肖 諄,肖其鵬,萬方良,劉 雨,張 楊,李志磊
(湖南省有色地質(zhì)勘查研究院,湖南 長(zhǎng)沙 410015)
黃壽灣村位于湖南省臨武縣北西約20 km的武源鄉(xiāng)境內(nèi),為武源鄉(xiāng)鄉(xiāng)政府所在地,面積約5.07 km2。自2010年起已持續(xù)發(fā)生多處巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害,現(xiàn)已形成巖溶塌陷33處,其中有12處達(dá)中型規(guī)模,1處達(dá)大型規(guī)模,它們分布于黃壽灣村—滿安江—武源鄉(xiāng)政府—龍家等村落及其第四系低洼地帶的溪溝、農(nóng)田區(qū),嚴(yán)重影響了村民的生活和安全,制約了村民的經(jīng)濟(jì)發(fā)展及新農(nóng)村、新城鎮(zhèn)建設(shè)。因此,對(duì)黃壽灣村進(jìn)行巖溶塌陷預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)十分重要、迫切。進(jìn)行巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)研究可以幫助預(yù)測(cè)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展趨勢(shì),研究防治對(duì)策,為巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害防治方案的制定提供科學(xué)依據(jù),為政府科學(xué)決策提供地學(xué)支撐。
研究區(qū)地貌按其成因,可分為三種地貌類型:河流溶蝕侵蝕堆積地貌、河流溶蝕侵蝕坡積地貌、構(gòu)造剝蝕丘陵地貌,總體地勢(shì)北高南低,隨區(qū)內(nèi)溪流流向降低,地面高程393.3~538.6 m,最大相對(duì)高差為145.3 m。
地層巖性由老至新主要為寒武系(∈)厚層狀長(zhǎng)石石英砂巖、板巖、砂質(zhì)板巖;中泥盆統(tǒng)跳馬澗組(D2t)紫紅、灰紫及灰白色含礫石石英砂巖,粗至細(xì)粒石英砂巖,粉砂巖及粉砂質(zhì)頁巖;棋梓橋組(D2q)灰?guī)r、白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r,局部地段下部夾粉砂巖及鈣質(zhì)頁巖和第四系殘坡積層(Qheld),寒武系分布于研究區(qū)西、北兩側(cè)外圍邊緣,跳馬澗組與下伏寒武系呈角度不整合接觸(圖1)。
研究區(qū)位于大石坪復(fù)向斜的東側(cè),四周由SN、NE和NW向斷裂所控制,北西為近SN向鳳凰嶺逆沖斷裂(F1),北東為NW向谷富塘斷裂(F2),南東為NE向上大村壓扭性斷裂(F3)。
研究區(qū)巖體按地層、巖性可劃分為土體和巖體兩部分。研究區(qū)土體屬單層結(jié)構(gòu),殘坡積成因,分布面積約2.95 km2,厚3~14 m。主要成分為黃褐色黏土含礫石、砂礫石碎塊和粉質(zhì)黏土,結(jié)構(gòu)稍緊,呈硬塑—可塑狀,具較強(qiáng)黏性。覆蓋于垂直巖溶發(fā)育帶及高邊坡上,易于垮塌,屬不穩(wěn)定土層。根據(jù)巖石物理力學(xué)性質(zhì)及巖性組合特征,將區(qū)內(nèi)巖體劃分為堅(jiān)硬中厚層至厚層狀碳酸鹽巖體、堅(jiān)硬中厚層狀砂巖體、堅(jiān)硬厚層狀砂巖與板巖互層巖體三大類,研究區(qū)分布最廣為堅(jiān)硬中厚層至厚層狀碳酸鹽巖體(圖2),包含區(qū)內(nèi)泥盆系棋梓橋組灰?guī)r、白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r等巖性綜合體。巖石飽和抗壓強(qiáng)度為60 MPa~160 MPa,中厚至厚層狀,巖石完整,RQD為80%~95%,堅(jiān)硬,抗壓強(qiáng)度大于60 MPa,穩(wěn)固性好。
圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖
Fig.1 Gieological sketch map of the study area
1—第四系殘坡積層 2—中泥盆統(tǒng)棋梓橋組 3—中泥盆統(tǒng)跳馬澗組 4—寒武系 5—逆斷層及編號(hào) 6—性質(zhì)不明斷層及編號(hào) 7—地質(zhì)界線 8—不整合地質(zhì)界線 9—向斜 10—產(chǎn)狀 11—建筑物 12—評(píng)價(jià)區(qū)范圍 13—巖溶塌陷點(diǎn)及編號(hào) 14—地裂縫15—溶洞 16—落水洞 17—剖面線及編號(hào)
圖2 B—B′剖面圖
