山东平邑地质灾害重点风险区岩溶塌陷易发性评价及对策研究分析

祝丽媛 李莺宇 方玉钦 杜伟 冯广 刘乃彬 陈秀娟 周军 刘海萍 窦连波

收稿日期：20231205；修订日期：20240117；编辑：陶卫卫 基金项目：山东省国土空间生态修复中心“2021年中央自然灾害防治体系建设（地质灾害风险普查）”项目（鲁财资环指〔2021〕20号），项目编号：SDBC2021CS078

作者简介：祝丽媛（1984—），女，山东菏泽人，高级工程师，主要从事水工环地质工作；Email：402433139@qq.com

*通讯作者：窦连波（1981—），男，山东聊城人，高级工程师，主要从事水工环地质工作；Email：36413415@qq.com

摘要：平邑县地质灾害重点风险区内兖石铁路、国道G327等交通沿线多次发生岩溶塌陷，虽尚未造成人员伤亡，但区域内人员密集，岩溶塌陷易发性高，给社会稳定带来安全隐患。本文在已有资料分析的基础上，从覆盖层、岩溶发育程度、地质构造、地下水位变化、机械振动等方面分析了平邑县重点风险区内岩溶塌陷的影响因素及成因机理，选取了7项岩溶塌陷影响因子作为评价指标，并运用AHP 法计算了各评价指标的权重，构建了有针对性的评价指标体系，结合GIS 空间分析方法进行了岩溶塌陷易发性评价，针对性地提出了防治措施建议，为相关部门重要工程建设选址提供地质参考依据。

关键词：岩溶塌陷；影响因素；成因机理；易发性评价；防治措施；山东平邑

中图分类号：P694    文献标识码：A    doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.06.003

引文格式：祝丽媛，李莺宇，方玉钦，等.山东平邑地质灾害重点风险区岩溶塌陷易发性评价及对策研究分析［J］.山东国土资源，2024，40（6）：1827.

ZHU Liyuan， LI Yingyu，FANG Yuqin，et al. Study and Analysis on the Susceptibility Evaluation and Countermeasures of Karst Collapse in Key Risk Area of Geological Disasters in Pingyi County in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（6）：1827.

0  引言

平邑县地质灾害重点风险区内兖石铁路、国道G327等交通沿线多次发生岩溶塌陷，虽尚未造成人员和财产损失，但隐伏灰岩区分布范围广，分布区内人口较稠密，交通通信设施密集，岩溶塌陷易发性高，威胁塌陷区及周边地区的人民群众生命财产安全，给社会稳定带来安全隐患。

岩溶塌陷易发性评价是对岩溶塌陷形成的地质背景进行评价［1］。近年来，众多学者采用 AHP法（层次分析法）、模糊数学法、GIS技术处理等多种方法，陈菊艳［2］、江思义［34］、李海良［5］、吴远斌［6］、黄健民［7］、理继红［8］等以GIS与层次分析法相结合的方法，对贵州、广西、湖南、广州、苏州等多地岩溶发育区进行了岩溶塌陷易发性评价研究，山东省临沂、泰安、枣庄、曲阜对岩溶塌陷易发性、监测研究做了大量工作［922］，这些研究都为本次分析提供了工作方法和思路。

1  地质环境条件

研究区位于临沂市西部、平邑县中部，属于平原区，海拔+155m左右，全年降雨量集中于7月份，地表河流主要是浚河，河床平均宽度250m，汛期最大行洪面宽692m，最大水深5m，平均水深2.87m，洪水流量4950m3／s。

研究区位于尼山凸起、临沂凸起、平邑凹陷交会地带，大部分被第四系覆盖，下伏奥陶纪马家沟群五阳山组、北庵庄组灰岩、寒武纪九龙群张夏组鲕粒灰岩，在平邑县城北部、温水镇西北出露五阳山组灰岩，泰和村南部存在NNW向断裂平邑铜石断裂，一条导水断裂，为平邑县工农业用水的主要储水构造。水文地质单元属于平邑断块岩溶水系统内，地下水自西北向东南由高到低（图1）。

