棲霞中橋地區巖溶塌陷易發性及風險性評價

張生海

山東省第三地質礦產勘查院，山東 煙臺 264004

0 引 言

棲霞中橋地區位于山東省膠東半島中北部，區內分布巖溶地層，巖溶發育較為強烈，2005 年至今，先后發生15處巖溶塌陷(2 處為重復塌陷，共17 次)(見圖1)，塌陷坑在平面上一般呈似圓形、橢圓形，在剖面上均為壇狀。其中，5 次塌陷發生于村莊中，造成兩間房屋倒塌、多處房屋開裂；其余塌陷發生于果園或河床中，給區內人民群眾正常生產和生活帶來了較大影響。因巖溶塌陷產生的突發性和隱蔽性，目前還難以實現準確預測，本文以棲霞中橋地區作為研究區，采用以定性分析為主，結合半定量的計算，對區內巖溶塌陷易發性進行了分析評價；在此基礎上采用定性分析方法進行巖溶塌陷風險性評價。為當地政府及相關主管部門開展巖溶塌陷地質災害防治、地區規劃建設等提供基礎性地質依據。

圖1 研究區巖溶塌陷相對位置圖Fig.1 Relative location of karst collapse in the study area

1 地質環境條件

研究區屬暖溫帶東亞大陸性季風型半濕潤氣候，四季分明，多年平均降水量673.44 mm，為構造剝蝕丘陵—山間平原地貌，地勢總體呈南北高中間低，區內主要河流為白洋河、燕地河，大地構造屬華北板塊(Ⅰ)膠遼隆起區(Ⅲ)膠北隆起(Ⅲa)膠北斷隆(Ⅲa1)藏格莊凹陷(Ⅲa14)[1]，東、南部主要出露新元古界蓬萊群地層，局部出露中生界萊陽群和青山群及古元古界荊山群地層，中部山間平原及溝谷發育有新生界第四系地層。

研究區北部巖漿活動強烈，巖性主要花崗巖、閃長巖；區內斷裂構造較為發育，走向主要為近東西向和北東向，規模較大的區域性斷裂為近東西向的吳陽泉斷裂，屬控盆斷裂，位于臧家莊盆地北部邊緣，第四紀以來具有明顯的活動特征(見圖2)。

2 巖溶塌陷形成的影響因素

2.1 巖溶地層與構造斷裂

研究區出巖溶地層主要為新元古界蓬萊群香夼組灰巖，根據其出露條件，可分為裸露型、覆蓋型和埋藏型三種(見圖3)，區內巖溶塌陷均發生于覆蓋型巖溶區。

圖2 研究區區域地質略圖

圖3 研究區巖溶區類型分布圖

區內斷裂構造整體呈網狀發育，以左行壓扭性、張扭性斷裂及正斷層為主，正斷層、斷層上盤相對于逆斷層、斷層下盤巖溶發育。區內巖脈較發育，走向多與斷裂構造走向近，多傾向東，脈巖單體寬度小，長度亦短。

構造斷裂控制著巖溶發育規模，同時也決定了巖溶發育方向，為地下水提供了良好入滲通道，加強了含水層之間的水利聯系，有利于巖溶水的循環及溶蝕作用的進行，為坍塌巖土體提供了良好的儲存場所和物質運移通道[2-3]。區內巖溶塌陷主要發生于構造發育地帶且均位于斷裂構造的上盤區。

2.2 巖溶發育程度

巖溶發育是塌陷形成的物質基礎[4]。研究區巖溶形態主要為溶孔、溶隙、溶洞三種類型，其中溶洞累積規模一般<6 m，溶洞高度多數在2 m以下，其次為2～5 m，高度>5 m相對較少，充填程度呈現全充填、半充填及未充填狀態。根據區內巖溶層組、巖溶形態、地下水通道、巖溶的發育形態等巖溶發育程度分級指標(見表1)，將研究區巖溶平面上的發育程度劃分為發育、中等發育、不發育三個等級(見圖4)。

