李飛飛，郭紅梅

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101)

巖溶是可溶巖在水的化學溶蝕作用下，伴隨水流的沖蝕、侵蝕等機械作用形成的地質現(xiàn)象。巖溶區(qū)地質條件通常比較復雜，由巖溶引發(fā)的地質災害往往具有隱蔽性和突發(fā)性的特點。在巖溶區(qū)進行工程建設時，由于巖溶破壞了基巖的完整性，導致巖體的強度和承載力大幅度降低，常常會引發(fā)地面塌陷、不均勻沉降等變形破壞，影響工程建設的安全[1-2]。

黃山市位于安徽省最南部，地處皖浙贛三省交界處，被稱為“三省通衢”，黃山獨特的花崗巖山體，有著“天下第一奇山”的美譽。目前前人對黃山地區(qū)的研究多集中于花崗巖地貌景觀及構造運動，而對區(qū)內巖溶的研究少之又少，僅在80年文獻[3-4]對整個皖南山區(qū)溶洞發(fā)育規(guī)律和巖溶洞穴形成原因進行了初步探討和研究，然其相隔時間較遠，且針對黃山地區(qū)的巖溶發(fā)育特征未曾提及。自60年代中期安徽省地礦局各地質隊與各大科研院所陸續(xù)開始對黃山市開展區(qū)域地質調查和地質災害評估工作，對黃山市部分區(qū)縣地表巖溶現(xiàn)象進行了描述，但，研究精度不高、針對性不強。

由于影響巖溶發(fā)育的誘因眾多，影響因素復雜，多年來眾多學者對巖溶發(fā)育機理、分布規(guī)律、巖溶危險性預測評價等方面做了大量工作。文獻[5]在武漢市1:5萬巖溶塌陷調查成果基礎上，從影響武漢市巖溶發(fā)育的7個方面總結了典型地區(qū)巖溶發(fā)育特征；文獻[6]通過對無錫市區(qū)埋藏性巖溶采用地質分析和跨孔CT方法，對無錫地鐵隧道穿越區(qū)巖溶發(fā)育特征及控制因素進行了研究；文獻[7]通過對貴州某機場巖溶成因機制、分布規(guī)律進行了探討和分析，對場地巖溶發(fā)育特征進行了研究。文獻[8]采用工程地質調繪、地質鉆探、高密度電法等手段對云湛高速公路復雜的巖溶地質問題進行綜合勘察，查明了場區(qū)巖溶發(fā)育特征。目前，隨著巖溶理論水平和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術的發(fā)展，國內外對巖溶區(qū)危險性評價主要涉及主控因素的選取和評價方法的選擇[9-11]、巖溶塌陷的危險性評價[12-15]等方面，對巖溶的研究更趨于多元化和科學性。

巖溶發(fā)育是多因素長期相互作用的結果，其發(fā)育過程多表現(xiàn)為具有復雜形成機理的非線性動力現(xiàn)象。目前，針對黃山各區(qū)縣巖溶的分布特征和發(fā)育規(guī)律尚無系統(tǒng)研究，因此，本次研究依托東黃山國際小鎮(zhèn)項目，在查閱區(qū)域地質資料的基礎上，采用地質調查、鉆探和物探相結合的方法，統(tǒng)計分析東黃山國際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育特征及規(guī)模，對研究區(qū)巖溶在水平和垂直方向的發(fā)育規(guī)律進行研究，在此基礎上對影響研究區(qū)巖溶發(fā)育的主控因素進行確定。研究成果對巖溶區(qū)建設規(guī)劃具有重要的參考和指導作用。

1 研究區(qū)概況

東黃山國際小鎮(zhèn)位于黃山市黃山區(qū)，屬皖南山區(qū)腹地，東接旌德，南依湯口，西鄰黃山風景名勝區(qū)，被稱為黃山的東大門。目前規(guī)劃建設的東黃山國際小鎮(zhèn)位于皖南“三山三湖”山水觀光旅游發(fā)展帶，是皖南文化旅游發(fā)展的核心。東黃山國際小鎮(zhèn)基礎設施配套工程建設主要包括道路工程、給水、排水管網工程、污水廠和自來水廠、客運中心站和核心區(qū)公交場站、河道治理等工程。

