李常輝
(湖南省煤田地質(zhì)局第六勘探隊(duì),湘潭,411100)
我隊(duì)在收集并分析區(qū)域地質(zhì)資料、水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查資料的基礎(chǔ)上,針對(duì)區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害開展了專項(xiàng)調(diào)查工作,結(jié)合物探、鉆探及巖、土、水樣測(cè)試工作,查明了區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的分布、規(guī)模、危害程度,初步分析其形成機(jī)理、成災(zāi)特征,綜合研究,提出防治措施。
工作區(qū)位于永州市道縣南部井塘鄉(xiāng)境內(nèi)、沱江東岸,涵蓋加六洲村全部、沙子河村大部、馬江口村北部、桃花井村西部,總面積2.89km2,約1200戶、5100人,常駐人口約2700人[1]。
區(qū)內(nèi)現(xiàn)已發(fā)生巖溶地面塌陷13處,直徑在2.0~31.0m之間,洞高0.7m-3.8m之間。
工作區(qū)總體地勢(shì)東高西低,向河谷逐步降低;一般地面標(biāo)高190~220m,最高點(diǎn)標(biāo)高236.00m。區(qū)內(nèi)西部為巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布的主要區(qū)域(見圖2),河流侵蝕堆積地貌類型、一級(jí)階地,地形坡度小于5°,上覆為沖洪積層物質(zhì)。
區(qū)內(nèi)地層有:寒武系中組下段∈2-1、泥盆系下統(tǒng)D1、泥盆系上統(tǒng)佘田橋組D3s、泥盆系上統(tǒng)錫礦山組下段D3x1、泥盆系上統(tǒng)錫礦山組上段D3x2、石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階組下段C1y1、石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階組上段C1y2、石炭系下統(tǒng)大塘階組石磴子段C1d1以及第四系Q。
石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階組下段巖性為深灰色厚層隱晶質(zhì)灰?guī)r夾薄至中層泥質(zhì)灰?guī)r,節(jié)理裂隙發(fā)育,脈狀方解石半~全充填,寬約0.5~2mm,且呈不規(guī)則分布,溶蝕現(xiàn)象強(qiáng)烈,為巖溶發(fā)育主要巖層。
區(qū)內(nèi)沒有斷層經(jīng)過,單斜構(gòu)造,地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。
3.4.1 地表水
區(qū)內(nèi)只有沱江經(jīng)過,水位標(biāo)高一般為186.0m,最高洪水位標(biāo)高192.2m(2005年7月18日),最大洪水位、枯水位差達(dá)7.0m。
3.4.2 地下水
區(qū)內(nèi)地下水為雙層含水結(jié)構(gòu),上部為孔隙水,下部為巖溶水。由于裂隙、溶蝕裂隙、開口溶洞等的勾通,巖溶水常年接受上部孔隙水的滲透補(bǔ)給。地下水主要補(bǔ)給來源于大氣降水,雙層地下水的水位波動(dòng)均受大氣降水和沱江水位的漲落影響,但程度存在較大差異,致使上、下兩層水的水頭差不斷變化。對(duì)區(qū)內(nèi)的鉆孔及部分民井進(jìn)行豐水期與枯水期統(tǒng)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,下部存在巖溶發(fā)育帶的地段,水位變幅普遍較大(一般為0.9~3.0m),如下圖1。據(jù)調(diào)查,孔隙水年變幅最大達(dá)7.0m,巖溶水年變幅最大達(dá)11.5m。
