新泰市果都镇岩溶塌陷形成原因

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　　一、前言
　　摘要：查明了岩溶塌陷的地质背景条件，分析了岩溶塌陷形成机理，查明了地质灾害形成原因，为岩溶塌陷防治提供地学依据。
　　关键词：果都；岩溶塌陷；评价
　　
　　果都是一个拥有3万多人口的城镇，位于新泰市中北部，柴汶河畔北岸。2007年果都镇辖区的梁家庄―马家庄一带相继发生了一系列地质灾害（岩溶塌陷），造成房屋下沉、变形、开裂，无法居住、农田道路被毁、交通中断等，给人们的正常生活造成严重影响，给人们的生命财产安全造成严重威胁，并在部分群众中引起了恐慌。灾害发生后，党和政府对此次灾害十分重视和关注，紧急组织专家进行了调查。
　　
　　二、地质背景
　　岩溶塌陷发生地位于果都镇西3.5km处的梁家庄、王家庄、马家庄三个行政村，南北长约1750m，东西宽约750m，地理坐标：东经117°27′56″~117°28′6.3″，北纬35°57′58.6″~35°58′12″。调查区位于华北地台鲁西中台隆，属新蒙凹断束的一部分。以N~NE倾向单斜断块构造为主要构造特征。区内地形起伏变化不大，北高南低，地貌类型为冲洪积堆积地貌。区内地层发育较齐全，出露地层由老至新主要有太古界泰山群、寒武系、第三系及第四系。寒武纪地层零星出露于工作区西北部的大东庄一带，角度不整合于太古界泰山群之上。岩层走向多为北西~南东向，倾向大部为北东，倾角15°~30°地层岩性为猪肝色含云母质砂质页岩、薄层灰岩、中厚层鲕状灰岩、结晶灰岩、泥质灰岩及泥质条带状中厚层灰岩。本层厚度大于200m。奥陶纪地层分布于工作区以南的宫里一带有所出露。与寒武系呈整合接触，岩层走向北西，倾向北东，倾角15°~30°。其中，冶里~亮甲山组下部为薄层状白云质灰岩夹数层小竹叶状白云质灰岩；中部为含燧石结核之中厚层白云质灰岩；上部为中厚层白云质泥质灰岩，厚度49m~298m。马家沟组以深灰色、灰白色致密厚层状纯灰岩为主，夹薄层泥质灰岩、豹皮状灰岩和含矽质结核灰岩。该组灰岩质纯且厚度大，灰岩岩溶、裂隙较发育，地下水赋存丰富。第三系在工作区缺失。零星出露于工作西北部的大东庄一带，与下伏中生代地层呈角度不整合接触，地层走向为310°~330°，倾向NE，倾角10°~27°，岩性主要为砖红色石砾岩、角砾岩及砖红色砂岩夹泥灰岩，角砾分选性差，个别直径大于0.5m。第四系分布广泛，调查区基本上均为第四系所覆盖，冲洪积成因。由于区域内新构造运动以上升为主，故第四系厚度较薄，一般小于30m，柴汶河岸边第四系厚度自东向西逐渐加宽变厚。地层岩性底部为角砾石层，厚度近10m，由花岗岩、灰岩、砾岩等组成，粒径较大，一般在0.2m左右，大者可达1m。中部为含砾石透镜体的红色粘质砂土，厚约4m。上部为粉质粘土夹1~2层中粗砂层，砂层厚度约2m。
　　三、岩溶塌陷的分布特征
　　根据调查工作可知，灾害区岩溶塌陷具有明显的分布规律性，表现如下：
　　1、所有灾害点均分布于南至天宝―果都公路，北至莲花山断层以南，东至马王河，西至灰岩出露点，面积约0.75km2的范围内。
　　2、灾害区盖层多为上部粉质粘土、中粗砂层、下部为漂砾石层的二元结构，厚度不大，均小于30m。灾害区位于“天窗”位置，即缺失第三系地层，第四系松散层与下伏灰岩直接接触。
　　3、形成塌陷点的地段地下开口溶洞较发育，地表塌坑平面形态为椭圆形，剖面形态呈漏斗状，灾害区位于地下水径流区到排泄区的过渡带上。
　　四、岩溶塌陷现状
　　据调查，工作区以往没有发生地质灾害现象。本次灾害发生地面塌陷2处，地面沉陷2处，由地面沉陷引发的房屋变形、开裂等共涉及梁家庄、王家庄、马家庄三村25户（110人）居民。
　　1、梁家庄岩溶地面塌陷（1号点）
