馮亞偉，李志峰，仝 路，曾 斌

(1.山東省魯南地質工程勘察院(山東省地勘局第二地質大隊)，山東 兗州 272100；2.山東省地礦局巖溶 地質重點實驗室，山東 兗州 272100；3.中國地質大學(武漢)環(huán)境學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

據統(tǒng)計，全球巖溶發(fā)育區(qū)涉及85個主要國家，總面積約17.89×106km2，占全球陸地總面積的12%[1]，“一帶一路”沿線國家為世界主要巖溶分布區(qū)，約55個國家分布有巖溶，占全球巖溶總面積的60%。我國巖溶分布面積約346.3×104km2，占國土總面積的三分之一以上，由此引發(fā)了一系列的巖溶地質問題，巖溶塌陷是其中主要地質災害類型之一，主要分布在西南、華南、華中等巖溶強發(fā)育區(qū)[2]，截至2010年，全國已發(fā)生巖溶塌陷1 600起，形成塌陷坑40 000個[3]。隨著山東省巖溶發(fā)育區(qū)社會經濟的快速發(fā)展，土地資源、水資源和礦產資源開發(fā)的不斷增強，由此引發(fā)的巖溶塌陷問題日益突出，自20世紀70年代初期以來，發(fā)生多起巖溶塌陷問題，主要分布于魯中南的臨沂、泰安、萊蕪和棗莊等地[4]。

近年來，山東省荊泉斷塊巖溶塌陷災害頻發(fā)，以西塢溝村巖溶塌陷為例，該塌陷發(fā)生于2016年5月26日清晨的馬鈴薯田地，當時該田地正在灌溉，地面突然下陷，形成一個平面呈圓形、直徑約12 m、深約13 m的塌陷坑，距京滬高鐵直線距離僅80余米(圖1)。

塌陷發(fā)生后，不僅在當地村民中引起了恐慌，還對京滬高鐵運輸安全造成嚴重威脅，引起了相關部門的高度重視，迫切需要查明當地巖溶塌陷誘發(fā)因素，提出巖溶塌陷防治措施，降低這一區(qū)域巖溶塌陷再次發(fā)生的可能性。

由于巖溶塌陷的突發(fā)性和破壞性，國內外眾多學者致力于研究其誘發(fā)因素，以期降低危害。通常，巖溶塌陷的形成是由于上覆砂層被基巖滲透帶中的水侵蝕至巖溶管道，在基巖面之上形成空腔，隨著侵蝕的繼續(xù)，空腔持續(xù)變大，達到砂土層的極限平衡之后，形成塌陷[5]。有些學者通過開展水氣壓力監(jiān)測探討巖溶塌陷的誘發(fā)因素[6-7]，評價巖溶塌陷形成臨界力學模型[8]；有些學者通過開展地球物理勘探、鉆孔、地下水高程測量及地下水水化學分析等多種方法，研究巖溶塌陷影響因素，總結巖溶塌陷形成機理[9]，認為大多數的巖溶塌陷均是由與水相關的因素(低水位和強降雨)直接造成的[10]。我國巖溶塌陷問題的研究始于20世紀80年代，特別是20世紀90年代以來，巖溶塌陷問題頻發(fā)，與之相關的研究也越來越深入，取得了豐富的研究成果[11]。山東省巖溶塌陷的研究主要集中于臨沂市城區(qū)預警系統(tǒng)的建設及風險性評價[12-13]、泰萊盆地巖溶塌陷形成機理及水源地巖溶塌陷演化過程[14-15]。荊泉斷塊巖溶塌陷的成因機理，在中國北方巖溶地區(qū)具有良好的代表性，但研究尚不深入。本文以荊泉斷塊巖溶塌陷為研究對象，探討其誘發(fā)因素，不僅可以豐富中國北方巖溶塌陷理論研究，還可為政府職能部門防災減災提供決策依據。