圖4 研究區巖溶發育程度分區圖

表1 巖溶發育程度分級標志一覽表

2.2.1 巖溶發育區

主要分布在北城子村—水道觀村南部—泗水村—南橋村—中橋村南—中聯水泥廠—油家泊村一帶。該區巖溶地層主要為香夼組二段，巖性為灰巖；地下溶洞發育，鉆孔遇洞率>60 %，鉆孔巖溶率>10 %，溶洞高度一般小于4 m，個別鉆孔遇溶洞高度可達9.5 m，溶洞多數無充填物，局部被砂礫或粉質粘土充填；該區富水性好，單井涌水量>1 000 m3/d，局部>5 000 m3/d。

2.2.2 巖溶中等發育區

主要分布于發育區外圍以及爐頭村周圍。該區巖溶地層主要為香夼組一段，巖性為泥灰巖夾灰巖；地下溶洞發育不多，溶洞、溶孔、溶隙等巖溶形態相對較少；鉆孔遇洞率為30%～60%，鉆孔巖溶率3%～10%，溶洞高度0.50～1.00 m；該區域富水性中等，單井涌水量<1 000 m3/d。

2.2.3 巖溶不發育區

主要分布于西北大部分地區，地表主要出露第四系松散覆蓋層或青山群八畝地組安山角礫巖和安山角礫熔巖，下伏灰巖埋深較大，鉆孔遇洞率< 30 %，鉆孔巖溶率< 3 %，淺部溶洞不發育。

2.3 第四系覆蓋層厚度及土層結構

研究區第四系松散覆蓋層分布廣泛，巖性、厚度等特征組合在地下水動力條件發生改變時，有利于土洞形成，為巖溶塌陷提供了運移的物質條件，是巖溶塌陷產生和發展的一個重要影響因素[5-6]。

區內絕大部分地區的第四系覆蓋層厚度<30 m，局部>30 m。15 處塌陷中，10 處發生在覆蓋層厚度<15 m分布區，2處發生在度15～25 m分布區，3處發生在厚度>25 m分布區。

區內中部地區覆蓋層多呈“粘性土-粘性土砂土互層”或“粘性土-粘性土砂土互層-粘性土”多層結構，西北地區、河谷附近和第四系邊緣地帶主要呈砂層或碎石層單層結構，局部地區呈“粘性土-砂土”或“砂土-粘性土”雙層結構。15 處巖溶塌陷中，14 處發生于多層結構，1 處發生于單層結構；9 處土層底部巖性為粉質黏土，3 處土層底部巖性為碎石土，2 處土層底部巖性為粗砂，1處土層底部巖性為礫砂。研究區巖溶塌陷與第四系覆蓋層厚度及土層結構分布詳見圖5。

圖5 巖溶塌陷與覆蓋層厚度及土層結構分布圖Fig.5 Distribution of karst collapse,overburden thickness and soil structure

2.4 地下水位及變幅

2014—2016 年，研究區降水量持續減少，區內地下水位整體下降趨勢較大，水位變幅較大，2017—2018 年，降水量較上年驟增，地下水位呈快速回升態勢，水位變幅較大，水位變化最為明顯的為2016—2017年，是區內巖溶塌陷地質災害的盛發時期(見圖6)。

圖6 盛發期巖溶塌陷年度分布圖Fig.6 Annual distribution of karst collapse in the peak period

巖溶水位下降至基巖面附近或以下，在基巖與土層界面附近長時間強烈波動是導致塌陷產生的根本原因[7-8]。盛發期12 次塌陷中，巖溶地下水位整體位于灰巖面3.5 m范圍內波動，位于灰巖面之上的塌陷多于位于灰巖面之下的塌陷，水位越接近灰巖面且變化速率越大，越易誘發巖溶塌陷(見圖7)。

圖7 盛發期巖溶塌陷與巖溶水位關系圖Fig.7 Relationship between karst collapse andkarst water level in the peak period

