湖北省大冶市李家灣巖溶發育特征及地面塌陷形成機制研究

陳伯恒, 胡新紅, 陶海寧

(1.湖北省地質局 冶金地質勘探大隊,湖北 黃石 435000; 2.湖北省地質局 第一地質大隊,湖北 大冶 435100)

大冶市李家灣及周邊一帶自20世紀80年代初以來,相繼出現數十處地面塌陷,對當地居民生產生活產生嚴重的影響,同時也制約了當地經濟的發展。

1 李家灣礦區地質環境背景條件

1.1 自然地理

區內屬構造侵蝕丘陵地貌,總地勢東南高,北西低。海拔最高點張家山190 m,地勢較低處標高為35～45 m,相對高差為155 m。李家灣東西兩側為沿南北方向延展的丘陵帶,丘陵帶之間形成一條呈北東—南西向展布的寬約600 m的寬緩洼地,為區間地表水、地下水匯集富集地帶。區內具大陸季風型氣候特征,四季分明、雨量充沛。年平均氣溫17 ℃,年降雨量974.9～1 929.4 mm,平均1 459 mm,最大日降雨量248.3 mm,降雨主要集中在4—7月份,其降雨量約占全年的56%,年蒸發量1 528.6 mm。地表水系主要為銅山口河,由南向北流經銅山口礦床中部匯入大冶湖,河水雨季流量劇增,最大流量65 397 L/s,雨后2—4 d流量減小,枯水期最小流量12 L/s。河床最低標高34.85 m,為當地最低侵蝕基準面。

1.2 水文地質條件

1.2.1含水巖組劃分

根據區域地質環境現狀(見圖1)[1],主要劃分三個含水巖組。

沖洪積砂礫石孔隙含水巖組:分布在銅山口河河谷地段。厚度3～10 m,砂、礫、卵石與粘土混雜,鉆孔抽水試驗單位涌水量0.022 L/s·m,滲透系數0.405 m/d,富水性弱。含水層上部相對隔水層(亞粘土、亞砂土)厚度一般為0.4～5.0 m,孔隙水處在弱承壓狀態;下部直接與基巖接觸,與巖溶地下水水力聯系較密切。

巖漿巖風化裂隙、裂隙含水巖組:巖漿巖風化帶發育深度一般為10～30 m,局部達60 m。風化帶之下有厚0～70 m的裂隙發育段,其下限一般在0 m標高以上。裂面平直,有不同程度的鐵染現象,局部充填的方解石脈小溶孔較發育。該含水層富水性弱,鉆孔抽水試驗單位涌水量0.012 L/s·m,滲透系數0.006 m/d。

除上述含水層外,尚有礦山棄渣堆、殘坡積等透水不含水層或弱含水層,與本次研究關系不大。

1.2.2巖溶發育總體特征

根據銅山口礦區水文地質與工程地質勘探資料周宗桂,礦田構造學講義,中國地質大學(武漢)，2007。,銅山口地區巖溶發育具有以下總體特征與規律:

(1) 裸露區以溶溝、溶槽、落水洞、巖溶洼地為主。隱伏和埋藏區以溶隙、溶孔為主,溶洞次之。鉆孔溶洞遇見率19.4%,80%溶洞高度<5 m,最大溶洞高21.81 m。

圖1 李家灣一帶區域地質環境圖Fig.1 Regional geological environment map of Lijiawan area1.殘坡積透水不含水巖組;2.沖洪積砂礫石孔隙含水巖組;3.碳酸鹽巖巖溶含水巖組;4.巖漿巖風化裂隙、裂隙含水巖組;5.礦山;6供水井;7.推測巖溶塌陷區。

(2) 地下水循環交替強烈部位溶洞最發育:銅山口河河谷地帶是地下水交替強烈部位,其鉆孔溶洞遇見率達44%,揭露溶洞個數占全區揭露溶洞總數的45.7%,且溶洞主要集中在標高35～50 m的淺部。

(4) 溶洞主要發育在標高-100 m以上,-100 m標高以下為巖溶作用顯著減弱帶。-100 m標高以上溶洞個數占全區88.42%,溶洞高度占全區92.18%。

1.2.3地下水與地表水的關系

區內銅山口河河水與地下水關系較密切,河水與地下水為互補關系:

