广东省英德市城南社区岩溶塌陷发育特征及成因分析

2023-11-11孙伟

中国地质灾害与防治学报 2023年5期

孙伟

（广东省化工地质勘查院，广东广州 518000）

0 引言

英德市位于广东省中北部，北江中游，是珠三角与内地接壤的交通要道[1]。前人对广东地区的岩溶地面塌陷研究主要集中在珠三角地区，研究方向主要为岩溶地面塌陷的分布规律、成因机制及防灾减灾措施等，对岩溶地面塌陷同样较为发育的粤北山区的研究相对较少[2]。

英德市英城街道城南社区“11·28”特大型岩溶塌陷地质灾害，自2020 年11 月28 日至2021 年3 月16 日期间，先后共计发生岩溶塌陷31 处。本次岩溶塌陷共计直接经济损失1 000 余万元，直接受灾群众600 余人，潜在威胁人员2 000 余人[3]。

本文依托“广东省英德市英城街道城南地面塌陷地质灾害应急勘查”项目，以 “11·28”特大型地质灾害期间所发生的31 处岩溶塌陷为研究对象，以岩溶塌陷区及外扩影响范围为研究区，在系统收集研究区及周边区域地质环境条件、历史灾情、水位监测等资料的基础上，通过调查、物探、钻孔等工作方法，查明岩溶塌陷特征、时空分布规律，分析岩溶塌陷的主要成因，为该地区岩溶塌陷的防治工作提供科学指导[4]。

1 研究区地质环境条件

研究区位于广东省清远市英德市英城街道城南社区，大致呈南北长，东西窄的不规则形展布，面积约0.6 km2。研究区地貌类型为岩溶盆地边缘的峰丛谷地地貌，区内地形平缓，东北部主要分布有居民区、污水厂，西北部主要为农田及鱼塘分布，中部主要为住宅及建筑工地，南部主要为英金水泥厂及荒地（图1）。研究区降雨丰沛且集中，主汛期为每年4 月15 日至10 月15 日，期间降雨量约占全年的80%，旱季为每年11 月至次年3 月，降雨量较少，本次岩溶塌陷即发生在旱季。研究区东侧紧邻北江，地处北江与滃江交汇口西岸，近年北江河道最高水位为31.49 m，研究区地面标高为25.47～32.92 m。

图1 研究区岩溶塌陷分布图Fig.1 Distribution map of karst collapses in the study area

1.1 地层岩性

研究区地表广泛为第四系土层覆盖，下伏下石炭统石磴子组（C1s）地层。第四系地层主要包括冲积层（Qal）、坡积层（Qdl）、残积层（Qel），各地层岩性简要描述见表1。

表1 研究区主要地层岩性表Table 1 Lithology table of main strata in the study area

1.2 地质构造

研究区大部分被第四系土层覆盖，仅东南山脚处有少量基岩出露。根据瞬变电磁法探测，区内发现三条带状异常，推测为3 条断裂带。通过钻探验证，有30 个钻孔揭露断裂构造，其分布与物探推测基本吻合，可判定研究区内发育3 条断裂构造，自西向东依次编号为F1-1、F1-2、F1-3（图1、表2）。

表2 断裂特征统计表Table 2 Statistical table of fracture characteristics

1.3 水文地质

研究区为北江右岸地下水的排泄区，地下水类型包括松散岩类孔隙水和碳酸盐岩类裂隙溶洞水两类[5]。

松散岩类孔隙水赋存于第四系土层中，含水层透水性中等-差，富水性弱，直接受大气降水、上游侧向径流及地表水入渗补给；碳酸盐岩类裂隙溶洞水赋存于下伏基岩岩溶孔洞、裂隙中，含水层透水性中等，富水性中等，主要受地下水侧向径流和北江的侧向补给，局部通过漏斗、落水洞直接接受地表水体入渗补给，部分经上覆松散层接受降雨及地表水补给[6]。区内雨季补给大于排泄，地下水位升高，地表水补给地下水；旱季补给小于排泄，地下水位降低，地下水补给地表水。区内地下水主要排泄方式为蒸发和向北江排泄。

1.4 岩溶发育

在研究区内施工的256 个钻孔中，有206 个钻孔揭露溶洞，钻孔见洞率80.5%，钻孔线岩溶率0.96%～88.68%，平均33.38%，整体岩溶强发育。平面上，研究区中部岩溶发育强烈，平均线岩溶率达20%以上；北部、南部区域岩溶发育相对较弱，钻探线岩溶率小于5%，局部介于5%～20%，越靠近中部岩溶发育程度越高。垂直方向上，物探解译及钻探揭露均表明，研究区内岩溶强烈发育带主要分布于-20～20 m 标高范围，其中-10～20 m标高内岩溶发育较强烈，发育密度和发育规模均较大；-20～-10 m 标高段，发育密度略低，但溶洞规模较大；20 m 标高以上及-20 m 标高以下，岩溶发育程度较低（图2、图3）。

图2 研究区各标高段线岩溶率分布图Fig.2 Distribution map of karstification rates in various elevation sections of the study area