2  岩溶塌陷发育特征

研究区铜石镇泰和村2009年秋初次发生塌陷，2013年秋、2018年7月5日再次发生塌陷，2018年春、2021年4月铜石镇兖石铁路沿线庞家村西发生岩溶塌陷。

2.1  泰和村岩溶塌陷特征

2009年秋铜石镇泰和村北一住户发生地面塌陷，塌陷深度约为2.1m，直径为15m；2013年秋，塌陷点南侧发生塌陷，塌陷坑呈圆形，面积约25m2，塌陷深度约0.5m，该民宅墙体裂缝最大宽度达20cm；2018年7月5日，下陷约10cm，塌陷坑近似圆形，半径约4m；在2019年同一塌陷位置东南侧房屋墙体裂缝宽度加大，西侧墙体和部分屋顶整体向西侧倾倒，房屋墙体裂缝大于30cm。

2.2  庞家村岩溶塌陷特征

2018年4月庞家村西北兖石铁路线K108+800外侧首次发生塌陷，塌陷坑2个，大塌陷坑最大深度18.3m，截面最长8.7m、最宽7.3m，平面呈不规则三角状，向下为直立型漏斗。大塌陷坑西侧（兖州方向）有一个长13m，宽6.5m的小塌陷坑，塌陷坑形状不规则，小塌陷坑西部二次塌陷痕迹明显，呈坑中坑落水洞模式，二次塌陷长1.5m、宽1m、最深0.8m，目前已进行充填治理。

3  岩溶塌陷影响因素及成因

3.1  研究区岩溶塌陷影响因素分析

3.1.1  地层岩性因素

研究区上覆第四纪地层（二元结构，上部为黏性土，下部为砂性土，厚度0～15m），下伏奥陶纪马家沟群五阳山组、北庵庄组灰岩、寒武纪九龙群张夏组鲕粒灰岩，具备岩溶发育的地质环境条件。

（1）覆盖层。

岩溶塌陷与第四系厚度有关，但是不成线性关系，土层厚度越大，致塌地表所发生的时间越长，发生塌陷的规模越大，土层厚度越小，发生塌陷的规模越小。

浚河西侧，砂层厚度大且分选性好，砂层松散，发生岩溶塌陷的可能性大，已发生的2处岩溶塌陷均位于浚河西侧；浚河以东，灰岩顶板分布有黏土层，且厚度普遍大于10m，不易发生岩溶塌陷。

铜石镇附近覆盖层厚度0～10m不等，总体表现为从浚河两岸逐渐变薄的趋势，在相同的覆盖层结构的情况下，岩溶塌陷数量随着覆盖层的厚度增加而减小，塌陷点覆盖层厚度多小于10m。

（2）岩溶发育程度。

岩溶洞隙的开口程度是岩溶塌陷形成的重要因素，浅部岩溶由于地下水活动频繁，交替强烈，连通性较好，岩溶洞隙数量多，岩溶发育强烈。根据平邑归来庄金矿103个钻孔统计，奥陶纪东黄山组、三山子组含隧石结核条带白云岩岩溶最发育，白云岩、砂糖状白云岩岩溶发育次之，泥质灰岩与条带状灰岩岩溶发育较差。泰和村下伏北庵庄组厚层灰岩，根据收集的岩溶塌陷点西侧5m左右工程地质剖面资料分析，15～25m岩溶发育较多，单个溶洞高度一般0.5～2.0m，单孔平均揭露溶洞个数2～4个，平均厚度1.6m。

3.1.2  地质构造因素

铜石镇泰和村岩溶塌陷坑位于铜石断裂与闪长岩侵入岩体的交会处，附近发育3条断裂，主要断裂构造为NNW向的燕甘断裂，从泰和村东部经过，为一条阻水断裂;南部为NNW向断裂平邑铜石断裂，北部为NNE向断裂小官路断裂，均为导水断裂。断裂带内及其旁侧，岩溶裂隙带发育，在地应力及其他因素的影响下，造成上覆第四系底部的中细砂层流失，形成第四系土洞，导致上部黏土层极不稳定，塌陷坑长轴方向与主干断裂（燕甘断裂）走向基本一致（图2）。

3.1.3  诱发因素

覆盖层厚度5～10m，存在直径大于3m以上的开岩洞穴，在可溶岩岩性较纯，连续厚度较大，出露分布较广，断层较发育、岩层较破碎的地带，雨季集中降雨后地表水不断补给地下水导致地下水位上升，或者地下水大量开采导致地下水位下降，都极易形成岩溶塌陷。平邑县重点风险区岩溶塌陷的诱发因素主要是地下水位变化及机械震动（图3）。

（1）地下水位动态变化。地下水位的升降可使位于地下水位以下土体所受浮托力产生变化，使封闭较好的岩溶空腔中的气体出现向上的冲压或负压腔，产生冲爆或吸蚀，引起岩土体的破坏。地下水本身具有的侵蚀、搬运能力，可使溶洞中的充填物部分被迁移，使充填的溶洞重新开启，易发生塌陷。

