廣西玉林市上垌村巖溶塌陷特征及形成機理探討

◎韋紹鵬，符瑞結，周金海

一、研究區概況及巖溶塌陷基本特征

研究區位于廣西玉林市福綿區新橋鎮五金村委上垌自然村。經現場走訪調查可知，自2011 年以來上垌村一帶發生了40 多處地面塌陷災害，塌陷點主要位于村內集中抽水井的上游，即抽水井北東方向，大致呈條帶狀集中分布，塌陷多發生在農田、民房下、道路邊、果園或荒田等地。塌陷坑口形狀主要呈類圓、橢圓形，少數為不規則形，其剖面形態呈碗狀、漏斗狀。單個塌陷坑直徑一般小于5 米，小部分5 ～14 米；坑深普遍0.5 ～5 米，大的8 米；坑口面積以3 ～15 平方米的為主，最大的178平方米，單個塌陷坑規模以小型為主（見圖1）。在塌陷坑附近地帶，局部產生弧形、環圓形、直線型的地面裂縫，裂縫最寬0.12 米，裂縫長度2 ～15 米。

圖1 上垌村巖溶地面塌陷平面分布圖

二、上垌村地質環境背景

（一） 氣象水文

研究區為南亞熱帶季風性氣候，雨量充足，年均降水量約1 600 毫米，受海洋季風影響，雨季（4—9 月份）降水量占整年的70%左右。

研究區東側發育有一條小溪河，總體上自北向南流，最終匯入南流江，河寬1 ～3 米，水深0.3 ～0.8 米，流量約0.3 米3/秒。此外，在研究區的北東側分布有水塘，水深1 ～2 米，西側有一條灌溉水渠通過。

（二） 地形地貌

研究區附近一帶所處地貌類型為丘陵谷地，谷地呈寬緩狀，寬50 ～200 米，切割深10 ～30 米，沿北東—南西向主構造線方向延伸。地面標高在70 ～72 米，谷地屬第四系淺覆蓋型巖溶區，多為村民集中居住區和農田。谷地兩側為丘陵，丘陵標高在95 ～99 米之間，與谷地高差25 ～29 米，丘陵山坡自然坡度較為平緩，一般小于15°。

（三） 地表巖溶形態

根據現場調查，研究區地表巖溶形態主要表現為巖溶洼地，其零星分布于丘陵谷地中。巖溶洼地平面形態多呈似橢圓形，長10 ～40 米，寬8 ～20 米，面積80 ～800 平方米，高程低于四周1 ～3 米。受大氣降雨及地下水動態變化的影響，雨季時巖溶洼地因積水常形成水塘和魚塘，旱季時水位回落形成低洼荒地，部分洼地經回填后為當地居民建房使用。

（四）地層巖性

研究區屬于第四系淺覆蓋型巖溶區，覆蓋層主要為紅黏土（Qel），一般自上由硬塑過渡到可塑、軟塑甚至流塑狀態，層厚一般3 ～5 米，局部8 ～10 米，具有膨脹性。下伏基巖為灰巖、白云質灰巖（D2d），灰白—灰色，微晶結構，厚層狀—塊狀，裂隙較發育，巖石質硬性脆。根據鉆孔數據，在基巖鉆進中，遇洞率為47%，線巖溶率為6.4%。巖溶洞隙個體規模差異較大，洞高在0.4 ～6.2米，淺層巖溶中等發育，局部為強發育。

生態學是一門綜合性很強的基礎學科。隨著科學研究的不斷深入，生態學的內容逐漸豐富。生態學作為一門高校專業必修課程，在熟悉和掌握生態學理論知識的基礎上，還應該培養學生的動手能力、創新意識，獲得一些從事生態管理的基本技能。通過課堂教學增強學生的生態倫理觀念和生態環境保護意識，指導學生塑造新的消費理念和生活方式，體現出理論與實踐的完美結合。因此，生態學教學方式也必須與時俱進，才能更好地吸引學生的注意力，提高教學效果。

（五）區域地質構造

區域構造上該地處于六萬山隆起帶的南側，太安褶斷帶（博白至梧州深斷裂帶）從該區通過，區域構造線方向以北東—南西向為主。太安褶斷帶由坡塘斷裂、深水塘斷裂、計塘斷裂、朱砂垌斷裂、太安斷裂、六司斷裂、坡江斷裂等10 條大小斷裂及北均塘背斜、朱砂垌背斜、沖口倒轉向斜、六司向斜等20 多個背斜、向斜組成，寬4 000 ～7 000 米，大致呈北東50°走向。受斷裂構造影響，區域內巖石節理裂隙較發育，特別是垂直節理裂隙十分發育。

