廣西桂林市規(guī)劃中心城區(qū)巖溶塌陷時空分布規(guī)律及成因分析

江思義，吳 福，劉慶超，黃希明，李海良

(廣西壯族自治區(qū)地質環(huán)境監(jiān)測站，廣西 南寧 530029)

0 引言

桂林市屬于中亞熱帶濕潤季風氣候型溶蝕侵蝕區(qū)，是巖溶塌陷最為頻繁的城市之一[1-2]。本次研究的區(qū)域包括桂林市的5個城區(qū)(除草坪鄉(xiāng)和大埠鄉(xiāng)外)和臨桂區(qū)的臨桂鎮(zhèn)、四塘鄉(xiāng)、兩江鎮(zhèn)部分地區(qū)，以及靈川縣的靈川鎮(zhèn)、定江鎮(zhèn)、大圩鎮(zhèn)等部分地區(qū)，地理坐標為北緯25°0′0″～25°24′0″，東經110°03′26″～110°29′14″。前人對桂林老城區(qū)的巖溶塌陷的評價與研究有很多，馮佐海等[2-3]研究了區(qū)內巖溶塌陷分布特征和塌陷與地質構造的關系；肖明貴[4]和萬志清等[5]對區(qū)內巖溶地面塌陷的成因機制和分布規(guī)律進行了研究。以上研究僅僅局限于桂林市舊城區(qū)，且有一定時間間隔，有的研究成果精度相對較低。隨著桂中地區(qū)1∶5萬巖溶地質調查的完成，筆者對桂林規(guī)劃中心城區(qū)的巖溶發(fā)育特征和分布規(guī)律[6]、易發(fā)性評價[7]和地下空間適宜性評價[8]等方面進行了研究，在此基礎上，對研究區(qū)巖溶塌陷的時空分布規(guī)律及成因進行分析，其成果對桂林市規(guī)劃中心城區(qū)的規(guī)劃布局和城市建設有一定的指導意義。

1 巖溶塌陷類型

研究區(qū)共查明已發(fā)生巖溶塌陷403處，按地質模式和成因類型分別對所有巖溶塌陷進行分類。

按地質模式分，研究區(qū)以土層塌陷為主，尤以單層土體塌陷為主。據統(tǒng)計，基巖塌陷38處，土層塌陷365處。其中單層土體塌陷310處，雙層土體塌陷55處。

按成因類型可分為自然塌陷和人為塌陷。研究區(qū)自然塌陷204處，人為塌陷199處。其中抽水引起塌陷137處，振動爆破引起塌陷38處，灌溉、工業(yè)廢水滲漏等引起塌陷24處。

自然塌陷多分布在農村地區(qū)，塌陷數量204處，占總塌陷數量的51%，多受暴雨因素影響，其次受地下水和地表水共同作用影響。主要分布在峰叢谷地的唐家灣、猴山西側、漓東地區(qū)，以及峰林平原的四塘、橫山等地，以土層塌陷為主。由于巖溶發(fā)育的長期作用，自然塌陷將會不斷發(fā)生。人為塌陷多分布在人類工程經濟活動區(qū)，塌陷數量199處，占總塌陷數量的49%，主要人工誘發(fā)因素有：①抽、排水；②水利工程蓄水、引水；③荷載(工程荷載、車輛荷載等)；④人工爆破、振動；⑤廢液下滲等，其中尤以抽水塌陷為主，為137處，占人為塌陷的68.84%。主要分布在峰林平原、孤峰平原的人類聚集區(qū)，以土層塌陷為主，少部分有因爆破、振動引起的基巖塌陷。

隨著桂林建設活動不斷開展，許多處于極限狀態(tài)或臨近極限狀態(tài)的土洞、溶洞、落水洞等因人工因素誘發(fā)提前垮塌，同時也阻礙著桂林城區(qū)的建設發(fā)展，給桂林城區(qū)的發(fā)展造成不良影響。