黃山區(qū)位于皖南山區(qū)中東部，地貌為低山、丘陵和平原，研究區(qū)所在微地貌類型為丘陵和山間谷地，整體地形為南高北低，屬于典型的沖洪積沉積地層(見圖1)。研究區(qū)屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫16.3℃，年降雨量2 058mm，境內水資源豐富，河流縱橫分布，主要河流為麻川河及其支流。區(qū)內構造單元屬于揚子準地臺江南過渡帶太平復向斜北翼，自古生代以來，經歷了多期次構造運動，形成了比較復雜的褶皺、斷裂等地質構造形跡，主要有譚家橋向斜和譚家橋斷裂。譚家橋斷裂為一條走向NEE向的壓型斷裂，傾向南東，地質構造控制著場區(qū)地下水運移方向以及巖溶的發(fā)育規(guī)模和發(fā)育方向。區(qū)內地層屬揚子地層區(qū)江南地層分區(qū)的廣德—黃山地層小區(qū)，區(qū)域地層主要有第四系黏性土和砂卵石層，分布于山間谷地、河谷兩側低洼地帶，呈條帶狀。下伏基巖主要有寒武系荷塘組碳質板巖，寒武系西陽山組、華嚴寺組灰?guī)r，奧陶系印渚埠組泥巖、頁巖。其中，寒武系西陽山組灰?guī)r，呈青灰色，主要分布在研究區(qū)中部和北部，隱晶質結構，薄層～中厚層狀構造，主要由碳酸鹽礦物組成，局部可見方解石脈。在構造運動和地下水流侵蝕作用下，巖溶裂隙、洞穴發(fā)育，溶洞充填物主要為軟塑狀粉質黏土和砂礫石。地表溶蝕現(xiàn)象較為明顯，發(fā)育有溶蝕裂隙和地表溶洞，規(guī)模較小。區(qū)內地下水類型主要有第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水，其中，第四系松散巖類孔隙水主要賦存在基巖上方的砂卵石地層中，與基巖裂隙水和裂隙巖溶水存在直接水力聯(lián)系。地下水流向與研究區(qū)地形地貌大致一致，總體為自南至北流。

圖1 研究區(qū)三維地貌示意圖

2 巖溶發(fā)育發(fā)育特征

對研究區(qū)地表巖溶開展地質調查，對區(qū)內地表溶蝕裂隙、溶溝、溶洞發(fā)育情況進行記錄和整理；采用高密度電法物探手段對地下巖溶發(fā)育范圍進行探查，結合巖溶發(fā)育區(qū)鉆孔揭露情況，進一步確定研究區(qū)的巖溶發(fā)育規(guī)模和發(fā)育特征?？傮w而言，研究區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)模不大，空間分布不均，可將研究區(qū)巖溶發(fā)育類型劃分為裸露型和覆蓋型兩類。

2.1 地表巖溶發(fā)育特征

研究區(qū)巖溶發(fā)育主要以地下為主，地表溶蝕現(xiàn)象主要集中在麻川河東部出露，其主要表現(xiàn)為溶蝕裂隙、溶洞，局部可見鈣化現(xiàn)象(見圖2～圖3)。 經現(xiàn)場量測， 溶蝕裂隙寬度大小不等， 一般寬約3～7cm，部分裂隙較大，可達15～20cm，與區(qū)內優(yōu)勢節(jié)理面發(fā)育方向基本一致；地表溶洞主要在裸露山體底部發(fā)育，規(guī)模較小，形態(tài)不一，主要由地表水流沿裂隙通道在山體底部匯集、沖刷、溶蝕形成。

圖2 灰?guī)r山體溶蝕裂隙(寬3～5cm)

圖3 灰?guī)r山體發(fā)育溶洞(寬10cm，長16cm)

2.2 地下巖溶發(fā)育特征

根據鉆孔揭露巖溶情況，地下巖溶發(fā)育類型主要為溶洞、溶蝕裂隙和小溶孔等，大多在埋深5～15m范圍內揭露，沿可溶巖和非可溶巖接觸帶、斷層影響帶以及地表水體分布。本次東黃山國際小鎮(zhèn)基礎設施項目共收集854個勘探孔，其中有71個勘探孔揭露溶洞，揭露溶洞數(shù)117個，全區(qū)遇洞率為8.2%(見圖4)。

圖4 研究區(qū)鉆孔揭露溶洞情況統(tǒng)計圖

通過對鉆孔揭露巖溶情況統(tǒng)計分析，溶洞為垂向多層串珠狀溶洞，一般為2～3層，最多達5層。溶洞充填物情況具有一定的差異性，主要表現(xiàn)為河流附近溶洞充填物主要為砂礫石，且鉆孔揭露時洞內水量較大；可溶巖與非可溶巖交接帶揭露溶洞充填多為灰黑色風化巖巖屑或第四系軟塑狀粉質黏土；研究區(qū)北部遠離河流區(qū)域揭露溶洞多為無充填空洞或半充填軟塑狀粉質黏土。揭露溶洞洞高一般為0.1～3.0m，個別洞高達4.0m以上，溶洞頂部基巖較為破碎，溶蝕裂隙發(fā)育(見圖5)，溶蝕裂隙為地下水的滲流通道，在地下水的流動侵蝕作用下，裂隙不斷擴大，誘使溶洞進一步發(fā)育。根據統(tǒng)計分析，溶洞底高程主要在180～189m和190～199m兩個個高程段(見圖6)，與平面上分布的2個走向NEE且相互獨立的巖溶強發(fā)育條帶相對應。通過與麻川河各斷面河床實測高程對比，研究區(qū)中部河床高程為199.6m左右，下游河床高程為187.4m左右，2個巖溶強發(fā)育條帶與研究區(qū)侵蝕基準面相對應。