1 研究區(qū)地質背景

荊泉斷塊位于山東省滕州市東北部，北部以長龍斷裂為界，西南部邊界為嶧山斷裂，東部和東南部以地層巖性及地表分水嶺為界，總面積約160 km2，地勢總體東北高、西南低，京滬高速鐵路由北往南貫穿全區(qū)；地處暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)，多年平均降水量748 mm；屬淮河流域運河水系，主要地表水體為荊河及城郭河，其次為分布于北部、東部邊緣山區(qū)的馬河水庫和巖馬水庫。荊泉斷塊內變質巖多分布于桑村穹隆及其附近地區(qū)；奧陶系地層多分布于嶧山斷裂之東、長龍斷裂之南，以隱伏分布為主；侏羅系地層多分布于嶧山斷裂以西的廣大地區(qū)，多為淺埋藏狀態(tài)，局部見有露頭；古近系地層小范圍分布于長龍斷裂以南的楊明莊周圍；第四系主要分布于本區(qū)中部及西部的廣大地區(qū)，以長龍斷裂之南田莊一帶最厚；巖漿巖主要分布在桑村穹隆的核部及長龍斷裂之北，在桑村穹隆的核部多為隱伏狀態(tài)，長龍斷裂之北大部分裸露(圖2)。

荊泉斷塊巖溶水系統(tǒng)為一相對獨立、完整的地下水系統(tǒng)，具有間接補給、直接補給和匯集排泄等一套完整的地下水補給、徑流、排泄與蓄存功能。巖溶主要發(fā)育在奧陶系馬家溝組中，馬家溝組地層連通性好，導水性強，水量豐富，是區(qū)內巖溶水的主要賦水巖組。以俞寨-羅莊一帶為例，此區(qū)巖溶發(fā)育極為強烈，含水層厚50～70 m，井孔單位涌水量大于3 000 m3/(d·m)，最大達6 988.98 m3/(d·m)。本區(qū)巖溶水具有補給面積大，徑流條件好，排泄集中的特點。區(qū)內巖溶水的補給以大氣降水入滲、地表水滲漏補給為主，其次為農田灌溉回滲補給、孔隙水越流補給。巖溶水的整體徑流方向為北東-南西向，水力坡度沿徑流方向逐漸變小。巖溶水的主徑流帶在馮卯-邵疃-俞寨一線。巖溶水的排泄方式主要有自然排泄和人工開采排泄兩種，自然排泄包括泉水排泄和向第四系孔隙水越流排泄；人工排泄以荊泉水源地的集中大量開采為主，也是區(qū)內巖溶水最主要的排泄方式。

京滬高鐵滕州段從滕州市東北經過荊泉水源地主開采區(qū)北側。水源地內，巖溶隱伏于第四系松散巖之下，巖溶發(fā)育于寒武-奧陶系碳酸鹽巖內，巖溶發(fā)育，溶洞豎向直徑一般1～2 m，最大約6 m，溶洞多為空洞或半充填，充填物為黏土夾碎石及粗砂、礫砂等。

2 巖溶塌陷現狀

據初步統(tǒng)計，2015年5月份以來，區(qū)內共發(fā)生巖溶塌陷58起(圖3、表1)，主要分布在楊明莊、大塢溝、羅莊、后梁及俞寨周邊。塌陷平面形態(tài)一般為圓形、橢圓或不規(guī)則狀，剖面形態(tài)多為圓柱狀、錐狀或碟狀。小型塌坑約占所有塌坑的75.86%(圓形塌坑直徑介于0.3～8 m，橢圓形塌坑長軸介于0.6～9.5 m，深度介于0.1～7 m)，其余為中型塌坑(圓形塌坑直徑介于10～12 m，深度介于1～13 m；其余塌陷坑長軸介于10～34.6 m，深度介于0.3～4.5 m)。塌坑底部均被第四系黏質砂土覆蓋，未見基巖出露，附近地面多見土體開裂，形成巖溶塌陷隱患點，分布多呈條帶狀，由南西向北東方向展布。

表1 巖溶塌陷點基本情況一覽表

續(xù)表

注：S(Sinkhole巖溶塌陷)、黏(黏土)、砂(砂土)、粒(混粒土)、砂礫(砂礫石層)、淤泥(淤泥質黏土)。

3 巖溶塌陷控制因素分析

3.1 巖溶發(fā)育程度

研究區(qū)巖溶發(fā)育程度分區(qū)見圖4。

圖4 巖溶發(fā)育程度分區(qū)圖Fig.4 Zoning map of karst development degree

由圖3結合鉆孔資料可知，奧陶系地層巖溶形態(tài)以溶蝕裂隙和蜂窩狀溶孔為主，地層巖溶能見率介于10%～72%之間，強巖溶發(fā)育帶位于俞寨、秦林、屯里、王莊一帶等排泄區(qū)或近排泄區(qū)，隱伏奧陶系灰?guī)r巖溶發(fā)育均一，以蜂窩狀溶孔為主，大部分鉆孔可見溶洞；寒武系地層巖溶發(fā)育情況不一，饅頭組石店段地層巖溶發(fā)育強，地層巖溶能見率達30%，強巖溶發(fā)育帶主要位于巖馬水庫大壩下游，前塢溝、邵疃、東郭一帶等徑流區(qū)，巖溶形態(tài)主要為溶蝕裂隙，溶孔次之，很少溶洞，巖溶能見率10%～20%，為巖溶發(fā)育區(qū)。

