广西玉林市上垌村岩溶塌陷特征及形成机理探讨

◎韦绍鹏，符瑞结，周金海

一、研究区概况及岩溶塌陷基本特征

研究区位于广西玉林市福绵区新桥镇五金村委上垌自然村。经现场走访调查可知，自2011 年以来上垌村一带发生了40 多处地面塌陷灾害，塌陷点主要位于村内集中抽水井的上游，即抽水井北东方向，大致呈条带状集中分布，塌陷多发生在农田、民房下、道路边、果园或荒田等地。塌陷坑口形状主要呈类圆、椭圆形，少数为不规则形，其剖面形态呈碗状、漏斗状。单个塌陷坑直径一般小于5 米，小部分5 ～14 米；坑深普遍0.5 ～5 米，大的8 米；坑口面积以3 ～15 平方米的为主，最大的178平方米，单个塌陷坑规模以小型为主（见图1）。在塌陷坑附近地带，局部产生弧形、环圆形、直线型的地面裂缝，裂缝最宽0.12 米，裂缝长度2 ～15 米。

图1 上垌村岩溶地面塌陷平面分布图

二、上垌村地质环境背景

（一） 气象水文

研究区为南亚热带季风性气候，雨量充足，年均降水量约1 600 毫米，受海洋季风影响，雨季（4—9 月份）降水量占整年的70%左右。

研究区东侧发育有一条小溪河，总体上自北向南流，最终汇入南流江，河宽1 ～3 米，水深0.3 ～0.8 米，流量约0.3 米3/秒。此外，在研究区的北东侧分布有水塘，水深1 ～2 米，西侧有一条灌溉水渠通过。

（二） 地形地貌

研究区附近一带所处地貌类型为丘陵谷地，谷地呈宽缓状，宽50 ～200 米，切割深10 ～30 米，沿北东—南西向主构造线方向延伸。地面标高在70 ～72 米，谷地属第四系浅覆盖型岩溶区，多为村民集中居住区和农田。谷地两侧为丘陵，丘陵标高在95 ～99 米之间，与谷地高差25 ～29 米，丘陵山坡自然坡度较为平缓，一般小于15°。

（三） 地表岩溶形态

根据现场调查，研究区地表岩溶形态主要表现为岩溶洼地，其零星分布于丘陵谷地中。岩溶洼地平面形态多呈似椭圆形，长10 ～40 米，宽8 ～20 米，面积80 ～800 平方米，高程低于四周1 ～3 米。受大气降雨及地下水动态变化的影响，雨季时岩溶洼地因积水常形成水塘和鱼塘，旱季时水位回落形成低洼荒地，部分洼地经回填后为当地居民建房使用。

（四）地层岩性

研究区属于第四系浅覆盖型岩溶区，覆盖层主要为红黏土（Qel），一般自上由硬塑过渡到可塑、软塑甚至流塑状态，层厚一般3 ～5 米，局部8 ～10 米，具有膨胀性。下伏基岩为灰岩、白云质灰岩（D2d），灰白—灰色，微晶结构，厚层状—块状，裂隙较发育，岩石质硬性脆。根据钻孔数据，在基岩钻进中，遇洞率为47%，线岩溶率为6.4%。岩溶洞隙个体规模差异较大，洞高在0.4 ～6.2米，浅层岩溶中等发育，局部为强发育。

生态学是一门综合性很强的基础学科。随着科学研究的不断深入，生态学的内容逐渐丰富。生态学作为一门高校专业必修课程，在熟悉和掌握生态学理论知识的基础上，还应该培养学生的动手能力、创新意识，获得一些从事生态管理的基本技能。通过课堂教学增强学生的生态伦理观念和生态环境保护意识，指导学生塑造新的消费理念和生活方式，体现出理论与实践的完美结合。因此，生态学教学方式也必须与时俱进，才能更好地吸引学生的注意力，提高教学效果。

（五）区域地质构造

区域构造上该地处于六万山隆起带的南侧，太安褶断带（博白至梧州深断裂带）从该区通过，区域构造线方向以北东—南西向为主。太安褶断带由坡塘断裂、深水塘断裂、计塘断裂、朱砂垌断裂、太安断裂、六司断裂、坡江断裂等10 条大小断裂及北均塘背斜、朱砂垌背斜、冲口倒转向斜、六司向斜等20 多个背斜、向斜组成，宽4 000 ～7 000 米，大致呈北东50°走向。受断裂构造影响，区域内岩石节理裂隙较发育，特别是垂直节理裂隙十分发育。