圖5 鉆孔揭露溶洞

圖6 溶洞發(fā)育高程分布圖

2.3 巖溶發(fā)育分布規(guī)律

由于區(qū)內地形地貌、地層巖性、地質構造、水動力條件控制，使得巖溶發(fā)育在平面和垂直方向具有一定的差異性，呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。根據鉆孔揭露和高密度電法探測成果，巖溶強發(fā)育區(qū)主要集中在研究區(qū)中部和北部，南部發(fā)育規(guī)模較小，水平方向上表現(xiàn)為2條走向NEE沿河流分布的強發(fā)育條帶，面積約0.4km2，占研究區(qū)總面積的5%，與區(qū)內譚家橋斷裂走向基本一致。麻川河河床為區(qū)內最低侵蝕基準面，亦是地下水與地表水交替最頻繁地區(qū)，巖溶較為發(fā)育。此外，在碳質板巖與灰?guī)r接觸帶巖溶也存在巖溶強發(fā)育區(qū)(見圖7)。

圖7 溶洞發(fā)育分區(qū)圖

根據物探探測和鉆孔揭露情況， 巖溶主要在埋深20m范圍內發(fā)育， 20m以下未揭露巖溶發(fā)育。 經統(tǒng)計，巖溶在垂直方向上具有多層性，在埋深0～20m范圍內可以劃分出4個不同的巖溶發(fā)育帶，即埋深0～5m弱發(fā)育帶， 埋深6～10m強發(fā)育帶， 埋深11～15m中等巖溶發(fā)育帶， 埋深16～20m弱巖溶發(fā)育帶(見圖8)。垂向上表現(xiàn)為隨著埋深的增加，巖溶發(fā)育強度逐漸減弱的趨勢。

圖8 溶洞發(fā)育埋深分布圖

3 巖溶發(fā)育主控因素分析

影響巖溶發(fā)育的誘因眾多，影響因素復雜，且各因素之間相互影響、相互制約。近年來眾多學者對影響巖溶發(fā)育的主控因素進行了研究和總結，主要包括地形地貌、地質構造、地層巖性、水文地質條件、沉積環(huán)境等多方面因素[16-18]。本次研究通過對東黃山國際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育特點進行總結分析，結合高密度電法探測和鉆孔揭露情況，確定了東黃山國際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育的主控因素主要有地形地貌、地層巖性、地下水、地表水和地質構造。

3.1 地形地貌

研究區(qū)南部主要為丘陵，中部和北部為山間谷地，整體地形為南高北低，水流集中向中北部匯集，區(qū)內最低侵蝕基準面位于麻川河河床。 地形越平緩越有利于大氣降雨的匯集、下滲，大氣降雨通過山前補給往低平谷區(qū)徑流、排泄，使得低平谷區(qū)淺層地下水運動強烈，地下水侵蝕作用加強，進一步加大地下水對可溶巖的溶蝕。地形地貌往往控制巖溶發(fā)育的不均勻性，因此，研究區(qū)南部丘陵地區(qū)巖溶不發(fā)育或局部微發(fā)育，中部和北部巖溶發(fā)育強烈。

3.2 地層巖性

根據區(qū)域地質資料和鉆孔揭露，研究區(qū)南部主要為寒武系荷塘組碳質板巖，局部零星分布寒武系西陽山組灰?guī)r，中部和南部大面積分布寒武系灰?guī)r，東部局部分布奧陶系印渚埠組泥巖。從巖溶發(fā)育的平面分布來看，區(qū)內巖溶發(fā)育主要集中在中部和北部，南部巖溶零星發(fā)育，與碳酸鹽巖分布一致。因此，碳酸鹽巖為巖溶發(fā)育的基礎，且不同巖性組合影響巖溶的發(fā)育程度，在南部和中部，碳質板巖與灰?guī)r交接地帶，存在巖溶強發(fā)育區(qū)，表明在可溶巖與非可溶巖接觸帶巖溶發(fā)育強烈。

