清城區(qū)巖溶地面塌陷發(fā)育現(xiàn)狀及形成機(jī)理研究

李 明，周振釗，吳麗霞

(廣東省水文地質(zhì)大隊(duì)，廣東 廣州 510080)

1 研究區(qū)概況

清城區(qū)位于廣東省中部，北江中下游，清遠(yuǎn)市最南端，是清遠(yuǎn)市政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心。地處華南褶皺系粵中坳陷之花縣凹陷褶斷束北部，東西向佛岡-豐良構(gòu)造帶與北東向吳川-四會(huì)構(gòu)造帶北段交匯部位，斷裂構(gòu)造強(qiáng)烈，地質(zhì)環(huán)境條件較為復(fù)雜。區(qū)內(nèi)可溶巖主要有泥盆系天子嶺組(D3t)灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、長(zhǎng)垑組(C1cl)生物碎屑灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r以及白堊系百足山組(K1b)、三水組(K2ss)灰質(zhì)礫巖、鈣質(zhì)泥巖和泥灰?guī)r等，主要分布于中部-西部北江沖積平原區(qū)內(nèi)。區(qū)內(nèi)巖溶分布面積約221.76 km2，占清城區(qū)全域面積17.11%，基本上為隱伏狀態(tài)，大部分為碳酸鹽巖巖溶，紅層巖溶分布面積小，僅個(gè)別鉆孔揭露。

2 巖溶地面塌陷總體現(xiàn)狀

通過(guò)收集以往巖溶地面塌陷資料，得知清城區(qū)內(nèi)近年來(lái)發(fā)生巖溶地面塌陷災(zāi)害有3處，2006年以前的有2處，各巖溶塌陷點(diǎn)基本情況詳見(jiàn)表1。

表1 清城區(qū)巖溶塌陷基本情況一覽表

圖1 元仔角村地面塌陷點(diǎn)區(qū)域地質(zhì)圖

3 巖溶地面塌陷實(shí)例分析

3.1 元仔角村地面塌陷

元仔角村地面塌陷(T1)于2018年4月12日凌晨發(fā)生于清城區(qū)東城街道黃金村委會(huì)元仔角村56號(hào)民房東南側(cè)玉米地，地理坐標(biāo)北緯23°44′44.41″，東經(jīng)113°8′58.72″。12日凌晨4～5點(diǎn)左右至13日17時(shí)，發(fā)育塌陷坑面積約28 m2。塌陷未造成人員傷亡，但造成直接經(jīng)濟(jì)損失約1 000元，威脅1層磚瓦民房1棟，威脅人口1戶4人。

該塌陷點(diǎn)及附近出露的地層主要有第四紀(jì)全新世、更新世，白堊紀(jì)三水組，泥盆紀(jì)帽子峰組、老虎頭組、楊溪組。區(qū)域出露巖漿巖為晚侏羅世中粒斑狀黑云母二長(zhǎng)花崗巖。該區(qū)在區(qū)域上地質(zhì)構(gòu)造較為發(fā)育，位于峽山頂背斜北西翼，并有近東西走向蟠龍村斷裂通過(guò)。區(qū)內(nèi)地下水類型主要為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、覆蓋型巖溶水。塌陷點(diǎn)位于山前沖積平原區(qū)，為隱伏巖溶區(qū)，地形平坦，由砂礫層、粘土、亞粘土等構(gòu)成，地下水位2.06 m，一般耐壓力>20 kg/cm2。塌陷點(diǎn)附近無(wú)明顯人類工程活動(dòng)，近期附近亦無(wú)大量抽取地下水現(xiàn)象(見(jiàn)圖1)。

該地面塌陷發(fā)生時(shí)，地面巖土體突然陷落跌至地下水面，發(fā)出巖土體拍擊地下水的聲音，以圓形塌陷坑為中心形成拉裂縫，處于陸續(xù)掉塊的不穩(wěn)定狀態(tài)。塌陷坑水體較渾濁，偶有冒水泡現(xiàn)象。在4月12日下午16點(diǎn)左右，塌陷坑地面呈圓形，直徑約4.2 m；至4月13日下午17點(diǎn)左右，塌陷坑直徑擴(kuò)大到6 m，平面仍呈圓形，垂直近圓柱狀，南側(cè)坑壁土體近垂直，北側(cè)坑壁土體仍處于懸空狀態(tài)。

