長沙市岳麓區(qū)軍營村巖溶塌陷形成機(jī)理分析研究★

尹歐 何陽 阮岳軍 楊帆 姚海鵬 彭祖武

(1.湖南省地質(zhì)調(diào)查院，湖南 長沙 410116;2.中南大學(xué)，湖南 長沙 410000)

0 引言

長沙市岳麓區(qū)軍營村巖溶塌陷波及范圍包括蓮花社區(qū)、軍營村和金鳳村，面積約1.58 km2。自2000年～2010年6月，巖溶塌陷范圍不斷增加，造成的損失也越來越嚴(yán)重，已造成經(jīng)濟(jì)損失500多萬元，受影響村民達(dá)50多人［3］。

1 地形地貌

調(diào)查區(qū)內(nèi)屬低丘陵地貌區(qū)，地勢整體北西高南東低，塌陷發(fā)育地段位于近南北向發(fā)育的溶蝕沖溝內(nèi)，其上部為第四系松散堆積層，下部為泥盆系泥灰?guī)r、灰?guī)r;沖溝寬為500 m～1 000 m，溝內(nèi)多種植水稻［3］。區(qū)內(nèi)植被發(fā)育良好，高程一般80 m～100 m。

2 地質(zhì)環(huán)境背景

2.1 地層

塌陷區(qū)出露主要地層有新生界第四系、上古生界泥盆系及上元古界板溪群地層。自新至老分述如表1所示。

表1 軍營村巖溶塌陷調(diào)查區(qū)地層統(tǒng)計(jì)表

2.2 地下水類型

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及現(xiàn)場調(diào)查，岳麓區(qū)軍營村塌陷區(qū)主要地下水類型有如下幾類:

1)松散巖類孔隙水。

主要分布于場區(qū)內(nèi)蓮花河側(cè)及寬緩的沖溝區(qū)，含水層主要由河相沉積和灰?guī)r風(fēng)化殘積土等組成，穩(wěn)定地下水位埋深0.5 m～6.9 m，水位標(biāo)高54.69 m ～59.05 m，單井涌水量0.02 L/(s·m)～0.2 L/(s·m)。

2)巖溶孔隙裂隙水。

含水層由泥盆系中統(tǒng)沙河組(Ds)泥灰?guī)r組成，裂隙發(fā)育，主要為水量貧乏的風(fēng)化裂隙水，主要分布于調(diào)查區(qū)沖溝西部，蓮花河右岸區(qū)域，上部為第四系覆蓋，鉆孔單位涌水量0.01 L/(s·m)，滲透系數(shù)為 0.02 m/d。

3)巖溶裂隙溶洞水。

含水層由泥盆系中統(tǒng)棋梓橋組(Dq)灰?guī)r組成，淺部溶洞及裂隙較發(fā)育，主要分布于調(diào)查區(qū)沖溝東部，蓮花河左岸區(qū)域，鉆孔單位涌水量 0.05 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.244 m/d。

2.3 導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)造帶

1)官沖寺—張家?guī)X—萬寶塘張性斷裂(F1)。

斷裂帶附近巖石破碎，泥質(zhì)半充填狀態(tài)，斷裂導(dǎo)水性較好。斷層產(chǎn)狀 NW325°∠25°。

2)軍營大屋壓扭性斷裂(F2)。

近東西向發(fā)育，由于地層受斷裂壓扭作用，巖層相對破碎，裂隙較發(fā)育，裂隙多為泥質(zhì)充填和半充填，為弱導(dǎo)水?dāng)嗔选?/p>

3)蚱蜢嶺壓性斷裂(F3)。

在露天采石坑內(nèi)揭露，斷層破碎帶巖石較為破碎，斷層通過處巖溶裂隙較發(fā)育，但多被泥質(zhì)充填。抽水試驗(yàn)鉆孔涌水量較小，判定此斷裂為弱導(dǎo)水?dāng)嗔选ｃ@孔單位涌水量0.01 L/(s·m)。滲透系數(shù) 0.02 m/d。斷層產(chǎn)狀 NW310°∠60°。

