黃文龍

(廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510080)

巖溶地面塌陷是南方地區(qū)主要地質(zhì)災害之一。巖溶塌陷不但給建筑物、道路及市政設施構成危害而形成經(jīng)濟損失，甚至會造成人員傷亡，帶來社會負面效應。在巖溶塌陷重點防治區(qū)布設有效的監(jiān)測預警措施是有必要的，對防災減災具重要意義。本文以肇慶一自然村為例，分析其地質(zhì)環(huán)境條件及巖溶塌陷形成演化，并對地下水監(jiān)測應用情況進行分析。

1 研究區(qū)背景

1.1 研究區(qū)地理位置及巖溶地面塌陷情況

研究區(qū)位于肇慶市高要區(qū)新橋鎮(zhèn)，北東側(cè)為G324國道斜穿而過，車流量較大；南西側(cè)為沙田村委張村居民地，人口約有200人；南側(cè)為農(nóng)田，主要種植水稻等農(nóng)作物。

在塌陷點北為一花肥廠，南偏西約100 m有一供水機井，該深井約30 m，入巖10 m，抽取地下水類型為碳酸鹽巖裂隙溶洞水，日開采量約100 m3(地下水降深約1.50 m)，不連續(xù)開采。周邊地貌類型為山前平原，南側(cè)為丘陵山區(qū)，北側(cè)平原，水網(wǎng)密布；地勢南高北低，地面高程一般在5～10 m。

2013年8月9日下午3時，研究區(qū)水田處發(fā)生一處地面塌陷，塌陷坑呈圓形，直徑約5 m，影響面積約20 m2，水田內(nèi)地表呈漏斗狀往中心下陷，中心塌陷深度約1.0 m，塌陷坑內(nèi)積水比水田地表低0.3 m，塌陷坑導致北側(cè)單層瓦房墻體局部開裂，裂縫寬0.5 cm，長2.0 m，以及塌陷周圍水田形成5～20 cm的地面裂縫。據(jù)地質(zhì)災害應急調(diào)查認為，該地面塌陷的成因是由于南側(cè)抽水機井抽取地下水(碳酸鹽巖裂隙溶洞水)導致。

1.2 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

研究區(qū)為覆蓋型巖溶發(fā)育區(qū)，基巖面起伏大且?guī)r面呈鋸齒狀，基巖面落差0.5～5.5 m，最大落差達12.4 m。結合物探和鉆探資料來看，區(qū)內(nèi)淺部巖溶發(fā)育，巖溶形態(tài)以溶洞、溶孔、溶蝕裂隙為主。淺層巖溶溶洞一般發(fā)育1～4個不等，洞高大小不一，普遍0.2～1.7 m，溶洞一般為半充填—全充填，填充物為粉質(zhì)粘土、碎石和砂，鉆孔見洞率54.55%，線巖溶率一般5.26%～14.29%；第一層溶洞距基巖面厚度一般1.8～2.5 m。溶蝕裂隙分布普遍，常與溶洞相通。局部地區(qū)發(fā)育土洞，高0.70～2.30 m。

第四系覆蓋層厚度一般16.0～23.0 m，最深處28.4 m，土層結構以多層結構為主，巖性為湖沼相睦崗組淤泥質(zhì)土(夾腐木)、粘性土、含粘土砂、砂土。底部為一層連續(xù)性較好的砂質(zhì)粘性土(灰?guī)r殘積土)，通過實驗室測取其臨界水力梯度(icr)0.79～1.11，平均值0.95。

地下水類型有松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖裂隙溶洞水。松散巖類孔隙水的水位埋深0.18～1.01 m，水位年變幅0.83 m(2015年)，含水層巖性為含粘土碎石，其滲透性不均，在土質(zhì)密實處滲透性差，而在土質(zhì)不密實處滲透性好；巖溶水水位埋深1.08～2.47 m，年變幅1.39 m(2015年)，位于基巖面(埋深16.0～23.0 m)之上，富水性豐富，單孔涌水量可達1 296 m3/d。據(jù)訪，研究區(qū)東側(cè)約1.6 km的地區(qū)打井時曾揭露地下暗河。