2 巖溶塌陷孕育環(huán)境

2.1 氣候背景

桂林地處低緯度，北靠南嶺，有湘桂夾道連接兩湖盆地；南向桂中腹地，有大瑤山群峰屏立于前。地勢為高差較大的南北向盆地，屬中亞熱帶季風氣候區(qū)。

桂林是廣西的降雨和暴雨中心之一，據桂林市2000—2015年氣象資料統(tǒng)計(圖1)，多年平均降雨量達1 889.4 mm，最高3 115.6 mm(2015年)，最低1 254.3 mm(2011年)。年分配不均，多集中4～7月，占全年降雨量的62.93%?？萜谠?0月～次年2月，降雨占全年的18.83%。多年平均蒸發(fā)量1 263～1 566 mm，7～10月最高，占48.28%。氣候濕潤，多年平均相對濕度75.6%，絕對濕度18.1%。年平均氣溫18.8 ℃，地表水溫19.2 ℃、地下水溫19～21 ℃，植被及土壤微生物供應二氧化碳豐富。巖溶發(fā)育離不開水，且水要具有一定的侵蝕性和循環(huán)運動條件[6]。

圖1 桂林市多年逐月月均降雨量、蒸發(fā)量、氣溫曲線Fig.1 Monthly average rainfall, evaporation and temperature curve of Guilin for many years

2.2 地質構造

研究區(qū)的斷裂系統(tǒng)復雜，巖層褶皺寬緩，垂直節(jié)理裂隙十分發(fā)育。巖溶塌陷沿褶皺軸部及構造裂隙帶發(fā)育。背、向斜的軸部地帶，各序次的構造裂隙發(fā)育，巖溶發(fā)育強烈，常形成溶洞、落水洞和寬大溶隙，當上覆土層較薄，在大氣降水下滲，地下水活動或抽取地下水時，易形成塌陷，其密度也較大，如唐家灣背斜軸部的黃村、萬福潭、青巖擋等地。黃村洼地在0.24 km2內有塌陷9個，猴山背斜軸部的猴山西側谷地，在0.05 km2范圍內就有20個塌陷坑，塌陷的分布方向大概與軸向相吻合。

本區(qū)巖溶塌陷的分布與地質構造關系的另一特點是沿構造斷裂帶兩側分布，其中典型的是唐家灣一帶，僅在萬福潭0.11 km2范圍內就有塌陷26個，塌陷的分布和多數坑的長軸與斷裂方向一致，部分坑的長軸垂直于斷層。

2.3 巖溶巖組

區(qū)內碳酸鹽巖主要分以下3大類：(1)灰?guī)r、深灰色純灰?guī)r：包括灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r、生物灰?guī)r或生物碎屑灰?guī)r，含白云質灰?guī)r等，中-厚層狀，具微晶、泥晶、亮晶和粒屑、砂屑等顆粒成分，不等粒、鑲嵌及生物碎屑等結構。方解石含量94%～99%，氧化鈣含量51.28%～56.01%，比溶解度0.76～1.17，主要出現于東村組、桂林組、融縣組、次為東崗嶺組、黃金組、英塘組及堯云嶺組。(2)灰?guī)r、深灰色厚層狀白云質灰?guī)r、白云巖：微粒、部分中粒、不等粒，鑲嵌結構。白云石含量33%～99%，氧化鎂6.73%～19.87%，比溶解度0.46～0.80。主要出現于東崗嶺組、英塘組、堯云嶺組及黃金組，次為桂林組。(3)深灰色薄層狀泥質灰?guī)r、泥灰?guī)r、含硅質結核或硅質條帶灰?guī)r：在其溶蝕較強的含泥質灰?guī)r中取樣結果，方解石94%，氧化鈣48.61%，比溶解度0.77。主要出現于英塘組、堯云嶺組。不同碳酸鹽巖的礦物成分，化學成分和比溶解度有一定關系，經分析灰?guī)r最易被溶蝕，白云質灰?guī)r次之，白云巖抗溶蝕能力較強。此外，區(qū)內方解石飽和指數為-3.33～-4.18，因此，無論是大氣降水或是向斜盆地中匯集的外水源，其溶蝕、侵蝕和搬運能力都很強。