2.4 人類采礦活動

岳麓區(qū)軍營村的采石歷史近200余年，調(diào)查區(qū)內(nèi)共有4處采石坑，其中3處因開采深度和涌水量較大等原因已停采，成為天然地表水體，現(xiàn)有采坑呈不規(guī)則狀，采坑面積約3.7×104m2，采坑深度近40 m，其采石場內(nèi)賦存的地下水位的標(biāo)高約為20.0 m處，臨近的軍營村河水位標(biāo)高56.0 m，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，推測采石坑日排水量約為600 t/d。

3 巖溶塌陷特征

據(jù)調(diào)查，該區(qū)曾發(fā)生過48處巖溶塌陷:2009年以前共發(fā)生巖溶塌陷數(shù)量為28處，其中塌陷坑直徑大于5 m的共2處，小于5 m的共26處;2009年以來共發(fā)生巖溶塌陷20處，其中塌陷坑直徑大于5 m的共8處，小于5 m的共12處。

研究區(qū)巖溶塌陷集中分布于3個巖溶強(qiáng)烈發(fā)育帶區(qū)段，2009年以前所發(fā)生的塌陷集中分布于采石坑抽排水強(qiáng)徑流帶內(nèi)，共計(jì)15處，占2009年以前所發(fā)生塌陷總數(shù)的55%，占總塌陷數(shù)量的31%。2009年以來發(fā)生的塌陷主要集中分布于沿?cái)鄬影l(fā)育的巖溶強(qiáng)發(fā)育帶和沿地層分界線控制發(fā)育的巖溶強(qiáng)烈發(fā)育帶，分別為8處和10處，共18處，占2009年以來所發(fā)生塌陷數(shù)量的85%，占總塌陷數(shù)量的40%。

軍營村巖溶塌陷區(qū)塌陷分布圖見圖1。

圖1 軍營村巖溶塌陷區(qū)塌陷分布圖

4 巖溶塌陷成因及機(jī)理分析

4.1 塌陷形成原因分析

巖溶塌陷發(fā)生必須具備的三個基本條件，即:塌陷動力、塌陷物質(zhì)、儲運(yùn)條件［1］。調(diào)查區(qū)有巖溶相對發(fā)育的碳酸鹽巖地層、有較薄層的第四系松散堆積粘土層，而且調(diào)查區(qū)因人類采礦活動，有抽排地下水造成的地下水強(qiáng)徑流帶等［2］。這些條件的具備，有利于巖溶塌陷的孕育與發(fā)生，主要體現(xiàn)如下四個方面:

1)覆蓋層較薄，有利于巖溶塌陷發(fā)生。

區(qū)內(nèi)第四系松散層厚度一般小于5 m，局部可達(dá)到12 m，可溶區(qū)上覆松散土層厚度較小，松散土層易因潛蝕空洞失穩(wěn)而產(chǎn)生塌陷。

2)構(gòu)造帶部位、地下水強(qiáng)徑流帶、巖性差異分界線等部位，有利于巖溶塌陷發(fā)生。區(qū)內(nèi)泥灰?guī)r巖溶發(fā)育強(qiáng)度較弱，但構(gòu)造帶發(fā)育，在斷裂擠壓影響區(qū)域，其巖石破碎，地下水相對活動強(qiáng)烈，其巖溶裂隙孔隙相對發(fā)育，是形成塌陷的主要地段。調(diào)查區(qū)已發(fā)生巖溶地面塌陷共48處，這些已知塌陷大部分處于構(gòu)造帶部位、巖性差異分界線等部位。

