论岩溶地下水位对岩溶塌陷形成的控制作用——以山东枣庄市岩溶地面塌陷区为例

袁 杰，高宗军，马海会

(山东科技大学 地质科学与工程学院，山东 青岛 266510)

论岩溶地下水位对岩溶塌陷形成的控制作用
——以山东枣庄市岩溶地面塌陷区为例

袁 杰，高宗军，马海会

(山东科技大学 地质科学与工程学院，山东 青岛 266510)

枣庄市是山东省岩溶地面塌陷的主要发育地区之一，岩溶地面塌陷灾害连年发生，给当地的生产、生活造成巨大经济损失，已成为该地区经济发展的制约因素。本文对该地区的地质条件、塌陷现状及岩溶地面塌陷的分布规律进行了分析归纳，从中得出枣庄岩溶地面塌陷容易发生在:在第四系厚度为5～10m的地段，时间为每年4～9月份，地势低洼处。本文从压力差的角度，在简要分析岩溶管道的发育程度、盖层条件的基础上，分析了地下水位在枣庄地面岩溶塌陷的控制作用，并以此为依据简要提出了几个防治建议。

枣庄;岩溶地面塌陷;压力差;控制作用;地下水位

0 引言

枣庄市是山东省重要的煤炭能源基地，是京沪铁路的途经之地，有着悠久的文化历史背景，该地区的经济发展具有非常重要的战略意义［1］。然而，随着全市工业的迅速发展、城市规模扩大及岩溶水资源开采量的不断增加，在枣庄市的几个供水源地周围，发生了较大范围的岩溶地面塌陷，其中十里泉-东王庄水源地附近尤其严重，这给当地的经济生活造成了大的影响。本文结合前人研究情况［2-8］及其现场考察情况，分析研究了枣庄岩溶地面塌陷的形成机理。

1 地质概况

枣庄市地处鲁中南低山丘陵区，四周高，中部低且有起伏，其东、南、西三面为地表分水岭。出露地层有古生界寒武系长清群(C—c)、九龙群(C—j)、奥陶系(O)、石炭系(C)、二叠系(P)和新生界第四系(Q)。变质侵入岩仅在枣庄断裂以北有出露。其中九龙群三山子组和马家沟组分布于盆地南部，白云岩、石灰岩开口型裂隙和浅部岩溶发育，是产生岩溶地面塌陷的基础;在山前地带广泛发育第四系，厚度一般小于10m。其岩性主要由结构松散的粘质砂土、含砾的砂质粘土所组成。区域地质构造复杂，构造以近东西向展布的枣庄向斜和断裂为主，断裂主要有3组:北西向的曹王墓断裂(西与化石沟断裂相交，向东南经曹王墓、焦山头、师山口向东南延伸，北盘上升，南盘下降的正断层)、枣庄断裂(为北盘上升、南盘下降的正断层)和北东向的田屯-苗庄断裂(正断层，该断层具有阻水性，构成十里泉水源地与丁庄-东王庄水源地的隔水边界)。

本区属于暖温带半湿润季风大陆型气候，年内降水量多集中于6～9月份，雨量充沛。区内发育齐村支流、郭里集支流、税郭支流，均为峄城大沙河支流，流经盆地西、中、东部，在裴桥一带。

地下水类型有松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水、碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙水和变质侵入岩裂隙水4大类，其中碳酸盐岩类裂隙岩溶水是区内主要开采的地下水类型。

2 岩溶地面塌陷现状

20世纪70年代开始，十里泉地段首先被开辟为枣庄市的重要工业区，之后该区和丁庄—东王庄先后被建成城市和工业供水水源地。据调查，从1981年至今，该地区共发生塌陷达136多次(表1)，形成69个塌陷坑，涉及面积50km2，均分布在两水源地降落漏斗范围内。

塌陷区内居民房屋普遍性开裂，三层以上房屋为危房，开裂房屋达5244余间，形成危房800余间［9］，其中十里泉塌陷区还致使两所学校搬迁，两名少年丧生，多人受伤，土地和水利、交通等工程设施受到严重破坏，此外塌陷还导致地表污水沿塌坑下灌，导致地下水水质污染等，严重影响了当地居民的生产生活和生命财产安全。