（六）水文地質條件

研究區內的地下水類型可劃分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水兩大類。松散巖類孔隙水含水層主要由殘積層紅黏土組成，其含水透水性差，水量貧乏。紅黏土層厚3 ～5 米，局部8 ～10 米，總體上孔隙水含水層薄、埋藏淺，孔隙水與下伏巖溶水具有較密切的水力聯系。碳酸鹽巖類裂隙溶洞水為覆蓋型巖溶水，為研究區主要含水層，其賦存于灰巖、白云質灰巖等碳酸鹽巖的溶隙、溶洞和巖溶管道中。富水性受巖溶發育程度影響較大，研究區下伏基巖的巖性主要為厚層狀—塊狀灰巖、白云質灰巖，巖溶中等發育，局部強烈發育，單井出水量每天大于1 000 立方米，水量較為豐富。

研究區內地下水主要接受降雨補給以及附近丘陵地帶碎屑巖基巖裂隙水的側向補給，谷地地形較平坦，容易接受大氣降雨入滲補給。此外，在農田灌溉期間還接受灌溉水的入滲補給。地下水總體上自東北向南西徑流，最終排泄入南流江，局部的淺部地下水排泄入南東側小溝溪中。由于該地機鉆井較多，因此村內開采抽取地下水也是地下水排泄的形式之一。谷地內地形較平坦，水力坡度平緩，地下水徑流排泄速度緩慢。

研究區地下水埋藏較淺，地下水位埋深一般0.3 ～2 米，水位年變幅一般1 ～5 米。在農業灌溉區，農田灌溉水入滲引起地下水呈季節性上升較為明顯，地下水位略低于農田水位。受集中抽水井抽水的影響，水位動態變化較大，在抽水井附近的水位降深4 ～8 米。

三、巖溶塌陷形成機理分析

（一）形成條件

1.巖溶發育程度

研究區位于上游寬、下游窄的喇叭狀巖溶谷地之中，有利于匯集大氣降水，區域內地層巖性主要為灰巖、白云質灰巖等碳酸鹽巖，厚層狀—塊狀，質純，易溶蝕。根據鉆孔數據，基巖面高程61.95 ～70.25 米（1985 國家高程基準），埋深0.94 ～10.20 米，基巖面起伏較大，巖溶形態有溶洞、溶溝、溶槽、溶孔、溶蝕裂隙等。在基巖鉆進中，遇洞率為47%，線巖溶率為6.4%，巖溶個體規模差異較大，洞高在0.4 ～6.2 米，溶洞主要分布在深度30 米以內，溶洞多為全充填或半充填，充填物為軟塑—流塑狀黏性土，淺層巖溶中等發育，局部發育強烈，巖溶裂隙連通性較好，成為塌陷物質的儲集空間和運移通道，具備巖溶塌陷的空間條件。區域上太安褶斷帶（博白至梧州深斷裂帶）從該區通過，受此地質構造影響，巖石裂隙較發育，巖體較破碎。另外，研究區北西及南東側的碳酸鹽巖與碎屑巖接觸，受斷裂破碎帶導水作用及谷地兩側碎屑巖隔水作用影響，谷地下伏巖溶基本上沿斷裂帶以及碳酸鹽巖與碎屑巖接觸帶呈北東—南西走向發育，推測該帶為一條巖溶發育強徑流帶，巖溶水流向集中、水交替頻繁，抽水深井之間的水位反應敏感。以上這些地形地貌、地層巖性及構造為巖溶發育創造了基本條件。根據以往經驗，巖溶發育強度越大，越容易發生巖溶地面塌陷。

2.覆蓋層特征

研究區一帶上覆土層主要為殘積層（溶余堆積）紅黏土，褐黃色、褐紅色，硬塑—軟塑狀，土質較均勻，裂隙較發育，韌性較高，無搖振反應，含約5%的鐵錳質結核，粒徑一般2 ～5毫米。其層位及厚度變化較大，層厚多為3 ～5米，大的8 ～10 米，該覆蓋層厚度對巖溶地面塌陷的發生較為有利。研究區紅黏土在垂直方向上狀態變化大，隨著深度增加，紅黏土的天然含水量、孔隙比和壓縮性等有較大的增高，液性指數、含水比也相應增大，其狀態逐漸由硬塑、可塑過渡到軟塑，強度大幅度降低，因此紅黏土具有上硬、下軟、遞變的特征，巖層面的土體受地下水動態變化的作用，一般較軟弱，特別是溶洞或溶隙面上的黏土一般呈軟塑—流塑狀態。另外，覆蓋于碳酸鹽巖之上的紅黏土屬于原生紅黏土，為特殊性巖土，具有一定脹縮性。