2 研究區(qū)巖溶塌陷形成演化及監(jiān)測

2.1 研究區(qū)巖溶塌陷形成演化

由于碳酸鹽巖裂隙溶洞水既具滲流又具管道流特征，為確認研究區(qū)抽水機井抽水活動是否影響100 m外的塌陷坑，因此需對開采時段內(nèi)的地下水位數(shù)據(jù)(圖1)進行分析。在抽水機井進行開采活動時，對陷坑附近的地下水進行實時觀測。通過圖1可知，孔隙水水位變化有不同程度的下降，但裂隙溶洞水在抽水時段內(nèi)水位埋深呈明顯降低趨勢：在記錄的開采時段Ⅰ內(nèi)裂隙溶洞水水位埋深從1.814 m降至1.914 m，開采時段Ⅱ內(nèi)裂隙溶洞水水位埋深從1.922 m降至2.094 m，其水位下降趨勢因為距離因素有一定的滯后性(開采時段Ⅰ為2015年10月24日14時30分-10月26日14時30分、開采時段Ⅱ為2015年11月2日6時40分-11月4日6時40分)。

圖1 機井抽水時段內(nèi)地下水水位變化曲線圖

據(jù)附近氣象站降雨記錄，機井開采地下水時段內(nèi)未有大氣降雨等補給地下水，也未發(fā)現(xiàn)有其他影響沙田張村周圍裂隙溶洞水的因素，只有機井開采裂隙溶洞水。因此，沙田張村的抽水機井在開采裂隙溶洞水時，對北側(cè)塌陷點周圍的地下水水位變化是有影響的，地下水水位變化是地面塌陷致災的誘發(fā)因素。

綜合分析沙田張村巖溶地面塌陷形成演化過程為：抽取裂隙溶洞水的過程中，由于塌陷區(qū)孔隙水與溶洞水聯(lián)系密切，孔隙水補給溶洞水，地下水水位降低使水力梯度增大，同時動水壓力相應增大。底部砂質(zhì)粘性土的臨界水力梯度較小，在集中滲流點(巖溶管道開口、裂縫)發(fā)生滲透變形，進而形成土洞。隨著抽水過程的延續(xù)，土洞長期向上發(fā)育，當土洞發(fā)展到底部土層之上時，上覆的無粘聚力的砂層和流塑～軟塑狀的淤泥質(zhì)軟土由于抗塌力較小，迅速發(fā)生坍塌而出現(xiàn)地面塌陷?？偟膩碚f，研究區(qū)巖溶塌陷屬吸壓-陷落模式，當?shù)叵滤陆禃r，上覆土體在巖溶水與孔隙水所產(chǎn)生的壓強差或真空負壓作用下發(fā)生巖溶塌陷。

2.2 巖溶塌陷監(jiān)測

巖溶塌陷的監(jiān)測方法可分為直接監(jiān)測法和間接監(jiān)測法兩類[1]。直接監(jiān)測方法就是通過直接監(jiān)測地下土體或地面的變形來判斷地面塌陷的方法，如監(jiān)測地面形變和房屋開裂等常規(guī)方法，常用的技術手段有地質(zhì)雷達、光纖傳感器等。間接監(jiān)測方法主要有巖溶管道系統(tǒng)中水(氣)壓力的動態(tài)變化監(jiān)測。研究區(qū)巖溶塌陷屬抽水致塌型，水動力是最為關鍵的觸發(fā)因子，通過對誘發(fā)巖溶塌陷的巖溶管道裂隙系統(tǒng)水(氣)壓力變化進行實時監(jiān)測[2]，并分析是否觸發(fā)臨界條件可為監(jiān)測預警提供參考。

