鐘祥市斑竹垱巖溶地面塌陷成因與治理效果分析

朱文彩， 王 戈， 關(guān)義濤

(湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，湖北 荊州 434020)

鐘祥市是中國(guó)著名的磷礦資源基地，至今已有60多年的大規(guī)模開(kāi)采歷史[1]。伴隨著磷礦資源的開(kāi)采開(kāi)發(fā)，鐘祥市出現(xiàn)大量礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，主要包括巖溶地面塌陷、土地資源占用、地貌景觀破壞、含水層破壞等，嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。巖溶地面塌陷是鐘祥市最主要的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，形成了峽卡河、大峪口、泉口、斑竹垱、劉沖等多個(gè)巖溶地面塌陷集中發(fā)育區(qū)[2]。

斑竹垱巖溶地面塌陷集中發(fā)育區(qū)位于鐘祥市胡集磷礦區(qū)南部邊緣地帶(圖1)，周邊有放馬山磷礦、紅土山磷礦、熊家灣磷礦等多座磷礦山，磷礦開(kāi)采層位為震旦系下統(tǒng)陡山沱組(Z1d)底部的含磷層[3]。據(jù)了解，放馬山磷礦、紅土山磷礦、熊家灣磷礦當(dāng)前最低開(kāi)采深度分別為10 m、-160 m、-265 m高程，主要采用聯(lián)合降水方式進(jìn)行疏排水，日排水量高達(dá)5萬(wàn)m3[4]。由于磷礦山大量疏排地下水，造成區(qū)域地下水水位下降，形成了以磷礦區(qū)為中心的地下水降落漏斗，影響半徑約9 km。區(qū)域地下水水位下降引發(fā)了多個(gè)片區(qū)的巖溶地面塌陷，造成207國(guó)道因塌陷多次返修、漳河水庫(kù)四干渠多次因渠堤塌陷斷流、何家咀水庫(kù)和古橋坪水庫(kù)因塌陷滲漏干涸等現(xiàn)象[5]。

斑竹垱巖溶地面塌陷是采礦疏排水誘發(fā)疏干影響區(qū)地面塌陷的典型案例，本文對(duì)該巖溶地面塌陷的特征、影響因素進(jìn)行分析，總結(jié)成因并簡(jiǎn)要介紹工程治理措施，為類(lèi)似巖溶地面塌陷研究與治理提供借鑒。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于鐘祥市雙河鎮(zhèn)斑竹村(圖1-圖2)，塌陷區(qū)中心位置地理坐標(biāo)：東經(jīng)112°17′41″，北緯31°20′32″，距離胡集磷礦區(qū)邊界6.5～8.5 km，處于礦山采空影響區(qū)外、礦山降水疏干影響區(qū)內(nèi)。

研究區(qū)地處鄂中丘陵與江漢平原過(guò)渡地帶的漢江三級(jí)階地，地勢(shì)總體為西北高東南低。區(qū)內(nèi)為丘陵地貌，崗垅相間，崗頂寬緩，高程一般為110～120 m，寬度一般為200～300 m；谷底平緩，高程一般為70～90 m，谷寬一般為300～500 m。古橋坪—朱堡埠河(又名長(zhǎng)龍河，為季節(jié)性河流)為當(dāng)?shù)刂饕担彩菂^(qū)內(nèi)地表水的主要外排通道。

圖1 區(qū)域地質(zhì)略圖Fig.1 Regional geological sketch

圖2 研究區(qū)巖溶塌陷坑分布圖Fig.2 Distribution map of karst collapse pits in study area

2 巖溶地面塌陷基本特征

區(qū)域上最早于1984年出現(xiàn)1處巖溶地面塌陷坑，其位于熊家灣磷礦區(qū)內(nèi)。自1998年多座磷礦山開(kāi)始大規(guī)模降水疏干后，區(qū)域上每年都新發(fā)育數(shù)處塌陷坑。截至2018年，區(qū)域上共出現(xiàn)43處大大小小的塌陷坑(圖1)，其中38處塌陷坑集中分布于斑竹垱一帶(圖2)，組成長(zhǎng)約200 m、寬約100 m的巖溶地面塌陷集中發(fā)育區(qū)；另外5處塌陷坑零星分布于熊家灣磷礦區(qū)、放馬山磷礦區(qū)、紅土山磷礦區(qū)及其外圍。