2.5 人為抽排地下水

人為抽排地下水引起水動力條件改變是誘發巖溶塌陷的最主要因素[9-11]，研究區內開采地下水活動主要為礦山疏干排水、工礦企業生產用水及農田灌溉，其中，最主要的引起地下水水動力條件改變為中聯水泥廠采排地下水。

2003 年中聯水泥廠開采至侵蝕基準面開始至今一直存在著采排地下水活動，且年度開采量整體呈持續上升趨勢，改變了研究區原始地下水流場，致使區內地下水水位整體呈持續下降態勢，形成以采坑為中心的巖溶地下水降落漏斗。區內巖溶塌陷均發生于采排地下水活動影響范圍區(見圖8)。

圖8 塌陷點與地下水等水位線關系圖(2018年5月)Fig.8 Relationship between collapse pointand groundwater isoline (May,2018)

3 巖溶塌陷易發性評價

3.1 評價方法

基于巖溶塌陷發育條件的復雜性、災害影響因素的復雜性和多變性，以及巖溶塌陷產生的突發性和隱蔽性，目前還難以實現準確的巖溶塌陷易發程度定量分析評價，本次以定性分析為基礎，結合半定量的計算，綜合進行易發程度評價。

綜合區內巖溶塌陷的影響因素，采用專家聚類法、層次分析-模糊綜合評價法等分析評價方法對裸露型、埋藏型巖溶區采用定性分析評價，對覆蓋型巖溶區采用定性輔以定量的方法進行評價[12-16]。其中定量評價主要用于評價因子的權重及評價單元格的綜合得分計算；定性評價主要用于因子選擇、分級標準建設、評價單元隸屬分級級別、評價結果的人為修飾等過程。

3.2 評價因子選取及量化分級

本次只分一個層次進行評價，選取巖溶發育程度、與構造斷裂帶關系、可溶巖頂板土層巖性、第四系厚度、地下水年變幅、是否發生過塌陷和人類工程活動等7 個評價因子。根據研究區地質環境特點，將評價因子分為3 級，即強、中、弱(見表2)。

表2 研究區巖溶塌陷評價因子及量化分級一覽表

3.3 評價因子權重確定

3.3.1 計算矩陣的特征向量

一般在層次分析法中對判斷矩陣的特征向量值的計算不需要太大的精確度，多采用近似平方根計算：

(1)

W=(W1W2...Wn)T

將W歸一化：

(2)

3.3.2 確定權重

評價因子權重確定方法：首先組織水工環地質專業的專家根據工作經驗對各因子進行打分，按照打分情況進行異常值的剔除，取機率大的分值；然后按照公式(1)和公式(2)計算評價因子權重(表3)。

表3 評價因子權重專家打分一覽表

3.4 易發性評價結果

本次評價在層次分析法的基礎上選用綜合指數法進行重點調查區巖溶塌陷易發性評價[20]。綜合評價指數法計算公式如下：

式中：Rk為綜合評價指數；αi為指標要素的權值；Xi為指標要素屬性賦值；n為指標要素個數。

根據上述評價方法，用MAPGIS作為計算工具，通過疊加計算其指標值為3.6～8.41。依據本次巖溶塌陷易發性劃分原則：綜合指數指標≥6為巖溶塌陷高易發區；4.5<綜合指數指標<6為巖溶塌陷中易發區；綜合指數指標≤4.5為巖溶塌陷低易發區；按綜合指數指標進行分區合并，共分為巖溶塌陷易發性高、中、低三個等級。

對裸露型和埋藏型巖溶區采用定性評價：裸露型灰巖區屬于巖溶塌陷低易發區；埋藏型灰巖區有兩部分，當非可溶巖厚度≤10 m，且覆蓋層總厚度≤30 m時，屬于巖溶塌陷高—中易發區，當非可溶巖厚度>10 m時，屬于巖溶塌陷低易發區。