對研究區(qū)巖溶管道裂隙水(氣)壓力變化進行自動化監(jiān)測，監(jiān)測設備采用美國基康儀器的GK8002-1單通道數(shù)據(jù)采集儀及北京基康儀器的BGK4500S振弦式滲壓計。設置監(jiān)測孔2個，分別監(jiān)測巖溶地下水和底部土層之上的砂層孔隙水，監(jiān)測起止時間為2014.12.28-2015.12.08。監(jiān)測儀器安裝完畢后，調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)獲取間隔為1 200 s，即間隔20分鐘/次，每天獲取數(shù)據(jù)72組。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

從研究區(qū)孔隙水和溶洞水監(jiān)測曲線上看(圖2)，第四系孔隙水與裂隙溶洞水響應度極高，兩者水力聯(lián)系密切?？紫端宦裆?.18～1.01 m，水位年變幅0.83 m；裂隙溶洞水的水位埋深1.08～2.47 m，水位年變幅1.39 m，位于基巖面(埋深16.0～23.0 m)之上。

圖2 研究區(qū)地下水水位變化曲線

根據(jù)相鄰20 min水位變幅數(shù)據(jù)來看，不管是孔隙水還是裂隙溶洞水，地下水水位20 min內(nèi)波動幅度大部分小于2 cm，波動幅度都較?。嚎紫端淮笥? cm的波動次數(shù)為22次，最大水位變幅為4.57 cm(2015年10月4日)即0.003 8 cm/s，溶洞水水位大于2 cm的波動次數(shù)23次，最大水位變幅為7.19 cm(2015年1月20日)即0.006 cm/s。

研究區(qū)一個水文年內(nèi)不同時期的地下水水位變幅(表1)具有以下特點：豐水期和枯水期的地下水水位變幅較其他時期都大，平水期水位變幅相對較小，這與大多數(shù)地面塌陷發(fā)生時間一般在豐水期或枯水期相一致；孔隙水水位波動速率最大值0.51 m/d，溶洞水水位波動速率最大值0.41 m/d?？偟膩碚f，在監(jiān)測期內(nèi)，無論是日水位變幅還是相鄰20 min水位變幅值，巖溶水、孔隙水變化速率都較小，未出現(xiàn)較大的突變。

表1 研究區(qū)地下水水位變化特征

同時，根據(jù)巖溶水壓力、孔隙水壓力之差以及兩個傳感器距離計算出來的水力坡度范圍值為0.024～0.108，底部土層臨界水力梯度(icr)0.79～1.11，安全值取最小值為0.79，因此實際水力坡度值遠小于臨界水力梯度(0.79)。在監(jiān)測時段內(nèi)研究區(qū)無新發(fā)巖溶地面塌陷地質(zhì)災害，舊陷坑亦趨于穩(wěn)定，未見擴大跡象，這與監(jiān)測情況是匹配的。

據(jù)訪，研究區(qū)供水井的開采強度相對較小，小部分居民已使用自來水，但在節(jié)假日村中人口增大時，會增加地下水的開采量及開采時間。因此，地下水開采活動仍有可能影響陷坑穩(wěn)定，加速天然條件下的潛蝕、滲蝕、真空吸蝕、失托增荷等的作用，從而使巖溶洞穴之上的土層由穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)的趨勢加快?？偠灾?，研究區(qū)隱伏巖溶發(fā)育程度較高，巖溶地下水仍需合理開采，減少大強度、持續(xù)、反復抽降地下水，避免引發(fā)新塌陷或舊塌陷“復發(fā)”。

4 結語

(1)在監(jiān)測時段內(nèi)，研究區(qū)地下水水位變幅及波動速率未有明顯異常值，底部土層水力梯度遠小于臨界水力梯度，巖溶塌陷水動力條件屬于正常值范圍，該時段內(nèi)亦無新發(fā)巖溶塌陷災害。

(2)通過長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累，可為日后監(jiān)測預警的閾值提供依據(jù)。