據(jù)調(diào)查研究，總結(jié)研究區(qū)巖溶地面塌陷基本特征如下：

(1) 降雨較集中的雨季(4—10月)是研究區(qū)巖溶地面塌陷的高發(fā)季節(jié)，絕大部分塌陷發(fā)生于這一時(shí)段。

(2) 巖溶地面塌陷主要沿著胡集—石牌斷裂兩側(cè)分布，塌陷坑長(zhǎng)軸方向與燈影組硅質(zhì)白云巖走向基本一致。

(3) 所有塌陷坑均發(fā)育于地表水體(水塘、溝渠等)內(nèi)及其相鄰地段。

(4) 塌陷坑剖面形態(tài)呈漏斗狀，塌陷深度一般為3～20 m，底部抵至基巖面；平面形態(tài)以橢圓形和長(zhǎng)條形為主，直徑1～100 m不等。

(5) 塌陷坑有逐漸發(fā)展連為一體的趨勢(shì)，早期塌陷坑多呈獨(dú)立的鐵鍋狀(照片1)，后期逐漸連接呈葫蘆狀、梅花狀等不規(guī)則形態(tài)(照片2)。

照片1 研究區(qū)21號(hào)塌陷坑Photo1 No.21 collapse pit in study area

照片2 研究區(qū)11、12號(hào)塌陷坑Photo 2 No.11 and No.12 collapse pit in study area

3 巖溶地面塌陷成因分析

巖溶地面塌陷是由可溶巖、覆蓋層及其空間組合耦合發(fā)生的，需具備巖溶空間、一定厚度的覆蓋層和誘發(fā)因素[6-7]。研究區(qū)地表大面積覆蓋第四系全新統(tǒng)沖積層，上部為黏土層，厚0.5～2.0 m；下部為穩(wěn)定的河床相含泥砂卵石層，厚2.5～12.4 m，滲透系數(shù)0.22 m/d，為巖溶地面塌陷的形成提供了覆蓋層條件。第四系下伏基巖為薄—中厚層狀硅質(zhì)條帶白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，巖層總體傾向SWW-NWW，傾角50°～60°，巖層面起伏變化較大，為淺埋型可溶巖，屬?gòu)?qiáng)透水的含水巖組(圖3)，有利于巖溶的發(fā)育。研究區(qū)地處漢江三級(jí)階地的凹型崗谷中，匯水面積較大，有利于地表降水匯集；谷底有季節(jié)性溪溝、水塘，兩側(cè)地表徑流條件好；研究區(qū)位于采礦降水疏干漏斗區(qū)內(nèi)，地下水水位遭受磷礦區(qū)大規(guī)模抽排水等人類(lèi)工程活動(dòng)影響。受礦山降水和大氣降水入滲的雙重作用影響，研究區(qū)地下水水位變化幅度較大，豐水期埋深一般為3～15 m，枯水期埋深一般>28 m，尤其是采礦降水改變了疏干漏斗區(qū)地下水滲流途徑，是巖溶地面塌陷形成和加劇的主要誘因。

3.1 構(gòu)造破碎帶(斷裂)促使地下水富集帶發(fā)育巖溶

研究區(qū)位于胡集—石牌斷裂附近，該斷裂為NNW向(330°)壓扭性斷裂，斷裂兩盤(pán)的白堊系—古近系紅層與燈影組碳酸鹽巖地層直接接觸，巖層產(chǎn)狀變化大，層間擠壓錯(cuò)動(dòng)強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育。調(diào)查表明，研究區(qū)碳酸鹽巖中的節(jié)理裂隙受控于區(qū)域構(gòu)造格局，主要發(fā)育110°∠70°～80°和190°∠70°～80°兩組，節(jié)理裂隙面常見(jiàn)呈蜂窩狀、結(jié)核狀溶蝕坑，易發(fā)展為溶隙，溶隙一般寬3～10 cm。溶隙與溶洞連通，有利于地下水補(bǔ)給、徑流和排泄。