(1) 河床上部雖有粘土和亞砂土分布，且具有一定的隔水作用,但其分布不均勻,最小厚度只有0.4 m而隔水性能差,且粘性土下部的砂礫石孔隙含水層大部分直接與巖溶含水層接觸;銅礦河位處區域巖溶水匯集區,在天然條件下,銅山口河沿岸的巖溶水水位一般均高于河水水位0.42～1.00 m,巖溶水可通過砂礫石孔隙含水層和其上覆較薄的粘性土以越流形式補給河水。

(2) 巖溶水供水孔供水期間,銅山口河附近產生了大量巖溶地面塌陷;據河水流量長觀資料,未受人工抽排水影響的上游河水平均流量,比已受人工抽排水影響的下游河水平均流量大114.423 L/s。說明地下水水位在低于河水水位時,河水補給地下水。

1.2.4地下水補徑排條件

區內主要地下水類型為巖溶水。地表廣泛分布的裸露型碳酸鹽巖,是巖溶水接受大氣降雨的主要補給區,大氣降雨是巖溶水的主要補給源。據長期觀測資料:巖溶水水位動態隨降雨強度消漲,水位變幅為1.44～4.8 m;探礦坑道雨季最大流量為17.054 L/s,旱季最小流量為1.828 L/s,流量變化系數達9.33。

巖溶水有三種排泄方式:①在溝谷部位或在斷裂破碎部位的巖溶發育帶附近,以下降泉或溶洞下降泉排泄,如區內北東外圍的龍骨泉;②在徑流方向因受其它局部隔水層(體)的阻水作用而以上升泉排泄,如區內西南部泉口朱村自流井;③人工排泄,如礦坑排水、供水井等。

1.3 工程地質條件

根據巖土體的成因、結構類型、堅硬程度、蝕變、風化及巖溶作用等因素,劃分為松散層工程地質巖類、巖漿巖工程地質巖類、碳酸鹽巖工程地質巖類、矽卡巖工程地質巖類。

1.3.1松散層工程地質巖類

分布在山坡、溝谷地帶,由殘坡積、沖積和沖洪積形成的粘土、亞砂土、砂礫石組成,一般厚0～15 m,呈散體結構,作為一般建筑物地基,無不良工程地質現象。

1.3.2巖漿巖工程地質巖類

散體結構巖漿巖工程地質巖組：風化帶厚度一般為10～30 m,下限標高主要受接觸帶控制。呈散體—碎裂結構,工程地質條件差,地下洞室頂板易產生冒落塌陷。

堅硬塊狀巖漿巖工程地質巖組：分布在風化帶之下,裂隙率0.235%～1.571%,RQD值一般為90%～100%,少數為75%～90%,抗壓強度一般為121.116～9.1 MPa,巖石質量等級為Ⅰ-Ⅱ級(極好的—好的)。

1.3.3碳酸鹽巖工程地質巖類

1.3.4矽卡巖工程地質巖類

軟弱—堅硬塊狀透輝石矽卡巖巖組：主要分布在巖漿巖北側與東側,以透輝石矽卡巖為主,其次為斜長巖。前者透輝石含量一般在70%以上,硬度小的片狀礦物含量多;后者局部高嶺石化強烈,遇水易膨脹。巖石的抗壓強度變化大,一般為97.5 MPa,最低為24.3 MPa。

堅硬塊狀石榴石矽卡巖巖組：沿巖漿巖與大理巖接觸帶不連續分布,地表僅在獅子山一帶見及,抗壓強度變化大,最高201.9 MPa,最低為1.3 MPa，平均124.0 MPa。工程地質性狀變化較大是其主要特征。

1.4 人類工程活動特征

銅山口地區礦產資源豐富,主要人類工程活動為礦山開采、礦坑地下水疏排及供水井開采,李家灣周邊主要有6家礦山和1口供水井,根據調查及收集資料基排水層位及排水量見表1[2]。

表1 主要礦山及供水井開采特征一覽表Table 1 List of mining characteristics of main mines and water supply wells

