某岩溶地面塌陷的成因及防治措施研究

    摘要：本文从某村庄发生地面沉降这一事件谈起，探析其岩溶地面塌陷的原因，并在深入分析其原因的基础上提出了相关防治措施。

    关键词：塌陷；岩溶地面；地下水；防治

    1、前言

    2013年7月13号上午，某村庄发生地面沉降，对房屋墙体产生不同程度的破坏，居民家中房屋地面产生不同程度的裂缝，地面产生不同程度的下陷。

    在地面沉降点附近，2010年5月，发生两处地面塌陷，塌陷坑长5m，宽5m，深5m。2012年4月，又发生两处地面塌陷，一处塌陷坑长4.5m，宽3.6m，深5.1m，另一处塌陷坑长4m，宽3.6m，深4m。2012年10月，发生地面塌陷，塌陷坑长16m，宽10m，深30m。

    2、地面塌陷发生的环境

    地面沉降区属第四系覆盖型石灰岩地带，地势比较平坦、开阔。地面沉降区发生地段地点，为正在养殖的螺旋藻养殖基地及养鳗厂附近。

    沉降区及周边出露地层为：

    一、第四系联圩组（Qhl）

    岩性为粉质粘土、砂砾石层。厚度变化较大，粉质粘土厚度2.4～3.0m，砂砾石层厚度在6.0～30.0m之间。

    二、石炭系上统壶天群（C2h）

    属石炭系上统壶天群，岩性为灰岩、细晶灰岩，底部白云岩、白云质灰岩。灰岩溶洞与溶蚀裂隙发育，利于地下水渗入，储存与运移。上覆第四系。

    3、塌陷区地下水开采现状

    地下水开采主要由居民生活饮用水、养鳗场、螺旋藻养殖基地组成。

    （1）居民生活饮用水：塌陷区附近居民约有5770人，按每人用水量0.15m3/d3，则居民生活饮用水用水量为866m3/d。

    （2）养鳗场用水：采用四口机井开采岩溶地下水，从8月至今，开采量为1336 m3/d，之前开采量为现在的三倍，计4008m3/d。

    （3）螺旋藻养殖基地：有五口机井开采岩溶地下水，地下水开采量平时为943m3/d，每月最大开采量1716m3/d。

    地下水开采总量为866+4008+943=6760m3/d。超出地下水允许开采量（3470m3/d）的0.95倍。

    4、地面塌陷的发生成因

    导致塌陷区发生地面塌陷的因素比较复杂，它不仅与地质构造、地层岩性、水文地质条件有关，也与地形、地貌及地下水活动有关，还与开采地下水以及其它人类活动都有着直接或间接的关系。引发地面塌陷的原因既有地质环境因素，也有人为因素。主要因素有：

    1）可溶岩地层是产生地面塌陷的基础条件

    塌陷区为覆盖型灰岩区，上覆11.26～26.20米厚的第四系地层，下伏石炭系上统壶天群厚层状灰岩、白云质灰岩，灰岩主要化学成分为碳酸钙，具可溶性，在具流动性的地下水介质作用下易被溶蚀成溶洞，而溶洞，特别是第四系下伏的浅部溶洞又是产生塌陷的主导因素。溶洞形成后，在地下水的作用下，把溶洞上部土层颗粒逐渐带走，形成土洞，使土层工程性质局部变差，在一定条件下，产生塌陷。

    塌陷区岩溶发育，在施工的7个钻孔中，有6个钻孔见有溶洞，钻孔遇洞率为85.7%，钻孔遇见溶洞洞高0.67～9.65米，线岩溶率23.6%。岩溶发育地段，塌陷也发育。

    2）地下水水位的剧烈变动是产生地面塌陷的主要条件

    岩溶地面塌陷的形成与地下水的作用密切相关，主要机理包括：

    ① 渗透变形效应

    由于岩溶水位的下降，第四系土层孔隙水向下渗透补给岩溶水的作用增强，在集中渗流点（岩溶管道开口、裂缝）附近，作用于上覆土层的水力坡度超过了土体发生渗透破坏的临界水力坡度，土体发生渗透变形破坏。

