素，间接控制着堆积层滑坡的发育。岩溶堆积层的形成通常经历溶蚀堆积、粘土化作用和红土化作用三个阶段[9]。在溶蚀堆积阶段，母岩溶蚀形成起伏交错的溶蚀不整合面；在粘土化作用阶段，溶蚀残积物中砂砾继续被溶蚀，而难溶矿物重结晶后形成粘土矿物并富集形成粘性土。调查表明，研究区岩溶堆积层多处于粘土化阶段，该过程产生大量的由粘土矿物（绿泥石、高岭石和伊利石）组成的粘性土，其强度低，易膨胀，在降雨入渗软化作用下，土体强度进一步降低，极易沿溶蚀阶段形成的溶蚀面产生滑动变形破坏（图3）。

图3 岩溶堆积层滑坡剖面图（古蔺镇下湾子滑坡）

3.2 崩塌

古蔺县危岩的破坏模式主要为倾倒式崩塌。坚硬性脆的灰岩岩组，在地下水溶蚀作用下多形成深大的溶蚀裂隙，并与原生结构面、构造、卸荷风化和人工爆破等作用下产生的卸荷裂隙（缝）组合，导致岩体被切割成脱离母岩的孤石。此外，地下水岩溶作用的不断发展，又使得碳酸盐岩岩体中的裂隙或层面等软弱结构面的宽度和规模不断扩张加大，弱化了岩体的完整性和坚固性。在暴雨、强震条件下，发生落石崩塌灾害。如图4所示。

图4 灰岩崩塌剖面图（东新乡鹰嘴岩崩塌）

3.3 岩溶地面塌陷

由于地下水对可溶性岩石以及上覆土层的溶蚀和搬运，导致地下空洞形成和扩大，覆盖层在重力和负压作用下失稳陷落，发生岩溶地面塌陷灾害。首先，降雨入渗与塌陷土柱底部零水头之间形成水头差，产生作用于塌陷土柱之上的渗透力。随着降雨入渗，塌陷土体自身容重增加，土体抗剪强度也随之降低。在地下水变化时，土洞或溶洞形成的低气压作用下（负压封闭效应[10]），发生岩溶塌陷。如图5所示。