某巖溶地面塌陷的成因及防治措施研究

摘要：本文從某村莊發(fā)生地面沉降這一事件談起，探析其巖溶地面塌陷的原因，并在深入分析其原因的基礎(chǔ)上提出了相關(guān)防治措施。

關(guān)鍵詞：塌陷；巖溶地面；地下水；防治

1、前言

2013年7月13號上午，某村莊發(fā)生地面沉降，對房屋墻體產(chǎn)生不同程度的破壞，居民家中房屋地面產(chǎn)生不同程度的裂縫，地面產(chǎn)生不同程度的下陷。

在地面沉降點(diǎn)附近，2010年5月，發(fā)生兩處地面塌陷，塌陷坑長5m，寬5m，深5m。2012年4月，又發(fā)生兩處地面塌陷，一處塌陷坑長4.5m，寬3.6m，深5.1m，另一處塌陷坑長4m，寬3.6m，深4m。2012年10月，發(fā)生地面塌陷，塌陷坑長16m，寬10m，深30m。

2、地面塌陷發(fā)生的環(huán)境

地面沉降區(qū)屬第四系覆蓋型石灰?guī)r地帶，地勢比較平坦、開闊。地面沉降區(qū)發(fā)生地段地點(diǎn)，為正在養(yǎng)殖的螺旋藻養(yǎng)殖基地及養(yǎng)鰻廠附近。

沉降區(qū)及周邊出露地層為：

一、第四系聯(lián)圩組（Qhl）

巖性為粉質(zhì)粘土、砂礫石層。厚度變化較大，粉質(zhì)粘土厚度2.4～3.0m，砂礫石層厚度在6.0～30.0m之間。

二、石炭系上統(tǒng)壺天群（C2h）

屬石炭系上統(tǒng)壺天群，巖性為灰?guī)r、細(xì)晶灰?guī)r，底部白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r。灰?guī)r溶洞與溶蝕裂隙發(fā)育，利于地下水滲入，儲(chǔ)存與運(yùn)移。上覆第四系。

3、塌陷區(qū)地下水開采現(xiàn)狀

地下水開采主要由居民生活飲用水、養(yǎng)鰻場、螺旋藻養(yǎng)殖基地組成。

（1）居民生活飲用水：塌陷區(qū)附近居民約有5770人，按每人用水量0.15m3/d3，則居民生活飲用水用水量為866m3/d。

（2）養(yǎng)鰻場用水：采用四口機(jī)井開采巖溶地下水，從8月至今，開采量為1336 m3/d，之前開采量為現(xiàn)在的三倍，計(jì)4008m3/d。

（3）螺旋藻養(yǎng)殖基地：有五口機(jī)井開采巖溶地下水，地下水開采量平時(shí)為943m3/d，每月最大開采量1716m3/d。

地下水開采總量為866+4008+943=6760m3/d。超出地下水允許開采量（3470m3/d）的0.95倍。

4、地面塌陷的發(fā)生成因

導(dǎo)致塌陷區(qū)發(fā)生地面塌陷的因素比較復(fù)雜，它不僅與地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、水文地質(zhì)條件有關(guān)，也與地形、地貌及地下水活動(dòng)有關(guān)，還與開采地下水以及其它人類活動(dòng)都有著直接或間接的關(guān)系。引發(fā)地面塌陷的原因既有地質(zhì)環(huán)境因素，也有人為因素。主要因素有：

1）可溶巖地層是產(chǎn)生地面塌陷的基礎(chǔ)條件

塌陷區(qū)為覆蓋型灰?guī)r區(qū)，上覆11.26～26.20米厚的第四系地層，下伏石炭系上統(tǒng)壺天群厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，灰?guī)r主要化學(xué)成分為碳酸鈣，具可溶性，在具流動(dòng)性的地下水介質(zhì)作用下易被溶蝕成溶洞，而溶洞，特別是第四系下伏的淺部溶洞又是產(chǎn)生塌陷的主導(dǎo)因素。溶洞形成后，在地下水的作用下，把溶洞上部土層顆粒逐漸帶走，形成土洞，使土層工程性質(zhì)局部變差，在一定條件下，產(chǎn)生塌陷。

塌陷區(qū)巖溶發(fā)育，在施工的7個(gè)鉆孔中，有6個(gè)鉆孔見有溶洞，鉆孔遇洞率為85.7%，鉆孔遇見溶洞洞高0.67～9.65米，線巖溶率23.6%。巖溶發(fā)育地段，塌陷也發(fā)育。

2）地下水水位的劇烈變動(dòng)是產(chǎn)生地面塌陷的主要條件

巖溶地面塌陷的形成與地下水的作用密切相關(guān)，主要機(jī)理包括：

① 滲透變形效應(yīng)

由于巖溶水位的下降，第四系土層孔隙水向下滲透補(bǔ)給巖溶水的作用增強(qiáng)，在集中滲流點(diǎn)（巖溶管道開口、裂縫）附近，作用于上覆土層的水力坡度超過了土體發(fā)生滲透破壞的臨界水力坡度，土體發(fā)生滲透變形破壞。