汛期集中降雨、枯水期长久不下雨及地下水的开采都会引起地下水位动态变化。当地下水位低于基岩顶板时，降雨便成为诱发岩溶塌陷的主要因素。降雨量的大小直接影响水力梯度的大小，大旱过后的降雨，尤其是强降雨，对地下水影响较大。2009年、2013年、2018年年降水量相对于以往年份低，7月份之前降水量较少，7、8月份降水量较多，入渗量明显增加，土体含水量增加，充沛且集中的降雨使地下水位升降和补、径、排活动非常活跃。

地下水开采也会引起地下水动态变化，根据泰和村2010年建设的地下水动态观测井资料及调查资料分析，自浚河挖砂以来，地下水位下降迅速，水位埋深一般在5～15m之间，自东向西由浅变深。浚河采砂及当地居民开采岩溶地下水作为生活用水，改变了地下水应力场，同时改变了地下水的排泄状态，使地下水位下降迅速，水力坡度变大，地下水所承担的那部分上覆压力转移给第四纪黏土层。在其他因素双重叠加下致使2009年秋、2013年秋、2018年7月发生塌陷（图4）。

（2）机械振动。

铁路列车行驶引起铁轨及土层震动，其致塌机制与耦合效应的破坏累积有关，相比其他区域来说，距离铁路越近，影响时间越长，受到频繁的机械振动从而产生致灾力的可能性更大。频繁的机械振动也是诱发庞家村岩溶塌陷的重要因素，庞家村岩溶塌陷点距离兖石铁路仅7m，长年受火车运行产生的机械振动影响。

3.2  成因机理分析

3.2.1  铜石镇泰和村岩溶塌陷成因机理分析

泰和村岩溶塌陷点下伏基岩为奥陶纪马家沟群北庵庄组、东黄山组地层，北庵庄组厚层灰岩埋深10～15m，浅层岩溶裂隙发育，单层溶洞发育深度0.5～2m不等，充填物较少，连通性好。上覆第四系为二元相结构，上部为黏土，厚度一般在10～13m；下部为中细砂层，厚度一般在0.6～3.3m。浚河沿线F1断裂东侧，第四系水井水位埋深平均为10.10m，F1断裂西侧水井水位埋深平均为28.3m，地下水自西向东补给浚河水，浚河水自东向西补给地下水。F1断裂附近水力梯度较大，地下水径流速度较快。泰和村塌陷坑附近水位埋深在15m左右，位于第四系与基岩接触带上，近年来，水位呈持续下降趋势。塌陷区正处在东侧孔隙水与西侧岩溶水相互交换更替的部位，水面的波动导致第四系底部砂层的流失，则形成岩溶塌陷［18］。地下水位波动与水位下降是铜石镇泰和村岩溶塌陷的主要诱发因素（图5）。

3.2.2  铜石镇庞家村岩溶塌陷成因机理分析

庞家村附近第四系厚度3m左右，下伏北庵庄组灰岩，该塌陷点位于归来庄金矿附近，归来庄金矿露天采坑开采排水，地下水的长期开采形成以归来庄金矿为中心的地下水漏斗，改变了地下水径流排泄路径，周边地下水与地表水入渗，由于东南部奥陶纪灰岩发育，使得地下溶洞原本应力状态发生改变，加上真空负压作用，极易发生岩溶塌陷［19］。

4  研究区岩溶塌陷易发性评价

4.1  评价指标体系

4.1.1  评价指标选取

岩溶塌陷易发性评价采用AHP 法（层次分析法），是一个多层次、多因素的复杂评价体系，评价模型分为目标层、条件层、因子层3个层次，影响因子7个：

岩溶发育程度：基岩岩性（R1）和地质构造（R2，与断裂距离）；

覆盖层特征：土层结构（G1）和土层厚度（G2）；

诱发因素：水位变化（Y1，水位与基岩面关系）和机械振动（Y2）；

塌陷历史条件：与已知塌陷点距离（T1）。

4.1.2  评价模型

岩溶塌陷易发性评价模型采用一元多项式，综合考虑各影响因素的重要性，运用层次分析法确立各指标的权重，并按照各指标对塌陷的影响进行等级划分，利用MapGIS空间分析工具将各评价因子的指标权重进行叠加，评价模型如式（1）：

