四川古藺巖溶區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征及治理措施

曹水合，茍丹峰，鐘 東

（四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局九一五水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，四川 眉山 620010）

古藺縣位于四川省南部邊緣，處于四川盆地與云貴高原過渡帶烏蒙山系大婁山西段北側(cè)，幅員面積3184.19km2。境內(nèi)地勢西高東低，南陡北緩地形起伏較大，山巒聳立，溝壑縱橫，“七山一水兩分地”，地層古老，構(gòu)造復(fù)雜，灰?guī)r出露廣泛，加之極強的暴雨降水特征，巖層風(fēng)化、溶蝕作用強烈，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，是四川省滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)[1]。

巖溶作用是地下水和地表水共同對可溶性巖石的破壞和改造的地質(zhì)過程[2]。地下水作為主要水動力條件，地表水為輔，以化學(xué)溶解與沉淀過程為主，流水侵蝕、搬運、沉積，重力崩滑和堆積等機(jī)械過程為輔[3]。其作用的特殊性使得地質(zhì)災(zāi)害易于在巖溶地區(qū)發(fā)生，較為常見的災(zāi)害如地面塌陷、石漠化和巖溶突水，此外滑坡、崩塌也較為發(fā)育[4]。研究區(qū)碳酸鹽巖地層分布面積1561.8km2，約占全區(qū)面積的49%，巖溶地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)量和規(guī)模也較為顯著，對區(qū)內(nèi)居民生命財產(chǎn)安全造成了較大損失和嚴(yán)重威脅，阻礙地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，研究古藺縣巖溶區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育分布特征[5-6]、影響因素與形成機(jī)理，進(jìn)而提出行之有效的治理措施十分必要。

1 巖溶發(fā)育概況及影響因素

1.1 巖溶發(fā)育概況

1.1.1 地表巖溶

古藺縣巖溶地貌表現(xiàn)為侵蝕—溶蝕中、淺丘地貌和斷層溶蝕谷槽地貌。地表巖溶發(fā)育程度為中等，石芽、溶溝、溶槽零星分布，地表溶洞零星分布于巖壁，少見落水洞、漏斗。

（1）溶溝、溶槽、石芽主要分布于古藺縣中部及東南部，溶溝、溶槽半出露型零星分布于山頂、山坡及山麓地帶。溶溝溶槽寬度一般0.2～2.5m，主要為粘土半填充（圖1-a）；石芽出露高度一般0.2～1.5m（圖1-b）。

（2）區(qū)內(nèi)漏斗平面形態(tài)主要為橢圓形，漏斗底部往往被沖洪積物所充填，多被牧草、雜草、灌木叢覆蓋或被改造成農(nóng)田。部分巖溶漏斗中發(fā)育有落水洞，是研究區(qū)較少見的地表巖溶。

（3）溶蝕洼地在整個碳酸鹽巖區(qū)均有分布，三疊系雷口坡組（T2l）地層中發(fā)育較多；奧陶系中上統(tǒng)地層中各有部分發(fā)育。洼地底部為第四系沖洪積物所覆蓋，厚度較大，多被改造為耕地。

（4）溶蝕殘丘在整個碳酸鹽巖區(qū)均有分布，區(qū)內(nèi)溶蝕淺丘絕大部分沿巖性界線分布。受巖性組合控制形成的溶蝕殘丘平面形態(tài)一般呈近橢圓狀、饅頭狀。

1.1.2 地下巖溶

古藺縣地下巖溶中等發(fā)育，地下巖溶主要有溶洞、隱伏石芽、溶蝕破碎帶等。

（1）隱伏石芽多分布于溝谷底部及覆蓋層相對較厚的緩坡地帶。石芽埋深多0.5～8.0m，在洼地等地勢低洼處埋深較大，可達(dá)15m 以上；單個石芽呈尖脊?fàn)睢⑹鶢睿砻娲植冢叨纫话?.5～2.0m，起伏較裸露型石芽大；石芽與上覆粉質(zhì)粘土、粉土在接觸帶呈犬牙交錯態(tài)（圖1-c）。

圖1 古藺縣巖溶地貌特征

（2）調(diào)查發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)大中型溶洞6 個，其中皇華鎮(zhèn)利河村二疊系下統(tǒng)地層中出露3處。此外，大寨鄉(xiāng)三疊系雷口坡組（T2l）地層、石寶鎮(zhèn)奧陶系中上統(tǒng)地層均有發(fā)育，發(fā)育程度相對較高，頂板厚一般0.3～8.5m（圖1-d），最厚為16.3m，洞高一般0.2～8.0m，最大可達(dá)13.3m，總體以半—微充填為主。

1.2 巖溶發(fā)育的影響因素

巖溶發(fā)育程度與地層巖性、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地下水活動等因素密切相關(guān)[7-8]。古藺縣地表巖溶的平面分布及外部形態(tài)受地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造作用控制明顯。