塌陷坑上部約0.4 m為灰黑色耕植土，下方約1.7 m為棕褐色卵礫石層夾礫質(zhì)粘性土至水面。地表至塌陷坑水面2.20～2.50 m，地形東南向西北傾斜，地面至坑底可測(cè)深度約6.8 m，塌陷坑體積約192 m3。距西北側(cè)塌陷坑邊緣約7.55 m為磚瓦民房1棟，南側(cè)3.8 m為低矮紅磚牲畜棚(見(jiàn)圖2和圖3)。

圖2 塌陷坑全景照(鏡向183°) 圖3 塌陷坑現(xiàn)狀(鏡向3°)

截至4月13日下午17點(diǎn)左右，塌陷坑平面呈圓形，直徑達(dá)6 m，垂直近圓柱狀，可測(cè)深約6.8 m，南側(cè)坑壁土體近垂直，北側(cè)坑壁土體仍處于懸空狀態(tài)。塌陷坑水體較混濁，并有少量水泡冒出，斷續(xù)有小塊土體崩落坑中，沿塌陷坑周圍未見(jiàn)明顯裂縫。塌陷點(diǎn)除損毀28 m2農(nóng)田外，并未造成人員傷亡。根據(jù)塌陷點(diǎn)區(qū)域地質(zhì)情況和上述特征，參照“廣東省地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)特征認(rèn)定和地質(zhì)災(zāi)害分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(試行)”，該地質(zhì)災(zāi)害為地面塌陷，其規(guī)模屬于小型，該處地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的穩(wěn)定性差。

3.2 屋子村地面塌陷

該塌陷點(diǎn)位于清城區(qū)龍?zhí)伶?zhèn)金沙村委會(huì)屋仔村西側(cè)鄉(xiāng)村公路西側(cè)(T2)，中心點(diǎn)地理坐標(biāo)為：北緯 23°36′14.38″，東經(jīng)113°2′17.49″，東直線距離龍?zhí)伶?zhèn)區(qū)約4 km。2018年11月21日上午7點(diǎn)左右至11月22日17時(shí)，塌陷坑面積約擴(kuò)大至22 m2，造成部分路段公路及村民自建房屋場(chǎng)地?fù)p毀，直接經(jīng)濟(jì)損失約3萬(wàn)元，無(wú)人員傷亡，對(duì)過(guò)往行人及北側(cè)一間民房的安全有一定威脅性。

該塌陷點(diǎn)區(qū)域內(nèi)出露的地層主要有第四紀(jì)全新世、更新世，白堊紀(jì)三水組、百足山組，三疊紀(jì)小坪組，泥盆紀(jì)帽子峰組。區(qū)域附近無(wú)巖漿巖出露。該區(qū)在區(qū)域上地質(zhì)構(gòu)造上位于復(fù)式向斜核部，兩翼地層為帽子峰組砂巖，核部為天子嶺組灰?guī)r，上部多被第四系松散層及百足山組礫巖、砂礫巖覆蓋。區(qū)內(nèi)地下水類型為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、覆蓋型巖溶水(見(jiàn)圖4)。

圖4 屋子村地面塌陷點(diǎn)區(qū)域地質(zhì)圖

該塌陷點(diǎn)位于河流沖積平原第一階地上，為隱伏巖溶區(qū)，地形平坦，由砂礫層、粘土、亞粘土等構(gòu)成，一般耐壓力>20 kg/cm2。塌陷點(diǎn)附近人類工程活動(dòng)主要為建房所進(jìn)行填方作業(yè)，點(diǎn)東南約30 m處公路兩側(cè)正進(jìn)行房屋建設(shè)，近期附近無(wú)大量抽取地下水現(xiàn)象。

