长沙市岳麓区军营村岩溶塌陷形成机理分析研究★

尹欧 何阳 阮岳军 杨帆 姚海鹏 彭祖武

(1.湖南省地质调查院，湖南 长沙 410116;2.中南大学，湖南 长沙 410000)

0 引言

长沙市岳麓区军营村岩溶塌陷波及范围包括莲花社区、军营村和金凤村，面积约1.58 km2。自2000年～2010年6月，岩溶塌陷范围不断增加，造成的损失也越来越严重，已造成经济损失500多万元，受影响村民达50多人［3］。

1 地形地貌

调查区内属低丘陵地貌区，地势整体北西高南东低，塌陷发育地段位于近南北向发育的溶蚀冲沟内，其上部为第四系松散堆积层，下部为泥盆系泥灰岩、灰岩;冲沟宽为500 m～1 000 m，沟内多种植水稻［3］。区内植被发育良好，高程一般80 m～100 m。

2 地质环境背景

2.1 地层

塌陷区出露主要地层有新生界第四系、上古生界泥盆系及上元古界板溪群地层。自新至老分述如表1所示。

表1 军营村岩溶塌陷调查区地层统计表

2.2 地下水类型

根据区域地质资料及现场调查，岳麓区军营村塌陷区主要地下水类型有如下几类:

1)松散岩类孔隙水。

主要分布于场区内莲花河侧及宽缓的冲沟区，含水层主要由河相沉积和灰岩风化残积土等组成，稳定地下水位埋深0.5 m～6.9 m，水位标高54.69 m ～59.05 m，单井涌水量0.02 L/(s·m)～0.2 L/(s·m)。

2)岩溶孔隙裂隙水。

含水层由泥盆系中统沙河组(Ds)泥灰岩组成，裂隙发育，主要为水量贫乏的风化裂隙水，主要分布于调查区冲沟西部，莲花河右岸区域，上部为第四系覆盖，钻孔单位涌水量0.01 L/(s·m)，渗透系数为 0.02 m/d。

3)岩溶裂隙溶洞水。

含水层由泥盆系中统棋梓桥组(Dq)灰岩组成，浅部溶洞及裂隙较发育，主要分布于调查区冲沟东部，莲花河左岸区域，钻孔单位涌水量 0.05 L/(s·m)，渗透系数为0.244 m/d。

2.3 导水断裂构造带

1)官冲寺—张家岭—万宝塘张性断裂(F1)。

断裂带附近岩石破碎，泥质半充填状态，断裂导水性较好。断层产状 NW325°∠25°。

2)军营大屋压扭性断裂(F2)。

近东西向发育，由于地层受断裂压扭作用，岩层相对破碎，裂隙较发育，裂隙多为泥质充填和半充填，为弱导水断裂。

3)蚱蜢岭压性断裂(F3)。

在露天采石坑内揭露，断层破碎带岩石较为破碎，断层通过处岩溶裂隙较发育，但多被泥质充填。抽水试验钻孔涌水量较小，判定此断裂为弱导水断裂。钻孔单位涌水量0.01 L/(s·m)。渗透系数 0.02 m/d。断层产状 NW310°∠60°。

2.4 人类采矿活动

岳麓区军营村的采石历史近200余年，调查区内共有4处采石坑，其中3处因开采深度和涌水量较大等原因已停采，成为天然地表水体，现有采坑呈不规则状，采坑面积约3.7×104m2，采坑深度近40 m，其采石场内赋存的地下水位的标高约为20.0 m处，临近的军营村河水位标高56.0 m，根据现场调查，推测采石坑日排水量约为600 t/d。

3 岩溶塌陷特征

据调查，该区曾发生过48处岩溶塌陷:2009年以前共发生岩溶塌陷数量为28处，其中塌陷坑直径大于5 m的共2处，小于5 m的共26处;2009年以来共发生岩溶塌陷20处，其中塌陷坑直径大于5 m的共8处，小于5 m的共12处。

研究区岩溶塌陷集中分布于3个岩溶强烈发育带区段，2009年以前所发生的塌陷集中分布于采石坑抽排水强径流带内，共计15处，占2009年以前所发生塌陷总数的55%，占总塌陷数量的31%。2009年以来发生的塌陷主要集中分布于沿断层发育的岩溶强发育带和沿地层分界线控制发育的岩溶强烈发育带，分别为8处和10处，共18处，占2009年以来所发生塌陷数量的85%，占总塌陷数量的40%。

军营村岩溶塌陷区塌陷分布图见图1。

图1 军营村岩溶塌陷区塌陷分布图

4 岩溶塌陷成因及机理分析

4.1 塌陷形成原因分析

岩溶塌陷发生必须具备的三个基本条件，即:塌陷动力、塌陷物质、储运条件［1］。调查区有岩溶相对发育的碳酸盐岩地层、有较薄层的第四系松散堆积粘土层，而且调查区因人类采矿活动，有抽排地下水造成的地下水强径流带等［2］。这些条件的具备，有利于岩溶塌陷的孕育与发生，主要体现如下四个方面:

