江苏徐州新生街岩溶塌陷形成条件及与岩溶水水位变化的关系探讨

黄敬军，武 鑫，缪世贤，崔龙玉，顾春芬，姜 素

(1.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室(江苏省地质调查研究院)，江苏 南京 210018；2.徐州市国土资源局，江苏 徐州 221006)

江苏徐州新生街岩溶塌陷形成条件及与岩溶水水位变化的关系探讨

黄敬军1，武 鑫1，缪世贤1，崔龙玉1，顾春芬2，姜 素1

(1.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室(江苏省地质调查研究院)，江苏 南京 210018；2.徐州市国土资源局，江苏 徐州 221006)

新生街是徐州地区岩溶塌陷最严重的区域，20世纪80～90年代的岩溶塌陷造成严重的经济损失和不良社会影响。文章在以往岩溶塌陷勘察工作的基础上，结合最新调查成果，逐一梳理岩溶塌陷的形成条件(地质条件、覆盖层条件、岩溶发育条件、水动力条件)，揭示了徐州新生街岩溶塌陷的成因模式及触发因素，根据监测数据，识别岩溶塌陷与岩溶水水位变化的关系。文章认为，新生街岩溶塌陷是发生在废黄河断裂带内，发育有向上开口的溶洞，该区域既是岩溶水强径流带，又是岩溶水的天窗补给区，第四系覆盖层为单层砂性土结构。超量开采岩溶水是岩溶塌陷的诱发因素，岩溶水水位降至基岩面下急剧上升时段是岩溶塌陷较活跃的时期，岩溶塌陷都发生在岩溶水水位降落漏斗的区域内。

岩溶塌陷；形成条件；成因模式；废黄河断裂带；七里沟水源地

岩溶塌陷是典型的突发性地面变形和破坏的灾害，是指可溶岩洞、裂隙上方的岩、土体在自然或人为因素作用下发生变形破坏，并在地面形成塌陷坑的一种岩溶动力作用与现象[1]。其形成的基本条件是可溶岩地层的分布、一定厚度的松散盖层和地下水水动力条件，由于塌陷在空间上的发展具隐蔽性、时间上具有突然性，往往给人类生命、工程建筑和经济开发活动造成极大的危害，是影响和制约岩溶地区社会、经济发展的主要环境地质问题之一。七里沟水源地是徐州城市供水的主要水源地，20世纪80年代以来，由于长期超量开采岩溶水，引起水源地地下水动力条件改变，水位逐年下降，导致岩溶塌陷地质灾害濒发，使铁路路基变形、陷落、楼房开裂、民房陷落及倒坍，造成严重的经济损失和不良的社会影响。

岩溶塌陷是“岩溶-盖层-水”构成的系统在各种因素下表现出来的系统失稳过程在地表的宏观表现，徐州岩溶塌陷发生以来，在岩溶塌陷机理研究[2-3]、岩溶塌陷分布规律及成因分析[4]、岩溶塌陷与岩溶水开采关系研究、岩溶塌陷的防治对策等方面做了一定的研究工作，但对岩溶塌陷与其主控因素-地下水的动态变化关系的研究至今尚未见报道。本文以塌陷区岩溶水监测数据为依据，试图通过对徐州新生街岩溶水水位变化与岩溶塌陷对应关系的分析研究，判别地下水水位对岩溶塌陷和复活的控制作用，为徐州岩溶塌陷防控提供决策依据。

1 岩溶塌陷概况及形成条件

1.1 岩溶塌陷概况

徐州岩溶塌陷主要分布在城市中心区，始发于1986年5月27日的市溶剂厂，此后，在新生街、民安巷、五交化商场、开明市场、朝阳路和下洪村等地先后发生岩溶塌陷14起，共20个塌陷坑。其中，新生街岩溶塌陷尤为典型，先后发生5起岩溶塌陷，形成12个塌坑(表1、图1)。塌坑的平面形态多呈圆形、椭圆形，直径一般2～10 m，最大可达25 m，剖面形态则多呈筒状或坛状，塌坑坑壁陡立，深度一般为1～5 m，最深为9 m。塌坑四周地面出现大量同心环状裂缝，裂缝长1～3 m。

1.2 岩溶塌陷的形成条件

1.2.1地质条件

新生街岩溶塌陷区地层属华北地层区鲁西分区徐宿地层小区，主要发育两大地层，上部为第四系松散沉积物，下部则为古生界以碳酸盐岩为主的沉积构造，其中，寒武系张夏组鲕粒灰岩和奥陶系马家沟灰岩，因质纯层厚岩溶十分发育。