對覆蓋型巖溶區采用定性輔以定量評價：首先將覆蓋型巖溶區劃分為200 m×200 m的單元網格共計295 個(見圖9)，對每個單元格進行統計打分；其次運用計算機編程進行運算并運用MAPGIS強大的空間分析功能，得到各單元的地質環境質量評價結果；最后根據實際情況進行必要的修正。

按照以上評價方法將研究區巖溶塌陷易發程度劃分為四個等級：巖溶塌陷高易發區、巖溶塌陷中易發區、巖溶塌陷低易發區和巖溶塌陷不易發區，其中不易發區為無灰巖分布的區域(見圖10)。

3.4.1 巖溶塌陷高易發區

主要位于中橋村—泗水村—水道觀村村南及東南地區，面積為2.42 km2，占研究區總面積的8.42 %。該區主要為巖溶發育區，分布有多條斷裂構造；覆蓋層厚度<30 m，且主要為多層結構，可溶巖頂板土層結構主要為粉質黏土；礦山排水活動對該區影響較大，區內有大量抽取巖溶水活動，巖溶地下水水位波動頻繁、變幅較大，地下水動力條件變化明顯；區內已經發生過多次巖溶塌陷。

3.4.2 巖溶塌陷中易發區

主要位于后高格莊村—北城子一帶及燕地村周圍，面積為5.60 km2，占研究區總面積的20.32 %。該區巖溶發育程度為發育—中等發育，距離斷裂構造較近；松散覆蓋層厚度多<30 m，局部地區>30 m，為單層或多層結構，可溶巖頂板土層結構主要為粉質黏土、粗砂、碎石土；礦山排水活動對該區域北側影響較大，對區域南側影響較小，區內抽取巖溶水活動較少，巖溶地下水位變幅相對較小，地下水動力條件變化較弱；有可能發生巖溶塌陷。

圖9 覆蓋型灰巖區單元網格化

3.4.3 巖溶塌陷低易發區

主要位于埋藏型巖溶區和裸露型巖溶區，面積為19.44 km2，占研究區總面積的69.65 %。該區西側為埋藏型巖溶區，巖溶中等發育-弱發育；覆蓋層為非可溶巖或非可溶巖與第四系地層組合，巖溶地層埋藏深度較大；礦山排水和人為抽取巖溶水對本區部分地段造成了一定的影響，但上覆的非可溶巖地層結構相對致密，隔斷了第四系與下伏巖溶地層的聯系，巖土體整體相對穩定。該區域東側為裸露型巖溶區，巖溶發育-中等發育；無覆蓋層或覆蓋層很薄；本區位于礦山排水和人為抽取巖溶水的影響帶之中，本區雖有巖溶溶洞發育，但由于巖體結構致密，地下水活動對本區巖土體的穩定性影響較輕。

3.4.4 巖溶塌陷不易發區

分布于研究區東南小部分地區，面積為0.45 km2，占研究區總面積的1.61 %。該區域無可溶巖分布。

圖10 研究區巖溶塌陷易發性評價分區圖

4 巖溶塌陷風險性評價

4.1 評價方法

巖溶塌陷易損性及期望損失評價目前行業內沒有統一的方法和標準，故其巖溶塌陷風險性難以實現準確定量評價，本次采用定性分析法進行風險性評價[17-20]。巖溶塌陷易損性是指研究區巖溶塌陷可能造成的人員傷亡，工程、財產等的破壞損失，據實地調查，將區內巖溶塌陷易損性劃分為高、中、低及無易損性地區：其中區內村莊、學校及道路地區為高易損性地區，工業廠房、水泥廠、公司及產業園地區為中易損性地區，無巖溶分布地區為無易損性地區，其他地區為低易損性地區。巖溶塌陷風險性評價是結合易發性以及易損性評價結果基礎上進行評價的，評價等級劃分為高、中、低及無風險區(見表4)。