區(qū)內有不同碳酸鹽巖巖性的組合和碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖的地層組合。

巖性組合：不同巖性的巖石組合，影響巖溶發(fā)育程度，東崗嶺組和桂林組下段，是以白云巖為主與灰?guī)r的組合，巖溶發(fā)育強度中等。桂林組上段和東村組、融縣組為純灰?guī)r的組合，巖溶發(fā)育程度強烈；英塘組、堯云嶺組及黃金組，灰?guī)r中常含燧石條帶或結核，且在中段夾有硅質巖、泥巖，巖溶發(fā)育程度較弱。碳酸鹽巖酸不溶物含量不同，洞穴發(fā)育程度也不一樣，英塘組、堯云嶺組含酸不溶物較多，巖性不純，次為桂林組灰?guī)r，含有少量不溶物，但氧化鈣含量較英塘組、堯云嶺組高，融縣組灰?guī)r質量純，含雜質最少。

地層組合：除巖性影響巖溶發(fā)育程度和形態(tài)特征外，碳酸鹽巖與可溶巖的沉積組合亦有很大影響。工作區(qū)內碳酸鹽巖與碎屑巖的沉積組合，按其地質產狀可分為兩類，一類為厚度小而不純的碳酸鹽巖，夾于厚度大的碎屑巖地層之中，如五指山組，英塘組、堯云嶺組及黃金組等，組成丘陵地貌，巖溶發(fā)育程度弱，僅有5.9～8.7L/s的泉水出露。北東部的英塘組、堯云嶺組灰?guī)r，夾有泥巖或炭質灰?guī)r，形成溶丘平原地貌，鉆孔未遇洞，僅見小泉水出露，分布于中部及南部的黃金組、英塘組、堯云嶺組，地貌上為溶領谷地或峰林、孤峰平原，由于地層中含炭、泥雜質和硅質結核或夾有硅質巖，泥巖夾層，巖溶發(fā)育較弱，鉆孔遇洞率及線洞率均低，但溶潭較多。另一類為沉積連續(xù)、厚度大、巖性純、分布廣的碳酸鹽巖，大面積分布于工作區(qū)中部及南部的東崗嶺組、桂林組、洞村組、融縣組、堯云嶺組、英塘組及黃金組，連續(xù)沉積厚度1 879～2 461 m。在此，峰叢聳立，峰林羅列，山中溶洞發(fā)育，平地泉潭出露，呈現出典型的熱帶巖溶景觀。

3 巖溶塌陷時空分布特征

3.1 時間分布

(1)季節(jié)規(guī)律

本次工作對有時間記載的67處巖溶塌陷發(fā)生的時間進行了統(tǒng)計分析，發(fā)現研究區(qū)巖溶塌陷主要發(fā)生在干濕季節(jié)交換時段，即水位變化幅度較大的時段，一般多發(fā)生在夏季。夏季降雨大，加之受振動、荷載作用，西干渠放水等，地下水位波動變化大，容易產生塌陷，發(fā)生于5～8月的塌陷共35起，占統(tǒng)計數52.24%，秋冬季節(jié)塌陷發(fā)生率相對較低。其中雁山區(qū)的地面塌陷多發(fā)生在秋冬季節(jié)，原因是農村灌溉用水抽取地下水引起。

(2)年際規(guī)律

研究區(qū)巖溶塌陷發(fā)生具有明顯的年代性，但由于大部分塌陷年代已久，無法確定其發(fā)生的確切時間。據資料記載，20世紀70年代以前主要受自然地理、氣候條件及地質環(huán)境條件控制，一般以自然塌陷為主，70年代末以來，由于人工活動的急劇加強，主要為人類生產生活需要大量開采地下水，塌陷發(fā)生的頻數上升，70年代至80年代約發(fā)生塌陷165起，約占總塌陷數的40.9%。