2 李家灣礦區巖溶發育特征

2.1 微地貌特征

李家灣位于銅山口—大廣山公路東部,屬于低山丘陵區邊緣向銅山口河一級階地過渡地帶。總體地勢較為低洼平坦,村莊東部高于西部,地表略向西傾斜,地面標高39.03～47 m,相對高差一般2～3 m,最大5～7 m。村莊中部有一排洪港自南向北通過,港深2～3 m,寬3～8 m,洪水季節流量較大。

2.2 地層巖性

李家灣區內為三疊系下統第四巖性段碳酸鹽巖隱伏區,地層巖性單一,根據鉆探揭露,自上而下巖性為人工填土、粉質粘土、大理巖,其特征如下:

(1) 人工填土。黃褐色,主要成分由碎石塊及建筑垃圾組成,碎石大小2～5 cm為主,含量50%～60%,厚度0～1.6 m,稍密。

(2) 粉質粘土。成因為沖洪積堆積,黑褐色、黃褐色為主,厚度7.6～11.7 m,其中上部5～6 m，以粘土、粉質粘土為主,可塑、稍濕,含少量粉、細砂粒,手搓有砂感,天然孔隙比e0=0.664～0.873,壓縮系數a0.1-0.2=0.18～0.29 MPa-1,屬中等壓縮性土層;該層底部有時夾有厚度不大的粗、細砂層,稍密實。本次K2鉆孔粉質粘土層底部(孔深8.8～9.2 m),揭露厚度0.4 m粗砂層,夾少量礫石。

(3) 大理巖。淺灰色、白色,弱風化,主要礦物成份為方解石,粒狀變晶結構,塊狀構造,節理裂隙發育,局部見條帶狀方解石脈,巖心較完整,溶蝕不發育段巖心主要呈長柱狀、短柱狀,溶蝕較發育孔段巖心多呈短柱狀,塊狀。RQD值70%～80%,平均75%。該層巖溶發育,淺部巖溶形態以溶洞、溶隙為主。

2.3 巖溶發育特征

為了查明李家灣范圍內地層分布和巖溶發育情況,研究巖溶發育規律,采用物探初探、鉆孔驗證等手段,茲將相關成果反映如下。

2.3.1物探成果解譯

本次物探工作采用高密度電法進行測量,共布設了9條高密度電法剖面,剖面總長3.3 km,物探工作布置詳見圖2。典型物探解譯剖面圖詳見圖3-圖6，分析如下。

圖2 大冶市李家灣地面塌陷物探、鉆探工作布置圖Fig.2 Geophysical and drilling layout of Lijiawan ground subsidence in Daye City1.第四系沖洪積層;2.高密度測線及編號;3.塌陷坑;4.推測巖溶塌陷區;5.鉆孔及編號。

圖3 1-1′測線高密度物探解譯剖面圖Fig.3 High density geophysical interpretation profile of 1-1′ line

(1) 1-1′測線。該測線呈北西向,布設在工作區西邊。從高密度推斷該測線所在地段第四系覆蓋層總體結構由粉質粘土組成,平均厚度6 m左右,局部較薄地段覆蓋層厚度3 m,較厚地段覆蓋層10 m,土體電阻率<30 Ω·m。下伏基巖主要是大理巖,基巖埋深在3～10 m以下,巖溶發育基巖電阻率50～600 Ω·m,較完整基巖電阻率600～2 000 Ω·m,推測所處地段覆蓋層下7～27 m均可能為巖溶發育區。

(2) 5-5′測線。該測線呈北西向,布設在工作區中部。從高密度推斷該測線所在地段第四系覆蓋層總體結構為粘土、粉質粘土組成,覆蓋層厚度3～17 m左右,粘土電阻率<30 Ω·m,局部存在高阻現象推測由地面混凝土造成。測線上第四系厚度有一定的起伏,測線中明顯有兩個基巖凸起,推測該測線已到了古銅山口河的一級階地后緣。下伏基巖主要是大理巖,基巖平均埋深在11 m以下,巖溶發育的基巖電阻率10～200 Ω·m,較完整的基巖電阻率400～2 000 Ω·m,推測巖溶強烈發育區在23#～46#電極之間,推測表層第四系中的高阻體可能為后期人工填埋的塊石。本測線其他地段覆蓋層下3～5 m均屬于巖溶發育區。