圖1 鉆孔、民井地下水位統(tǒng)測(cè)點(diǎn)枯水期與豐水期對(duì)比圖
3.4.3 水文地質(zhì)參數(shù)
據(jù)以往資料區(qū)內(nèi)基巖裂隙水含水層(C1y1)降深9.22m,涌水量0.0031 L/s,單位涌水量0.00034L/s·m,滲透系數(shù)0.0004m/d。
3.4.4 區(qū)內(nèi)補(bǔ)、徑、排特征
3.4.4.1 孔隙水
區(qū)內(nèi)降水充沛,多年平均年降雨量為1560.03mm。大氣降水的垂向補(bǔ)給是孔隙水的主要補(bǔ)給來源,稻田、池塘水的垂向滲透也是孔隙水的補(bǔ)給來源之一;另外,洪水期,得到沱江的補(bǔ)給。
孔隙水的徑流:在天然狀態(tài)下,地下水一般由階地后緣向前緣(沱江)方向滲透徑流,即總體向西北方向徑流(如圖2),有人工開采井的情況下,地下水向開采井方向徑流。
孔隙水的排泄:沿河邊以滲流方式排泄,在低洼地段以泉(井)方式排泄;天然狀態(tài)下,孔隙水排泄微弱,主要為人工排泄(機(jī)井、民井)??紫端乃粍?dòng)態(tài)變化隨季節(jié)性而變化,孔隙水年變幅一般在0.9~7.0m。
3.4.4.2 覆蓋型巖溶水
巖溶水主要是接受大氣降水的補(bǔ)給(通過孔隙水的垂直補(bǔ)給、基巖露頭大氣降水形成徑流補(bǔ)給),另外,洪水期,得到沱江的補(bǔ)給。
巖溶水的徑流,根據(jù)鉆孔揭露的巖溶水水位分析,其總體流向?yàn)樽阅蠔|向西北(向沱江)方向,以混合流方式沿溶蝕裂隙和巖溶管道徑流。
巖溶水的排泄分為三種方式:
(1)主要通過第四系越流補(bǔ)給第四系潛水和以潛流的方式側(cè)向河床排泄;
(2)工作區(qū)內(nèi)兩處泉水出露點(diǎn)排泄,春夏季節(jié)排泄流量較大、可以形成灌溉水溝,冬季流量較小、約17L/S;
(3)少量以機(jī)民井抽水方式人工排泄。
巖溶水的水位動(dòng)態(tài)變化隨季節(jié)性而變化,巖溶水年變幅一般小于11.5m,變幅一般。
3.4.4.3 基巖裂隙水
基巖裂隙水主要分布于工作區(qū)外附近區(qū)域(D1、∈2-1),主要接受大氣降水補(bǔ)給。
基巖裂隙水的徑流,降水入滲補(bǔ)給風(fēng)化裂隙帶,飽水后向下游徑流、運(yùn)移。
基巖裂隙水的排泄,區(qū)內(nèi)基巖裂隙水大部分經(jīng)短暫的徑流后,以泉的形式排出地表;少部分徑流補(bǔ)給河谷砂礫石層。
巖溶地面塌陷區(qū)均為覆蓋型巖溶區(qū),巖溶直接頂板為松散沖洪積雙層及多層土體。
3.5.1 土體
區(qū)內(nèi)所有塌陷點(diǎn)的土體厚度都在10m-16m之間,上覆土體為粉質(zhì)粘土、砂礫石雙層土體結(jié)構(gòu)。上部為粉質(zhì)粘土,土黃色,軟~可塑,手捏可成形;切面不光滑,干強(qiáng)度高韌性中等。下部為砂礫石層,土黃色夾灰黃色,稍密,飽和,卵石含量占55%~60%,其余充填約30%~35%細(xì)粒砂,10%粘性顆粒,粒徑約2~6cm,最大約10cm主要成分為砂巖及石英砂巖、灰?guī)r。分選不一,圓狀、次圓狀、次棱角狀。
3.5.2 巖體
區(qū)內(nèi)引起巖溶地面塌陷的巖體主要為石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階組下段C1y1巖層,為深灰色厚層隱晶質(zhì)灰?guī)r夾薄至中層泥質(zhì)灰?guī)r,局部地區(qū)偶夾石英砂巖及砂質(zhì)頁巖,厚206~374m。巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育、脈狀方解石充填,寬約0.5~2mm,且呈不規(guī)則分布;基巖上石芽、溶溝、溶槽發(fā)育;淺部溶洞發(fā)育,溶蝕現(xiàn)象強(qiáng)烈。區(qū)內(nèi)溶洞埋藏淺,一般具多層,部分~全充填,據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計(jì):ZK2在標(biāo)高180.54~179.84m處巖溶、裂隙發(fā)育區(qū),溶洞0.7m;ZK3在標(biāo)高164.19~160.29m處巖溶、裂隙發(fā)育區(qū),溶洞4.0m[1]。