根據自20世紀90年代以來發(fā)生的有時間記錄的塌陷統(tǒng)計資料可以看出：90年代共發(fā)生塌陷101起，仍以人為開采地下水致塌為主。自1999年底中心城區(qū)引接自來水后，塌陷發(fā)生頻率明顯降低，2000年代至今共發(fā)生137起，主要受修路、建房等工程活動影響，塌陷頻繁發(fā)生，由于未發(fā)生人員傷亡，研究區(qū)施工場地眾多，塌陷發(fā)生后施工單位直接對其進行填埋或者被開挖成基坑，很多塌陷無法獲取資料。

3.2 與控制和影響因素關系及其空間分布特征

研究區(qū)巖溶形態(tài)類型多樣，從典型的亞熱帶灰?guī)r巖溶地貌—峰叢洼地、峰林谷地及伴生的大型洞穴、地下河，到分布最廣的孤峰平原，及其具有典型意義的溶孔、溶隙，在研究區(qū)具有十分重要的水文地質意義。它們的形成，揭示了研究區(qū)特定的自然地理、地質背景、水文地質條件與巖溶發(fā)育的相互關系。巖溶發(fā)育的主要因素有以下三點：

(1)與地貌及地下水流場關系

研究區(qū)內巖溶塌陷主要發(fā)生在溶蝕堆積孤峰平原地貌區(qū)，為182處，約占塌陷總數的45.16%，發(fā)育密度0.91處/km2；其次發(fā)生在剝蝕溶蝕峰林平原及沖洪積階地區(qū)，分別為62處、57處，各占塌陷總數的15.38%、14.14%，發(fā)育密度0.93處/ km2、0.39處/km2(表1、圖2)。

圖2 巖溶塌陷與地貌關系圖Fig.2 Relationship between collapse and geomorphology1—巖溶塌陷點；2—峰叢洼地；3—峰林谷地；4—峰林平原；5—弧峰平原；6—溶嶺谷地；7—溶丘平原；8—低山陡坡；9—丘陵；10—緩坡丘陵； 11—波狀丘陵；12—山前坡洪積群；13—壟崗臺地；14—Ⅰ級階地；15—Ⅱ級階地；16—桂林市城區(qū)界線；17—舊城區(qū)范圍

巖溶塌陷多發(fā)生在地勢低洼、地下水位淺或集中徑流地段。谷地和峰林平原巖溶塌陷較集中，地下水位一般1～5 m，而地下水位深(>5 m)的一、二級階地，沖積裙(扇)區(qū)，塌陷和土洞均較少。

桂林火車南站一帶，屬一級階地，雖覆蓋層厚10～30 m，但地下水位僅2～4 m，土洞和塌陷較集中，塌陷規(guī)模也較大，塌坑面積達數百平方米，在直徑約30 m范圍內地面出現開裂下沉。

表1 巖溶塌陷在不同地貌類型區(qū)分布情況統(tǒng)計表

(2)與可溶巖巖性關系

塌陷主要分布于下伏質純層厚的上泥盆統(tǒng)融縣組(D3r)灰?guī)r之上，塌陷數量最多，發(fā)生221處，發(fā)育密度0.73處/km2；其次為上泥盆統(tǒng)東村組(D3d)灰?guī)r，塌陷數量120處，發(fā)育密度1.04處/km2；中泥盆統(tǒng)東崗嶺組(D2d)灰?guī)r中塌陷密度最大，為7.59處/km2；而下石炭統(tǒng)鹿寨組(C1lz)及下石炭統(tǒng)船埠頭組(C1c)次純碳酸鹽巖地層分布區(qū)上的塌陷密度較小，下石炭統(tǒng)英塘組(C1yt)白云巖、泥灰?guī)r地層中發(fā)育密度0.43處/km2(表2、圖3)。