(3) 8-8′測線。該測線呈南東向,布設在工作區中部。從高密度推斷該測線所在地段第四系覆蓋層總體結構為粘土、粉土、砂卵石組成,覆蓋層厚度4～16 m左右,粘土電阻率<30 Ω·m,局部存在高阻現象推測是人工回填塊石造成。下伏基巖主要是大理巖,基巖平均埋深在10 m以下,基巖電阻率基本>100 Ω·m,巖溶發育的基巖電阻率100～600 Ω·m,較完整的基巖電阻率600～2 000 Ω·m,本測線所處地段覆蓋層下4～59 m均可能為巖溶發育區。此測線在李家灣方向剛好布設在基巖凸起上,故基巖較完整,基巖電阻率較高。

圖4 5-5′測線高密度物探解剖面圖Fig.4 High density geophysical interpretation profile of 5-5′ line

(4) 9-9′測線。該測線呈南東向,布設在工作區南部。從高密度該可看出9-9′測線所在地段第四系覆蓋層總體結構為粘土、碎石土和砂卵石組成,覆蓋層厚度4～27 m左右,粘土電阻率<30 Ω·m,局部存在高阻現象推測由地面混凝土造成。下伏基巖主要是大理巖,基巖平均埋深在15 m以下,基巖電阻率基本>100 Ω·m,巖溶發育的基巖電阻率100～600 Ω·m,較完整的基巖電阻率600～2 000 Ω·m,本測線所處地段覆蓋層下4～28 m均可能為巖溶發育區。此測線在李家灣方向剛好布設在基巖凸起上,故基巖較完整,基巖電阻率較高。

2.3.2鉆探驗證情況

根據ZK1、ZK2 、SH2三孔揭露到溶洞情況(詳見表2),李家灣自然村下伏大理巖巖溶發育較為強烈,鉆孔遇洞率為75%,單孔溶洞率13.55%～39.04%,單孔線巖溶率15.04%～45.03%。三孔揭露大理巖總厚87.6 m,揭露大小溶洞8個,總高23.3 m,平均溶洞率為26.6%。溶洞最大的高度達8.5 m,一般0.8～4.5 m,高度<2 m的約占63%。溶洞主要分布在標高6.5～30 m,溶洞幾乎全部充填,僅個別為半充填,充填物質為礫砂、粉土、粘土等。

2.3.3綜合分析

根據高密度物探電法結果及鉆探揭露綜合分析,李家灣自然村地層結構與巖溶發育特征與規律如下:

(1) 李家灣自然村地質結構為隱伏型碳酸鹽巖巖溶區,上覆蓋層為第四系沖洪積粘土、粉質粘土層,層底局部分布砂礫石層,覆蓋層厚3～15 m,以村中河港兩側厚度較薄。其下伏大理巖巖溶發育,垂向上巖溶發育帶起伏較大,溶溝、溶槽、溶洞發育,村莊中部巖溶發育帶底板埋深較大,可達±0 m標高左右,由中部向村莊南北兩側,巖溶帶底板埋深漸淺,一般為標高15～30 m,巖溶發育區頂底板數值高程分布見圖7-圖8。

表2 李家灣鉆探(孔)揭露巖溶情況統計表Table 2 Statistical table of karst exposure by drilling (hole) in Lijiawan

注:ZK1與ZK2孔為2011年所打驗證孔;SH2孔為2009年所打勘察孔。

圖5 8-8′測線高密度物探解剖面圖Fig.5 High density geophysical interpretation profile of 8-8′ line

圖6 9-9′測線高密度物探解剖面圖Fig.6 High denstity geophysical interpretation profile of 9-9′ line

(2) 根據物探資料,在1線—6線中部地段,由東北—西南,推測存在一條寬100 m左右,深14～30 m巖溶強烈發育區,尤其4、5、6線反應非常明顯。

(3) 李家灣自然村下伏大理巖淺部溶洞較發育,鉆孔遇洞率為75%,單孔溶洞率13.55%～39.04%,線巖溶率15.04%～45.03%。鉆孔揭露溶洞最大的高度達8.5 m,一般0.8～4.5 m,洞高<2 m的約占63%。溶洞主要分布在標高6.5～30 m(埋深35～13 m)之間,溶洞幾乎全部充填,僅個別為半充填,充填物質為礫砂、粉土、粘土等。