图3 研究区岩溶发育剖面图Fig.3 Karst development profile in the study area

2 岩溶塌陷发育特征

2.1 塌陷坑平面形态

研究区内共发生31 处岩溶地面塌陷，塌陷坑平面形态有圆形、椭圆形、近似圆形及近似椭圆形四种[7]（图4）。以较为规则的圆形、椭圆形为主，圆形13 处，占41.9%，椭圆形10 处，占32.3%。另外，近似圆形7处，占22.6%，近似椭圆形1 处，占3.2%。

图4 塌陷坑平面形态特征示例Fig.4 Site examples of the planar morphological characteristics of karst collapse sinkholes

2.2 塌陷坑规模

圆形及近似圆形塌陷坑共20 处，直径1～15 m，其中＜10 m 共18 处，10～20 m 共2 处；椭圆形及近似椭圆形塌陷坑共11 处，长轴3.3～24.5 m，短轴2.5～19.3 m，其中长轴＜10 m 共9 处，10～20 m 共1 处，20～60 m 共1 处（表3）。根据塌陷坑直径（或长轴）大小，直径（或长轴）＜10 m 的有27 处，占比87.1%，属小型规模；10～20 m 的有3 处，占比9.7%，属中型规模；20～60 m的有1 处，占比3.2%，属大型规模。由此可见，研究区内单体塌陷坑以小型规模为主，少量为中、大型规模。研究区内先后连续发生31 处岩溶塌陷，数量≥20 处，影响面积60×104m2≥10×104m2，研究区岩溶塌陷群规模为特大型[8]。

表3 研究区塌陷坑基本特征表Table 3 Basic characteristics of karst collapse sinkholes in the study area

3 岩溶塌陷成因分析

岩溶塌陷的发生，是多种形成机制综合叠加的结果[9]，根据研究区的调查研究及勘探揭露，综合分析区内岩溶塌陷的成因主要有以下几方面：

3.1 地质构造

研究区发育有三条NE 向断裂构造，受构造运动影响，断裂带内岩体破碎、地下水活动强烈，极易形成岩溶强溶蚀带。根据钻探揭露，沿断裂带下伏可溶岩裂隙、溶洞发育，局部见有土洞，多数溶洞为空洞或半充填状，在研究区形成复杂的承压地下水管流系统，加剧了岩溶发育，为岩溶塌陷的形成提供了地下空间基础[10]。

3.2 覆盖土层

研究区内覆盖土层成因以残积、坡积为主，单层结构，成分主要为粉质黏土，夹杂岩石风化碎屑。覆盖土层具有一定的黏聚力和透水性，有利于地下水潜蚀作用，形成土洞，为区内形成土洞的主要地质体[11]。由于区内地形平缓，覆盖层较厚的区域，亦是下伏碳酸盐岩的地下溶沟、溶槽等溶蚀低洼地带，主要分布于研究区的中部、东部及北部的局部区域，岩溶塌陷大部分沿低洼地带的边缘分布。

3.3 水文地质条件

研究区东侧紧邻北江，地下水位与北江水位联系密切，雨季北江补给地下水，旱季地下水补给北江，研究区处于地下水强径流和强交换带上，地下岩溶管道发育，存在地下水动态变化迅猛、迳流通畅、流态多变等特点，为区内岩溶、土洞的发育提供有利的动力条件，同时也会直接诱发岩溶塌陷[12]。

3.4 大气降雨

研究区2020 年7、8 月份的降雨量不足往年同期平均降雨量的一半，9 月的降雨量大于往年同期平均降雨量的2 倍，10 月至发生地面塌陷期间几乎没有降雨。受短期内降雨量的大幅度变化，导致研究区内地下水位产生大幅度波动，致使承压地下水管流系统的溶洞、土洞产生真空负压作用或渗透潜蚀作用，打破天然条件下该系统的动态平衡状态，导致岩溶塌陷发生[13]。大气降雨是诱发本次岩溶塌陷的自然因素。

3.5 人类活动

一方面，人类活动抽排地下水，改变研究区地下水流场。根据现场调查，研究区内及周边的建筑工地、三鸟市场、水泥厂等多处存在抽排地下水现象，抽排水量较大，造成局部地下水位下降，形成地下水降落漏斗；污水厂的污水渗漏造成地下水位的悬空补给，引起局部地下水位抬升。这些人类活动直接造成地下水坡度的频密波动，水力坡度交替变化，加速地下土洞的形成和洞顶上移，最终引起地表土层垮塌，形成地面塌陷。人类活动大量抽排地下水是诱发本次岩溶塌陷的主要人为因素。

另一方面，在人类工程活动作用下，溶洞或土洞产生机械贯穿或释压，导致可溶岩裂隙溶洞承压水水头倍增，从而将溶洞与地表水体贯通，使该管流系统相连的土洞真空负压进一步增大，引发地面塌陷[14]。研究区内的多处建筑工地均有钻探、冲桩等工程活动，存在贯穿溶洞的可能。