3.3 地下水

地下水為巖溶發(fā)育提供了動力條件，地下水沿著構造裂隙流動，在地下水的流動侵蝕作用下，裂隙不斷擴大，致使巖溶進一步發(fā)育；同樣，巖溶的進一步發(fā)育，為地下水的侵蝕流動提供了更廣闊的溶蝕通道，使得地下水的溶蝕作用更加強烈，進一步加大溶蝕裂隙的擴張、發(fā)育。本區(qū)巖溶發(fā)育主要位于中北部山間谷地，一般為地下水的強徑流排泄區(qū)，地下水流動較快，地下水水位波動較大，溶蝕作用強烈，有利于巖溶的發(fā)育。南部為地下水的山前補給區(qū)，為地下水的徑流源源不斷提供水源，巖溶發(fā)育相對較弱。此外，第四系松散巖類孔隙水與裂隙巖溶水存在一定的水力聯(lián)系，也是裂隙巖溶水的補給來源，根據水質分析結果，巖溶發(fā)育區(qū)松散巖類孔隙水中侵蝕性CO2最高為8.8mg/L，濃度較高，表明地下水侵蝕作用強烈。

3.4 地表水

研究區(qū)地表水主要為麻川河及其支流，麻川河為黃山區(qū)內最大的河流，整體流向為自南向北，水位受季節(jié)性影響較大，主要受大氣降水和上游支流河水補給，向河流下游排泄。河底無襯砌，河水與地下水之間存在直接水力聯(lián)系。本區(qū)巖溶發(fā)育水平方向主要表現(xiàn)為沿麻川河及支流分布的特征，區(qū)內最低侵蝕基準面位于麻川河河床，屬于地下水的強徑流和排泄區(qū)，地表水和地下水集中向麻川河徑流、排泄，靠近河流處地下水和地表水之間水循環(huán)交替活躍，溶蝕作用強烈。由于河流水位受大氣降雨影響較大，河流水位波動較大，靠近河流處地下水水位變幅較大，進一步加大地下水的侵蝕作用。

3.5 地質構造

地質構造控制著巖溶的發(fā)育規(guī)模和發(fā)育方向。一方面地質構造破壞了巖體的完整性，使巖層產生位移或裂隙，提高了巖層的透水性，加強了對可溶巖的溶蝕破壞；另一方面，構造運動改變了可溶巖與非可溶巖的接觸組合關系，控制著地下水的運移和富集，從而控制著巖溶的發(fā)育方向。研究區(qū)的地質構造主要有譚家橋向斜和譚家橋斷裂，區(qū)內2條走向NEE的巖溶強發(fā)育條帶，與譚家橋斷裂走向基本一致。在裸露型巖溶出露的區(qū)域，溶蝕裂隙和地表溶洞較為發(fā)育，與區(qū)內優(yōu)勢節(jié)理面走向基本一致。

4 結論

(1)研究區(qū)巖溶發(fā)育以覆蓋型為主，巖溶發(fā)育總體規(guī)模不大，空間分布不均，主要集中在研究區(qū)中部和北部。地表溶蝕現(xiàn)象主要集中在麻川河東部出露，主要表現(xiàn)為溶蝕裂隙、溶洞，其發(fā)育方向與區(qū)內優(yōu)勢節(jié)理面方向基本一致。

(2)研究區(qū)揭露溶洞垂向上具有分層性，以多層串珠狀溶洞為主，埋深6～10m為巖溶強發(fā)育區(qū)，垂向上表現(xiàn)為隨著埋深的增加，巖溶發(fā)育強度逐漸減弱的趨勢。水平方向上表現(xiàn)為2條走向NEE沿河流分布的強發(fā)育條帶，面積約0.4km2，占研究區(qū)總面積的5%，巖溶強發(fā)育條帶與區(qū)內譚家橋斷裂走向基本一致。

(3)根據鉆孔揭露，溶洞底高程主要在180～189m和190～199m兩個高程段，與區(qū)內最低侵蝕基準面麻川河河床高程相對應?？傮w而言，在可溶巖與非可溶巖接觸帶巖溶發(fā)育強烈，麻川河及支流附近地表水和地下水交替循環(huán)強烈區(qū)巖溶發(fā)育強烈，區(qū)內譚家橋斷裂影響區(qū)域巖溶發(fā)育強烈。

(4)巖溶發(fā)育特征和規(guī)模主要受研究區(qū)地形地貌、地層巖性、地下水補徑排條件、地表水、地質構造5個因素的影響。其中：碳酸鹽巖為巖溶發(fā)育的基礎，地形地貌控制巖溶發(fā)育的不均勻性，地下水為巖溶發(fā)育提供了動力條件，區(qū)內地表水和地質構造控制巖溶的發(fā)育方向和規(guī)模。