表1 枣庄市岩溶地面塌陷历史记录Table 1 The historical records of karst collapses in Zaozhuang city

3 分布规律

在自然条件下，由于诱塌因素的作用强度除地震外一般较弱，塌陷往往是单个产生。而对于人为塌陷由于诱塌因素作用一般较强，塌陷往往成群出现。塌陷群在时空上有一定的分布规律，其分布特征主要受控于可溶岩的分布、岩溶发育的均一程度和塌陷的发育程度。

3.1 塌陷的方向性

从图1中可以看出地质构造控制着枣庄岩溶地面塌陷的发生。有利于岩溶发育的地质构造线制约着岩溶的发育与分布，岩溶的发育与分布又支配着地面塌陷的展布规模。

1)岩溶地面塌陷群的方向性。枣庄地区岩溶地面塌陷主要分布在地面降落漏斗中心附近，近东西向展开，与降落漏斗的长轴方向基本相吻合。

2)塌陷坑的方向性。本区岩溶地面塌陷平面形态呈近似圆形、椭圆形和X状交叉。塌陷坑长轴方向具有明显的方向性。例如十里泉塌陷坑长轴走向主要为NNE和NWW向，丁庄-东王庄塌陷坑长轴走向主要为NW向和NE向。在剖面上，塌陷坑形态在不同时期表现各异，一般呈直筒状或漏斗状，塌陷时，在塌陷坑四周同时产生显著的环形张裂隙，呈同心圆状展布，大的裂隙宽度达15cm。有的塌陷坑在封堵后又多次重复塌陷，塌陷坑周边形成环形阶梯状地形。这与该区的岩溶裂隙发育特征相吻合。

3.2 岩溶地面塌陷具有阶段性

时间上，在20世纪70年代之前，枣庄地区没有岩溶地面塌陷发生。20世纪80年代后，随着工农业的发展及用水量的增加，塌陷陆续发生。至20世纪90年代中后期，岩溶地面塌陷又开始增多，而且1996—1998上半年出现了第二次岩溶地面塌陷高峰，约有塌陷点38个。截至2001年初，枣庄市累计产生塌陷坑近280处(包括老塌陷的复活)。此后，塌陷数量减少，但几乎年年均有发生，有的是在原有塌陷坑回填基础上重塌，有的是新塌陷点。

空间上，岩溶地面塌陷主要分布于十里泉和丁庄—东王庄水源地内。十里泉水源地塌陷最早发生于1981年4月，共出现塌陷点10处。塌陷深度一般小于10m，直径3～10m，最大达80m。

3.3 岩溶地面塌陷具有周期性

从图1中可以看出，塌陷集中发生在3～10月份，即在旱季后期及雨季初期，且塌陷多发生在降雨期间或大雨量降水后较短时间内。据统计，发生在3～7月份的地面塌陷占总数的73%。

图1 枣庄岩溶地面塌陷点与降雨量、月份的关系示意图Fig.1 Sketch of relation between rainfall，months and karst collapse

3.4 塌陷多发生在地势低洼处

统计资料和现场调研表明，发生在积水坑塘内的岩溶地面塌陷占岩溶地面塌陷总数的46.8%;沿河床发生的占总数的21.7%［10］，可见塌陷的产生与地形低洼和地表水体的汇集有着密切的关系。

3.5 塌陷的发生具有范围性

(1)从图2可以看出，塌陷主要分布在第四系松散层4～10m的覆盖区，岩性为粘性土、砂质粘土或砂层。

(2)塌陷分布区均为岩溶强发育区，这些地段岩溶发育深度较浅，埋深一般 ＜30～50m，很多地段为地面开口型岩溶形态。

图2 枣庄岩溶地面塌陷分布图Fig.2 Distribution of Karst collapse in Zaozhuang

(3)塌陷地区，岩溶地下水在自然状态下，具有承压性，经抽水后使地下水位下降到第四系底板以下，地面塌陷才逐渐产生。

4 枣庄岩溶塌陷的基本条件

对于枣庄岩溶地面塌陷的影响因素及形成机理前人已做了不少的研究，岩溶地面塌陷的形成是受多种因素共同作用的结果。岩溶管道的发育程度、盖层条件都是导致岩溶地面塌陷的基本条件。本文从以上两个方面简要分析了枣庄岩溶塌陷的形成。