區(qū)內(nèi)人類工程活動(dòng)主要為修建房屋、公路、農(nóng)田耕種及水利設(shè)施建設(shè),無地下采礦活動(dòng)和大規(guī)模抽排地下水活動(dòng)。
通過野外機(jī)井、民井、巖性點(diǎn)調(diào)查及3個(gè)鉆孔揭露,區(qū)內(nèi)都屬于巖溶發(fā)育區(qū)(見圖2),且大部分區(qū)域?qū)儆诟采w型巖溶區(qū),上覆為第四系更新統(tǒng)及全新統(tǒng),厚度1~32m,下伏地層大部分為石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階組下段(C1y1),工作區(qū)北端局部為石炭系下統(tǒng)大塘階組石磴子段(C1d1)及石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階組上段 (C1y2),巖性為深灰色厚層隱晶質(zhì)灰?guī)r夾薄至中層泥質(zhì)灰?guī)r,質(zhì)純層厚的灰?guī)r巖為巖溶發(fā)育奠定了基礎(chǔ)。據(jù)鉆孔揭露,ZK2、ZK3鉆孔遇見溶洞(見圖3),遇溶洞率66.7%,遇溶洞鉆孔的鉆孔線巖溶率分別為7.45%、59.7%。區(qū)內(nèi)淺部巖溶發(fā)育,一般為半~全充填,充填物為泥、砂、砂卵石。
圖2 加六洲村巖溶發(fā)育程度及巖溶地面塌陷分布示意圖
圖3 加六洲村工程地質(zhì)剖面示意圖
區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷坑均分布于河流階地、雙層結(jié)構(gòu)的覆蓋層地區(qū)、地下水主要徑流區(qū)和排泄區(qū)內(nèi),集中于地表水與地下水聯(lián)系密切地段、地下水主徑流方向和河水水位交替強(qiáng)烈的河谷;在平面走向分布上與C1y1地層走向分布基本一致。
區(qū)內(nèi)地面塌陷共13處,均為巖溶地面塌陷。規(guī)模中型2處、小型11處;長(zhǎng)列式4處、群集式5處、分散式4處;6處穩(wěn)定、7處較穩(wěn)定。剖面形態(tài)呈碟狀、壇狀、漏斗狀及葫蘆狀(以壇狀為主),深度在0.7m-3.8m。平面形態(tài)呈近圓形、橢圓形、長(zhǎng)條形、不規(guī)則型(以近圓形為主),直徑2.0~31.0m不等(以1.2~6.8m為主)如下表1。
表1 加六洲村巖溶地面塌陷平面形態(tài)統(tǒng)計(jì)表
上部為松散土體,下部為堅(jiān)硬的石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階組下段C1y1灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r,溶洞呈串珠狀,半~全充填,充填物為泥、砂。
工作區(qū)內(nèi)共13個(gè)塌陷坑,其中12處塌陷坑發(fā)生于2005年7月18日當(dāng)?shù)睾樗幌陆禃r(shí),1處發(fā)生于2013年5月當(dāng)?shù)睾樗幌陆禃r(shí)。
據(jù)ZK2、ZK3鉆孔等資料,巖溶地面塌陷區(qū)上部為松散土體,下部為石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階組下段灰?guī)r,為覆蓋型巖溶區(qū)。