3.地下水活動

研究區位于地下水補給—徑流區內，地下水自北東向南西方向徑流。在天然狀態下，谷地內地形較平緩，地下水埋藏較淺，豐水期地下水位埋深一般0.3 ～2 米，地下水位高程在70.38 ～71.70 米，水力坡度在0.2%左右。在豐水期農田灌溉期間，地下水位略低于農田水位，地下水位一般在土層與基巖面接觸帶間附近波動。地下水水位的活動部位對巖溶塌陷地質災害的發生極為有利。

根據實地訪問，上垌村在2009 年以前主要以一戶一井的淺井（手搖井）開采地下水，抽水量較小，水位動態變幅小，地下水流場基本保持天然狀態，未形成明顯的地下水降落漏斗。因此，在天然狀態下，巖土層能保持穩定不致塌陷。

研究區內對地下水影響的人類工程活動主要為人工抽汲地下水。在2009—2012 年間，五金村委上垌自然村為解決村民的用水問題，陸續在谷地中鉆（深）井抽取地下水作為當地村民的生活用水，并打了部分農灌井抽水作為抗旱灌溉用水。研究區內有機鉆井（深井）8 口，井深在40 ～70 米之間，一般抽水量每天約800 立方米，在2015 年3—5 月農灌井抗旱抽水期間，鉆井抽水量每天4 440 立方米。

（二）形成機理

人為鉆井抽水造成的地下水位大幅升降是研究區發生巖溶地面塌陷的主要原因，當地下水上下活動劇烈時，對上覆土層產生一系列地質物理作用，其中比較明顯的有潛蝕、負壓吸蝕、失托等。在這些地質物理作用下，覆蓋土層內部原始應力平衡狀態被打破，從而導致局部發生變形破壞形成土洞，土洞不斷向上發展成拱形，洞頂土層越來越薄，進而失去平衡導致地面陷落。

1.潛蝕作用

機鉆井抽水期間，地下水位動態變化大，流場發生較大變化，期間形成地下水降落漏斗，水力坡度變大，地下水流動速度加快，對上覆土層的潛蝕搬運能力加強，基巖面土層較為軟弱，其細小顆粒在地下水的潛蝕下更易被搬運帶走。 此外，在地下水大幅升降過程中，紅黏土浸泡時膨脹，干燥時收縮，反復膨脹收縮導致裂隙產生，有利于降雨或灌溉用水等地表水下滲，加快潛蝕作用，破壞土體結構而形成土洞。

2.負壓吸蝕作用

地下水位急劇下降至一定程度時，在巖溶洞隙中形成真空負壓力腔。壓強差會產生強烈的吸蝕作用，直接加速土洞洞壁的解體和剝落。另外，在負壓力作用下，加快了地下水滲流的速度，從而進一步加強其對土洞周圍土體潛蝕作用，加速塌陷的形成。

3.失托作用

在天然狀態下，研究區的地下水位埋藏較淺，地下水對上覆土層有一個垂直往上的浮力，地下水位隨著大量抽水活動陡降后，其托浮力失去或減小，造成土體自重大于抗塌力，導致塌陷的發生。

四、建 議

根據研究區巖溶塌陷的特征、基本地質環境條件、巖溶塌陷的形成機理，研究小組提出以下5 點防治地面塌陷災害的建議。

1.嚴禁私自挖、鉆水井，禁止現有機鉆井及農灌井抽取地下水，統一供應市政自來水，避免過量抽汲地下水。

2.利用已有鉆井作為監測井，建立地下水監測網絡，對地下水的水位及開采量進行監測。

3.在塌陷坑、裂縫周邊設置完善的排水系統，或采用彩條布鋪蓋方法防止雨水沖刷和入滲，以防引發地質災害。

4.對位于農田、果園、荒地上的現狀塌陷坑或隱患點，可采用先開挖再回填的措施進行治理。對于房屋內或房屋附近的塌陷坑，開挖清除可能會影響建筑物的安全，可采用先回填塊碎石，再進行注漿加固的方法治理。

5.對開裂、下陷的房屋進行安全鑒定，如為危房，應進行拆除搬遷。

致謝：感謝廣西海洋地質調查院楊敏高級工程師對此次研究的技術指導！