圖7 巖溶發育區頂板數值高程圖Fig.7 Numerical elevation map of roof in karst development area

圖8 巖溶發育區底板面數值高程圖Fig.8 Numerical altitude diagram of bottom surface in karst development area

3 李家灣礦區巖溶地面塌陷形成機制與發展趨勢

3.1 地面塌陷形成機制與破壞模式

根據收集資料及調查研究,李家灣及周邊一帶地面塌陷類型為巖溶塌陷。塌陷發育呈套合相連總體特征:①主要分布在中部銅山口河兩岸,塌坑呈串珠狀展布,塌陷坑中有坑,老坑套新坑,沿塌陷周邊多見有開裂縫;②塌陷分布帶基本呈北東—南西走向,嚴格受大理巖巖溶發育帶控制,且集中分布。③李家灣主要以不均勻沉降為主(表現為房屋開裂),局部曾發生小型塌陷。

3.1.1地面塌陷形成機制

(1) 區內塌陷主要分布于銅山口河—李家灣一帶,均為碳酸鹽巖隱伏巖溶區,在地質結構上具備了巖溶塌陷的基本條件。根據李家灣自然村物探與鉆探驗證,第四系松散層厚度約3～15 m,下伏大理巖淺部巖溶發育,單孔溶洞率13.55%～39.04%,單孔線巖溶率15.04%～45.03%,但因溶洞充填程度高,充填緊密,因而主要產生地面不均勻沉降為其重要表現。這些均表明地面塌陷區第四系松散層的結構與厚度、下伏巖溶發育強度是區內地面塌陷的基本條件。

(2) 銅山口—大廣山為同一水文地質單元,疏排地下巖溶水使地下水動力條件劇變,是地面塌陷的主要原因。

銅山口—大廣山目前有7家礦山及供水井疏排地下水,除大陳歐船張泗朱鐵礦、向家莊鐵礦疏排巖漿巖裂隙水外,其余都在疏排同一層位的巖溶水。由于大量排水,造成地下水降落漏斗擴大,地下水水位降低,從而增大了水力梯度,加劇了地下水的活動,改變了地下水水動力條件,加劇了地下水對巖石的洗刷、溶蝕和溶濾作用,減少了地下水對上覆巖體的浮托力,當這種力減少到難以維持原始平衡狀態時,就會造成上覆巖體因自重力大于浮托力而出現地面下沉,形成地面塌陷。地下水動力條件變化是誘發巖溶塌陷的主要原因。

由于多家礦山疏排地下水導致地下水位的下降,地下水位下降使地表水和地下水垂向交替作用增強,地下水流速加快,加劇了對巖溶洞隙中的充填物和覆蓋層產生潛蝕、沖刷和淘空作用,也易發生塌陷。李家灣及周邊一帶地面塌陷主要是地表水和地下水垂向潛蝕作用,其次是地下水位下降造成大理巖上覆第四系土體物理性質的改變。因此,礦山及供水井長期疏排地下水是導致李家灣地面塌陷、房屋開裂的主導因素;地面塌陷區內第四系松散層的結構與厚度、下伏巖溶發育強度、斷裂破碎帶等地質因素對地面塌陷分布、規模和強度有一定影響。

3.1.2地面塌陷破壞模式

李家灣位于大理巖隱伏區,大理巖巖溶發育,富水性強,上覆第四系土體松散且厚度較薄,受自然和人為動力作用,易形成地面塌陷。

(1) 自然動力因素。①地下水的活動在巖溶塌陷的形成中具有多種作用,地下水入滲加劇是主要的動力因素之一,在自然條件下受氣候季節的干、濕變化影響。雨季特別是暴雨時地下水入滲加劇,使第四系松散層土體抗壓強度降低,凝聚力減小,為地面塌陷的形成提供了有利的前提條件。②李家灣地區具有雙層含水層結構分布,地表水向巖溶地下水的垂向滲透,以及大氣降雨和地表水的垂向下滲,使第四系松散土體入滲潛蝕作用加強。③地下水的侵蝕和搬運作用,巖溶發育地帶中,洞隙管道中流動的地下水,由于溶洞的形態曲折多變的不規則性,多呈渦流具有很強的沖蝕能力。在溶洞的開口處,受地下水垂直運移的水動力影響,第四系松散土層由下對上逐漸崩落,且被運移,易形成隱伏土洞,受地面或負壓吸蝕作用,易產生地面塌陷。