表2 巖溶塌陷在不同地層巖性中分布情況統(tǒng)計表

(3)與人類工程活動關系

巖溶塌陷多分布在人類活動密集區(qū)，如桂林市主城區(qū)和臨桂主城區(qū)，據統(tǒng)計，分布在主城區(qū)的巖溶塌陷占總數的80%以上。

與巖溶塌陷有關的人類工程活動有抽排水、水利工程蓄水與引水、荷載(工程荷載、車輛荷載等)、人工爆破、振動、廢液下滲等。

為反映桂林市規(guī)劃中心城區(qū)巖溶塌陷地質災害現狀的發(fā)育密度，根據地形地貌、地層巖性、巖溶發(fā)育程度、地質構造、地下水活動情況、人類工程活動情況等對地質災害發(fā)育及分布的影響，對臨桂新區(qū)巖溶塌陷地質災害現狀進行發(fā)育密度分區(qū)(圖4)。

圖4 巖溶塌陷發(fā)育密度分區(qū)圖Fig.4 Division map of karst collapse development density

其中高密度區(qū)(A區(qū))：面積222.66 km2，巖溶塌陷地質災害發(fā)育密度16處/10 km2。主要位于臨桂廟嶺鎮(zhèn)至太平村一帶，桂林市秀峰區(qū)、甲山鄉(xiāng)、象山區(qū)、雁山區(qū)、疊彩區(qū)等主城區(qū)，東部巖前村—湖塘村-龍門村一帶，中部平山至雁山頭，南部北芬村至雁山鎮(zhèn)(A區(qū))，該區(qū)分布質純碳酸鹽巖，地下水水量豐富，再加上該區(qū)人口密集，巖溶塌陷受人類工程活動影響較大。另外，在桂林市大黃埔—奶牛場峰叢洼地地帶塌陷發(fā)育密度大，該區(qū)分布質純碳酸鹽巖，且位于區(qū)域地下水的補給區(qū)，巖溶塌陷主要是由于地下水受降雨影響反應迅速，地下水潛蝕作用強烈所致。中等密度區(qū)(B區(qū))：面積493.51 km2，巖溶塌陷地質災害發(fā)育密度1處/10 km2。主要位于工作區(qū)巖溶區(qū)除高密度區(qū)以外的廣大區(qū)域。該區(qū)分布有質純的碳酸鹽巖、次純碳酸鹽巖，地下水水量中等-豐富，人類工程活動主要為村民生活開采地下水，塌陷分布均勻。低密度區(qū)(C區(qū))：面積164.15 km2，巖溶塌陷地質災害密度為0處/10 km2。主要分布于工作區(qū)西部碎屑巖分布區(qū)，不具備巖溶發(fā)育條件。

4 致塌因子

研究區(qū)內巖溶地面塌陷的致災因子歸納起來可以分為以下2類：

4.1 水的作用

研究區(qū)的土洞、塌陷多數屬地表水滲蝕和地下水潛蝕作用形成，兩者塌陷的形成階段特征略有差別，分述如下：

(1)地表水滲蝕

此類塌陷多分布在巖溶區(qū)地表水較豐富的地段，如零星分布在西干渠兩側，水塘附近，塌陷數目較少。以及城市排污管道系統(tǒng)、城市集雨排污溝、自來水管道等滲漏問題引發(fā)的地面開裂、沉降、塌陷。

地表水滲蝕型塌陷形成的整個過程時間有長有短，長則幾十年，短者僅幾天。主要取決于地表水來水量、水位差及土體抗沖蝕能力、土層厚度等，來水量愈充足、水位差愈大、土體抗沖蝕強度愈低、土層愈薄，時間久愈短暫，反之愈長。

(2)地下水潛蝕

研究區(qū)多數塌陷由于地下水潛蝕形成。地下水潛蝕形成的土洞一般由水位反復升降引起。地下水潛蝕型塌陷形成的整個過程時間可長可短，長者幾年，甚至幾百年，短者只需幾小時或幾分鐘。主要取決于地下水位變幅、頻度、土體的崩解速率、土層厚度以及地下巖溶的規(guī)模、連通性等。地下水位變幅愈大、頻度愈高、土體的崩解速率愈大、土層愈薄、地下巖溶規(guī)模愈大、連通性愈好，所需時間就愈短，反之，則愈長。