4.2 風險性評價結果

根據上述評價方法，研究區巖溶塌陷風險性評價劃分為高、中、低及無風險性區(見圖11)。

4.2.1 巖溶塌陷高風險區

主要分布于呂家莊—中橋村南部、泗水村、水道觀村、南橋村西南部、北城子村、前高格莊—后高格莊村北、棲霞經濟開發區中心小學、棲霞市中橋污水處理廠以及主要的交通道路地帶，面積約1.74 km2，占比6.23 %。該區主要為巖溶塌陷高易發區內人員與車輛活動密集地段，具備發生巖溶塌陷的客觀條件，且區內建筑物及設施等抵御塌陷的能力較差，塌陷可能造成的危害大。往期區內發生過巖溶塌陷，造成了一定的財產損失。

表4 研究區風險性評價分級等級一覽表

圖11 研究區巖溶塌陷風險性評價分區圖Fig.11 Risk assessment zoning map of karst collapsein the study area

對本區內住戶、學校、廠房原則上采取搬遷避讓措施，如搬遷困難，應建立群測群防體系；對本區內道路原則上禁止重型車輛行駛，如不可避免，應及時設立警示標志并加強巡查。

4.2.2 巖溶塌陷中風險區

主要分布于工業廠房、水泥廠、公司及產業園地區，面積約14.45 km2，占比51.77 %。該區主要為巖溶塌陷中-低易發區內人員與車輛活動密集地段，區內建筑物及設施等抵御塌陷的能力較差，塌陷可能造成的危害較大。對本區采取監測和巡查為主，工程手段為輔的防治措施。

4.2.3 巖溶塌陷低風險區

分布于高、中風險區外的農田、果園以及閑置土地等人員與車輛活動相對較少的地段，塌陷可能造成的危害較小，面積約11.27 km2，占比40.38 %。對本區采取巡查的防治措施，發生巖溶塌陷及時上報處理。

4.2.4 巖溶塌陷無風險區

位于區內東南角無巖溶分布地段，面積約0.45 km2，占比1.61 %，該區為巖溶塌陷不易發區。

5 結語

(1)研究區巖溶塌陷的主要影響因素為巖溶地層與構造斷裂、巖溶發育程度、第四系覆蓋層厚度及土層結構、地下水位及變幅及人為抽排地下水活動。

(2)研究區巖溶塌陷易發程度劃分為高、中、低及不易發區，其中高易發區面積為2.42 km2，巖溶及斷裂構造發育，覆蓋層厚度<30 m，且主要為多層結構，礦山排水活動對該區影響較大，地下水動力條件變化明顯；中易發區面積為5.60 km2，巖溶及斷裂構造較發育；覆蓋層厚度多<30 m且多為單層或多層結構，礦山排水活動北部影響較大、南部影響較小，地下水動力條件變化較弱；低易發區面積為19.44 km2，巖溶中等-弱發育，礦山排水活動對該區影響較小，地下水活動對本區巖土體的穩定性影響較輕；不易發區面積為0.45 km2，無可溶巖分布。

(3)研究區巖溶塌陷風險性劃分為高、中、低及無風險區，其中高風險性區面積約1.74 km2，主要分布于巖溶塌陷高易發區內人員與車輛活動密集地段，塌陷可能造成的危害大；中風險性區面積約14.45 km2，主要分布于巖溶塌陷中-低易發區內人員與車輛活動密集地段，塌陷可能造成的危害較大；低風險區面積約11.27 km2，主要分布于高、中風險區外的農田、果園以及閑置土地等人員與車輛活動相對較少的地段，塌陷可能造成的危害較小；無風險區面積0.45 km2，無巖溶分布。

(4)建議研究區建立統一的巖溶塌陷地質災害監測網絡進行巖溶塌陷預警預報研究工作，加強對本區地質環境的管理力度；定制完善巖溶塌陷地質災害防災預案；嚴格控制在高、中風險性區內新建房屋，對擬建項目高度重視巖土工程地質勘察工作，建設單位要根據相應結果做好巖溶塌陷的防治工作。