(2) 人為動力因素。①各礦、井都在疏排同一層位的巖溶水。屬同一個水文地質單元,目前地下水流向由南向北東徑流,礦體部分位于當地侵蝕基準面以下,礦體直接頂板為大理巖,大理巖巖溶發育,富水性強,因此是礦體開采的主要充水因素。②區內中部為覆蓋型大理巖,巖溶較為發育,由于礦山及供水井長期排水,巖溶地下水承壓水位下降,使地下水動力條件劇變,導致第四系孔隙水直接補給下伏大理巖巖溶水地下水,在這種地下水垂直運移的水動力條件,會導致第四系松散顆粒物被潛蝕、倒吸沿巖溶管道流失而引發地面塌陷、房屋開裂。③銅山口生活供水井Ⅰh于1982年建成,井深150.11 m,距李家灣400 m左右。揭露的巖性:0～3.7 m為亞粘土,3.7～17.5 m為粘土、中細砂夾卵石,17.5～150.11 m為大理巖。其供水層位為碳酸鹽巖溶含水層,與李家灣巖溶水同處一個水文地質單元。

供水井Ⅰh在1982年成井抽水試驗的最大降深為7.07 m,出水量為21.35 L/s,影響半徑為300 m。供水期間,在銅山口河床一帶相繼產生地面塌陷12處,塌陷坑與李家灣最近距離約50 m。分別于1999年—2009年11月,在李家灣中心也發生了地面塌陷(見圖2),同時發生民房墻體開裂。1999年9月,供水井停抽10 h,李家灣SHK1觀測孔水位回升0.04 m,其后供水井再次抽水17 h,SHK1觀測孔水位下降0.17 m。2009年在SHK1觀測孔北東8 m施工了SH2孔,目前水位埋深為8.7 m,水位比1999年下降6.49 m。生活井(Ⅰh)降深由1999年的7.39 m增至+9.61 m。下降2.22 m。

從上述情況看出,供水井Ⅰh及周邊礦山疏排地下水形成的聯合地下水位下降漏斗還在不斷發展之中,下降漏斗已擴展到了李家灣,是導致李家灣地面塌陷、房屋開裂的主導因素。

3.2 地面塌陷穩定性分析

3.2.1地質條件分析

(1) 塌陷區存在開口的巖溶洞隙,而巖溶洞隙的發育主要歸因于兩種作用:水對可溶礦物的溶解以及流動水對可溶巖的動力侵蝕。巖溶洞隙的存在是巖溶塌陷產生的基礎,開口的洞隙越大、越多,洞隙間的連通性越好、洞隙水的循環交替越快,就越有利于巖溶塌陷的發生。

(2) 塌陷區表層為人工填土和沖洪積粉質粘土,下伏大理巖淺部巖溶發育。因此,在本區下伏大理巖區塊地層穩定性差,產生地面塌陷的可能性大。

(3) 水活動是巖溶塌陷形成的重要動力條件,本區巖溶水水位較深,位于巖土結合面之下,且雨量豐富,地表水補給充分,存在地表水向下滲透至巖溶水位的垂直運動。因此,在水動力條件較好地段地層穩固性差,產生地面塌陷可能性大。

3.2.2穩定性計算(經驗法)

目前國內外對于溶洞的穩定性評價主要是按經驗公式對溶洞頂板的穩定性進行驗算[3]。

原理和方法:頂板坍塌后,塌落體積增大,當塌落至一定高度H時,溶洞空間自行填滿,無需考慮對地基的影響。所需塌落高度H按下式計算:

式中:H0為塌落前洞體最大高度(m);K為巖石松散(漲余)系數,石灰巖取1.2,粘土取1.05。

對本區溶洞進行計算,具體溶洞情況和計算結果見表3。

表3 計算結果一覽表Table 3 List of calculation results

該區溶洞充填程度較高,但由于區內大量疏排地下水,加劇了地下水的活動,改變了地下水動力條件,加劇了地下水對溶洞充填物和覆蓋層產生潛蝕、沖刷和淘空作用,易誘發地面塌陷。

