山東省曲阜市息陬鎮巖溶塌陷成因分析及防治措施研究

藺林林 劉彬濤 楊晨 王學森 孔銘

摘要： 自1993年以來，曲阜市息陬鎮多次發生巖溶塌陷，給當地的經濟發展產生了較大的影響。本文在分析研究區地質、水文地質條件的基礎上，結合現場調查、地球物理勘探及水文地質鉆探，對研究區的巖溶塌陷分布規律及成因進行深入分析，并提出防治措施。研究發現，巖溶塌陷多集中發生于年內豐水期，主要受到短時強降雨的影響，在時間上具有集中突發的特點。空間上則主要受控于地質構造及地下水徑流的影響，主要分布于斷裂帶附近及地下水主徑流帶上。降雨引發的地下水動力條件的改變是誘發巖溶塌陷的主要因素。

關鍵詞： 巖溶塌陷；分布規律；形成原因；防治措施；曲阜市；山東省

中圖分類號： ?TE822.01 ?????文獻標識碼： ?A ???doi：10.12128/j.issn.1672 ?6979.2023.04.006

引文格式： 藺林林，劉彬濤，楊晨，等.山東省曲阜市息陬鎮巖溶塌陷成因分析及防治措施研究［J］.山東國土資源，2023，39（4）：39 ?44. LIN Linlin， LIU Bintao， YANG Chen， et al. Origin Analysis and Prevention Measures of Karst Collapse in Xizou Town in Qufu City in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（4）：39 ?44.

0 引言

近年來，山東省城市化進程加快，人類工程活動強烈。快速增加的用水量需求導致地下水開采量激增。疊加增長的人類活動對地質環境的影響日益加劇，巖溶地質環境問題頻發［1 ?2］。目前，山東省存在的巖溶地質環境問題主要有巖溶塌陷［3 ?8］、巖溶地下水污染［9 ?15］、巖溶大泉斷流［16］等。巖溶塌陷是最嚴重的問題。曲阜市息陬鎮自1993年首次發生巖溶塌陷后，至2021年巖溶塌陷頻發，不僅制約了當地的經濟發展，也給人民群眾生命財產安全造成極大隱患，同時對日蘭高速的運輸安全造成嚴重威脅，亟需分析其發育規律、總結成因并提出防治措施，降低該地區再次發生巖溶塌陷的可能性。本文重點以西夏宋村巖溶塌陷為例開展研究。

1 研究區概況

1.1氣象水文

研究區屬暖溫帶半濕潤季風氣候區，年內四季分明。降水主要集中在每年6月下旬至9月中旬，降水量約占全年降水總量的70%～80%，多年平均降水量689.66mm（1980—2021年），最大年降水量1076.5mm（2003年），最小年降水量415.6mm（2002年）。多年平均蒸發量1820mm，最大凍土深度38cm。

1.2 地形地貌

地貌類型為山前傾斜平原，整體地勢較平坦，略有起伏，呈東高西低、南高北低的趨勢，地面高程一般在77m左右。周邊主要河流為遼河，該段常年無水，僅在雨季時溝渠內形成季節性水流。

1.3 區域地質條件

區內發育的斷裂主要為息陬斷裂和防山斷裂，均為隱伏斷裂（圖1）。地層的分布、巖性、厚度則明顯受構造控制，從老到新有古生界寒武系張夏組、崮山組；寒武 ?奧陶紀炒米店組、三山子組及新生界第四紀山前組、臨沂組。寒武紀及奧陶紀地層多隱伏于第四系之下，巖層總體傾向NW。區內地震動峰值加速度為0.05～0.10g，地震烈度為Ⅶ度，地震動反應譜特征周期0.40s，屬地殼穩定—基本穩定區。

1.4 區域水文地質條件

研究區在區域上屬于曲阜斷塊巖溶水系統。依據地下水賦存條件、水力聯系、水化學特征、富水程度及不同時代、不同成因、不同巖性的組合關系，區內含水巖組主要劃分為松散巖類孔隙含水巖組、碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組兩種。

