重点水源地岩溶塌陷机理分析及对策研究

娄 英，肖建国，刘福臣

(1.山东省日照市后村镇水利站，山东日照276808;2.山东省日照市东港区马陵水库管理局，山东日照276826;3.山东水利职业学院，山东日照276826)

水源地岩溶塌陷具有突发性、隐蔽性、破坏性大等特点，已成为威胁人民生命财产安全和生态环境的严重地质灾害，为此国内外学者进行了大量研究工作。国外早在1984年就尝试运用地质雷达进行潜在塌陷的监测工作;中国岩溶塌陷研究起步较晚，中国岩溶地质研究所通过模型试验，研究不同类型岩溶塌陷发育机理、影响塌陷发育主要影响因素。针对南方岩溶地区，揭示了岩溶塌陷发育的现状和宏观分布规律;铁道部第二勘测设计院对泰安市岩溶塌陷严重发育区进行了全面的勘查、治理，取得了良好效果［1］。

图1 泰安市东羊楼岩溶塌陷

岩溶水是泰安市的重要水源，由于无节制地开采岩溶水，引起地下水位下降，形成降落漏斗，据不完全统计，位于津浦铁路泰安段、訾家庄灌庄水源地、旧县水源地已发生地面塌陷100余处，岩溶塌陷2003年5月31日凌晨，泰安市省庄镇东羊楼村边麦地间发生严重地面塌陷，近两亩麦地突然间垂直塌陷30 m，大坑直径接近40 m，形成山东省最大的岩溶塌陷(见图1)。

1 地质概况

本次重大岩溶塌陷，位于泰安市省庄镇东羊楼村东麦地里，塌陷区的地形地貌、地层岩性、地质构造如下。

1.1 地形地貌

东羊楼塌陷区地貌上属剥蚀—溶蚀平原，位于泰莱盆地的西部，为石灰岩隐伏区，第四系覆盖层厚度一般在20～30 m。

1.2 地质构造

东羊楼塌陷区内以断裂构造为主，大的构造主要有两条，一条为岱道庵断裂，由数条平行的断层组成，断层走向NNW，倾向NNE，倾角70°～75°;另一条为羊楼断裂，断层走向EW，倾向N，倾角70°～75°，该断层在小苑庄以北被岱道庵断层切断。

1.3 地层岩性

东羊楼塌陷区为石灰岩隐伏区，上层为粉土—粉质粘土，松散，干燥，厚约30 m;下层为中奥陶马家沟石灰岩，岩层走向近东西向，倾向北，厚度很大。中奥陶系石灰岩岩溶发育，含水性较强，由于含水层蓄水空间大，补给条件有利，地下水水源较为丰富，该区为泰安市重要水源地。

2 岩溶塌陷机理

岩溶塌陷的机理研究，主要有岩溶潜蚀、岩溶真空吸蚀等类型。

2.1 岩溶潜蚀

在石灰岩隐伏区，地层属于双元结构，上部为松散土层，下层为基岩。由于过度开采地下水，必然引起水位下降，开采量愈大，下降幅度愈大，形成的降落漏斗范围愈大。当地下水位降到基岩面附近时，上部土体的自重应力增加。在动水压力作用下，不断地将土颗粒带到岩溶洞隙中，在基岩面附近首先形成土洞。随着土洞的不断扩大，当上覆土体自重超过土的抗剪强度时，导致土体突然塌落，形成岩溶塌陷［2］。

2.2 岩溶真空吸蚀

在相对密闭的承压岩溶水中，由于地下水位大幅度下降，当地下水位下降到基岩底板时，地下水由承压水转化为无压，在水位与覆盖层底板之间形成低压真空，腔内水面如同吸盘一样，抽吸上部土颗粒，形成土洞。随着水位的下降，吸力加大，土洞进一步扩大发展，以至于出现地面塌陷。

泰安地面塌陷的原因是多方面的，但主要是潜蚀作用和真空吸蚀共同作用的结果。沿羊楼断裂南侧，从苑庄至羊楼一带第四系孔隙水与岩溶水有直接的水力联系，孔隙水沿裂席通道向岩溶水排泄，产生潜蚀作用，在第四系地层与奥陶系地层的接触带附近，形成东西方向、呈串珠状分布的土洞;由于超量开采，造成第四系孔隙水旱季被疏干，雨季后恢复这样年复一年的重复现象，在空腔内产生吸力，由此会引起土洞进一步扩大。事发正值小麦大量用水之际，由于过量抽取地下水，致使地下水位迅速下降，发生了山东省最大的岩溶地面塌陷。

3 地球物理勘探分析

在对泰安地区地面塌陷现状情况进行调查分析的基础上，采用联合剖面、电测深等方法，对塌陷现场进行了物探分析，旨在摸清塌陷区的地质状况及岩溶发育情况。

3.1 联合剖面法［3］

联合剖面法是由两个对称的三极装置联合而成，其公用供电电极C垂直于测线方向，在每一测点分别用A、C及B、C轮流供电，分别测出 M、N 电极之间的电位差值 ΔUAC、ΔUBC，绘制曲线，根据曲线特征解释推断含水层或含水构造带的部位。本次联合剖面法工作，在东羊楼塌坑西侧布置南北向联合剖面线一条，测点距离为20 m，供电极距AB=140 m，测量极距MN=20m，其联合剖面曲线见图2，由7、8、9、10测点组成一个宽大的U字型异常，宽度达80 m，推测为强烈岩溶发育带。

图2 1#测点的联合剖面曲线

3.2 电测深法

电测深法就是在地表同一测点上、从小到大逐渐改变供电电极之间的距离，进行视电阻率测量，研究测线中点地下不同深度岩层的变化情况，确定不同地层的埋藏深度及其性质的方法。本次电测深工作，在塌坑附近布置电测深点6个，测量极距MN=5 m，供电极距按 9、12、16、20、25、32、40、50、60、74 m 布置。

1#测点(位于塌坑北10 m，东西方向布极)的电测深曲线上有3个明显的电性层［4］，0～27 m段，解释真电阻率 ρ=97.5Ω.m，由此可推测此段主要为粉质砂土;27～68m段，解释真电阻率ρ=127.6Ω.m，推测27～68 m为灰岩强烈岩溶发育带;68 m以上，解释真电阻率ρ=400.5Ω.m，应为完整石灰岩。其他5个电测深曲线，基本上与1#测点相同，表明在塌坑周围，30m深度附近存在强烈的岩溶发育带。经钻孔验证:0～25 m为干燥砂质粉土，25 m开始岩芯破碎、掉钻、岩溶发育，在36 m出现直径3 m的溶洞，60 m以下中奥陶石灰岩，岩芯呈短柱状，岩石相对完整。

4 岩溶塌陷防治措施

(1)对已发生塌陷的地区应尽快进行处理，避免在塌陷区附近进行任何工程建设活动。

(2)在潜在危险区中设立监测点，对地下水动态进行长期的监测，对地下水位进行控制。

(3)地下水位回升，能够改善地下水的动力条件，减小地下水的波动，地面塌陷将会有所减缓。因此应调整开采井的布局，减少地下水的开采量，要将地下水的开采量控制在允许范围内，在塌陷隐患区禁止增加开采量，对现有的开采井要统一管理，限量开采。

［1］国内外岩土工程实例和实录选编，林宗元主编，辽宁科学技术出版社，2002.

［2］中国地质灾害，段永侯，罗元华等，中国建筑工业出版社，1993.

［3］周天福，工程物探，中国水利电力出版社，1992.

［4］山东水利科学研究所，电测找水，山东科学技术出版社，济南，1980.