P=∑XiCi  i=1（1）

式中：P—易发性评价综合指数；Xi，Ci—分别为易发性因子取值及权重。

4.2  岩溶塌陷评价指标因素分析

4.2.1  岩溶发育程度

（1）基岩岩性。岩性是控制岩溶发育的基本条件，质纯、厚层且均匀分布的灰岩地层岩溶发育较强，白云岩岩溶发育次之，碳酸盐岩与碎屑岩互层的地层及泥质碳酸盐岩类岩溶发育较弱。据资料分析，马家沟群北庵庄组、三山子组及炒米店组灰岩、白云质灰岩、泥质灰岩，易发生岩溶塌陷，塌陷发生数量多。对兖石铁路沿线下伏基岩地层按其岩溶发育程度进行了划分并赋值。基岩出露的非灰岩区直接定为非岩溶发育区。

（2）地质构造。在岩性相同情况下，断裂及其影响带成为地下水的良好赋存空间和运移通道，地下水与岩石密切接触，溶蚀作用更强；而非构造发育带，相应的岩溶发育程度比构造带的发育要弱。距离断层越近，岩体越破碎，岩溶越发育，对岩溶塌陷的影响程度越大。根据区内断层对岩溶塌陷影响程度，对断层进行缓冲区分析，将断层缓冲区分为0～100m、100～300m、＞300m共3个区，并分别赋值。

4.2.2  覆盖层特征

（1）土层结构。覆盖层的岩性结构对岩溶塌陷的产生有较大影响，覆盖层土体结构一般由黏性土、砂及砾石等组成，二元结构区（上部黏性土，下部砂性土）最容易发生岩溶塌陷，其次为多元结构区（黏性土与砂性土互层），一元结构区（粉质黏土为主）最不易塌陷。根据已有资料，将研究区内土层结构分为二元结构、一元结构及多元结构，并对其赋值。

（2）土层厚度。在相同的水文地质条件下，上覆土层厚度小，有利于地下水的潜蚀和掏空作用，使土洞扩展到地表的进程缩短，使塌陷易于发生。但覆盖层厚度大时，其自重力也大，致塌力也相应的增大，土层破坏失稳形成土洞的可能性也会增大。将研究区土层厚度按10～25m、5～10m，＞25m 或＜5m共3个分区进行赋值。

4.2.3  诱发因素

（1）地下水位变化。岩溶地下水位在基岩面附近波动的情况下，土体最易塌陷，将研究区岩溶地下水位与基岩面关系划分为3个等级，并进行赋值（表1）。

（2）机械振动。铁路列车行驶引起铁轨及土层震动，其致塌机制与耦合效应的破坏累积有关，距离铁路越近，影响时间越长，发生塌陷的可能性越大。按距离铁路中心0～50m、50～100m、＞100m对3个分区进行赋值。

4.2.4  岩溶塌陷历史

岩溶塌陷历史反映了该地区塌陷发育强度及活跃程度。与已知塌陷距离越近，表明影响塌陷的其他因素指标分值越高，在同等条件下发生岩溶塌陷的可能性越大。综合分析研究区塌陷历史资料，本次将与已知塌陷点距离分为3个等级，并分别赋值。

4.3  评价指标权重的确定

采用层次分析法（AHP）来确定影响权重（表2）。AHP中，采用随机一次性指标CR来检验判断矩阵的合理性。通过对各评价指标相对重要性的比较，最终计算得出各指标权重，CR值均满足一致性检验（＜0.1）。

4.4  评价结果

用MapGIS作为计算工具，运用MapGIS强大的空间分析功能，对数据进行综合处理，生成单评价指标图，按照AHP法将建立的各单指标影响分区图进行叠加计算，按综合指数指标进行分区合并，最后根据实际情况进行必要的修正，得到研究区岩溶塌陷易发性评价分区。评价分值越高，岩溶塌陷的易发性越高（表3）。铜石镇泰和村—庞家村一带岩溶塌陷易发性高，温水镇北部、铜石镇西部岩溶塌陷易发性中等，铜石—温水镇东部易发性低，其余基岩出露地段为岩溶塌陷非易发区（图6）。