該地面塌陷發(fā)生時(shí)，地面巖土體突然陷落跌至地下水面，以塌陷坑為中心形成拉裂縫，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。該地面塌陷坑存在積水及少量堆土，水體較渾濁。塌陷坑平面呈近圓形，直徑約5.3 m，22日下午17點(diǎn)擴(kuò)大至5.5 m，現(xiàn)已基本穩(wěn)定，塌陷坑垂直近圓柱狀，東、南、西側(cè)坑壁土體近垂直，北側(cè)坑壁上部公路部分路段仍處于懸空狀態(tài)。塌陷坑上部0.4～0.8 m為棕紅色人工填土，為最近修建民房所填，其下約0.3 m為灰色耕植土，下部至水面為厚1.7～2.0 m的棕黃色砂質(zhì)粘土。地表至塌陷坑水面2.30～2.50m，地形東南向西北傾斜，水深約0.4 m，地面至坑底可測(cè)深度約2.8 m，塌陷坑體積約55 m3。東南側(cè)距塌陷坑邊緣約35 m公路兩側(cè)為2棟在建民房，北側(cè)6 m處公路旁為一間一層磚瓦式民房(圖5)。

截至11月22日下午17點(diǎn)左右，塌陷坑平面呈近圓形，直徑達(dá)5.5 m，垂直近圓柱狀，可測(cè)深約2.8 m，坑壁土體近垂直，東側(cè)部分公路仍處于懸空狀態(tài)。塌陷坑水體較混濁，有少量掉塊現(xiàn)象，陷坑周圍新發(fā)生裂縫不明顯，未發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步擴(kuò)大跡象。該塌陷點(diǎn)造成約5 m長(zhǎng)鄉(xiāng)村公路路基損毀，并未造成人員傷亡。根據(jù)塌陷點(diǎn)區(qū)域地質(zhì)情況和上述特征，參照“廣東省地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)特征認(rèn)定和地質(zhì)災(zāi)害分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(試行)”，該地質(zhì)災(zāi)害為地面塌陷，其規(guī)模屬于小型。地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的穩(wěn)定性較差。

圖5 塌陷坑全景照(鏡向306°)

4 地面塌陷點(diǎn)成因分析

地面塌陷形成原因復(fù)雜，是由氣象水文、地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地表水活動(dòng)、地下水活動(dòng)等自然和抽排地下水等人為因素多種綜合作用的結(jié)果。本次災(zāi)害誘發(fā)主要是內(nèi)、外動(dòng)力地質(zhì)等因素導(dǎo)致土洞上部土體失穩(wěn)，在重力作用下發(fā)生地面塌陷而致災(zāi)，主要成因如下：

(1)氣象水文：清城區(qū)處于屬典型的南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，濕熱多雨，降水充沛。塌陷點(diǎn)附近見(jiàn)較多池塘，由于地表水和池塘水的下滲導(dǎo)致巖土工程性質(zhì)變差，潛在土體變形的可能性大，易引發(fā)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害。

(2)地層巖性：塌陷點(diǎn)處覆蓋型巖溶區(qū)，覆蓋層為第四系河流沖積層，巖性為卵石層夾砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)砂、礫層、含礫質(zhì)粘土層等，上部粘性土粘結(jié)性較好，但厚度較薄，形成相對(duì)較穩(wěn)定土層。覆蓋型灰?guī)r巖溶發(fā)育，見(jiàn)洞率高，地下巖溶空洞通道連貫性強(qiáng)，當(dāng)上覆蓋層被潛蝕掏空時(shí)，易發(fā)生巖溶地面塌陷。

(3)地表水活動(dòng)：地表水在流動(dòng)過(guò)程中下滲進(jìn)入土體中，當(dāng)?shù)乇硭l(fā)生垂直滲流時(shí)最容易產(chǎn)生潛蝕情況，土體中的細(xì)顆粒在孔隙通道內(nèi)，容易產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)而被水流攜出，土體強(qiáng)度降低，加劇入滲水流的潛蝕作用，最終導(dǎo)致蓋層失穩(wěn)發(fā)生地面塌陷。