古橋坪—朱堡埠河為當(dāng)?shù)刂饕牡乇硭馀磐ǖ溃庸葍蓚?cè)斜坡崗地的大氣降水多順地勢(shì)向谷底匯流和下滲，使河谷底部成為地下水強(qiáng)烈活動(dòng)區(qū)段。而構(gòu)造破碎帶與斷裂有利于導(dǎo)水，致使地下水沿胡集—石牌斷裂富集，進(jìn)而促進(jìn)巖溶管道和溶洞發(fā)育，這與巖溶地面塌陷坑主要沿胡集—石牌斷裂呈長(zhǎng)條狀斷續(xù)分布的特征是一致的。

3.2 巖溶管道和溶洞為塌陷提供空間條件

物探解譯資料顯示，研究區(qū)存在5條串珠狀的巖溶管道，在施工的9個(gè)驗(yàn)證性鉆孔中(非全部專(zhuān)門(mén)用于揭露溶洞)就有8個(gè)鉆孔揭露到溶洞，加之地表亦常見(jiàn)溶洞，說(shuō)明本區(qū)溶洞大量發(fā)育。溶洞主要分布于地下埋深2～50 m范圍內(nèi)，洞高一般為7～8 m，充填物以泥砂、粗砂、卵(礫)石、硅質(zhì)白云巖角礫等為主，充填率0～100%不等(表1)。區(qū)內(nèi)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育但很不均一，溶洞主要分布于207國(guó)道西側(cè)，也就是構(gòu)造角礫巖強(qiáng)發(fā)育部位，特別是在構(gòu)造角礫巖帶與砂巖、白云質(zhì)灰?guī)r接觸部位，溶洞更加密集，規(guī)模也更大。

圖3 區(qū)域水文地質(zhì)略圖Fig.3 Regional hydrogeological sketch

研究區(qū)下伏碳酸鹽巖基巖中裂隙發(fā)育，巖溶管道和溶洞眾多，特別是在地下水徑排主要通道內(nèi)形成的巖溶管道和溶洞，為形成地面塌陷提供了空間條件。加之基巖與上部透水性好的覆蓋層間無(wú)隔水層，易于形成潛蝕通道，造成上部土層中的細(xì)顆粒流失，從而形成巖溶地面塌陷。

3.3 采礦降水改變疏干區(qū)地下水徑流途徑誘發(fā)塌陷形成

在磷礦區(qū)大規(guī)模降水之前(1998年前)，研究區(qū)地下水水位較高，據(jù)民井調(diào)查資料顯示地下水水位為-1.5～-9.0 m(高程75.0～67.5 m)，而且地表常年有水塘、水田。多個(gè)鉆孔揭露顯示，在高程70～56 m范圍普遍存在水平溶洞，反映1998年以前區(qū)內(nèi)地下水水位長(zhǎng)期處于水平滲流狀態(tài)，而垂直滲流不明顯，與區(qū)內(nèi)在1998年前塌陷現(xiàn)象稀少的事實(shí)相吻合。

表1 鉆孔揭露溶洞特征統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of cave development characteristics revealed by boreholes

在磷礦區(qū)大規(guī)模降水之后(1998年后)，研究區(qū)地下水水位大幅降低，若以鉆孔揭露溶洞的最低點(diǎn)作為該鉆孔當(dāng)時(shí)的最低地下水水位，對(duì)比該鉆孔現(xiàn)今枯水期地下水水位，則可以得出以下結(jié)論：研究區(qū)中心地帶(塌陷區(qū))現(xiàn)今地下水水位較形成溶洞時(shí)下降了11.2～12.7 m，塌陷區(qū)外圍向北(磷礦山所在方向)區(qū)域的現(xiàn)今地下水水位較形成溶洞時(shí)下降超過(guò)18.45 m，塌陷區(qū)外圍向南區(qū)域的現(xiàn)今地下水水位變化不大。2010年7—10月塌陷區(qū)鉆孔地下水水位觀測(cè)資料顯示，塌陷區(qū)地下水水位為2.85～32.50 m(高程74.09～44.44 m)，高水位出現(xiàn)在暴雨后，但僅維持1—4 d便迅速下降，并長(zhǎng)時(shí)間維持在28.50～32.20 m(高程48.44～44.74 m)(圖4)。受磷礦區(qū)降水影響，研究區(qū)成為采礦降水疏干漏斗區(qū)的一部分，地下水的滲流途徑發(fā)生根本性改變，即在高程70 m以上主要表現(xiàn)為垂直大幅震蕩，在高程70 m以下則主要表現(xiàn)為朝礦區(qū)斜向徑流[4]。