　　新泰市果都镇至天宝镇公路梁家庄村路段发生岩溶地面塌陷（1号点），为中型塌陷。塌陷点地理坐标：东经117°28′2.5″，北纬35°57′35.6″。塌坑呈椭圆形，东南~西北向展布，坑深约6m，塌坑剖面形态呈漏斗状。塌陷发生后，公路部门立即组织人员用砂石土将塌坑填平夯实，用砂石土约90余方。塌陷发生处南面10m处的两户房屋产生墙裂缝。一条裂缝由房梁呈130°方向直通地面，裂缝长约5m，宽0.1~0.5cm。
　　2、王家庄村南地面塌（沉）陷（2、3、4号点）
　　（1）塌陷
　　王家庄村西南200余米王茂春家粮田发生地面塌陷（2号点），为中型塌陷。塌坑点坐标：东经117°28′3.6″，35°57′48.6″。7月6日，塌坑呈椭圆形沿40°方向展布，长轴长9m，宽6m，塌陷体下沉0.40m，坑口处裂缝宽达0.2m，裂缝可插入2m长的木棍，塌坑剖面形态呈漏斗状。
　　（2）沉陷
　　地理坐标：东径117°28′4.8″，北纬35°57′49.2″。与2号点同日发生。呈椭圆形，南北长7.6m，东西宽6.9m，中心下沉0.25m。塌坑西边裂缝明显，宽2cm。7月8日大雨之后，变化不明显。7月2号发现，地表出现明显沉陷，未发现裂缝。大雨之后未见变化。
　　3、马家庄房屋变形
　　本次对马家庄村的民房行了详细调查，产生房屋变形及裂缝的共计12户，分布于马家庄村中西部。12户房屋均表现为地裂缝、墙裂缝。有的墙体变形，地面敲击有“咚咚”空鼓声。
　　4、王家庄房屋变形
　　王家庄民房产生裂缝共计4户。
　　五、岩溶塌陷形成机理
　　岩溶塌陷是隐伏岩溶地区的一种重要地质灾害，因此，作为这种特定的地质、水文及工程地质条件下的特殊地质灾害，其具有自身独特的形成条件。岩溶塌陷是开口岩溶发育区上覆松散盖层岩土体在内外动力条件作用下产生的破坏、塌落现象。开口岩溶、上覆松散盖层岩土体及动力条件（主要是可改变的地下水动力条件）是形成岩溶塌陷的三要素（图4-1），只有在具备了以上三要素的基础上，才有可能产生塌陷。
　　（一）隐伏灰岩岩溶发育条件
　　开口岩溶是坍塌岩土体的暂时储存场所和物质运移通道，也是地下水动力条件形成的重要环境。开口岩溶洞穴、隙的存在，成为上部水体补给岩溶水的大门，使岩溶裂隙水与松散岩类孔隙水或地表水体之间的联系增强。在岩溶裂隙水下降时，上下两部分水体之间的水力梯度增大，上层或地表水补给岩溶水，在开口岩溶洞穴周围形成渗流途径，该渗流场随着岩溶水不断下降而增强，对盖层岩土体产生潜蚀作用与渗透力作用；同时在岩溶水下降低于基岩顶板时，在开口岩溶空腔内部产生真空负压吸蚀力，在盖层底板产生吸盘吸蚀力。另外，开口岩溶洞穴的存在，成为上覆松散盖层的天然“临空面”，在内外动力作用下，这种天然“临空面”的存在加速了土体的破坏，破坏塌落或被潜蚀携带走的盖层土体暂时贮存在洞穴空腔中，后在水动力条件下逐渐转移清空，造成盖层土体的再次破坏，最终使上覆盖层失去支撑平衡状态被打破而陷落。
　　因此，岩溶塌陷经历了塌土―空腔被充填―积土被冲刷―再次塌土―土洞向上扩展―地表沉陷―地表塌坑形成的过程。开口溶洞上覆的松散岩土体是岩溶塌陷的物质基础。形成岩溶塌陷的地层一般为二元结构，即第四系松散物直接覆盖于开口溶洞、隙发育的灰岩地层之上（天窗地段），同时具备一定厚度的松散覆盖层（山东省一般小于30m）。岩溶塌陷是盖层土体的破坏塌陷，因此，在裸露岩溶发育区不可能形成岩溶塌陷。覆盖层一般是各类第四系松散土层，也可以是组成岩溶洞、隙顶板盖层的岩性软弱或风化的各类破碎基岩，如各种可溶岩、碎屑岩等。盖层土体既是塌陷的破坏体，也是影响塌陷的重要因素，其物理力学性质（抗剪强度指标，孔隙比，含水量、自重、渗透系数等）、结构组成及厚度等都对岩溶塌陷的形成产生明显的控制作用。

　　（三）动力条件
　　易于改变的地下水动力条件也是形成岩溶塌陷的主导因素。
　　1、下水位下降的失托增重作用
　　岩溶地下水位下降，使其对覆盖层或土洞顶板的浮托力消减，相当于使土体自重增加。失托增重作用使盖层或土洞顶板的隐定性降低。
　　2、渗透潜蚀作用