據巖溶埋深能見率統(tǒng)計，基巖頂板下埋深30～60 m段，巖溶埋深能見率31.4%，為巖溶最發(fā)育段；其次為0～30 m和60～90 m段，巖溶埋深能見率約24%，為巖溶強發(fā)育段；90～180 m，巖溶埋深能見率15%左右，為巖溶中等發(fā)育段；180～210 m，巖溶埋深能見率3.6%，為巖溶弱發(fā)育段；210 m以下，極少見巖溶發(fā)育，為巖溶極弱發(fā)育段。

強烈發(fā)育的巖溶是區(qū)內巖溶塌陷形成的最基礎條件[16]，巖溶越發(fā)育的地方越有利于巖溶塌陷的形成。與巖溶發(fā)育程度分區(qū)相一致，巖溶塌陷主要分布在強巖溶發(fā)育帶中的俞寨、羅莊、后荊溝、后梁及楊明莊一帶，這一地區(qū)地勢較低洼，巖溶發(fā)育較為強烈，含水層厚約50～70 m，水量較為豐富，地下水徑流迅速，上覆第四系砂層較為松散，在地下水流的沖刷作用下不斷塌落，土洞越來越大，當其無法承受上覆土體壓力時，就會在地表形成巖溶塌陷，反向證明了巖溶發(fā)育是本區(qū)巖溶塌陷形成的主要影響因素之一。

3.2 覆蓋層土體結構及厚度

據表1可知，除S12巖溶塌陷點上覆土層結構為雙層結構外，其余各點上覆土層結構均為多層結構，占總數的92.9%，多以砂土與黏土互層，少數含有砂礫石層、混粒土與淤泥質土。相對黏性土來說，砂土的黏結性較差，在地下巖溶水的沖刷下，易于土洞的形成，產生塌陷。

按可溶巖地層的出露條件，可將巖溶區(qū)劃分為裸露型巖溶區(qū)、覆蓋型巖溶區(qū)和埋藏型巖溶區(qū)[2]。據圖5可知，區(qū)內上覆第四系土層厚度多在20 m以淺，屬淺覆蓋型。按照土層厚度結構分區(qū)來看，裸露巖溶區(qū)未產生巖溶塌陷，在地表多分布溶溝溶槽；0～5 m土層厚度分區(qū)產生巖溶塌陷8起，占總塌陷個數的13.8%，主要分布在東孫莊東北(S11)，距京滬高鐵僅100余米；5～10 m土層厚度分區(qū)產生巖溶塌陷22起，占總塌陷個數的37.9%，主要分布在俞寨村西(S12)和后荊溝村東北(S14)，基本都分布在距荊泉水源地直線距離300 m范圍內；10～15 m土層厚度分區(qū)產生巖溶塌陷28起，占總塌陷個數的48.3%，主要分布在羅莊及西塢溝村高鐵沿線、楊明莊-虺城店一線，這一地區(qū)為荊泉斷塊地下水主徑流區(qū)，地下水流速快，富水性好；15 m以上土層厚度分區(qū)基本未產生巖溶塌陷。

據研究統(tǒng)計分析，地面塌陷絕大多數發(fā)生在覆蓋型巖溶區(qū)，而覆蓋層是覆蓋型巖溶塌陷發(fā)生的主體，其厚度和結構影響巖溶塌陷的易發(fā)程度[17]。綜合來看，荊泉斷塊土層厚度相對較薄，且多夾有砂層及砂礫石層，為巖溶塌陷的形成提供了必要的基礎條件。