圖4 鉆孔地下水水位動(dòng)態(tài)變化圖Fig.4 Dynamic change diagram of borehole groundwater level

在磷礦區(qū)地下水過(guò)量開(kāi)采的環(huán)境下，區(qū)域性地下水水位下降并形成穩(wěn)定的降落漏斗，研究區(qū)地下水因此震蕩加劇，地下水徑流和排泄促使原本存在于基巖溶隙、溶孔、溶洞、巖溶管道中的細(xì)粒土及覆蓋層中的細(xì)粒土逐漸被地下水?dāng)y帶流失，導(dǎo)致上述巖溶空間被不斷地潛蝕淘空、加寬擴(kuò)大，特別是雨季地下水水位的驟升和驟降加劇了充填物的流失，打破了覆蓋層的應(yīng)力平衡狀態(tài)，最終造成覆蓋層土體的失穩(wěn)并產(chǎn)生地面塌陷[8-9]。

3.4 巖溶地面塌陷形成過(guò)程總結(jié)

研究區(qū)巖溶地面塌陷從孕育到形成主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：①礦山降水疏干影響區(qū)形成前，地下水以小流速的水平滲流為主，基巖中的巖溶管道、溶洞和覆蓋層受外界干擾小，處于相對(duì)穩(wěn)定的潛伏階段；②礦山降水疏干影響區(qū)形成后，地下水在大氣降水和采礦降水疏干的共同影響下，覆蓋層在沖刷、潛蝕和吸蝕作用下形成土洞塌陷，或者原巖溶管道、溶洞在失去填充物的支撐后坍塌；③土洞或溶洞坍塌擴(kuò)展到地表形成巖溶地面塌陷[7]。

總而言之，研究區(qū)廣泛分布的碳酸鹽巖為巖溶發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；區(qū)域性構(gòu)造使得巖石裂隙發(fā)育、地下水徑流排泄暢通，促進(jìn)了地下巖溶管道、溶洞發(fā)育；采礦降水疏干導(dǎo)致周邊形成穩(wěn)定的降落漏斗，改變了地下水的補(bǔ)徑排條件，加劇了巖溶地面塌陷的形成。

4 巖溶地面塌陷區(qū)治理及效果

研究區(qū)主要存在由巖溶地面塌陷導(dǎo)致的土地資源損毀和生態(tài)環(huán)境破壞兩個(gè)方面的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。以恢復(fù)土地資源和改善生態(tài)環(huán)境為治理目標(biāo)，對(duì)遭受塌陷破壞和受隱伏性塌陷威脅的土地進(jìn)行注漿充填和回填整治，對(duì)因塌陷而受到破壞的設(shè)施和植被進(jìn)行恢復(fù)，并考慮后續(xù)生產(chǎn)需要建設(shè)相應(yīng)的配套設(shè)施，以滿(mǎn)足治理區(qū)后續(xù)環(huán)境恢復(fù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。對(duì)巖溶地面塌陷區(qū)進(jìn)行治理要達(dá)到2個(gè)目的：①充填溶洞后形成充填結(jié)實(shí)體，支撐原空區(qū)上部覆蓋層，改善因巖溶地面塌陷引發(fā)的圍巖力學(xué)性質(zhì)及塌落體的力學(xué)形態(tài)，防止地表塌陷區(qū)的蔓延擴(kuò)大；②阻斷巖溶地下水的運(yùn)移通道，減輕甚至消除碳酸鹽巖溶蝕現(xiàn)象的發(fā)生，提高地表巖體穩(wěn)定性[6,10]。