　　岩溶地下水位的下降，使地下水的坡降和流速增大，动水压力增强，从而对岩溶洞隙通道中的松散充填物和覆盖层产生侧向潜蚀、冲刷和掏空作用。其结果，岩溶洞隙充填物被搬运带走，在盖层底部的洞隙开口处产生空洞，成为土洞雏形。空洞形成后，一方面继续受到岩溶下水流的潜蚀、冲刷（这种作用当岩溶地下水位在基岩面附近波动时最为强烈，当其降至基岩面以下时即行消失）；另一方面，覆盖层中的地下不及入渗地表水向着洞隙开口处的空洞向下渗透和汇聚，补化岩溶地下水，在覆盖层中，水流的渗透压力产生垂向的渗透潜蚀作用。这种作用随着岩溶地下水位的下降，水头差的增大而加强，当水位降至覆盖层底板时，其水力坡度最大（可接近1），潜蚀作用也最强。
　　3、负压吸蚀作用
　　当岩溶地下水位下降至覆盖层底板以下、由承压转为无压时，在岩溶空腔中的水、气形成了负压，对盖层产生了附加吸力而使其遭到吸蚀剥落并向下迁移。对于上覆土层中所含水，负压使其增加了向下渗透的附加水头，从而加剧了对土体的潜蚀作用，加速了土体的破坏和土洞的形成与扩展。负压的大小取决于覆盖层的封闭程度和水位的下降速度，在完全封闭的条件下，其理论最大值为一个大气压。
　　4、地下水位波动的散解作用
　　抽、排水导致地下水具有比自然条件下更大的波动，地下水通过洞、隙开口处的反复升降运动，对覆盖层产生浮托力的反复增减，并使之反复饱和失水，其结果使覆盖土层底部及沿裂隙的土体遭到崩解、散体、剥落而向下迁移，形成土洞并向上扩展。即使在自然条件下，地下水位的波动也能形成土洞，这些土洞位于基岩面附近外，还多见于水位的季节变动带中。
　　六、岩溶塌陷形成原因
　　（一）岩溶发育情况
　　由坑探、物探及域调查资料可知，调查区灰岩隐伏于第四系之下，属覆盖型灰岩区，并缺失第三系地层，即第四系松散物与下伏奥陶系灰岩直接接触，形成“天窗”。下伏灰岩开口溶洞较发育，各地段发育程度不一，同时岩溶发育段受莲花山断层的控制影响，局部开口溶洞较大，为岩溶塌陷的发生创造了物质运移空间。
　　（二）第四系覆盖层分布特征
　　区内第四系岩性为粉质粘土、砂砾石层二元结构，为冲洪积成因，厚度小于30m，垂直裂隙较为发育，土层结构疏松，并发育有东西向活动的莲花山断层，该断层断距达2000m，受其影响断层附近伴生的小构造裂隙极为发育，因此孔隙水与灰岩水的联系较为密切，底部的砂砾石层在地下水强烈波动之下极易被冲刷破坏。
　　（三）动力条件
　　1、地下水动力条件
　　据区内地下水动态监测资料可知，区内地下水动态受降水及人为开采影响明显，区内以往第四系孔隙水水位埋深在2~6m左右，受气候干旱降水量减少开采量增加的影响，现在水位埋深已降至7~10m左右。第四系孔隙水与下伏基岩水联系较密切，第四系孔隙水又是灰岩水主要的补给来源，使降水或地表水很容易的迅速补给岩溶水。区内地下水处于径流区到排泄区的过渡带上，受地势和南面（宫里一带）相对开采量大的影响，一般由北向南或西南方向径流。因此，地下水水位变幅大，波动强烈，动力条件充足。此次塌陷发生于年水位很低的时段（5月30日），区内大量水井干枯或水位下降水量变小。随着雨季的来临造成雨水大量补给，产生充沛的动力条件，长期被疏干的土体在快速浸水近饱和的情况下极易破坏。岩溶水水位多年的频繁变化，导致地下水的坡降和流速增大，动水压力增强，从而对上覆第四系松散物产生潜蚀、冲刷等作用，周而复始的潜蚀、冲刷等动力作用使第四系空洞不断扩展影响到地表，最终产生塌陷。
　　2、其它动力条件
　　果都至天宝公路是区内的主要运输通道，运行车辆多为大型载重大的运煤车，车辆的运行振动，引发了岩溶塌陷或加剧了岩溶塌陷的形成。1号塌陷点的发生与车辆的运行振动有关联。
　　七、结语
　　灾害区地质环境条件具备了形成岩溶塌陷的三要素。岩溶塌陷的发生，是各种自然因素和人为因素长时间综合作用的结果。重点防护区内的住户进行搬迁避让。尽快落实救灾政策，使受灾群众安居乐业。

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