1)覆盖层较薄，有利于岩溶塌陷发生。

区内第四系松散层厚度一般小于5 m，局部可达到12 m，可溶区上覆松散土层厚度较小，松散土层易因潜蚀空洞失稳而产生塌陷。

2)构造带部位、地下水强径流带、岩性差异分界线等部位，有利于岩溶塌陷发生。区内泥灰岩岩溶发育强度较弱，但构造带发育，在断裂挤压影响区域，其岩石破碎，地下水相对活动强烈，其岩溶裂隙孔隙相对发育，是形成塌陷的主要地段。调查区已发生岩溶地面塌陷共48处，这些已知塌陷大部分处于构造带部位、岩性差异分界线等部位。

3)采石坑开采爆破，加剧了临近采坑区一带岩溶塌陷的发生。

区内岩溶塌陷与采石坑长期开采爆破有一定的关系，采坑爆破能量巨大，产生巨大的冲击能量，扩展其构造裂隙，同时对周围松散土体也有振动影响，易形成微小裂隙，从而形成透水通道。

4)采石坑抽排地下水，有利于诱发岩溶塌陷。

调查区岩溶较发育，通过采石坑揭露的可溶岩界面分析，当采石坑抽排地下水，在灰岩裂隙孔隙中形成较大的渗透压力，加剧土体沿裂隙及孔隙运移［4］，从而揭穿第四系孔隙水底板而导致上层土体破坏并发展成为地面塌陷。

4.2 岩溶塌陷形成机理分析

调查区岩溶塌陷形成机理为“渗透破坏—土洞—地面塌陷”机理［8，9］。本工作区内第四系覆盖层为二元结构冲积层，上部为粉质粘土，下部为饱和粉土、粉细砂土，直接覆盖在有岩溶裂隙的基岩面之上，调查区裂隙主要沿构造F3断层以及其次生断层发育，在开采坑内直接可以在第四系孔隙水与采石坑周围可溶岩中的岩溶裂隙水发生直接水力联系。

在露天采石坑的长期抽排水作用下，基岩裂隙水水位即为现坑底水位约为35 m，低于地表水系水位20 m，坑外围覆盖层中的潜水与基岩裂隙水形成了强大的水头差(塌陷区的水力坡度i约为0.455)，使得第四系的孔隙水发生近垂直渗流(如图2中的地下水方向)。

图2 军营村岩溶塌陷形成机理分析略图

首先，在表层覆盖土体下部松散的碎屑颗粒在强渗流水压力作用下，土层中的潜水对岩土交界位置(如基岩裂隙表面、溶蚀沟槽的表面等)的碎屑土的产生渗透、冲刷等潜蚀作用［8，9］。这样覆盖层底部的松散碎屑颗粒被渗透水流携带和搬运，从而引起土体的结构变松，强度降低，土体颗粒之间失去粘聚力，产生流土破坏形式。特别是在第四系与下伏基岩接触带以及基岩裂隙管道发育等地段，地下水的径流带上，土体受到强渗透力的作用下，极易被潜蚀携带。

岩溶塌陷潜蚀机理进程图如图3所示。

图3 岩溶塌陷潜蚀机理进程图

随着渗透变形的范围在岩土面附近不断扩大，地下水的垂直渗流加剧，局部水力坡度加大，覆盖层底部的粉细砂、粉质粘土等不断被地下水流冲刷并携带流入岩溶裂隙通道，形成土洞，土洞底部不断渗透变形被潜蚀，上部及周围土体在水流作用下不断的崩落破坏，使得土洞不断扩大［7-9］。当土洞扩大至上覆土层无法自行支撑压力时，顶部土体垮塌，产生地面岩溶塌陷。

［1］林宗元.岩土工程勘察设计手册［M］.沈阳:辽宁科学技术出版社，1996.

［2］杨顺泉，杨培焱，李佐海，等.湖南省地质灾害［M］.长沙:湖南科学技术出版社，1999.

［3］阮岳军，尹 欧，李幼惠，等.湖南省长沙市岳麓区军营村岩溶塌陷地质灾害勘查评价报告［R］.2010.

［4］潘 懋，李铁锋.灾害地质学［M］.北京:北京大学出版社，2002.

［5］金 山，阳军生.广州岩溶塌陷形成条件及主要影响因素［J］.地质与勘探，2009，45(7):488-492.

［6］盛玉环.岩溶塌陷的勘察与防治［J］.岩土工程界，2004，7(4):72-74.

［7］万志清，秦四清，祁生文.桂林市岩溶塌陷及防治［J］.工程地质学报，2001，9(2):199-203.

［8］雷明堂，李 瑜，蒋小珍，等.岩溶塌陷灾害监测预报技术与方法初步研究——以桂林市柘木村岩溶塌陷监测为例［J］.中国地质灾害与防治学报，2004，15(S1):142-146.

［9］朱寿增，周健红，陈学军.桂林市西城区岩溶塌陷形成条件及主要影响因素［J］.桂林工学院，2000，20(2):100-105.