（1）松散巖類孔隙含水巖組在研究區內廣泛分布，巖性以粉質黏土、細砂、砂質黏土、粗砂、黏土為主。塌陷點周邊地區第四系厚度較薄，孔隙含水層基本無水。區域上孔隙水多呈不規則條帶狀展布，主要賦存于沖積和沖洪積的各類砂層的孔隙之中。主要含水砂層埋深多在50m以淺，巖性以中粗砂、混礫砂為主，含水層厚度一般10～20m，局部超過20m。農田灌溉多取用此含水層。

（2）碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水巖組主要包括奧陶系和寒武系，巖性以石灰巖、白云巖組成為主。隱伏于第四系之下，塌陷區周邊頂板埋深為15～30m。地下水主要賦存于碳酸鹽巖的裂隙、溶隙溶孔中，單井涌水量小于1000m3/d，富水性不均，在斷裂構造影響帶富水性增強。

區域上孔隙水主要接受大氣降水入滲、河流入滲及上游側向徑流補給，通過人工開采和側向徑流排泄，現狀條件下水位埋深24m左右。巖溶水主要接受上游側向徑流補給及孔隙水的越流補給，徑流方式以水平徑流為主，排泄方式為側向徑流排泄及人工開采排泄。現狀條件下水位埋深40m左右。

區內巖溶水水位年內動態與曲阜斷塊巖溶水系統內巖溶水水位年變化趨勢基本一致（圖2），受裸露區巖溶水側向徑流補給及上部覆蓋層越流補給影響，地下水位隨降水的增大而上升，受當地開采的影響而下降，水位年變幅相對較大，年內最大變幅可達13～14m。多年動態呈現出呈振蕩式衰減的趨勢。

2 巖溶塌陷發育概況

據調查，研究區內西夏宋村1993年首次發生巖溶塌陷，變壓器房傾倒。1995年秋又一次塌陷，停于地面的農用拖拉機掉入塌陷坑內。1998年8月4日和12日，連續發生兩次地面塌陷，塌坑平面上呈橢圓形，直徑14m×8m，深4～7m，致使兩間民房整體陷落。2018年村委院內出現塌陷坑，直徑0.5m，深13～14m，并伴隨房屋開裂。2021年9月26日，大雨過后村委院內再次發生巖溶塌陷，塌坑平面上呈橢圓形，直徑5m×3m，深3m（照片1），導致院墻開裂陷入塌陷坑中，現塌陷坑已部分回填。

3 巖溶塌陷分布規律

3.1 巖溶塌陷發生的時間規律

針對研究區內自1998—2021年的塌陷情況進行歸納，區內共發生塌陷5處。調查發現，塌陷發生時間主要集中于年內豐水期（8—9月），即發生在強降雨過后，主要受到短時強降雨的影響，在時間上具有集中突發的特點。

3.2 巖溶塌陷發生的地域規律

塌陷發生具有一定的地域性。首先，研究區內巖溶塌陷沿地下水主徑流帶分布。該處地下水流動速度快，對上覆土層的沖刷淋濾作用強。其次，塌陷發生于第四系厚度較薄且巖溶發育強烈的地區。西夏宋村發生巖溶塌陷的地方第四系厚僅為10～20m左右。根據以往研究，砂層厚度較大時粉質黏土、黏土較易發生塌陷，隨著砂層的逐漸變薄，發生巖溶塌陷的程度變緩［6］。塌陷點周邊第四系厚度小于20m，巖性以粉質黏土、砂層、黏土為主，砂層厚達5m（圖3），顆粒粗且較松散，黏性低，容易受到地下水的沖刷。

山東省巖溶塌陷區大多分布于寒武 ?奧陶紀的灰巖、白云巖中［1］。研究區內為寒武 ?奧陶紀炒米店組灰巖，質地相對較純、較軟，相同的地下水條件下，更易于被溶解溶蝕，形成發育良好的溶孔、溶洞。