    ②真空负压效应

    由于岩溶水水位下降过快、幅度过大，第四系孔隙水（气）来不及补给岩溶含水层，在基岩面附近的岩溶管道裂隙系统中，就会瞬时产生负压，最大负压值可以达到相当于岩溶水位下降幅度的水柱高度，为了达到新的压力平衡，将会加速土层中的孔隙水（气）向下补给岩溶含水层，提高在集中渗流点（岩溶管道开口、裂缝）附近作用于上覆土层的水力坡度，当水力坡度超过了土体发生渗透破坏的临界水力坡度，土体发生渗透变形破坏。因此，从这一角度看，真空负压效应诱发塌陷的本质还是土体的渗透变形，其主要发生在人类活动导致的水位大幅度快速下降条件下，本勘查区的大量抽取地下水导致水位快速下降，就会引起这种真空负压效应，而产生塌陷。

    ③浮托力丧失

    土洞的形成导致了地下水位的降低，土体由于浮托力减小而出现下榻和破坏，同时充填在岩溶裂缝中的流塑状粘土随着地下水位的下降而发生流动，使得上覆土层出现变形，从而引起塌陷的发生。

    ④土体崩解

    基岩面溶槽和天窗顶上的粘土在岩溶水的反复波动下不断经历脱水、饱水，导致土体崩解后形成土洞，随着土洞的不断扩大，就很容易最终形成塌陷。

    3）地下水位的持续下降是产生地面沉降的主要因素

    地下水位下降后得不到恢复，使部分原在水位以下的饱和土层出现在水位以上，土中的含水量逐渐变小，并丧失水的浮托力，土体有效应力增大，产生压缩固结作用，土层孔隙度变小，引起地面下沉。由于土层具不均匀性，还会产生不均匀沉降，导致房屋墙体开裂。

    据现场调查和访问，塌陷区由于长期过量开采地下水，当地地下水位多年来逐渐下降，下降幅度为0.6～1.1米，部分民井枯水期已干涸。因此，过量开采地下水是产生地面沉降的主要原因。

    5、地面塌陷的防治措施

    根据资料分析，塌陷区产生地面塌陷的主要诱因为地下水开采量过大，地下水位长期得不到恢复，处于逐渐下降的趋势，为此，提出如下措施。

    1）严格控制地下水开采量

    地下水开采量达6760m3/d，其中居民生活饮用水866m3/d，螺旋藻养殖基地943m3/d，最大开采量1716m3/d，养鳗场4008m3/d。而地下水允许开采量为3470m3/d，实际开采量是允许开采量的1.95倍，区域地下水位已下降了0.60～1.10米。为控制地下水位下降，并逐渐恢复至正常水位，建议严格控制地下水开采量。为科学、合理开采地下水， 控制主要地面沉降点的地下水位降深，根据多井抽水过程，按干扰井群抽水计算，预测各主要地面沉降点的地下水位降深。

    2）在地面塌陷隐患区，对各地面沉降点进行定期监测，当发现沉降加剧时，应加密监测，并划出危险区，设立警示牌，及时疏散沉降危险区居民。

    3）在地面塌陷重点防治区，除对各地面沉降点进行定期监测外，对沉降明显，影响居住安全的地段，建议进行地基加固处理，加固方法可采用注浆法，即按一定间距钻孔往地基土内注入水泥浆，加固深度以8米为宜。

    参考文献：

    [1] 郑彦华；李昌存；；唐山市典型岩溶塌陷概述[A]；中国地质学会工程地质专业委员会、贵州省岩石力学与工程学会2005年学术年会暨“岩溶·工程·环境”学术论坛论文集[C]；2005年

    [2]肖明贵；桂林市岩溶塌陷形成机制与危险性预测[D]；吉林大学；2005年

    作者简介：易教材，男，1965年7月生，籍贯江西吉水，汉族，华东地质学院（东华理工大学）地质勘查专业毕业，本科学历，现供职于赣州市矿产资源管理局，工程师职称。