1—第四系殘坡積層 2—中泥盆統(tǒng)棋梓橋組灰?guī)r(碳酸鹽巖體) 3—中泥盆統(tǒng)跳馬澗組石英砂巖(砂巖體) 4—寒武系長(zhǎng)石石英砂巖(砂巖體) 5—地質(zhì)界線 6—實(shí)(推測(cè))巖溶發(fā)育帶界線 7—地下水位線 8—施工鉆孔 9—鉆孔靜止水位 10—斷層 11—房屋 12—水塘
研究區(qū)地下水類型有松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖裂隙溶洞水,水位埋深為0.25~33.3 m。松散巖類孔隙水主要補(bǔ)給來源為大氣降水,局部受地表水體補(bǔ)給,向鄰近河床逕流和排泄,富水性貧乏至中等,水位年變化幅度為1~2 m,地下水總的流向:自北西→南東→南西→東方向徑流。基巖裂隙水以大氣降水通過松散層間接補(bǔ)給為主,部分為大氣降水直接補(bǔ)給,以泉或泄流形式向附近溝谷排泄,或以潛流的形式補(bǔ)給周邊碳酸鹽巖裂隙溶洞水,富水性貧乏。碳酸鹽巖裂隙溶洞水受大氣降水、地表水、松散巖類孔隙水、基巖裂隙水的補(bǔ)給,地下逕流以管道流為主,以暗河、泉形式排泄轉(zhuǎn)為地表水,總的流向:自北西→南東,富水性中等—豐富,動(dòng)態(tài)變化主要受降雨影響,年水位變化幅度約為5 m。
研究區(qū)內(nèi)發(fā)生巖溶塌陷33處,其中大型1處,中型12處。巖溶塌陷面積為0.75~2400 m2,長(zhǎng)軸直徑為1~60 m,塌陷深度為1~15 m,多數(shù)呈漏斗狀,部分呈壇狀下擴(kuò);塌陷坑在平面上總體呈長(zhǎng)列式排列,部分塌洞中有水;其形成時(shí)間主要在2010年10月至2014年9月。巖溶塌陷主要分布在黃壽灣村—滿安江—武源鄉(xiāng)政府—成家?guī)X—成家山—龍家村等村落及第四系低洼地帶的溪溝、農(nóng)田區(qū),塌陷點(diǎn)地表土層為沖洪積的粉質(zhì)黏土層,夾有碎石,下伏基巖主要為中泥盆統(tǒng)棋梓橋組(D2q)灰?guī)r、白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r。根據(jù)巖溶形態(tài)現(xiàn)狀、巖溶泉分布及流量指標(biāo),并綜合分析物探、鉆探等成果資料,將調(diào)查區(qū)可溶巖地區(qū)的巖溶發(fā)育程度劃分為強(qiáng)、中、弱三級(jí)(圖3)。
巖溶塌陷是受多種因素共同作用的結(jié)果。結(jié)合研究區(qū)巖溶塌陷的分布規(guī)律,筆者認(rèn)為影響研究區(qū)巖溶塌陷的主要因素有地形地貌、土層厚度、土層結(jié)構(gòu)、巖溶發(fā)育程度、斷裂構(gòu)造、自然條件下水活動(dòng)因素、人類工程活動(dòng)等,其中最為密切的為巖土體類型(土層厚度、結(jié)構(gòu))、巖溶發(fā)育程度和人類工程活動(dòng)。
1—第四系殘坡積層 2—中泥盆統(tǒng)棋梓橋組 3—中泥盆統(tǒng)跳馬澗組 4—寒武系 5—逆斷層及編號(hào) 6—性質(zhì)不明斷層及編號(hào) 7—地質(zhì)界線 8—不整合地質(zhì)界線 9—向斜 10—產(chǎn)狀 11—評(píng)價(jià)區(qū)范圍 12—巖溶塌陷點(diǎn)及編號(hào) 13—地裂縫 14—溶洞 15—落水洞 16—巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)及編號(hào) 17—巖溶中等發(fā)育區(qū)及編號(hào) 18—巖溶弱發(fā)育區(qū)及編號(hào) 19—非巖溶區(qū) 20—巖溶分區(qū)界線
區(qū)內(nèi)溶巖埋藏條件大體劃分為覆蓋型巖溶區(qū)和裸露型巖溶區(qū),巖溶塌陷發(fā)生于覆蓋型巖溶區(qū),而裸露區(qū)僅有溶洞、落水洞及少量巖洞塌陷分布。
覆蓋區(qū)蓋層土體結(jié)構(gòu)多為單層結(jié)構(gòu),厚3~14 m,蓋層土體之下主要為中泥盆統(tǒng)棋梓橋組厚層灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r,巖石質(zhì)純堅(jiān)硬,非溶性成分較低,溶蝕作用主要集中在中上部灰?guī)r中,巖溶深度一般在30 m以內(nèi),淺層形成溶溝溶槽、溶蝕裂隙、溶洞等,在外在動(dòng)力條件改變下,上覆土層不斷被地下水侵蝕,形成土洞,上覆土體失穩(wěn)后垮塌,形成巖溶塌陷。
受巖性及構(gòu)造的影響,區(qū)內(nèi)巖溶泉、巖溶地裂縫及溶洞發(fā)育。黃壽灣、滿安江、武源鄉(xiāng)政府等3處地段為巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū),龍家村、黃壽灣村外圍—成家?guī)X—成家山饅頭嶺一帶、新屋場(chǎng)—武源鄉(xiāng)政府—寺灣村西南一帶為巖溶中等發(fā)育區(qū),這些均為巖溶塌陷的產(chǎn)生提供了前提條件。