1.2.1 地層巖性

地層巖性主要影響可溶巖地層的空間分布，以及巖礦化學(xué)組成、巖性組合及厚度、埋藏深度等。古藺縣共出露7 套地層，其中含碳酸鹽巖的地層有5 套，地層巖性為：三疊系下統(tǒng)嘉陵江組（T1j）及中統(tǒng)雷口坡組（T2l）灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖，厚0～474m；二疊系下統(tǒng)棲霞組（P1q）、茅口組（P1m）灰?guī)r，厚67～391m，上統(tǒng)龍?zhí)督M（P2l）不純灰?guī)r，厚度66～130m；志留系下統(tǒng)石牛欄組（S2sh）灰?guī)r、泥灰?guī)r，厚度260～553m；奧陶系下統(tǒng)桐梓組和紅花園組(O1t+h)生物碎屑灰?guī)r，出露厚度44～86m，中上統(tǒng)(O2+3)灰?guī)r夾泥質(zhì)條帶，厚度25～80m；寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群(∈2-3Ls)白云巖，厚度354～406m。根據(jù)區(qū)內(nèi)地層巖石中可溶性巖碳酸鹽巖的成分、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造，可將古藺縣巖溶層組分為5種類型（圖2和表1）。

表1 古藺縣巖溶層組分類表

一般而言，碳酸鹽類巖石中方解石含量越高，含白云石和雜質(zhì)越少，更易溶蝕。此外，礦物微觀結(jié)構(gòu)也是影響其可溶性的重要因素，通常顆粒越細(xì)、骨架越疏松、孔隙度越大，溶蝕越發(fā)育。區(qū)域出露的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖為碳酸鹽巖，以純度較高的灰?guī)r—白云巖為主，占比例較大，易于溶解的礦物成份（白云石、方解石等）、化學(xué)成份（CaO、MgO等）含量較高，為巖溶發(fā)育提供了良好的巖性條件。

1.2.2 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造以壓性及壓扭性斷裂和褶皺為主，構(gòu)造線方向呈45°～50°展布于古藺縣南部及東部地區(qū)（圖2）。主要構(gòu)造形跡有：古藺背斜、石寶向斜（包含土城鼻狀向斜和石寶鼻狀向斜）、水口寺背斜、茅臺向斜、赤水河向斜、劉家溝斷裂和水口寺斷裂等以及由之引起的次級斷裂和褶皺。南北向構(gòu)造體系主要分布于測區(qū)北部，以壓性為主，主要構(gòu)造形跡為龍爪壩向斜以及眾多性質(zhì)不明小型斷裂。東西向構(gòu)造體系僅見于區(qū)內(nèi)中南部，以壓性及壓扭性為主，但多受其它構(gòu)造體系干擾破壞，顯得面目不清。這些規(guī)模較大的斷層及褶皺帶往往構(gòu)成小型或次級斷裂的集水通道，也是區(qū)內(nèi)巖溶作用的差異性和巖溶發(fā)育在空間分布上不均勻性的重要原因。

1.2.3 巖溶水文地質(zhì)

巖溶區(qū)地下水主要為碳酸鹽巖類巖溶水和基巖裂隙水。淺層基巖裂隙水在未到達(dá)節(jié)理閉合性較好的中風(fēng)化灰?guī)r頂面或局部侵蝕基準(zhǔn)面之前，主要以垂向徑流為主，而在到達(dá)之后以水平向徑流為主。其徑流通道主要為可溶性巖體中的溶洞、溶孔、溶隙和張性裂隙；當(dāng)巖溶地下水徑流過程中徑流遇到非巖溶地層中的砂巖、泥頁巖時，地下水會順著泥頁巖層面整體向下運移。可見，灰?guī)r與砂巖、泥頁巖接觸面既是這類地下水徑流通道，也是其儲存空間，為巖溶發(fā)育提供了良好的水文地質(zhì)環(huán)境。

2 地質(zhì)災(zāi)害與巖溶的關(guān)系

2.1 地質(zhì)災(zāi)害分布與巖溶

根據(jù)古藺縣地質(zhì)災(zāi)害的統(tǒng)計分析，巖溶發(fā)育程度較為強烈的區(qū)域，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育也較強烈。巖溶區(qū)發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害類型為滑坡、崩塌和地面塌陷，共計50處，占全縣地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)（2015地質(zhì)災(zāi)害詳查數(shù)據(jù)133處）的38%（表2和圖2），地質(zhì)災(zāi)害宏觀分布與巖溶關(guān)系具有以下特征：①巖溶塌陷多分布于巖溶水系統(tǒng)沿線；②滑坡崩塌數(shù)量多于巖溶塌陷，滑坡崩塌多分布于干流和一級支流兩岸（水力梯度大、地下水循環(huán)強烈）或巖溶水系統(tǒng)出口附近；③巖溶發(fā)育程度較弱，則滑坡崩塌數(shù)量少，巖溶發(fā)育程度較強，則滑坡崩塌數(shù)量較多，但巖溶作用作為地質(zhì)災(zāi)害影響因素之一，是與其他因素（易滑地層、斜坡結(jié)構(gòu)、臨空面高度等）相疊加進(jìn)而控制滑坡、崩塌的空間分布。