枣庄区内石炭-奥陶系白云岩、石灰岩开口型裂隙和浅部岩溶均较发育，这为岩溶地面塌陷的发生发展提供了前提条件。

隐伏岩溶洞穴上方的松散第四系覆盖层土体是岩溶地面塌陷的物质基础，该区盖层土体为砂质粘土、粉质粘土。这种岩性特征，再加上适宜的土层厚度，对阻止岩溶洞腔内外气体的运动和交换很有利，从而使得本区具备产生塌陷的真空压力差条件。这也正是上述所说塌陷为什么主要发育在土层厚度大于5～10m区域的。

5 地下水位在岩溶塌陷中的控制作用

大量开采地下水是枣庄岩溶地面塌陷的直接诱发原因，但不是决定条件，因为当抽水达到稳定时，地下水位达到一定位置就不再下降，此时早先在土洞中形成的负压逐渐消失，或者是土洞压力与地表压力将达成平衡，岩溶地面塌陷将不会发生。图3是实际监测结果，可以证明上述推断是正确的。

图3 枣庄地区地下水位、塌陷点数的关系示意图Fig.3 Sketch of relation between groundwater level and karst collapse in Zaozhuang city

通常认为地下水位下降必然会导致岩溶地面塌陷的产生，而通过对枣庄岩溶地面塌陷资料的研究认为，地下水位下降到基岩面附近或以下，在基岩顶板与土层界面上长时间强烈的水位波动是导致岩溶地面塌陷产生的根本原因。

由图3可以看出，地下水位在1991到2002年这段期间都是长时间的在基岩面附近波动，导致这段时间塌陷频繁发生。且地下水位越深，波动时间越长，所产生的塌陷也越多。而2003年及2007年水位也下降到基岩面附近，但波动持续时间较短，而2002年之后再没有发生岩溶地面塌陷，这进而证明了短期的水位波动也不足以导致岩溶地面塌陷的产生。

当地下水位在基岩顶板附近波动时，最易产生土洞，也就是天窗，天窗是岩溶地面塌陷形成的先决条件，地下水在基岩顶板附近快速下降的过程中，因为孔隙裂隙不发育，气压很难通过土体与外界气压达成平衡，从而导致附加应力迅速增加，地下水对盖层的浮拖力也逐渐的消失，使盖层土体骤然加荷，即盖层的致塌力增加，从而导致土体破坏失稳，同时，因为地下水的快速流动，使土层中的颗粒被快速带走，岩溶洞穴不能被填充，这也加快了地面的塌陷。另一方面，在雨季或暴雨时期，或者是因为开采量的减少，导致地下水位的快速上升，地下水位将在水头压力的作用下，发生相反的过程，气压来不及释放，土洞及岩石空隙中的压力增高，在土洞顶部的土层中形成较大的向上的附加力，随着正压力的增加，当其大于土层自重及土层抗剪强度及外界压力时，土层结构发生了破坏。有时由于水位恢复太快，会伴有强烈的喷吸气现象，并有“哨音”。

1997年，十里泉和丁庄两水源地水位分别降到23.6 m和30.98 m，为20多年来最低值。1998年，位于十里泉水源地的十里泉电厂引用了枣庄地区苍山会宝岭水库水来解决生产用水，缓解了十里泉、丁庄两水源地的供水压力，使得两水源地的开采量显著减少，岩溶地下水水位不断恢复，较之前明显提高，根据统计结果，1996～1998年，枣庄岩溶地面塌陷发生39次塌陷。这可以解释为什么塌陷大都集中在旱季和雨季交替时期。从以上分析可知，大量开采岩溶水是岩溶地面塌陷形成的直接原因，降雨在很大程度上也影响了岩溶地面塌陷的发生。

