宁乡县靳江流域岩溶塌陷的成因机制和防治对策

彭景亮，邱鹏飞，祝晓明（湖南省煤田地质局物探测量队，湖南株洲412000）

宁乡县靳江流域岩溶塌陷的成因机制和防治对策

彭景亮，邱鹏飞，祝晓明（湖南省煤田地质局物探测量队，湖南株洲412000）

宁乡县靳江流域岩溶塌陷的分布主要受地貌因素、地层岩性、地质构造、地下水活动和人为因素的影响，其成因类型可分为人为塌陷和自然塌陷。人为原因主要是由抽取地下水、振动或加载因素引起。本文除了论述宁乡县靳江流域岩溶塌陷的基本特征外，还提出了岩溶地质灾害的防治对策。

宁乡县；靳江流域；岩溶塌陷；地质灾害；地下水

前言

岩溶塌陷泛指岩溶地区土层中的塌陷、岩溶基岩中的塌陷及上覆土层同下伏基岩一起塌陷的塌陷总称。其中土洞与溶洞有着内在的联系，在垂直上往往呈上下叠置关系。一般情况下若没有岩溶发育，开放的岩溶洞穴没有与土层相连接，岩溶塌陷是不会发生的。塌陷调查表明，塌陷处均无一例外地存在着岩溶洞穴。

宁乡县靳江流域位于宁乡县的东南角，主要包含东湖塘、花明楼、道林、大屯营四个乡镇，区内属亚热带季风湿润气候，四季分明，雨量充沛，多年平均气温17.8℃，多年平均降雨量1418.3mm。在地质构造上位于道林盆地与陶家湾向斜过渡区域。区内主要岀露的地层有二叠系、石炭系、泥盆系等，地层岩性以质纯、层厚的碳酸盐岩为主夹少量碎屑岩，据部分钻孔及调查揭露，第四系覆盖层厚度一般为5～15m。地貌上以堆积河流阶地、低丘陵为主，四周见少量高丘陵。区内地下开采矿山较多，包含已关闭的矿山约二十多家。据不完全统计，截止2015年底，区内至少发生岩溶塌陷20余个，构成了本区内的主要的地质灾害，给该区工农业生产、集镇建设及人民生命财产安全等方面带来严重的危害，因此通过对宁乡县靳江流域岩溶塌陷的成因机制的研究，进而提出对宁乡县靳江流域岩溶塌陷的防治原则和措施，对该县积极地进行地质灾害的预防工作具有重要意义。

1 宁乡县岩溶塌陷的成因机制

1.1 岩溶塌陷分布和影响因素

宁乡县岩溶塌陷的分布主要受地层岩性、地貌因素、地下水活动、地质构造和人为因素的影响。在地貌上，岩溶塌陷主要发育在侵蚀堆积河流阶地（Ⅰ2）及侵蚀溶蚀低丘陵（Ⅱ1）（图1）上；地势上，地势低洼带或高低地势过渡带岩溶塌陷分布较多，此类塌陷大概占塌陷坑总数的75%，不同地貌单元基岩上方土壤覆盖层的厚度不同，一般覆盖层厚度越小，岩溶塌陷就越发育。

图1 宁乡靳江流域地貌分区图

岩溶塌陷主要沿岩溶强烈发育的地段分布。洞隙是塌陷产生的基础，岩溶越发育，洞隙越发育，塌陷密度越大。而后者显然受制于岩性和地质构造（图2）。区内岩溶塌陷主要发生在二叠系下统、石炭系中上统可溶性碳酸盐岩之上的土层中，质纯、层厚的灰岩岩溶发育，塌陷密度亦大。岩溶塌陷在空间分布上与地质构造关系密切，具有成群性与成带性。

地下水活动是岩溶塌陷产生的主要动力。地下水位的频繁升降会引发地下水水力坡度的变化，导致地下水的冲刷、潜蚀能力发生相应的变化，产生渗透潜蚀作用；可以改变上覆土体的性状、含水量和强度，促进土体崩落；可以引起地下水岩溶及土洞空腔内的正负压力的交替变化，使周边岩石土体失稳，并导致气爆致塌或真空吸蚀致塌作用。地下水位波动频率越高，地面塌陷会越容易发生。在地下水强径流带，地下水的潜蚀和冲刷能力相应增强，塌陷分布亦较为密集。因此，塌陷多分布在池塘、河道及干渠两侧大概100m范围内，受抽排水影响而产生的塌陷一般分布在抽水井的周围。

人类工程活动也是影响岩溶塌陷重要因素。一般而言，在人类工程活动越频繁、活动强度越大的地区，塌陷产生的数量越多、规模越大。总体上看，岩溶塌陷有逐年递增的趋势，反应随着集镇规模的不断扩大，人类工程活动强度、频度和范围也急剧增大，因此对自然岩溶塌陷起着加速和诱发的作用。

在时间上，冬、春两季岩溶塌陷发生较多，对20余个塌陷的统计表明，冬季、春季分别占27.3%和40.9%，夏季和秋季分别占18.2%和13.6%。原因是春季是宁乡县的雨季，有非常多的地表水补给地下水，宁乡县的枯水季节则在冬季，抽取地下水的强度增加，二者均易导致土体性状、地下水位和洞穴空腔压力的显著变化。

1.2 岩溶塌陷的成因类型

宁乡县的岩溶塌陷从形成的原因上可分为自然塌陷和人为塌陷。

自然塌陷的形成主要是因为潜蚀作用，在地势较低、地下水位较浅的地区，土壤层下伏的基岩有着发育的溶洞、溶隙等空洞，地表水的下渗及渗流作用导致土层底部被潜蚀，土粒被带入溶洞或溶隙中继而形成土洞，而土洞慢慢向上发展而引起地面塌陷。这种类型的塌陷宁乡地区发生较少。