上部松散土體:粉質(zhì)粘土、砂礫石雙層土體結(jié)構(gòu),厚度不穩(wěn)定,其中粉質(zhì)粘土呈軟~可塑,天然含水量ω為20.2~30.1%,孔隙比e為0.576~0.93,液性指數(shù)Il為0.24~0.58,塑性指數(shù)Ip為9.6~16.6,壓縮系數(shù)a為0.17~0.38,內(nèi)摩擦角Φ為14.4~1度,土體力學(xué)性能一般,承載力特征值為15.4~33.5KPa,孔隙度48.2%~36.5%,土粒比重2.7~2.74g/cm3。ZK2孔土層厚14.7m,ZK3土層厚25.6m。
土的透水性差,含水量低,力學(xué)強(qiáng)度高,抗塌力就大,相對(duì)難以產(chǎn)生塌陷。土體厚度較薄,塌陷從孕育到產(chǎn)生所需的時(shí)間就短,容易產(chǎn)生塌陷;相反,土體厚度大,土洞發(fā)展至地面的過程長(zhǎng),從孕育到產(chǎn)生所需的時(shí)間就長(zhǎng),相對(duì)不容易產(chǎn)生塌陷。所在沖洪積層區(qū)域的粉質(zhì)粘土在壓力作用下受水浸漫后,結(jié)構(gòu)迅速破壞,土體下沉,發(fā)生土體濕陷現(xiàn)象。根據(jù)區(qū)內(nèi)塌陷區(qū)土體的性質(zhì)及特征,地面塌陷現(xiàn)象與土體的濕陷形成土洞有著一定的關(guān)聯(lián)。
下部灰?guī)r(C1y1):巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,ZK2孔揭露基巖9.4m,孔深16.3-17.0m為溶洞;ZK3孔揭露基巖6.7m,孔深27.8-31.8為溶洞。上層溶洞頂板較薄,頂板厚度1.6-2.2m,其溶洞充填物成分與上部沖洪物接近,說明其多為開口溶洞。上覆二元粘性土與砂性土的上層結(jié)構(gòu)及下伏可溶性碳酸巖基巖構(gòu)成了形成本區(qū)巖溶地面塌陷的先決物質(zhì)條件。
巖溶水水位降低均會(huì)在巖溶空腔產(chǎn)生負(fù)壓,增加土體中的水頭壓力,加速土體滲透變形。土體的滲透變形破壞以土體中水位急劇下降時(shí)最強(qiáng)烈,水位穩(wěn)定時(shí)變形變慢趨于穩(wěn)定,土體中水位回升恢復(fù)到原水位時(shí),變形又加快,頻繁變化可以加快土洞的形成。
巖溶地面塌陷區(qū)為雙層含水結(jié)構(gòu)。上、下兩層地下水存在水力聯(lián)系,如果存在能讓沙、土層產(chǎn)生擾動(dòng)變形(或土洞)的水頭差,且水頭差的頻繁變化,將加快土洞的形成。鉆孔ZK2、ZK3均揭露到巖溶水水位,上部孔隙水水位埋深5.2~5.6m,下部巖溶水水位理深8.09~9.74m,兩者存在水頭差2.49~4.54m。由于裂隙、溶蝕裂隙、開口溶洞等的勾通,巖溶水常年接受上部孔隙水的滲透補(bǔ)給。
地下水主要補(bǔ)給來源于大氣降水,雙層地下水的水位波動(dòng)均受大氣降水和沱江水位的漲落影響,但程度上存在較大差異,致使上、下兩層水的水頭差不斷變化。同時(shí)由于上部水塘、稻田及水渠等地表水下滲補(bǔ)給,也將引起上、下兩層水的水頭差的變化。
巖溶地面塌陷的產(chǎn)生,是致塌力大于抗塌力的結(jié)果;當(dāng)巖溶、地下水動(dòng)力條件及土洞等條件具備時(shí),致塌力超過抗塌力時(shí),則產(chǎn)生巖溶地面塌陷。抬高第四系水位或降低巖溶水位使兩層水水頭差達(dá)1m以上,水力坡度達(dá)1.5以上時(shí),粘性土、砂土臨界水力坡度Icr為0.8~0.9時(shí)易產(chǎn)生流土破壞,繼續(xù)發(fā)展上部土層松動(dòng)、發(fā)育成土洞,最終在上覆土體的自重或附加重力、或振動(dòng)下產(chǎn)生地面巖溶塌陷 [1]。由于土體中地下水的滲透壓力和下塌土體的牽引作用,塌陷區(qū)及塌坑附近地面土體以塌坑為中心,斷續(xù)產(chǎn)生環(huán)狀地面裂縫。