（六）水文地质条件

研究区内的地下水类型可划分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水两大类。松散岩类孔隙水含水层主要由残积层红黏土组成，其含水透水性差，水量贫乏。红黏土层厚3 ～5 米，局部8 ～10 米，总体上孔隙水含水层薄、埋藏浅，孔隙水与下伏岩溶水具有较密切的水力联系。碳酸盐岩类裂隙溶洞水为覆盖型岩溶水，为研究区主要含水层，其赋存于灰岩、白云质灰岩等碳酸盐岩的溶隙、溶洞和岩溶管道中。富水性受岩溶发育程度影响较大，研究区下伏基岩的岩性主要为厚层状—块状灰岩、白云质灰岩，岩溶中等发育，局部强烈发育，单井出水量每天大于1 000 立方米，水量较为丰富。

研究区内地下水主要接受降雨补给以及附近丘陵地带碎屑岩基岩裂隙水的侧向补给，谷地地形较平坦，容易接受大气降雨入渗补给。此外，在农田灌溉期间还接受灌溉水的入渗补给。地下水总体上自东北向南西径流，最终排泄入南流江，局部的浅部地下水排泄入南东侧小沟溪中。由于该地机钻井较多，因此村内开采抽取地下水也是地下水排泄的形式之一。谷地内地形较平坦，水力坡度平缓，地下水径流排泄速度缓慢。

研究区地下水埋藏较浅，地下水位埋深一般0.3 ～2 米，水位年变幅一般1 ～5 米。在农业灌溉区，农田灌溉水入渗引起地下水呈季节性上升较为明显，地下水位略低于农田水位。受集中抽水井抽水的影响，水位动态变化较大，在抽水井附近的水位降深4 ～8 米。

三、岩溶塌陷形成机理分析

（一）形成条件

1.岩溶发育程度

研究区位于上游宽、下游窄的喇叭状岩溶谷地之中，有利于汇集大气降水，区域内地层岩性主要为灰岩、白云质灰岩等碳酸盐岩，厚层状—块状，质纯，易溶蚀。根据钻孔数据，基岩面高程61.95 ～70.25 米（1985 国家高程基准），埋深0.94 ～10.20 米，基岩面起伏较大，岩溶形态有溶洞、溶沟、溶槽、溶孔、溶蚀裂隙等。在基岩钻进中，遇洞率为47%，线岩溶率为6.4%，岩溶个体规模差异较大，洞高在0.4 ～6.2 米，溶洞主要分布在深度30 米以内，溶洞多为全充填或半充填，充填物为软塑—流塑状黏性土，浅层岩溶中等发育，局部发育强烈，岩溶裂隙连通性较好，成为塌陷物质的储集空间和运移通道，具备岩溶塌陷的空间条件。区域上太安褶断带（博白至梧州深断裂带）从该区通过，受此地质构造影响，岩石裂隙较发育，岩体较破碎。另外，研究区北西及南东侧的碳酸盐岩与碎屑岩接触，受断裂破碎带导水作用及谷地两侧碎屑岩隔水作用影响，谷地下伏岩溶基本上沿断裂带以及碳酸盐岩与碎屑岩接触带呈北东—南西走向发育，推测该带为一条岩溶发育强径流带，岩溶水流向集中、水交替频繁，抽水深井之间的水位反应敏感。以上这些地形地貌、地层岩性及构造为岩溶发育创造了基本条件。根据以往经验，岩溶发育强度越大，越容易发生岩溶地面塌陷。

2.覆盖层特征

研究区一带上覆土层主要为残积层（溶余堆积）红黏土，褐黄色、褐红色，硬塑—软塑状，土质较均匀，裂隙较发育，韧性较高，无摇振反应，含约5%的铁锰质结核，粒径一般2 ～5毫米。其层位及厚度变化较大，层厚多为3 ～5米，大的8 ～10 米，该覆盖层厚度对岩溶地面塌陷的发生较为有利。研究区红黏土在垂直方向上状态变化大，随着深度增加，红黏土的天然含水量、孔隙比和压缩性等有较大的增高，液性指数、含水比也相应增大，其状态逐渐由硬塑、可塑过渡到软塑，强度大幅度降低，因此红黏土具有上硬、下软、递变的特征，岩层面的土体受地下水动态变化的作用，一般较软弱，特别是溶洞或溶隙面上的黏土一般呈软塑—流塑状态。另外，覆盖于碳酸盐岩之上的红黏土属于原生红黏土，为特殊性岩土，具有一定胀缩性。