工作區(qū)范圍內(nèi)人類工程活動(dòng)主要為地下水開采、修建房屋、公路及水利設(shè)施等。近年來,由于武源鄉(xiāng)城鎮(zhèn)規(guī)模不斷擴(kuò)大,公路民建等基礎(chǔ)設(shè)施得到不斷發(fā)展,村鎮(zhèn)學(xué)校用水量也在逐年增多,抽取地下水對(duì)巖溶塌陷的發(fā)育也起到了不可忽視的作用。在溶洞和土洞的上方修建地面建筑時(shí),使原本處于基本平衡狀態(tài)的溶洞和土洞頂板增加重量而加快塌陷的形成。
由于控制地質(zhì)災(zāi)害形成的因素很多,既包括內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用,也包括外動(dòng)力地質(zhì)作用,因此,地質(zhì)災(zāi)害的分區(qū)與區(qū)劃是一個(gè)復(fù)雜的多元系統(tǒng)。目前,國(guó)內(nèi)外可用于區(qū)劃的方法很多,可分為定性分析和定量評(píng)價(jià)兩種[1-9]。
根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育分布規(guī)律、地質(zhì)環(huán)境條件以及人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)現(xiàn)狀,選取影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展的因素,再采用定量結(jié)合定性的方法,對(duì)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性有影響的主要因素進(jìn)行分級(jí)處理并賦以分量值,同時(shí)充分考慮各選取因素對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響程度大小,賦予不同權(quán)重體現(xiàn)其影響程度。將黃壽灣村采用網(wǎng)格剖分法分成若干個(gè)評(píng)價(jià)單元,對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)單元內(nèi)的各項(xiàng)分區(qū)指標(biāo)進(jìn)行打分賦值,經(jīng)數(shù)值化處理后,從而獲得評(píng)價(jià)單元內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)分區(qū)值,然后對(duì)各項(xiàng)分區(qū)指標(biāo)進(jìn)行疊加分析,得出各評(píng)價(jià)單元的易發(fā)程度指數(shù)值。易發(fā)程度指數(shù)值越大,表示該單元地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度越高,根據(jù)每個(gè)單元的易發(fā)程度指數(shù),依據(jù)易發(fā)程度分區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)。
確定因子權(quán)重的方法有德爾菲法、層次分析法(AHP)、主成分分析法、因子分析法、熵值法等[10-11]。本文利用已得到了廣泛應(yīng)用的層次分析法(AHP)確定各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重,計(jì)算過程如下:
步驟一、建立層次結(jié)構(gòu)模型
評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型包括目標(biāo)層(巖溶塌陷易發(fā)程度評(píng)價(jià)體系)、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層(評(píng)價(jià)因子)3個(gè)層次。準(zhǔn)則層有3個(gè)因素:地質(zhì)環(huán)境條件、誘發(fā)因素和地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀。地質(zhì)環(huán)境條件的下屬指標(biāo)層為地形地貌、土層厚度、土層結(jié)構(gòu)、巖溶發(fā)育程度、斷裂構(gòu)造;誘發(fā)因素的下屬指標(biāo)層為自然條件下水活動(dòng)因素和人類工程活動(dòng);地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀的下屬指標(biāo)層為巖溶塌陷發(fā)育程度。
步驟二、構(gòu)造判斷矩陣