(4)地下水活動(dòng)：地下水活動(dòng)是巖溶地面塌陷發(fā)生最重要的動(dòng)力因素。豐水期水位急劇上升，地下水侵蝕能力增強(qiáng)，而枯水期，地下水位下降，易在空洞上方形成負(fù)壓。由于地下水的搬運(yùn)作用，以及對(duì)土體中可溶巖的溶蝕溶解作用，使上覆土體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，改變了土體原來(lái)的平衡狀態(tài)。地下水位頻繁變化，致使巖溶洞穴中的正負(fù)壓力隨之發(fā)生改變，造成對(duì)土地的擠壓及吸蝕作用，土體平衡逐漸被打破。同時(shí)在地下水的浸泡作用下，力學(xué)強(qiáng)度大為降低，從而使其在地下水位下降時(shí)極易向下部巖溶空間運(yùn)移，形成土洞，進(jìn)而導(dǎo)致塌陷發(fā)生。

塌陷發(fā)生時(shí)，天氣干旱，降雨量少，春耕灌溉用水量大，導(dǎo)致地下水位下降明顯，可能為誘發(fā)地面塌陷因素之一。

綜合分析誘發(fā)因素對(duì)地質(zhì)災(zāi)害主要致災(zāi)作用的形成、發(fā)育所起的作用，從而確定本次地質(zhì)災(zāi)害主導(dǎo)因素是清城區(qū)特有的地層巖性，從屬因素是氣象水文、地形地貌、地表水條件。T1、T2塌陷點(diǎn)激發(fā)因素均為地下水活動(dòng)，由于地下水長(zhǎng)期滲流作用，第四系孔隙水補(bǔ)給巖溶水，掏空上覆在巖溶管道裂隙上的土層，形成土洞并不斷向上擴(kuò)大，從而造成地面塌陷。

5 防治措施及建議

清城區(qū)巖溶地面塌陷不發(fā)育，近幾年也只發(fā)生過(guò)幾處小型塌陷災(zāi)害，但區(qū)內(nèi)隱伏巖溶發(fā)育，巖溶發(fā)育帶位于北江兩岸沖積平原地段，加之清城區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)日益加強(qiáng)，人類工程活動(dòng)愈變強(qiáng)烈，建議相關(guān)部門(mén)應(yīng)盡快建立系統(tǒng)完善的地面塌陷監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，具體防控措施如下：

(1)建立、健全巖溶地面塌陷監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，建立區(qū)域地面塌陷監(jiān)測(cè)網(wǎng)，開(kāi)展系統(tǒng)性、連續(xù)性地面塌陷監(jiān)測(cè)工作。在工程建設(shè)過(guò)程中，尤其在巖溶分布區(qū)，應(yīng)對(duì)周邊進(jìn)行嚴(yán)格地面塌陷監(jiān)測(cè)。

(2)完善地下水資源管理措施。制定合理的地下水開(kāi)發(fā)計(jì)劃和制度，實(shí)行地下水取用水總量和水位控制。在巖溶發(fā)育區(qū)上，嚴(yán)格控制農(nóng)業(yè)、工業(yè)建設(shè)項(xiàng)目和服務(wù)業(yè)取用地下水量，對(duì)于出現(xiàn)區(qū)域性降落漏斗的超采區(qū)，應(yīng)逐步削減開(kāi)采量，實(shí)現(xiàn)地下水補(bǔ)采平衡。并應(yīng)加強(qiáng)地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)。

(3)加強(qiáng)項(xiàng)目施工管理。做好巖溶塌陷地質(zhì)調(diào)查和探測(cè)評(píng)價(jià)工作，建筑場(chǎng)地應(yīng)盡可能避開(kāi)隱伏塌陷發(fā)育區(qū)及地下水開(kāi)采區(qū)等不利地段，遠(yuǎn)離塌陷區(qū)。嚴(yán)格基坑設(shè)計(jì)審批管理，加強(qiáng)深基坑排水工程管理和監(jiān)測(cè)。

(4)加強(qiáng)與地面塌陷相關(guān)法律法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。建立、健全地下水資源管理行政法令措施，成立管理機(jī)構(gòu)，制定管理法規(guī)，對(duì)于私自超采者應(yīng)問(wèn)責(zé)問(wèn)罪，加大管控力度。結(jié)合現(xiàn)有地面塌陷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，制定符合本地區(qū)巖溶地面塌陷特點(diǎn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。