3.地下水活动

研究区位于地下水补给—径流区内，地下水自北东向南西方向径流。在天然状态下，谷地内地形较平缓，地下水埋藏较浅，丰水期地下水位埋深一般0.3 ～2 米，地下水位高程在70.38 ～71.70 米，水力坡度在0.2%左右。在丰水期农田灌溉期间，地下水位略低于农田水位，地下水位一般在土层与基岩面接触带间附近波动。地下水水位的活动部位对岩溶塌陷地质灾害的发生极为有利。

根据实地访问，上垌村在2009 年以前主要以一户一井的浅井（手摇井）开采地下水，抽水量较小，水位动态变幅小，地下水流场基本保持天然状态，未形成明显的地下水降落漏斗。因此，在天然状态下，岩土层能保持稳定不致塌陷。

研究区内对地下水影响的人类工程活动主要为人工抽汲地下水。在2009—2012 年间，五金村委上垌自然村为解决村民的用水问题，陆续在谷地中钻（深）井抽取地下水作为当地村民的生活用水，并打了部分农灌井抽水作为抗旱灌溉用水。研究区内有机钻井（深井）8 口，井深在40 ～70 米之间，一般抽水量每天约800 立方米，在2015 年3—5 月农灌井抗旱抽水期间，钻井抽水量每天4 440 立方米。

（二）形成机理

人为钻井抽水造成的地下水位大幅升降是研究区发生岩溶地面塌陷的主要原因，当地下水上下活动剧烈时，对上覆土层产生一系列地质物理作用，其中比较明显的有潜蚀、负压吸蚀、失托等。在这些地质物理作用下，覆盖土层内部原始应力平衡状态被打破，从而导致局部发生变形破坏形成土洞，土洞不断向上发展成拱形，洞顶土层越来越薄，进而失去平衡导致地面陷落。

1.潜蚀作用

机钻井抽水期间，地下水位动态变化大，流场发生较大变化，期间形成地下水降落漏斗，水力坡度变大，地下水流动速度加快，对上覆土层的潜蚀搬运能力加强，基岩面土层较为软弱，其细小颗粒在地下水的潜蚀下更易被搬运带走。 此外，在地下水大幅升降过程中，红黏土浸泡时膨胀，干燥时收缩，反复膨胀收缩导致裂隙产生，有利于降雨或灌溉用水等地表水下渗，加快潜蚀作用，破坏土体结构而形成土洞。

2.负压吸蚀作用

地下水位急剧下降至一定程度时，在岩溶洞隙中形成真空负压力腔。压强差会产生强烈的吸蚀作用，直接加速土洞洞壁的解体和剥落。另外，在负压力作用下，加快了地下水渗流的速度，从而进一步加强其对土洞周围土体潜蚀作用，加速塌陷的形成。

3.失托作用

在天然状态下，研究区的地下水位埋藏较浅，地下水对上覆土层有一个垂直往上的浮力，地下水位随着大量抽水活动陡降后，其托浮力失去或减小，造成土体自重大于抗塌力，导致塌陷的发生。

四、建 议

根据研究区岩溶塌陷的特征、基本地质环境条件、岩溶塌陷的形成机理，研究小组提出以下5 点防治地面塌陷灾害的建议。

1.严禁私自挖、钻水井，禁止现有机钻井及农灌井抽取地下水，统一供应市政自来水，避免过量抽汲地下水。

2.利用已有钻井作为监测井，建立地下水监测网络，对地下水的水位及开采量进行监测。

3.在塌陷坑、裂缝周边设置完善的排水系统，或采用彩条布铺盖方法防止雨水冲刷和入渗，以防引发地质灾害。

4.对位于农田、果园、荒地上的现状塌陷坑或隐患点，可采用先开挖再回填的措施进行治理。对于房屋内或房屋附近的塌陷坑，开挖清除可能会影响建筑物的安全，可采用先回填块碎石，再进行注浆加固的方法治理。

5.对开裂、下陷的房屋进行安全鉴定，如为危房，应进行拆除搬迁。

致谢：感谢广西海洋地质调查院杨敏高级工程师对此次研究的技术指导！