6 结论与防治

枣庄岩溶地面塌陷具有方向性，阶段性，周期性，一般发生在岩溶裂隙发育、第四系厚度5～10m区段;庄岩溶地面塌陷致塌机理主要是因为真空压力差的关系，枣庄的盖层条件、地下水在基岩附近快速升降的过程，都容易导致土洞内气压来不及释放，从而导致地表失稳。

鉴于以上结论，在岩溶裂隙发育、第四系厚度为5～10m的地段，应着重预防，可在有天窗的部位采取灌浆的方法防止天窗的进一步扩大，地下水的抽取量在不超过枣庄地下水的允许开采量的前提下，尽量做到均匀开采。还可以采取被动避让的措施，在城市规划和建设项目施工以前，开展详细的地质灾害勘查评价工作，划定可能塌陷区范围，将城市建筑物和交通设施等人类工程避开塌陷区，可防止造成重大人员伤亡和经济损失。

［1］许公瞻，周来，冯启言.枣庄岩溶地面塌陷机理研究［J］. 地质灾害与环保，2005，16(1):41-44.

［2］高宗军.泰安岩溶地面塌陷形成机理与防治对策［J］.中国地质灾害与防治学报，2001，12(4):73-76.

［3］吴爱民，万继涛，李公岩.枣庄市岩溶地面塌陷形成规律及防治［J］.山东地质，1997，13(2):78-83.

［4］王滨，贺可强.山东省枣庄市市中区岩溶地面塌陷调查与成因分析［J］.地质灾害与环境保护，2004，15(4):26-29.

［5］丁兆运，陈博.枣庄市饮用水源地面塌陷分析及防治对策［J］.水土保持研究，2004，11(3):103-104.

［6］万继涛，杨蕊英，李公岩，等.山东省枣庄市市中区地质灾害防治规划［J］.地质灾害与环境保护，2003，14(3):61-73.

［7］万继涛，杨蕊英，李公岩，等.山东省枣庄市市中区地质灾害调查与防治［J］.山东地质，2003，19(S):33-37.

［8］高宗军.岩溶地面塌陷形成机理与成因模式研究——以山东泰安-莱芜为例［J］.中国工程科学，2008，(4):38-43.

［9］曹锋，吴春寅.枣庄地区岩溶地面塌陷成因与防治［J］.中国岩溶，1998，17(2):104-110.

［10］万志博，武雄，徐晟，等.枣庄市中区岩溶地面塌陷特征与成因分析［J］.中国岩溶，2006，25(2):146-151.

Discuss on controlling and forming mechanism of Zaozhuang karst collapse

YUAN Jie，GAO Zong-jun，MA Hai-hui
(College of Geo-info Science and Eng.，SUST，Qingdao，Shandong 266510，China)

Zaozhuang city is one of the major development karst collapse in Shandong Province，Where karst land collapse hazard occurs year after year，and it is harmful to the local production and living，hence it has become constraints to the region’s economic development.The geological conditions，the status quo of collapse and the distribution rules is studied in this paper，It is known that mostly karst collapse take place where quaternary thickness in 5 ～ 10m and where concentrated in from April to Sep every year and occurred mainly in low-lying places in zaozhuang.This paper from pressure difference angle to study on controling action of groundwater level of Zaozhuang karst collapse through analyze the degree of development of karst pore，cap rock conditions，the water table in the bedrock in the vicinity of the strong fluctuations and thus prevention and treatment recommendation sand is proposed.

Zaozhuang city;Karst collapse;Pressure difference;Control process;Groundwater level

1003-8035(2010)04-0095-04

P642.2

A

2010-04-14;

2010-07-16

国家自然科学基金资助项目(40772145)

袁 杰(1984—)，女，硕士研究生，主要从事水文地质环境地质研究。

E-mail:yj720896@163.com