銅陵地區巖溶地面塌陷發育的動力條件淺析

雷柱平

（安徽省地質環境監測總站，安徽合肥230001）

1 概況

銅陵地區位于安徽省中南部，長江中下游南岸，是皖江經濟帶重要區域。行政區劃上包括池州市、銅陵市等。早于20世紀50年代在巖溶充水礦山就有巖溶地面塌陷出現，20世紀50～70年代區內尚且零星出現，規模小，成災輕，未被人們所重視。進入20世紀80年代，地方經濟飛速發展，礦產資源及巖溶水資源被大量開采，巖溶地面塌陷日益頻繁，尤其是一些礦山疏干排水引發了大規模的巖溶地面塌陷，損失巨大。至2001年，不完全統計，區內有18處因采疏地下水誘發巖溶地面塌陷，2處自然產生巖溶地面塌陷，共產生巖溶地面塌陷坑355個，影響面積達376hm2。

2 地下水動力條件

2.1 抽取地下水水動力條件

本區平原區內的人口較為稠密，銅陵市、繁昌縣以及規模較大村鎮都抽取地表水作為自來水供水水源，供居民飲用和生活用水。巖溶丘陵區內巖溶泉分布點，大部分村落均以巖溶泉作為生活用水。其他丘陵山區，人口較為稀疏，多以引用高處地表水作為人畜生活用水；打井取水，點稀量少，對區內地下水干擾甚微。

礦山生產過程中抽排地下水是嚴重影響區內地下水動力條件唯一的因素。

以銅陵市銅山區朝山村為例，塌陷區周邊有3座開采礦山，直線距離約為0.9～1.2km。3家礦山生產大量抽排地下水，造成地下水位大幅波動。銅陵SJ01孔水位埋深最大24.891m，最小水位埋深6.799m，水位年變幅18.092m（圖1）。

圖1 TLSJ01水位埋深變化曲線

銅官區西湖鎮朝山村地下水水位瞬間變幅較大，水位10min內波動幅度大部分大于5cm，地下水水位波動十分強烈。銅陵SJ01孔地下水10min變幅曲線見圖2。

2.2 自然條件下水位變化

本區雨季雨量充沛，地下水入滲強烈，引起第四系水位急速上升。根據長期監測孔數據及人工監測數據可知，山前淺丘狀平原區地下水變幅較大，地下水也變幅較大，變幅一般不小于10m/a。波狀平原向平原區過渡區地下水變幅5～10m/a；如FCZK02孔監測地下水年變幅6.46m（圖3）。土層厚度較大的平原區地下水變幅較小，水位變幅一般小于5m/a。如MZZK02孔監測地下水年變幅1.23m（圖4）。

圖2 TLSJ01孔水位m/10min變幅

圖3 FCZK02地下水水位變幅示意圖

圖4 MZZK02地下水水位變幅示意圖

3 人類工程活動條件

本區整體上經濟較為活躍，礦業開發等人類工程活動頻繁。截止到2015年底，區內共有礦山319家。主要開采礦種為建材及其它非金屬和有色金屬，能源礦山數量較少。

目前，區內礦山多為關閉礦山和停產礦山，兩者合計253家，占比分別為55.49%和23.82%。生產礦山62家，有4家礦山在建。

生產、在建礦山對本區地質環境影響較大，特別是地下開采礦山，都一定量抽排地下水，對礦山及周邊地下水系統補徑排條件產生重大改變。據不完全統計，區內礦山年排放水量達2375×104m3，包括礦坑水、生活用水、選礦水、綜合廢水。主要集中在銅陵市周邊，礦山礦坑水、生活用水、選礦水、綜合廢水年排放量為2244×104m3，占總量的94.48%。

4 巖溶地面塌陷動力監測

本次巖溶塌陷監測以地下水水位變化監測為主，采用自動化監測手段。銅陵市朝山村典型區，人類工程活動強烈，巖溶地面塌陷發育，地下水水位波動強烈，水位監測時頻為10min。