人为塌陷是在岩溶洞穴的基础上因为人类活动而引发的塌陷，如抽取地下水、地表水下渗、工程荷载、爆破振动等均可造成塌陷。宁乡县的岩溶塌陷以人为塌陷为主。按其成因可分为：

（1）抽取地下水引起地面塌陷。该区地下开采矿山较多，主要开采的矿种为石灰岩、白云岩等，矿山开采深度多为30～ 70m，开采矿石过程中，不断抽取地下水，引起地下水位的反复升降，加剧了侵蚀作用，从而导致地面塌陷。据统计，因抽水引起的岩溶塌陷占区内塌陷点的72.7%，占人为塌陷点总数的85%。如道林镇河清村地面塌陷、花明楼镇长塘组地面塌陷。

（2）振动和加载引起的塌陷。这类塌陷是在原有土洞基础上，由于振动或上部负荷增加、破坏土体平衡所致。如三江华宇厂区地面塌陷就是由于超载堆积而引起地面塌陷。

2 岩溶塌陷的防治措施

2.1 塌陷前兆

一旦出现以下的情况，就有可能发生塌陷，应特别引起注意和防范。①出现环形裂缝时是塌陷前的迹象，尤其是裂缝比较集中的部位。②出现不同方向的裂缝交叉区，已发现凹陷的地段。③已出现裂缝且延伸很远，下雨后还在不断加深、加大的地段。④水塘、农田等突然发现漏水或冒水处。⑤听到地下有响声的地方。⑥抽水突然出现大量的浑水时。

2.2 预防与治理措施

2.2.1 监测预防措施

岩溶塌陷的监测预防是指在查明塌陷原因、影响因素的基础上，为消除或削减塌陷发生、发展主导因素的作用而采取的措施。如调整抽排水方案、设置完善的排水系统、建立监测网（对水点、地面、建筑物及塌陷前兆现象进行监测）、工程选址时避开岩溶塌陷发育且尚有活动迹象的地段等。具体预防措施如下：

（1）合理的抽排地下水。在塌陷区内不宜长期连续大降深的抽水，抽水时水位降深值要从小到大，避免一开始就采用大降深，同时应合理的控制水位降深值。尽量避免开采浅层地下水，从多个塌陷区的资料分析，塌陷大多与60～70m以内的浅部岩溶水抽取有关。

（2）若重要建筑物建设在岩溶分布区时，必须在选址阶段进行以岩溶塌陷为主的地质灾害危险性评估分级。对可能继续发生岩溶塌陷的地段进行预测，划定潜在的危险区，并使规划中的重要建筑物尽量避开易塌陷区。在岩溶地面易发生塌陷区制定防治方案，及时采取措施进行综合防治，减轻灾害造成的经济损失。修建建筑物时，应避开低洼地段，尽可能建在高处。

（3）在塌陷区不宜开山放炮，因为放炮引起的地下震动有气压、液压的传播与冲击，较地震动破坏更大。

（4）监测措施：在岩溶塌陷发育区，开展地下水动态监测、孔隙水压力监测、地面沉降与变形监测、地球物理探测和遥感技术监测等组成的综合岩溶塌陷监测网点，进行长期监测。根据动态监测资料找出水位、流量、水质、水色变化与塌陷产生的相互变化规律，从而达到预知预防的目的。

2.2.2 工程防治措施

岩溶塌陷的治理主要是针对塌陷发育的基本要素如岩溶洞隙、土体、含水层等分别进行填堵岩溶通道、强化土层和洞穴充填物、堵截水流等工程措施。

清除填堵法：及时回填新、老地面塌陷，避免塌陷对周边地面的牵连性破坏。首先清除塌陷土层直至基岩，然后自上为下地回填块石、碎石、粗砂、粘土，做成反滤层，再进行灌浆固结。

跨越法：用于塌陷坑或土洞较深大，开挖回填有困难的处理方法。

灌注法：对砂性土土洞而言，则需要通过钻孔填实空洞或加固扰动土层，并灌浆封盖下面的岩溶通道开口。把灌浆材料通过钻孔或岩溶洞口进行注浆，其目的是强化土层或洞穴充填物、充填岩溶洞隙、阻断地下水流通道、加固建筑物基础。

恢复水位法：恢复水位是从根本上消除因地下水位下降造成地面塌陷的病源。当危及建筑物和行人安全相当严重时，只得停止取水，使地下水位通过雨季补给得到恢复。

修筑围堰法：规模较大的塌陷坑，往往反映其下岩溶强烈发育，一般很难根治。可构筑土堤将塌陷区圈起来，防止洪水对汇水区塌洞的径流补给。

在具体治理时，防治方法要结合区内塌陷的成因、致塌模式及主控因素进行合理的选择，以确保防治工作的效果。

3 结束语

宁乡县靳江流域岩溶塌陷从物质组成上分为发生在石灰岩中的溶洞顶板塌陷和发生在覆盖层中的土洞顶板塌陷。

宁乡县靳江流域岩溶塌陷主要受地貌因素、地层岩性、地质构造、地下水活动和人类工程活动等因素的影响。

岩溶塌陷的发生一般具备下面几个条件。岩溶发育的存在是岩溶塌陷形成的先决条件；土层是土洞形成和塌陷发生的物质基础。地下水活动是岩溶塌陷形成的主要因素；不合理矿山开采抽排地下水是造成岩溶塌陷的主要因素。

加强该区岩溶塌陷的分布规律、成因机制的分析研究，采取合理的防治措施，是减少该区岩溶塌陷的根本措施。

P642.26

A

2095-2066（2016）33-0111-02

2016-11-12

彭景亮（1982-），男，工程师，本科，主要从事水工环地质工作。