3.3 地面塌陷發展趨勢

覆蓋型巖溶區地面巖溶塌陷往往具有復發性,只要水動力條件產生劇烈變化,地下水潛蝕作用加劇,大氣降雨入滲強烈時都有可能再促使變形加劇或復活。地下水位波動對覆蓋層的破壞作用依然存在,在大氣降雨入滲、地下水滲流潛蝕、覆蓋層土體失水固結壓密效應的影響下,李家灣一帶仍可能產生巖溶塌陷和不均勻沉降。

巖溶塌陷產生的主要因素是地質結構條件和水動力條件。根據以往已發生的巖溶塌陷,影響巖溶塌陷的因素主要有:第四系松散巖土層之下為裂隙、巖溶發育的強含水帶,塌陷強度與分布受強含水帶巖溶發育程度、厚度,溶洞充填程度,地表水下滲等因素控制;塌陷主要發生在強含水帶地下水位猛然下降、地下水動力條件急劇變化的階段。

區內已產生較大的水位降深,而且區內疏排水和供水井開采還將長期存在,巖溶塌陷與地面沉降還將持續發生。未來變化趨勢可能有如下特點:①在土層可能逐漸發育形成隱伏土洞;②覆蓋型巖溶區具有雙層水文地質結構,上覆的第四系土層中含有弱孔隙地下水,其與下伏巖溶含水帶存在密切水力聯系,下伏巖溶含水層水位大幅下降,使二者接觸界面構成了上覆土層的排水邊界,因滲透性能的巨大差異,松散層地下水緩慢下滲,孔隙水壓力逐漸消散,特別是在粘性土層中排水固結效應可持續多年,這可以導致土層壓密產生不均勻沉降;③在以沖洪積砂性土為主的地段及在地面變形強烈區,上覆土層孔隙水滲流和大氣降雨沿塌坑下滲的潛蝕作用始終存在,若潛蝕達到一定強度則可能形成土洞誘發塌陷;④銅山口河河床及李家灣排洪港地表水下滲,具有強烈的潛蝕作用。

根據地質條件分析和經驗計算分析結果表明,李家灣位于大理巖穩伏區,第四系松散層下覆碳酸鹽巖巖溶發育,具有雙層含水層結構分布,在長期疏排地下水的影響下,改變了地下水運移的水動力條件,導致第四系松散顆粒物被潛蝕、倒吸沿巖溶管道流失,從而引發李家灣地面塌陷、房屋開裂。今后在李家灣或其附近繼續抽、排地下水,那么李家灣地面依然存在巖溶塌陷與不均勻沉降變形的可能。

4 防治建議

根據李家灣一帶地質結構、巖溶發育特征及地面塌陷形成機制及破壞模式分析,提出兩個防治方案供當地政府參考。

(1) 注漿治理方案。對李家灣巖溶發育強烈區采用注漿工程進行治理,通過靜壓注漿或高壓旋噴向土體或巖溶腔體、裂隙中注入混合漿液充填土體孔隙與巖溶洞穴、溶隙裂隙,一方面形成“結實體”加強地基強度,一方面可在土巖界面形成帷幕,限制垂向上地下水聯系及潛蝕作用,從而達到保護地基穩定的目的。

另外,由于李家灣南西側320 m供水井(Ⅰh)對李家灣影響較大,建議在李家灣南西測設置一道豎直帷幕,將有利于防治供水井抽水對李家灣的影響。

(2) 搬遷方案。李家灣自然村在地理位置上是處于銅山口礦區,在水文地質單元上處于銅山口—大廣山以巖溶水為主的區域水文地質單元內。根據黃石、大冶礦產資源規劃,銅山口—大廣山礦區是重要的礦業基地,是今后重點鼓勵發展的礦業開發區,區內疏排水及水文地質環境變化將更為強烈。因此,從長治久安角度出發,對李家灣自然村進行整體搬遷也是可行的,其更能符合長遠規劃與經濟發展建設的需要。

以上二種方案均可達到地質災害防治的需要,但從綜合效果以及長遠來看,實施搬遷方案將更有利于社會穩定與當地經濟建設持續發展和礦產資源的開發利用。當前,在未進行治理前,仍應加強對地面塌陷、房屋變形的監測預警,及時回填塌坑,控制供水井開采強度。