地下水集中徑流帶，地下水活動強烈，上覆土體易受到沖刷和潛蝕，巖溶塌陷往往沿徑流帶呈線狀產生，如輪胎廠—龍門，這種現象最明顯。一級階地的前緣，是地下水的排泄區(qū)，洪水期往往形成河水倒灌，地下水活動強烈，一級階地塌陷主要發(fā)生在此段，塌陷數約占一級階地總塌陷數42%。在垂向土洞多發(fā)育于基巖面附近或地下水季節(jié)變動帶內，河流階地二元或多元結構土層內，除個別土洞發(fā)育于巖、土交界面外，主要是發(fā)育于粉質黏土與砂卵石層交界面附近。在硬塑狀黏土或黏土卵石層中，局部網狀裂隙發(fā)育或巖性的變化，常形成上層滯水，地下水沿裂隙潛蝕、擴大也往往形成不規(guī)則的土洞。

4.2 振動爆破加載

主要分布在施工道路沿線、居民集中區(qū)、施工建筑點、礦山開采點。引發(fā)的危害較大，以塌陷群的形式出現。如人民路一號橋橋基塌陷，發(fā)生于2014年7月11日，橋梁樁基礎施工，采用機械沖孔成樁灌注混凝土方案，兩橋墩24#、27#樁基礎同時沖孔完成，混凝土即將澆筑到樁頂標高時，突然發(fā)生消漿，瞬間塌孔，準備澆筑混凝土的24#樁基礎孔內泥漿也迅速下沉，隨即塌孔。在塌孔的同時P2橋墩南側24#與27#兩根樁之間地面下沉一條深約2 m的地面塌陷溝槽。2014年7月19日下午19時左右A1橋臺與P1橋墩范圍內突然發(fā)生較大巖溶地面塌陷，還聽到似地下洞內石頭滾落的聲音。當天晚上，塌坑內有地下水漫上來，塌坑內水面標高152.53 m，臨時河道水面標高152.72 m，相差0.19 m。隨后幾天共發(fā)生7個塌坑，深度也發(fā)展為4～25 m不等，塌坑體積近5 000 m3。

經對勘查資料和現場調查分析，橋基施工點位于地表河流內，上覆砂質黏土，土層薄，僅2～3 m，下伏D3d組純灰?guī)r，巖溶裂隙溶洞發(fā)育。在振動力的作用下，巖溶裂隙更加開放，地下水滲透性增強，同時灌漿增加了上覆載荷，溶洞、基巖裂隙、溶溝互相連通，地表水與地下水貫通，孔壁失去孔內壓力引起塌孔，誘發(fā)基巖巖溶塌陷。

5 結論

(1)桂林市規(guī)劃中心城區(qū)濕潤多雨、地質構造錯綜復雜、質純層厚的灰?guī)r地層、人類工程經濟活動都是巖溶地面塌陷的孕災前提。

(2)桂林市規(guī)劃中心城區(qū)巖溶地面塌陷分布規(guī)律明顯：夏季降雨大，加之受振動、荷載作用，西干渠放水等，地下水位波動變化大，容易產生塌陷，發(fā)生于5～8月的塌陷共35起；巖溶塌陷主要發(fā)生在溶蝕堆積孤峰平原地貌區(qū)，地勢低洼、地下水位淺或集中徑流地段，下伏質純層厚的上泥盆統(tǒng)融縣組(D3r)灰?guī)r之上和人類活動密集區(qū)。

(3)研究區(qū)的土洞、塌陷多數屬地表水滲蝕和地下水潛蝕作用形成，其次為振動爆破加載。主要分布在施工道路沿線、居民集中區(qū)、施工建筑點、礦山開采點。引發(fā)的危害較大，以塌陷群的形式出現。