根據(jù)層次結(jié)構(gòu)模型只能確定上下層元素之間的關(guān)系,而在同一層次的各個(gè)元素的重要性也不盡相同,對(duì)某一層次中的影響元素進(jìn)行重要性的兩兩比較,形成比較判斷矩陣。首先對(duì)該地區(qū)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害形成背景及影響因素的相對(duì)重要性進(jìn)行打分,最后構(gòu)造判斷矩陣。其次,構(gòu)造判斷矩陣。從層次結(jié)構(gòu)的第二層開始,逐層計(jì)算下一級(jí)層次各指標(biāo)對(duì)上一層某個(gè)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重,然后采用1~9標(biāo)度方法分別對(duì)準(zhǔn)則層和指標(biāo)層中從屬于準(zhǔn)則層的每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的同一層要素進(jìn)行兩兩比較,再根據(jù)調(diào)查資料、研究者的認(rèn)識(shí)程度,加以平衡后得出。最后根據(jù)表1分別賦以相應(yīng)標(biāo)度值,構(gòu)造出巖溶塌陷災(zāi)害易發(fā)程度綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系重要度判斷矩陣表2。
步驟三、計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重
以表2構(gòu)造矩陣為基礎(chǔ),根據(jù)求和法計(jì)算出構(gòu)造矩陣的最大特征值及對(duì)應(yīng)特征向量:
(1)
(2)
表1 標(biāo)度法的含義
表2 易發(fā)程度綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系重要度比較矩陣
注:A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8分別代表地形地貌、土層厚度、土層結(jié)構(gòu)、巖溶發(fā)育程度、斷裂構(gòu)造、自然條件下水活動(dòng)因素、巖溶塌陷發(fā)育程度、人類工程活動(dòng)。
(3)
w=(w1,w2,w3……wn)T
(4)
w為構(gòu)造矩陣A的特征向量,即評(píng)價(jià)因子的權(quán)重,經(jīng)計(jì)算w=(0.05,0.05,0.15,0.22,0.05,0.06,0.32,0.10)T。
在充分考慮單因子致塌效應(yīng),并結(jié)合大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和前人的研究成果后,對(duì)8項(xiàng)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行相應(yīng)分級(jí)賦值,其分級(jí)結(jié)果見表3及圖4。各評(píng)價(jià)因子等級(jí)劃分依據(jù)如下:
1)地形地貌:區(qū)內(nèi)主要分布三種地形地貌類型,分別為河流溶蝕侵蝕堆積地貌、河流溶蝕侵蝕坡積地貌、構(gòu)造剝蝕丘陵地貌。其中河流溶蝕侵蝕堆積地貌是塌陷集中分布地段,地形平坦開闊,地形坡度一般小于5°。
表3 各影響因子名稱以及賦值
2)土層厚度:區(qū)內(nèi)巖溶塌陷的發(fā)育分布與第四系土層厚度存在密切的關(guān)系。在其他條件基本相似的前提下,當(dāng)?shù)谒南蹈采w層厚度為5~15 m時(shí),最容易發(fā)生塌陷;當(dāng)?shù)谒南蹈采w層厚度大于30 m或厚度小于5 m時(shí),一般相對(duì)較難發(fā)生或塌陷相對(duì)較弱。
3)土層結(jié)構(gòu):土層結(jié)構(gòu)對(duì)塌陷發(fā)育有重要影響。區(qū)內(nèi)土層為單層結(jié)構(gòu),根據(jù)勘查分析區(qū)內(nèi)單層結(jié)構(gòu)軟塑土最易產(chǎn)生塌陷(土洞),單層結(jié)構(gòu)可塑土發(fā)育巖溶塌陷可能性次之,單層結(jié)構(gòu)硬塑土較難發(fā)生巖溶塌陷。
4)巖溶發(fā)育程度:淺部巖溶發(fā)育程度是產(chǎn)生塌陷的前提條件,據(jù)地表調(diào)查土洞、溶洞、落水洞及塌陷的分布情況,繪制出與巖溶發(fā)育程度有關(guān)的因子分析圖。
5)斷裂構(gòu)造:地質(zhì)構(gòu)造是研究區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育的必要條件,同時(shí)也是區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育的內(nèi)在控制因素之一。研究區(qū)內(nèi)較大斷裂有3條:SN向鳳凰嶺逆沖斷裂(F1)、NE向谷富塘斷裂(F2)和NW向上大村壓扭性斷裂(F3),其中近SN向斷裂F1附近發(fā)育有數(shù)處巖溶巖溶塌陷。故斷裂構(gòu)造通過處劃分為高易發(fā)區(qū)。