图1 新生街岩溶塌陷分布图Fig.1 The distribution of karst collapse in Xinsheng Street

废黄河断裂带是区内最大的断裂带，整体隐伏于地表之下，断裂带延伸方向基本与废黄河展布方向一致，由3条大致平行的断裂组成，北支断裂南倾、南支断裂北倾，均为正断层，地表显地堑形式。第四纪以来为张性活动，断裂带内堆积洼地相对缓慢下降，而两侧低山丘陵继续抬升，在地貌上表现为负地形[5]。断裂带内岩石破碎、岩溶强烈发育，形成了一条大规模的岩溶水强迳流带，是七里沟水源地的主要富水区域。

1.2.2覆盖层条件

在黄河改道徐州之前，有两条河流流经徐州，即古泗水和古汴水。据勘探资料分析，泗水和汴水在七里沟水源地会合后完全受控于废黄河断裂带，沿废黄河断裂带所形成的地堑式洼地内摆动，河道以侵蚀作用为主，早期沉积的黏性土及老粘性土遭受部分或全部侵蚀，在塌陷区范围内河道沉积物与下伏碳酸盐岩直接接触。黄河夺汴入泗后，汴水古河道及泗水古河道均被黄河入侵所带来的粉砂、粉土填满掩埋，使塌陷区覆盖层土体结构为单层砂性土构成的单层结构，Q4砂性土(粉砂、粉土)，直接覆盖在岩溶强烈发育的碳酸盐岩之上(图2)。

砂性土颗粒间无粘结力，在一定水头的水流渗透作用下，砂颗粒被水流带入基岩裂隙溶洞中形成土洞，有利于岩溶塌陷的形成。

1.2.3岩溶发育条件

岩溶发育是岩溶塌陷的基本条件，塌陷区下伏奥陶系马家沟组厚层灰岩夹角砾状灰岩，最大面溶蚀率可达30%以上。据钻孔揭露，废黄河断裂带内的奥陶系碳酸盐岩见洞率81.4%；线溶蚀率3.43%～75.60%，平均26.16%，溶洞大多分布在基岩面之下50 m以浅[6]，且表层岩溶与深部岩溶相互连通，多个

塌陷坑附近的钻探钻进过程漏水严重，岩芯溶隙、溶孔普遍发育。如二轻幼儿园塌陷坑附近TZ27孔在孔深21.0～21.6 m(基岩埋深19.5 m)、新生街128号塌陷坑附近TZ33号孔在孔深26.4～26.9 m(基岩埋深21.6 m)均遇有溶洞，洞内无充填。

图2 新生街岩溶塌陷区地质剖面图Fig.2 The geological profile of karst collapse area in Xinsheng Street

物探资料显示，塌陷区发现多处岩溶破碎带，并发育有向上开口的溶洞。废黄河断裂带在地球物理探测资料上有明显的显示，并发育有向上开口的溶洞(图3)，为地下水强烈活动和塌落物质的运移提供了有利空间，是岩溶塌陷产生的基础条件。

图3 废黄河断裂带物探解译图Fig.3 Geophysical interpretation map of fault zone in the old yellow river

1.2.4水动力条件

地下水动力条件是诱发岩溶塌陷的最主要动力条件，也是塌陷形成的关键[7]。塌陷所在的七里沟水源地西侧由青白口系和淮河系砂岩、页岩构成隔水边界，东侧由白垩系和侏罗系砂页岩、安山岩构成隔水边界，北侧京杭大运河切穿寒武-奥陶系岩溶含水层，构成定水头补给边界；南侧以地下水分水岭构成零流量边界，具有独立水循环系统(补给，径流和排泄)。

岩溶水水位动态特征则受人工开采和大气降水、孔隙水越流补给及地表水渗漏等因素多影响。天然条件下，岩溶水水位主要随着降水变化而波动，但变化稍滞后，2～5月份出现低水位，7～10月份出现高水位，水位年动态类型以单峰单谷型为主，年变幅3～5 m；开采条件下，由于岩溶水埋藏较浅，循环交替强烈，岩溶水动力条件易于改变，造成动水位变化剧烈，年变幅8～10 m。据水源地9058监测资料，1985年前岩溶水标高10～13 m，岩溶水位高于基岩面2～5 m，尚处在采、补平衡状态，无岩溶塌陷发生；随着开采量的不断增加，岩溶水标高降至7～10 m，在基岩面(8.86 m)上下波动，塌陷开始发生，此后，岩溶水水位每次在岩溶面上下波动时，均产生岩溶塌陷。