3)采石坑開采爆破，加劇了臨近采坑區(qū)一帶巖溶塌陷的發(fā)生。

區(qū)內(nèi)巖溶塌陷與采石坑長期開采爆破有一定的關(guān)系，采坑爆破能量巨大，產(chǎn)生巨大的沖擊能量，擴(kuò)展其構(gòu)造裂隙，同時對周圍松散土體也有振動影響，易形成微小裂隙，從而形成透水通道。

4)采石坑抽排地下水，有利于誘發(fā)巖溶塌陷。

調(diào)查區(qū)巖溶較發(fā)育，通過采石坑揭露的可溶巖界面分析，當(dāng)采石坑抽排地下水，在灰?guī)r裂隙孔隙中形成較大的滲透壓力，加劇土體沿裂隙及孔隙運(yùn)移［4］，從而揭穿第四系孔隙水底板而導(dǎo)致上層土體破壞并發(fā)展成為地面塌陷。

4.2 巖溶塌陷形成機(jī)理分析

調(diào)查區(qū)巖溶塌陷形成機(jī)理為“滲透破壞—土洞—地面塌陷”機(jī)理［8，9］。本工作區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層為二元結(jié)構(gòu)沖積層，上部為粉質(zhì)粘土，下部為飽和粉土、粉細(xì)砂土，直接覆蓋在有巖溶裂隙的基巖面之上，調(diào)查區(qū)裂隙主要沿構(gòu)造F3斷層以及其次生斷層發(fā)育，在開采坑內(nèi)直接可以在第四系孔隙水與采石坑周圍可溶巖中的巖溶裂隙水發(fā)生直接水力聯(lián)系。

在露天采石坑的長期抽排水作用下，基巖裂隙水水位即為現(xiàn)坑底水位約為35 m，低于地表水系水位20 m，坑外圍覆蓋層中的潛水與基巖裂隙水形成了強(qiáng)大的水頭差(塌陷區(qū)的水力坡度i約為0.455)，使得第四系的孔隙水發(fā)生近垂直滲流(如圖2中的地下水方向)。

圖2 軍營村巖溶塌陷形成機(jī)理分析略圖

首先，在表層覆蓋土體下部松散的碎屑顆粒在強(qiáng)滲流水壓力作用下，土層中的潛水對巖土交界位置(如基巖裂隙表面、溶蝕溝槽的表面等)的碎屑土的產(chǎn)生滲透、沖刷等潛蝕作用［8，9］。這樣覆蓋層底部的松散碎屑顆粒被滲透水流攜帶和搬運(yùn)，從而引起土體的結(jié)構(gòu)變松，強(qiáng)度降低，土體顆粒之間失去粘聚力，產(chǎn)生流土破壞形式。特別是在第四系與下伏基巖接觸帶以及基巖裂隙管道發(fā)育等地段，地下水的徑流帶上，土體受到強(qiáng)滲透力的作用下，極易被潛蝕攜帶。

巖溶塌陷潛蝕機(jī)理進(jìn)程圖如圖3所示。

圖3 巖溶塌陷潛蝕機(jī)理進(jìn)程圖

隨著滲透變形的范圍在巖土面附近不斷擴(kuò)大，地下水的垂直滲流加劇，局部水力坡度加大，覆蓋層底部的粉細(xì)砂、粉質(zhì)粘土等不斷被地下水流沖刷并攜帶流入巖溶裂隙通道，形成土洞，土洞底部不斷滲透變形被潛蝕，上部及周圍土體在水流作用下不斷的崩落破壞，使得土洞不斷擴(kuò)大［7-9］。當(dāng)土洞擴(kuò)大至上覆土層無法自行支撐壓力時，頂部土體垮塌，產(chǎn)生地面巖溶塌陷。

［1］林宗元.巖土工程勘察設(shè)計(jì)手冊［M］.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1996.

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［9］朱壽增，周健紅，陳學(xué)軍.桂林市西城區(qū)巖溶塌陷形成條件及主要影響因素［J］.桂林工學(xué)院，2000，20(2):100-105.