區內巖溶塌陷沿斷裂帶分布。研究發現，山東省目前發生的巖溶塌陷大多分布在斷裂周邊500m范圍內，隨著與斷裂帶距離的增加，塌陷數量逐漸減少，斷裂發生與構造斷裂具有明顯的相關性。因為斷裂帶及其周邊地區，巖石較破碎，地下水對基巖的溶蝕作用強烈，大多屬于巖溶強發育地段，具備巖溶塌陷發生的基本條件。研究區內根據物探分析結果，推測發育有一次級斷裂，巖溶發育較好。

綜上所述，研究區內巖溶塌陷的發生在時間上具有突發性，與豐水期強降雨具有明顯的關系；空間上主要發生在上覆第四系蓋層較薄的地下水主徑流區及斷裂帶附近，受地層構造與水位的雙重影響。因此，若要分析研究區內巖溶塌陷發生的原因，必須要結合區內的地質、水文地質條件綜合分析。

4 巖溶塌陷成因分析

從西夏宋村已發生的巖溶塌陷的情況分析，巖溶發育程度、上覆第四系厚度及巖性是巖溶塌陷發生的物質基礎條件。此外，巖溶水的勢能是巖溶塌陷物質遷移及產生潛蝕的動力條件，沒有水流的流動沖刷，不可能發生巖溶塌陷。因此水動力條件是巖溶塌陷發生的最主要誘發因素。

4.1 巖溶發育程度

可溶巖的裂隙及洞穴的發育情況對巖溶塌陷的發生至關重要。它們可成為巖溶塌陷的物質轉移通道，巖溶洞穴亦可成為容納上覆土層塌落體的場所。根據物探及相關鉆探成果資料，研究區內巖溶發育程度分析圖如圖4所示。

受防山斷裂、息陬斷裂及其次級斷裂（圖中推測斷裂F1）影響，研究區內巖溶裂隙沿構造帶及其交會部分發育強烈，而巖溶塌陷的發生地帶與巖溶發育強烈地帶分布一致，即巖溶越發育的地方越有利于巖溶塌陷的形成［13］。發生巖溶塌陷的西夏宋村西地勢較低洼，地下水徑流迅速，上覆第四系砂層較厚且松散，在地下水流的沖刷作用下不斷陷落，土洞逐漸變大，當其無法承受上覆土體壓力時，便在地表發生了巖溶塌陷。

4.2 上覆第四系厚度及結構

根據鉆探成果資料（鉆孔位于西夏宋村委北側），研究區上覆第四系松散層為山前沖洪積堆積物，厚度小于20m，研究區屬淺覆蓋型巖溶區。巖性以粉質黏土、黏土、砂層為主，砂土與黏土互層。砂層和灰巖之間無有效的隔水層，整體上覆土層松散，容易因地下水流動沖刷形成土洞，從而產生巖溶塌陷。

以往研究成果顯示，地面塌陷絕大多數發生在覆蓋型巖溶區，覆蓋層是巖溶塌陷發生的主體，其厚度和結構直接影響巖溶塌陷的易發程度［17 ?19］。綜上，西夏宋村巖溶塌陷區土層厚度相對較薄，且夾有砂層，為巖溶塌陷的發生提供了必要的基礎條件。

4.3 水動力條件

地下水水位統測資料顯示，塌陷區位于地下水主徑流帶上，小湖村方向的地下水由東北向西南方向流動到此，劉莊、中元疃方向的地下水由東南方向向此區流動，兩個方向的地下水在此匯聚，形成一處強徑流帶，長年累月，地下水對灰巖的溶蝕作用強烈，溶洞溶孔逐漸增大，強降雨過后，上覆土層充水增重，加之淋濾沖蝕作用，繼而發生巖溶塌陷。