區(qū)內(nèi)的巖溶地面塌陷均屬自然型巖溶地面塌陷。區(qū)內(nèi)存在可溶性巖巖層是巖溶地面塌陷的內(nèi)在條件,地下水動(dòng)力作用是外在條件。在大氣降水時(shí),引起地下水動(dòng)力條件的改變。沱江在平水期及枯水期,通過粘土層、砂層滲透補(bǔ)給巖溶水,洪水期由承壓作用,巖溶水補(bǔ)給地表水體。沱江水位的變化除可直接影響到近河邊地下水的水力坡度外,還可因其退水而使附近沙土層擾動(dòng),反復(fù)擾動(dòng),帶走沙土,形成土洞。在地下水滲透力作用、潛蝕作用和土層自重作用下,導(dǎo)致塌陷的產(chǎn)生。
綜上,巖溶地面塌陷是各種影響因素綜合作用的結(jié)果。區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育,溶洞和開口溶洞的存在,是本區(qū)土洞形成的基本條件;而孔隙水、巖溶水又存在相互滲透補(bǔ)給關(guān)系;在長(zhǎng)期地下水動(dòng)力作用下,小顆粒土體不斷被潛蝕,土洞規(guī)模不斷擴(kuò)大;在土洞的上方修建地面建筑,使原本處于基本地應(yīng)力平衡狀態(tài)的土洞頂板增加了荷載;當(dāng)洞體上部土層抗剪強(qiáng)度小于其自重壓力等荷載時(shí),就會(huì)引發(fā)巖溶地面塌陷。
巖溶地面塌陷發(fā)育過程較長(zhǎng),如果地面出現(xiàn)以下征兆,表明離發(fā)生塌陷時(shí)間較近:
發(fā)生塌陷的前幾個(gè)月地面出現(xiàn)環(huán)狀裂縫并不斷擴(kuò)展,局部下沉,水渠、水塘開裂干涸。
發(fā)生塌陷的前幾日,附近民井水位的驟然升、降,且水色突然渾濁。
本著避讓優(yōu)先、以人為本、預(yù)防為主、統(tǒng)籌規(guī)劃、標(biāo)本兼治、先易后難、治急治險(xiǎn)、落實(shí)責(zé)任原則,劃分為重點(diǎn)防治區(qū)、次重點(diǎn)防治區(qū)、一般防治區(qū)。
6.3.1 防治措施
巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害,是一個(gè)綜合性范疇,是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。在它的孕育、發(fā)生、發(fā)展過程中影響因子多、各因子間的相互作用力度與方式復(fù)雜,致使地質(zhì)災(zāi)害的防治工作是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,當(dāng)以系統(tǒng)理論為指導(dǎo)。要做好地質(zhì)災(zāi)害防治工作需要各有關(guān)部門的積極支持與配合。根據(jù)區(qū)內(nèi)已發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害的特征、成因、形成機(jī)理,以及所處的地質(zhì)環(huán)境條件,采用工程治理與提前預(yù)防相結(jié)合,完善防治系統(tǒng),加強(qiáng)系統(tǒng)管理,使地質(zhì)災(zāi)害防治工作能夠收到良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。
結(jié)合現(xiàn)狀,建議對(duì)已發(fā)生和可能潛在的地質(zhì)災(zāi)害的防治措施如下:
1、對(duì)已發(fā)生的塌陷點(diǎn)進(jìn)行回填、設(shè)置指示牌,指定群測(cè)群防責(zé)任人。
2、對(duì)區(qū)內(nèi)已發(fā)生房屋開裂的區(qū)域采取適宜性措施:
(1)針對(duì)王某房屋多處開裂(最寬裂縫達(dá)20mm)、2017年底地面出現(xiàn)空洞現(xiàn)象,建議盡快采取搬遷避讓措施。
(2)對(duì)區(qū)內(nèi)另外多處已開裂房屋應(yīng)進(jìn)行地基穩(wěn)定性評(píng)估,如有必要應(yīng)采取地基加固措施。使用期間應(yīng)密切關(guān)注房屋裂縫的動(dòng)態(tài)變化,如果發(fā)生突變需盡快將人員及財(cái)產(chǎn)撤離到安全地區(qū)。
3、重點(diǎn)防治區(qū)中土坯房在塌陷產(chǎn)生時(shí)極易倒塌,建議盡快搬遷避讓。
4、生產(chǎn)、生活在巖溶地質(zhì)塌陷區(qū)的人們應(yīng)當(dāng)密切關(guān)注,提高安全意識(shí)。
5、對(duì)擬建建筑物地基進(jìn)行加固處理或采用樁基礎(chǔ)。宜統(tǒng)籌規(guī)劃,房屋選址宜在非巖溶區(qū)。
6.3.2 預(yù)防措施
1、群測(cè)群防
汛期,特別在大雨和暴雨期間,對(duì)重點(diǎn)區(qū)域、居民聚集地進(jìn)行巡查,監(jiān)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)(塌陷區(qū)域、房屋受損區(qū))的動(dòng)態(tài)情況,發(fā)現(xiàn)地裂隙或地面塌陷,及時(shí)充填夯實(shí),對(duì)小溪、河塘漏水地段采取河床輔底。
2、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)
建立重點(diǎn)防治區(qū)、次重點(diǎn)防治區(qū)地下水長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),及時(shí)掌握地下水徑流場(chǎng)變化,預(yù)測(cè)地面塌陷區(qū)域;結(jié)合工程地質(zhì)鉆孔、民井,掌握地下水主要流向、地下水徑流場(chǎng)現(xiàn)狀和險(xiǎn)情影響地域。密切注意地下水量、水位和含砂量的變化、動(dòng)物驚恐異常、地下土層垮落聲等發(fā)生巖溶地質(zhì)塌陷的先兆現(xiàn)象。
3、地表水水均衡監(jiān)測(cè)
監(jiān)測(cè)地表水進(jìn)出區(qū)內(nèi)的流量變化,宏觀掌握地表水流經(jīng)地段的漏失情況,及時(shí)調(diào)整堵漏工程的實(shí)施,減小重點(diǎn)防治區(qū)、次重點(diǎn)防治區(qū)水文地質(zhì)單元水均衡變化。
4、預(yù)警預(yù)報(bào)平臺(tái)建設(shè)
以地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、地表水水均衡監(jiān)測(cè)、降水量監(jiān)測(cè)為數(shù)據(jù)管理基礎(chǔ),建設(shè)區(qū)內(nèi)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)平臺(tái)。
區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷大多分布于稻田、居民居住生活區(qū),對(duì)居民的生產(chǎn)生活構(gòu)成很大的威脅。本文綜合分析研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害地質(zhì)條件、災(zāi)害特征、影響因素、誘發(fā)因素和形成機(jī)理,本著科學(xué)、實(shí)用、安全、經(jīng)濟(jì)、因地制宜、工程治理、預(yù)防相結(jié)合的原則,提出一系列防治措施,為當(dāng)?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)提供參考。