表2  评价指标权重一览表目标层条件层因子层条件层相对目标层权重因子层相对目标层权重

岩溶塌陷易发性评价岩溶发育程度基岩岩性（R1）地质构造（R2）0.310.180.13

覆盖层特征土层结构（G1）土层厚度（G2）0.260.150.11

诱发因素水位变化（Y1）机械振动（Y2）0.240.150.09

塌陷历史与已知塌陷点距离（T）0.190.19

5  研究区岩溶塌陷防治对策分析

（1）尽量避免在泰和村—庞家村一带实施村镇建设和重要建设项目，实在避让不了的，项目开展前需进行详细的地质灾害勘查评价工作，划定可能塌陷区范围，将建筑物和交通设施等人类工程避开塌陷区，以避免造成重大人员伤亡和重大经济损失。

（2）密切关注泰和村高压注浆后对岩体裂隙破碎情况，同时严格注意浆液对地下水质的污染。注浆隔断了土体中水的运动渠道，导致土体表面储水能力降低，将导致土体孔隙水压力的减小，需要密切注意土体的沉降变化趋势［20］。

（3）合理控制地下水开采，建议封堵泰和村南北向断裂西侧的大口井，尽量避免地下水的大量开采使用。雨季集中降雨后关注庞家村一带兖石铁路沿线地基变化，一旦发现异常启动地质灾害应急预案，避免人员逗留。

（4）建议完善岩溶水自动化监测系统，提升地质灾害自动化监测预警水平，在泰和村、庞家村加密安装地下水自动化监测设备及雨量计，一旦出现短时间内强降水、地下岩溶水大幅度变化时，及时通知相关部门，做好人员撤离及财产抢险工作。

6  结论

（1）平邑县重点风险区重要交通干线岩溶塌陷多为突发性塌陷，塌陷前大多无明显征兆，塌陷过程短，从发生到终止仅几小时，经过一段时间后，在原塌坑及附近再次发生岩溶塌陷的可能性大。塌陷集中发生在 4-10月份，在旱季后期及雨季初期，且塌陷多发生在降雨期间或大雨量降水后较短时间内。

（2）平邑县重点风险区重要交通干线沿线第四系厚度0～15m，下伏奥陶纪马家沟群五阳山组、北庵庄组灰岩、寒武纪九龙群张夏组鲕粒灰岩，浅部岩溶发育，具备发生岩溶塌陷的地质环境条件。

（3）雨季集中降雨后地表水不断补给地下水导致地下水位上升，枯水期长久不下雨时地下水得不到有效补给，或者地下水大量开采导致地下水位下降，都极易诱发岩溶塌陷。金矿开采疏干水、浚河采砂及当地居民开采岩溶地下水，改变了地下水应力场，地下水位急剧变化，是兖石铁路沿线发生岩溶塌陷的诱发因素。

（4）岩溶塌陷多沿断裂带分布，受断裂构造影响明显，距离断层越近，岩体越破碎，岩溶越发育，溶蚀作用越强烈，平邑县重点风险区岩溶塌陷主要位于近SN向阻水断裂破碎带上。需重点关注平邑县重点风险区SN向断裂两侧位置，重大工程建设时尽量避让。

（5）积极响应国家政策，完善岩溶水自动化监测系统，提升“人防+技防” 预警能力，提升地质灾害自动化监测预警水平，关注地下水位变化，做好人员撤离及财产抢险工作。

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Study and Analysis on the Susceptibility Evaluation and Countermeasures of Karst Collapse in Key Risk Area of Geological Disasters in Pingyi County in Shandong Province

ZHU Liyuan，LI Yingyu，FANG Yuqin，DU Wei， FENG Guang，  LIU Naibin，CHEN Xiujuan， ZHOU Jun， LIU Haiping， DOU Lianbo

（No.7 Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources， Shandong Linyi 276006， China）

Abstracr：Karst collapse has occurred many times along traffic lines， such as Yanshi Railway and G327 National Road in key risk areas of geological disasters in Pingyi county. Although no personnel casualties have been caused， the area is densely populated and karst collapse occurs easily. It will bring security risks to social stability. Based on analysis of existing data， the influencing factors and genetic mechanism of karst collapses in main risk areas in Pingyi county have been analyzed from the aspects of overburden， karst development degree， geological structures， groundwater level change and mechanical vibration. Selecting seven influencing factors of karst collapse as evaluation indexes，  by using AHP method， the weight of each evaluation index has been calculated， and  a targeted evaluation index system has been constructed. Combining with GIS spatial analysis method， the susceptibility of karst collapse has been evaluated，  and suggestions for prevention countermeasures have been put forward.

Key words：Karst collapse; influencing factors; genetic mechanism；susceptibility evaluation; prevention countermeasures; Pingyi county in Shandong province