6)自然條件下水活動(dòng)因素:地下水的影響主要從年變化幅度按照就高原則進(jìn)行評(píng)價(jià),碳酸鹽巖裂隙溶洞水年變化幅度大,該區(qū)域劃分為高易發(fā)區(qū),其他為低易發(fā)區(qū)。
圖4 黃壽灣村單因子評(píng)價(jià)分區(qū)圖
Fig.4 Zoning map of single factor evaluation in Huangshouwan Village
1—高易發(fā)區(qū) 2—中易發(fā)區(qū) 3—低易發(fā)區(qū)
7)人類工程活動(dòng):將城鎮(zhèn)和大村等居民集中及基礎(chǔ)建設(shè)活動(dòng)區(qū)域劃分為高易發(fā)區(qū),其他區(qū)域劃分為低易發(fā)區(qū)。
8)巖溶塌陷現(xiàn)狀發(fā)育程度:據(jù)研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷主要分布于黃壽灣村、滿安江、龍家村等地段,其他地段零星分布。
根據(jù)各影響因子圖層,運(yùn)用柵格數(shù)據(jù)處理方法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行剖分,每個(gè)單元面積為0.1 km×0.1 km,共534個(gè)格子。利用MapGIS空間分析功能進(jìn)行疊加綜合分析處理,計(jì)算出易發(fā)程度指數(shù)值,指數(shù)值6~8分為高易發(fā)區(qū);4~6分為中等易發(fā)區(qū);小于4為低易發(fā)區(qū)。按照巖溶塌陷災(zāi)害易發(fā)程度高低分為3個(gè)等級(jí):巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)、巖溶塌陷中等易發(fā)區(qū)和巖溶塌陷低易發(fā)區(qū)(表4),進(jìn)而對(duì)整個(gè)研究區(qū)進(jìn)行易發(fā)性半定量評(píng)價(jià),得出易發(fā)性分區(qū)圖(圖5)。
表4 易發(fā)程度指數(shù)值
圖5 各影響因子疊加分析易發(fā)分區(qū)圖
1—高易發(fā)區(qū)及編號(hào) 2—中易發(fā)區(qū)及編號(hào) 3—低易發(fā)區(qū)及編號(hào)4—斷層 5—建筑物 6—巖溶塌陷點(diǎn)及編號(hào) 7—地裂縫 8—溶洞 9—落水洞 10—水系
由圖5可見,在工作區(qū)可劃分出巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)2個(gè),中易發(fā)區(qū)3個(gè),低易發(fā)區(qū)1個(gè);巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)面積為0.45 km2,中易發(fā)區(qū)面積為0.92 km2,低易發(fā)區(qū)面積為3.70 km2。巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)分為2個(gè)塊段,分別為黃壽灣周邊與滿安江周邊一帶。黃壽灣村地表見19處巖溶塌陷,83處房屋開裂;滿安江一帶地表見4處巖溶塌陷,多處農(nóng)田漏水。這與研究區(qū)巖溶塌陷發(fā)育的實(shí)際情況基本一致。
本文從巖溶塌陷的影響因素分析出發(fā),綜合考慮了巖溶塌陷發(fā)育分布規(guī)律、地質(zhì)環(huán)境條件以及人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)現(xiàn)狀對(duì)黃壽灣地區(qū)巖溶塌陷形成發(fā)育產(chǎn)生的實(shí)際影響,并在此基礎(chǔ)上,選定了地形地貌、土層厚度、土層結(jié)構(gòu)、巖溶發(fā)育程度、斷裂構(gòu)造、自然條件下水活動(dòng)因素、人類工程活動(dòng)、巖溶塌陷發(fā)育程度等8項(xiàng)子因素作為評(píng)價(jià)因子,按照定量結(jié)合定性的方法確定評(píng)判模型,利用AHP方法計(jì)算了各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重,通過MapGIS平臺(tái)進(jìn)行空間疊加分析,并輸出了評(píng)價(jià)結(jié)果圖件(即研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)圖)。該評(píng)價(jià)結(jié)果客觀、合理,能夠與實(shí)際情況相互印證,具有較高的可信度。