5 巖溶塌陷形成機理分析

研究區巖溶塌陷的形成是以地質、水文地質條件為基礎，多種因素共同作用形成的［20 ?23］。

西夏宋村巖溶塌陷區上覆第四系厚度較小，以粉質黏土和砂層為主，在地下水流沖刷作用下極易散落液化，抗塌能力漸弱。

此外，從降水量與地下水位、巖溶塌陷時間關系圖可以看出（圖5），西夏宋村巖溶塌陷區巖溶水水位長期位于基巖頂板以下，第四系長期處于疏干狀態。強降雨過后，雨水通過第四系入滲到基巖巖溶裂隙中，水位快速抬升。強降雨的快速沖刷和入滲，一方面導致第四系覆蓋層土體迅速充水增重，另一方面對第四系土體的軟化沖刷作用導致土體逐漸松散，并且沖刷帶走砂層中的顆粒，久而久之，形成地下水下滲的快速通道，地下水的沖刷力量也就更大。而降雨引起地下水徑流增大，對構造溶隙溶洞的溶蝕作用加強，從而導致上覆土體失穩塌陷。

綜上，研究區發生巖溶塌陷的機理可大致簡化為，在淺覆蓋型巖溶區，由于自然及人為因素作用，形成地下水強徑流區。第四系松散層砂土顆粒遭受地下水沖刷遷移以及真空吸蝕作用，土層完整性被破壞，形成土洞。強降雨期，在水的侵潤軟化增荷作用下導致的失穩塌陷。

6 巖溶塌陷防治措施

（1）合理規劃地下水的開采，避免因地下水過量開采導致的巖溶塌陷是預防巖溶塌陷的最有效方法［24］，研究區內需嚴控地下水開采量，使地下水位得以抬升至基巖頂板標高以上，避免地下水位的陡升陡降對上覆土層的持續沖刷，繼而避免土洞的持續擴大。

（2）根據以往巖溶塌陷規律，提前制定相應的應急預防措施。西夏宋村巖溶塌陷點周邊均為民居，需提前將周邊居民進行遷移，降低對群眾生命財產的影響。

（3）對塌陷區的水位動態及地面形變進行監測預警，便于分析判斷災害的發生發展趨勢，為及時采取應急措施提供科學的依據［25 ?27］。研究區塌陷點周邊可設置地下水位長期自動化監測點，以實時監測地下水位的變幅情況，為巖溶塌陷提供預警信息。

7 結論

研究區巖溶塌陷的發生綜合受上覆第四系厚度、地質構造及巖溶發育等基礎條件的影響。較薄的第四系厚度及較強的巖溶發育都為塌陷提供了基礎物質條件。短時強降雨成為巖溶塌陷發生的主要誘發因素。做好塌陷區應急預案、合理開采地下水、形成巖溶塌陷動態監測預警網絡等是減輕巖溶塌陷災害發生損失的有效手段。

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Origin Analysis and Prevention Measures of Karst Collapse ??in Xizou Town in Qufu City in Shandong Province

LIN Linlin，LIU Bintao，YANG Chen，WANG Xuesen，KONG Ming

（Lu'nan Geo ?engineering Exploration Institute（No.2 Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources ），Shandong Ji'ning 272100，China）

Abstract： ?Karst collapse has occurred many times in Xizou town in Qufu City since 1993， which has caused a great impact to local economic development. Based on full analysis of geological and hydrogeological conditions in the study area， combining with the field survey， geophysical exploration， hydrogeological drilling and other data， the distribution law and causes of karst collapse in the study area have been deeply analyzed， and prevention measures have been proposed. It is found that most of the karst collapses occurred in the flood season （August—September）. They are mainly affected by short ?term heavy rainfall， with the characteristics of concentration and sudden in time. In space， it is mainly controlled by geological structures and groundwater runoff， mainly distributed near the fault zone and on main groundwater runoff zone. The change of groundwater dynamic conditions caused by rainfall is the main factor inducing karst collapse.

Key words： ??Karst collapse；distribution law；forming origin；prevention countermeasures; Qufu city; Shandong province