圖5 覆蓋層土層厚度分區(qū)圖Fig.5 Subarea map of overlying soil thickness

3.3 地質構造

地質構造主要是通過控制巖溶發(fā)育程度來影響巖溶塌陷程度的。斷裂構造發(fā)育的地段，巖石破碎，利于地下水的滲透，是巖溶發(fā)育強烈的地段，亦是水流活動強烈之處，有利于巖溶塌陷的發(fā)生。荊泉斷塊構造特征是以斷裂為主，區(qū)域節(jié)理、裂隙普遍發(fā)育，褶皺次之。構造活動所形成的斷裂、節(jié)理、裂隙，為碳酸鹽巖地下水溶蝕作用創(chuàng)造了有利條件，并制約著區(qū)域巖溶及垂向巖溶的發(fā)育與分布。巖溶發(fā)育形成了地下水運動的良好通道和儲存空間。

由圖3可知，在區(qū)內發(fā)生的58起巖溶塌陷中，有29起發(fā)生在距東郭斷裂、嶧山斷裂及其次級斷裂1 km范圍內，占總塌陷點數的50%；3起發(fā)生在距東郭斷裂1 km以外2 km以內范圍，占總塌陷點數的5.2%；26起發(fā)生在距主要斷裂2 km以外地區(qū)，占總塌陷點數的44.8%，這類巖溶塌陷點多沿河道及高鐵周邊分布；其它非構造發(fā)育區(qū)，巖溶裂隙不發(fā)育，沒有巖溶塌陷發(fā)育的基本條件，基本沒有產生巖溶塌陷。

4 影響因素和誘發(fā)因素分析

4.1 水動力條件

根據區(qū)內多年降雨量監(jiān)測資料，選取荊泉水源地內孔隙水、巖溶水水位長期監(jiān)測資料，做出多年地下水水位動態(tài)圖(圖6)。

圖6 荊泉斷塊地下水水位動態(tài)圖Fig.6 Dynamic groundwater level of Jingquan fault block

4.1.1 孔隙水

孔隙水與巖溶水水力聯系越強，越有利于巖溶塌陷的產生。由圖6可知，2014年初開始，區(qū)內降雨普遍偏少，2015年及2016年枯水期之后，區(qū)內降雨明顯增加。由圖7可知，巖溶塌陷多發(fā)區(qū)第四系覆蓋厚度大多在15 m以淺，且含有砂層，而枯水期巖溶水水位遠遠低于基巖頂板，當夏季強降雨過后，大氣降水迅速入滲補給孔隙水，松散土層快速飽和，后又迅速下滲補給巖溶水，在此過程中，孔隙水攜帶大量的砂土顆粒進入巖溶管道，“土洞”逐漸形成，當上覆土層不足以支撐自重時，就會在地表形成巖溶塌陷。

2015年及2016年的9月—10月，區(qū)內共產生5起巖溶塌陷，占總塌陷點數的8.6%，相對增強的水力聯系，是這一時期巖溶塌陷產生的一大影響因素。

圖7 荊泉斷塊巖溶塌陷地質剖面圖Fig.7 Geological profile of karst collapse in Jingquan fault block

4.1.2 巖溶水

巖溶水位波動對巖溶塌陷的影響主要表現在改變基巖面附近巖溶水管道中水氣壓力的變化速度及變化幅度。

由圖6可知，從2014年年初開始，到2016年枯水期結束，為區(qū)內相對枯水時段，這一時期區(qū)內降水量明顯低于多年平均降水量，從而導致在2016年枯水期達到歷史最低水位。且?guī)r溶塌陷出現的時間集中分布于巖溶水水位在基巖面附近波動時期，也就是水位標高在68 m左右。

相對以往多年平均地下水水位埋深來說，2015年5、6月份地下水水位平均埋深分別下降8.31 m、10.74 m，水位波動分別為1.20 m、4.04 m，發(fā)生巖溶塌陷34起，占總塌陷點數的58.6%；2016年5、6月份地下水水位平均埋深分別下降26.98 m、26.49 m，水位波動分別為1.12 m、1.56 m，發(fā)生巖溶塌陷5起，占總塌陷點數的8.6%；2017年5、6月份地下水水位平均埋深分別下降1.38 m、1.11 m，水位波動分別為0.49 m、0.78 m，發(fā)生巖溶塌陷8起，占總塌陷點數的13.8%；2018年5、6月份地下水水位平均埋深分別下降-0.8 m、-0.11 m，水位波動分別為0.60 m、2.44 m，發(fā)生巖溶塌陷8起，占總塌陷點數的13.8%。由此可以看出，巖溶水水位波動大的時段易產生巖溶塌陷，主要原因為：地下水水位波動明顯，巖溶水空腔中產生負壓，且這一時期，區(qū)內灌溉活動頻繁，第四系中含有較多的灌溉回滲水量，負壓出現后，會加劇灌溉回滲水的滲流作用，從而導致土體破壞，誘發(fā)巖溶塌陷。