斑竹垱巖溶地面塌陷區(qū)治理工程的主要措施[4,11]如下：

(1) 注漿加固工程。對(duì)于207國(guó)道及沿線國(guó)防、通訊光纜，在回填壓實(shí)塌陷坑后采用帷幕灌漿方法進(jìn)行工程治理。治理區(qū)長(zhǎng)600 m，寬48 m，以207國(guó)道中心線為中線，兩側(cè)各布設(shè)4排注漿孔，注漿孔深50 m，孔徑89 mm，排距6 m，間距7 m。采用水泥漿直接注入，設(shè)計(jì)注漿壓力2 MPa，注漿擴(kuò)散半徑4 m，單孔注漿量50 m3，由外側(cè)向內(nèi)側(cè)間隔跳孔注漿。注漿工程配合207國(guó)道路面維修并分區(qū)分序分階段進(jìn)行，共完成765個(gè)注漿孔，最終達(dá)到整體加固隔水的效果，有效地保護(hù)了207國(guó)道及國(guó)防、通訊光纜。

(2) 回填工程。對(duì)于207國(guó)道兩側(cè)處于裸露狀態(tài)的塌陷坑，進(jìn)行回填治理。塌陷坑回填工程按照坑底清方、細(xì)石砼回填、耕植用土回填的順序進(jìn)行。坑底清方以見(jiàn)基巖為準(zhǔn)，回填時(shí)先選用C15細(xì)石砼回填至距塌陷坑口2 m位置，然后回填開(kāi)挖出來(lái)的耕植用土。回填工程使拋荒的20萬(wàn)m2農(nóng)田恢復(fù)了林地功能。

(3) 河床整治工程。巖溶地面塌陷破壞了斑竹村居民賴(lài)以生存的水庫(kù)干渠，為解決多年來(lái)的飲水和灌溉用水難題，布置了河床整治工程。河床整治工程主要依據(jù)原河床形態(tài)布置，具體措施為：對(duì)原河床進(jìn)行開(kāi)挖、夯填、整平、壓實(shí)，然后回填50 cm厚的卵石墊層，鋪設(shè)C30鋼筋混凝土；河床內(nèi)壁采用M7.5防水水泥漿砂漿抹面2 cm厚；為增大河床整治工程匯水面積，減少隱伏性塌陷區(qū)的地表水與大氣降水的下滲量，布設(shè)11條排水溝，排水溝按排除50年一遇暴雨容量設(shè)計(jì)，采用M7.5漿砌石砌筑，砌體厚40 cm，然后用砂漿抹面3.5 cm厚。

(4) 綠化工程。對(duì)隱伏性塌陷區(qū)和塌陷坑回填區(qū)進(jìn)行植被綠化。在塌陷坑回填區(qū)和隱伏性塌陷區(qū)的拋荒地(20萬(wàn)m2)內(nèi)種植榆樹(shù)、楊樹(shù)等經(jīng)濟(jì)林，采取小苗(樹(shù)徑>5 cm)栽植方式進(jìn)行種植，植間距為株距4 m、行距4 m，然后在樹(shù)林間撒播易生長(zhǎng)的草籽。

斑竹垱巖溶地面塌陷區(qū)治理項(xiàng)目于2010年啟動(dòng)，2019年竣工驗(yàn)收。項(xiàng)目實(shí)施后，原有塌陷坑基本被回填，減少了裸露巖體，使治理區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到恢復(fù)；消除了地質(zhì)災(zāi)害隱患，保障了207國(guó)道及沿線國(guó)防、通訊光纜的安全通行；使農(nóng)田免遭破壞，土地資源得到保護(hù)和利用，促進(jìn)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)論

(1) 斑竹垱巖溶地面塌陷區(qū)位于鐘祥市胡集磷礦區(qū)南部6.5～8.5 km，目前分布有規(guī)模不等的塌陷坑38處，是采礦疏排水誘發(fā)疏干影響區(qū)巖溶地面塌陷的典型案例。

(2) 斑竹垱巖溶地面塌陷的形成與區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育程度、水文地質(zhì)條件、人類(lèi)工程活動(dòng)密切相關(guān)，構(gòu)造破碎帶(斷裂)促使地下水富集帶發(fā)育巖溶，巖溶管道和溶洞為塌陷提供空間條件，采礦降水改變疏干區(qū)地下水徑流途徑誘發(fā)塌陷形成。

(3) 以恢復(fù)土地資源和改善生態(tài)環(huán)境為治理目標(biāo)，采用注漿加固、回填、河床整治、綠化等工程對(duì)斑竹垱巖溶地面塌陷區(qū)進(jìn)行綜合治理，取得預(yù)期建設(shè)效果。