表2 古藺縣地質(zhì)災(zāi)害分布與巖溶發(fā)育特征對照表

2.2 巖溶地面塌陷

巖溶區(qū)發(fā)育地面塌陷13 個，為土洞塌陷和冒頂塌陷。在地下水侵蝕、自重、氣團(tuán)壓縮、水流潛蝕等作用下形成，多出現(xiàn)于汛期。主要發(fā)育于二疊系下統(tǒng)茅口組及上統(tǒng)龍?zhí)督M、志留系下統(tǒng)、奧陶系中上統(tǒng)等地層中，塌陷坑平面形態(tài)為圓形，剖面形態(tài)多呈漏斗狀、豎井狀，塌陷規(guī)模大小不一，塌陷深度最大可達(dá)2.5m。

2.3 滑坡、崩塌（危巖）與巖溶風(fēng)化

巖溶區(qū)滑坡、崩塌主要集中在地質(zhì)構(gòu)造變形強烈的地段，發(fā)育滑坡13 個，崩塌（危巖）10 個。滑坡類型以巖溶堆積層滑坡為主，多發(fā)于三疊統(tǒng)下統(tǒng)和二疊系下統(tǒng)地層中，滑坡體為巖溶風(fēng)化形成的殘積土，下伏滑床巖性以灰?guī)r為主；崩塌以中高位灰?guī)r崩塌為主，多發(fā)于二疊統(tǒng)下統(tǒng)和志留系灰?guī)r形成陡崖帶。

3 巖溶區(qū)地質(zhì)災(zāi)害成因機(jī)理

3.1 滑坡

巖溶作用作為表層巖溶堆積物的控制因素，間接控制著堆積層滑坡的發(fā)育。巖溶堆積層的形成通常經(jīng)歷溶蝕堆積、粘土化作用和紅土化作用三個階段[9]。在溶蝕堆積階段，母巖溶蝕形成起伏交錯的溶蝕不整合面；在粘土化作用階段，溶蝕殘積物中砂礫繼續(xù)被溶蝕，而難溶礦物重結(jié)晶后形成粘土礦物并富集形成粘性土。調(diào)查表明，研究區(qū)巖溶堆積層多處于粘土化階段，該過程產(chǎn)生大量的由粘土礦物（綠泥石、高嶺石和伊利石）組成的粘性土，其強度低，易膨脹，在降雨入滲軟化作用下，土體強度進(jìn)一步降低，極易沿溶蝕階段形成的溶蝕面產(chǎn)生滑動變形破壞（圖3）。

圖3 巖溶堆積層滑坡剖面圖（古藺鎮(zhèn)下灣子滑坡）

3.2 崩塌

古藺縣危巖的破壞模式主要為傾倒式崩塌。堅硬性脆的灰?guī)r巖組，在地下水溶蝕作用下多形成深大的溶蝕裂隙，并與原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造、卸荷風(fēng)化和人工爆破等作用下產(chǎn)生的卸荷裂隙（縫）組合，導(dǎo)致巖體被切割成脫離母巖的孤石。此外，地下水巖溶作用的不斷發(fā)展，又使得碳酸鹽巖巖體中的裂隙或?qū)用娴溶浫踅Y(jié)構(gòu)面的寬度和規(guī)模不斷擴(kuò)張加大，弱化了巖體的完整性和堅固性。在暴雨、強震條件下，發(fā)生落石崩塌災(zāi)害。如圖4所示。

圖4 灰?guī)r崩塌剖面圖（東新鄉(xiāng)鷹嘴巖崩塌）

3.3 巖溶地面塌陷

由于地下水對可溶性巖石以及上覆土層的溶蝕和搬運，導(dǎo)致地下空洞形成和擴(kuò)大，覆蓋層在重力和負(fù)壓作用下失穩(wěn)陷落，發(fā)生巖溶地面塌陷災(zāi)害。首先，降雨入滲與塌陷土柱底部零水頭之間形成水頭差，產(chǎn)生作用于塌陷土柱之上的滲透力。隨著降雨入滲，塌陷土體自身容重增加，土體抗剪強度也隨之降低。在地下水變化時，土洞或溶洞形成的低氣壓作用下（負(fù)壓封閉效應(yīng)[10]），發(fā)生巖溶塌陷。如圖5所示。

圖5 負(fù)壓吸蝕作用致塌機(jī)理圖

4 巖溶區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治措施

（1）地面防滲。滑坡、崩塌和地面塌陷的發(fā)生主要由降雨入滲導(dǎo)致巖土體結(jié)構(gòu)強度降低，進(jìn)而引發(fā)災(zāi)害。因此，為防止降雨對土體的沖刷及滲透，可采取植被護(hù)面、截排水溝、水泥灰（土）溶蝕裂隙封閉等措施。

（2）加固支擋工程。巖溶區(qū)滑坡主要采用抗滑支擋工程治理措施，如抗滑樁、擋土墻等支擋工程；崩塌危巖治理措施主要以加固為主、清除為輔，如錨桿加固、支撐封閉等措施；巖溶地面塌陷主要采取地下加固治理措施，如地下灌漿、強夯、地下旋噴等。