4.1.3 地表水

區(qū)內河流基本為季節(jié)性河流，只有在雨季下大雨后河道才會有水，且河道部分基巖裸露，下伏基巖巖溶發(fā)育，大氣降水沿河床溶孔溶隙下滲迅速補給地下水，造成地下巖溶水位的快速抬升，大大加速巖溶水的流動，巖溶管道內壓力快速變化，產生壓力差，從而誘發(fā)巖溶塌陷。

4.2 人類活動

一個地區(qū)巖溶塌陷的形成除受自然因素(地質、水文和氣象)影響以外，還受人類活動(地下水開采、地面載荷)的影響，而人類活動的影響是至關重要的[18]。

4.2.1 水源地開采

自20世紀70、80年代以來在泉水出露的排泄區(qū)建立了供應滕州市工業(yè)與生活用水的集中供水水源地，大量抽取地下水，造成泉水逐年減少，地下水位持續(xù)下降。該水源地允許開采量為8×104m3/d，目前實際開采量約9×104m3/d，超過允許開采量約1×104m3/d。近幾年來降水偏少，地表水干涸，農業(yè)開采巖溶水量增大，巖溶水位連續(xù)下降。俞寨水廠水位埋深36.346 m(2016年6月)，遠低于松散層底板。水源地內大部分地段巖溶水位已低于松散巖底板。地下水的大量開采，改變了原始地下水動力條件，加大了地下水流速，加快了地下水三水轉化速率，易于誘發(fā)巖溶塌陷。

4.2.2 灌溉

據表1可知，巖溶塌陷發(fā)生時間多集中分布于每年的5～6月份，占總塌陷點數的86.2%。這一時期，區(qū)內降雨偏少，氣溫偏高，普遍干旱，農作物需水量增加，農田灌溉集中進行，地下水開采量增大。灌溉開采的地下水除部分以蒸發(fā)和根系吸收等方式散失以外，其余均回滲補給地下水，增強了地下水的補給，改變了原有地下水動力條件，增加了表層土體的含水率及自重，地下水環(huán)境由相對靜態(tài)轉換為相對動態(tài)，易于誘發(fā)巖溶塌陷。

4.2.3 地表載荷

2011年6月京滬高速鐵路通車之前，區(qū)內未記載發(fā)生過巖溶塌陷，之后，隨著京滬高速鐵路車輛密度的逐漸增加，對區(qū)內的影響也逐漸顯現出來。由圖2可知，在京滬高速鐵路附近分布有S03、S05、S09及S11等巖溶塌陷點。列車在行駛過程中，不但會產生振動，振動波還會改變上覆土層的密實程度，當土洞頂板承載力不滿足要求時，就會在地面形成塌陷坑，產生巖溶塌陷。

5 結論

通過對荊泉斷塊巖溶水系統(tǒng)基礎地質條件、地下水動態(tài)監(jiān)測及水文地質鉆探等資料的分析研究，得出以下結論：

(1)巖溶塌陷的產生綜合受覆蓋層、地質構造及巖溶發(fā)育等基礎地質條件的影響。厚度15 m以內且含有砂層的上覆土層區(qū)最容易產生巖溶塌陷；巖溶塌陷主要分布在強巖溶發(fā)育帶中；斷層兩側1 000 m內為巖溶塌陷高發(fā)區(qū)。

(2)當巖溶水水位在基巖面附近波動的時候(水位標高為68 m)最容易產生巖溶塌陷，可將68 m水位標高劃定為巖溶塌陷制約下的開采水位紅線。

(3)人類活動對巖溶塌陷的影響主要表現在巖溶水的大量開采、土地灌溉及地表工程的修建，其中，巖溶水的大量開采已成為誘發(fā)巖溶塌陷的主要因素之一。當水位埋深下降介于8～27 m、月水位變幅達1～5 m時，最容易誘發(fā)巖溶塌陷。

(4)合理規(guī)劃開采區(qū)內巖溶水，做到工業(yè)用水、灌溉用水的水源置換，做好地表大型工程的勘查規(guī)劃等是降低巖溶塌陷發(fā)生概率的主要手段。