銅官區西湖鎮朝山村巖溶裂隙水水位呈上升趨勢。水位年變幅最大為TLZK03孔21.00m，最大水位埋深33.208m，最小水位埋深12.208m。地下水水位瞬間變幅較大，水位10min內波動幅度大部分大于5cm，占監測數據總數近60%，地下水水位波動十分強烈。

以TLZK03為例，在監測的59000組數據中，水位10min內下降最大值為-6.218m，大于6m的1次，4～6m的6次，2～4m的22次，1～2m的22次，0.1～1m的8398次，0.05～01m的8292次；水位10min內上升最大值為11.627m，大于6m的5次，4～6m的3次，2～4m的7次，1～2m的13次，0.1～1m的8215次，0.05～0.1m的9005次（表1）。

表1 LTZK03孔水位10min變幅統計表

LTZK03地下水10min變幅曲線見圖5。

5 巖溶地面塌陷發育的動力模式

圖5 LTZk03孔水位變幅m/10min變幅

5.1 巖溶塌陷形成機理

已發生的巖溶塌陷形成主要有潛蝕效應和真空吸蝕效應2方面的作用，真空吸蝕效應為主要致塌作用。

（1）潛蝕效應。由于巖溶水位的大幅、快速下降，第四系土層孔隙水向下滲流補給巖溶水的作用增強，在集中滲流點（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生滲透破壞的臨界水力坡度，土體發生滲透變形破壞，地下水位下降速度、幅度越大，作用于土體的水力坡度越大。土層在滲透變形作用下，經歷適當時間后，在集中滲流點附近易緩慢形成土洞，隨著土洞的不斷擴大導致地面塌陷。

第四系底部土體類型不同，滲透變形的類型也不同。對于非粘性土，滲透變形以潛蝕為主；對于粘性土，滲透變形以流土為主；對于碎石土或有結構面存在的粘性土，滲透變形以接觸沖刷為主。

潛蝕效應致塌是地下水的垂向滲透力和集中滲透點的作用。因垂向滲透力是土體獲得的實際水頭值，在集中滲透點附近，水流集中，流量大，潛蝕作用最強，有利于土洞塌陷的形成。

（2）真空吸蝕效應。由于地下水下降速度過快、幅度過大，在基巖面附近的巖溶管道裂隙系統（如開口型溶洞）及土洞等封閉的空腔中，就會產生真空負壓，上部真空層對空腔蓋層產生強大的抽吸力，發生真空吸蝕效應。理論上最大負壓可以達到相當于巖溶水位下降幅度的水柱高度。當巖溶空腔中的有壓水面下降到無壓力的瞬間，水面對蓋層地面產生吸盤似的液面吸吮作用，使蓋層內部土顆粒的結構遭到破壞，土體由固態變為流態，土體向下塌落；真空吸盤脫離蓋層底面后，在下降的水面與蓋層之間形成低壓空間，對蓋層內部產生吸蝕作用，使蓋層底部土體疏松，含水量增加，剝蝕加快，土顆粒解體，土洞進一步擴大直至坍塌。

5.2 巖溶地面塌陷發育的動力模式

致塌模式是指塌陷從孕育至產生全過程中的各種表現形式。它是由塌陷形成的各個階段主要力學效應所決定的。由于塌陷的形成是多機制的，不同地區不同地段的地面塌陷往往具有不同的致塌模式。具體到特定塌陷區（或地段），以單一成因的較少，大多是自然+人為等多種致力共同作用的結果。本區致塌總體力學模式（型）為：

式中：F致——各種相關致塌力的合力；

F抗——各種相關抗塌力的合力。

對本區已發生的巖溶塌陷發育動力條件分析可知：在自然條件或人類工程活動等外動力因素引起地下水水動力變化過程中，地下水對碳酸鹽巖和第四系土層發生“水—土—巖”作用，因此，可以概化出本地區巖溶塌陷發育的動力模式（圖6）。