②真空負(fù)壓效應(yīng)

由于巖溶水水位下降過快、幅度過大，第四系孔隙水（氣）來不及補(bǔ)給巖溶含水層，在基巖面附近的巖溶管道裂隙系統(tǒng)中，就會(huì)瞬時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓，最大負(fù)壓值可以達(dá)到相當(dāng)于巖溶水位下降幅度的水柱高度，為了達(dá)到新的壓力平衡，將會(huì)加速土層中的孔隙水（氣）向下補(bǔ)給巖溶含水層，提高在集中滲流點(diǎn)（巖溶管道開口、裂縫）附近作用于上覆土層的水力坡度，當(dāng)水力坡度超過了土體發(fā)生滲透破壞的臨界水力坡度，土體發(fā)生滲透變形破壞。因此，從這一角度看，真空負(fù)壓效應(yīng)誘發(fā)塌陷的本質(zhì)還是土體的滲透變形，其主要發(fā)生在人類活動(dòng)導(dǎo)致的水位大幅度快速下降條件下，本勘查區(qū)的大量抽取地下水導(dǎo)致水位快速下降，就會(huì)引起這種真空負(fù)壓效應(yīng)，而產(chǎn)生塌陷。

③浮托力喪失

土洞的形成導(dǎo)致了地下水位的降低，土體由于浮托力減小而出現(xiàn)下榻和破壞，同時(shí)充填在巖溶裂縫中的流塑狀粘土隨著地下水位的下降而發(fā)生流動(dòng)，使得上覆土層出現(xiàn)變形，從而引起塌陷的發(fā)生。

④土體崩解

基巖面溶槽和天窗頂上的粘土在巖溶水的反復(fù)波動(dòng)下不斷經(jīng)歷脫水、飽水，導(dǎo)致土體崩解后形成土洞，隨著土洞的不斷擴(kuò)大，就很容易最終形成塌陷。

3）地下水位的持續(xù)下降是產(chǎn)生地面沉降的主要因素

地下水位下降后得不到恢復(fù)，使部分原在水位以下的飽和土層出現(xiàn)在水位以上，土中的含水量逐漸變小，并喪失水的浮托力，土體有效應(yīng)力增大，產(chǎn)生壓縮固結(jié)作用，土層孔隙度變小，引起地面下沉。由于土層具不均勻性，還會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致房屋墻體開裂。

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和訪問，塌陷區(qū)由于長期過量開采地下水，當(dāng)?shù)氐叵滤欢嗄陙碇饾u下降，下降幅度為0.6～1.1米，部分民井枯水期已干涸。因此，過量開采地下水是產(chǎn)生地面沉降的主要原因。

5、地面塌陷的防治措施

根據(jù)資料分析，塌陷區(qū)產(chǎn)生地面塌陷的主要誘因?yàn)榈叵滤_采量過大，地下水位長期得不到恢復(fù)，處于逐漸下降的趨勢，為此，提出如下措施。

1）嚴(yán)格控制地下水開采量

地下水開采量達(dá)6760m3/d，其中居民生活飲用水866m3/d，螺旋藻養(yǎng)殖基地943m3/d，最大開采量1716m3/d，養(yǎng)鰻場4008m3/d。而地下水允許開采量為3470m3/d，實(shí)際開采量是允許開采量的1.95倍，區(qū)域地下水位已下降了0.60～1.10米。為控制地下水位下降，并逐漸恢復(fù)至正常水位，建議嚴(yán)格控制地下水開采量。為科學(xué)、合理開采地下水， 控制主要地面沉降點(diǎn)的地下水位降深，根據(jù)多井抽水過程，按干擾井群抽水計(jì)算，預(yù)測各主要地面沉降點(diǎn)的地下水位降深。

2）在地面塌陷隱患區(qū)，對各地面沉降點(diǎn)進(jìn)行定期監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)沉降加劇時(shí)，應(yīng)加密監(jiān)測，并劃出危險(xiǎn)區(qū)，設(shè)立警示牌，及時(shí)疏散沉降危險(xiǎn)區(qū)居民。

3）在地面塌陷重點(diǎn)防治區(qū)，除對各地面沉降點(diǎn)進(jìn)行定期監(jiān)測外，對沉降明顯，影響居住安全的地段，建議進(jìn)行地基加固處理，加固方法可采用注漿法，即按一定間距鉆孔往地基土內(nèi)注入水泥漿，加固深度以8米為宜。

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[2]肖明貴；桂林市巖溶塌陷形成機(jī)制與危險(xiǎn)性預(yù)測[D]；吉林大學(xué)；2005年

作者簡介：易教材，男，1965年7月生，籍貫江西吉水，漢族，華東地質(zhì)學(xué)院（東華理工大學(xué)）地質(zhì)勘查專業(yè)畢業(yè)，本科學(xué)歷，現(xiàn)供職于贛州市礦產(chǎn)資源管理局，工程師職稱。endprint