圖6 巖溶塌陷發育動力模式圖

碳酸鹽巖經過漫長時期的地下水侵蝕作用，淺部發育巖溶，易形成溶蝕裂隙、溶洞等各種巖溶形態，成為巖溶塌陷物質的儲集空間和運移通道；地下水動力變化時，當水力梯度值超過可溶巖地區基巖面上覆土層的臨界水力梯度值，周圍土體開始發生滲透變形（管涌或流土），地下水流攜帶細小土顆粒沿孔隙、溶蝕裂隙、巖溶管道等通道遷移，土體在長期潛蝕作用的結果是形成土洞；人類工程活動等外部環境作用下加快了土體力學平衡的破壞，導致了巖溶塌陷地質災害的發生。

圖7 人為誘發塌陷動力模式圖

人為誘發塌陷為區內主要塌陷類型。人為因素主要是過量抽排地下水，使得區域巖溶地下水水位埋深降低數米至數十米，地下水天然流場受到嚴重破壞，上部松散土體在滲透壓力及真空吸蝕力（或失浮托力）等的作用下，土洞形成并發展，經降水入滲或地表水體滲入而誘發，產生巖溶塌陷。

致塌模式概化為抽排地下水→地下水水位劇烈波動→土體破壞形成土洞→土洞擴大→巖溶塌陷產生（圖7）。

銅陵市銅官區朝山村、新民巖溶地面塌陷發生在銅陵市銅官區西湖鎮朝山村和天門鎮新民村境內。2006～2015年9月，新產生巖溶地面塌陷坑121個。塌陷分布區南北長約1400m，東西寬約200m，總影響面積28×104m2。

塌陷區微地貌為坳谷，標高約12～16m，地表為第四系全新統粘土覆蓋，下部為中更新統粘土；周邊地區為崗地，標高約17～31m，地表為第四系中更新統粘土覆蓋。塌陷區表層由第四系全新統沖洪積層（Qhal+pl）覆蓋，為灰色粘土、亞粘土；下部為中更新統沖洪積層（Qp2al+pl），巖性為褐黃色粘土，結構緊密，含水性微弱，厚度約8～10m。

礦山生產過程中抽排地下水是嚴重影響區內地下水動力條件唯一的因素。塌陷區周邊有3座開采礦山，直線距離約為0.9～1.2km。A礦山恢復基建進行礦山疏干排水試驗，從11月1日起每日排水量4800m3。B礦正常生產每天排水1000m3。C礦正常生產每天排水1300m3。3家礦山每天有7100m3的排水量，造成地下水位劇烈波動，一方面疏通了基巖的溶蝕裂隙，另一方面加劇了對上部土體的潛蝕破壞，使土層破壞流失，土洞規模不斷擴大。后因地下水位降低，塌陷體失去水體浮力，重力相應增加，引起塌陷。

銅官區西湖鎮朝山村塌陷區巖溶水水位受人類工程活動及大氣降雨的影響，大幅波動，年變幅達10～20m。銅陵SJ01孔水位埋深最大24.891m，最小水位埋深6.799m，水位年變幅18.092m。

人工大規模抽取地下水的過程中，形成以抽排水點為中心的降落漏斗，地下水徑流速度加快，并發生垂向的滲流補給，水力梯度增大，大于了底部土層臨界水力梯度值，土層破壞發生潛蝕效應形成土洞。隨著抽水過程的延續、地下水水位劇烈波動，土洞持續向上發展。當地下水水位線到達土洞頂部后繼續發展，形成真空狀空腔，對上覆土體產生抽吸力，發生真空吸蝕效應發生地面塌陷。

[1]安徽省第二水文地質工程地質隊.1∶20萬銅陵幅區域水文地質普查報告[R].1984.

[2]安徽省地勘局第二水文地質工程地質隊與321地質隊.銅陵市水文地質工程地質環境地質綜合詳查報告（1∶50000）[R].1997.

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