1.3 岩溶塌陷形成的动力因素—岩溶水开发利用

七里沟水源地是徐州最早开采岩溶水的水源地，开采始于1941年，3眼开采井年开采量仅7.00 ×104m3/a，解放后即作为城市供水水源，开采量逐年增加，至1982年岩溶水载采量达4 300×104m3/a，超过可采资源量388×104m3/a，出现超采现象(表2)，形成区域水位降落漏斗并不断扩大，漏斗中心年平均水位也降至基岩面以下，此后超采量逐年增加，至1996年达开采高峰，超采量2 512×104m3/a。21世纪以来，因水源地补给区的农药厂四氯化碳污染，逐步关闭了该水源地，区域水位降落漏斗消失，仅在零星开采区存在小区域季节性的水位降落漏斗，漏斗中心年平均水位已回升至20世纪80年代初期水平。

3 岩溶塌陷成因模式及触发因素

根据徐州地区塌陷处的松散沉积层与基岩地层的接触关系，岩土的透水性及“岩-土-水”相互作用，新生街岩溶塌陷发育的地质模式为“单一透水型盖层”。

“单一透水型盖层”模式其盖层为砂土单层结构，砂性土直接覆盖在岩溶发育的碳酸盐岩之上，形成水文地质“天窗”，主要分布在古泗水的河床内，是古泗水的活动使得先前覆盖在碳酸盐岩之上的老黏土被侵蚀后，被黄河带来的粉砂、粉土堆积所致。岩溶水开采加剧了孔隙水与岩溶水的联系与交替，当岩土界面处的实际水力梯度大于土体临界水力梯度时，先前充填于岩溶洞隙中的泥沙及基岩面附近的土粒在水流的冲刷作用下不断被潜蚀带走，使盖层土体下部逐渐形成土洞，随着土洞向上逐渐发展扩大，在孔隙水渗透压与土体自重作用下，产生渗透变形破坏，在降雨或火车震动等触发因素下塌陷。

塌陷区临近废黄河，河水位正常保持35 m左右，为孔隙水的重要补给源，河水位的变化是区内岩溶塌陷的触发因素。1986年5月底，适逢废黄河翻水冲污，河水位抬升1.5 m，加大了孔隙水与岩溶水的水头差，进而加剧了渗流潜蚀作用，同年6月2日，电业局发生塌陷。而1992年2～5月，废黄河河道进行疏浚，庆云桥至京沪铁路桥一带均被疏干，减少孔隙水补给的同时，促使岩溶水水位迅速下降至基岩面附近，渗流潜蚀作用加强，同年4月12～13日，新生街发生塌陷。因此，新生街塌陷区致塌模式为潜蚀-渗透变形-重力致塌，岩溶水开采是其主要诱因，不同时期的触发模式有所不同(表2)。

表2 七里沟水源地岩溶水超采量与水位对应表Table 2 The contrast table between karst water ultra picks quantity and water level in Qili gully water source area

4 岩溶塌陷与岩溶水水位关系

4.1 岩溶塌陷发生在岩溶水水位降落漏斗范围内

据监测资料分析，七里沟水源地区域性开采降落漏斗形成于1980年，水位降落漏斗仅分布在城区三官庙一带，15 m等水位线圈定的水位降落漏斗面积13.82 km2，中心水位14.83 m；1985年漏斗北扩至火车站，南扩至七里沟，漏斗面积增至24.80 km2，中心水位降到6.56 m，已低于基岩面，1986年在漏斗中心诱发了岩溶塌陷(电业局宿舍)；1990年水位降落漏斗继续向外扩张，南扩至铜山区区域，漏斗面积59.69 km2，中心水位-4.11 m，1992年在新生街诱发了徐州市最大规模的岩溶塌陷；此后，调整供水开采井布局，并逐步关闭自备水源井，1995年漏斗面积虽仍然扩至76.00 km2，但中心水位回升至-1.14 m，虽仍于1997年诱发了2起岩溶塌陷，但规模明显减小；2000年漏斗则减至62.53 km2，中心水位回升至6.15 m；2003年后逐步闭了该水源地的开采，水位降落漏斗迅速缩小，2005年仅9.54 km2，中心水位升至14.60 m，区域水位降落漏斗消失，仅在零星开采区存在小区域季节性的水位降落漏斗(图4)。显然，岩溶地下水水位降落漏斗区自80年代初期起就一直在其含水层顶板附近波动或降到土层底板之下，岩溶塌陷主要发生在漏斗中心地带。

4.2 岩溶塌陷发生在岩溶水水位降至基岩面下急剧上升时段

据新生街塌陷区岩溶水监测井(9058)资料，新生街发生的5次岩溶塌陷都是发生在水位降至基岩面下回升或骤升的过程中，水位下降渗流潜蚀作用增强，形成土洞并发展，水位回升或骤升触发塌陷发生(图5)。

图4 七里沟水源地岩溶水降落漏斗演变图Fig.4 The funnel evolution Charts of karst water landings in Qili gully water source area

①1986年3月25日，岩溶水水位5.12 m，低于基岩面(8.86 m)，此后岩溶水水位一直在基岩面以下波动，5月30日岩溶水水位降至最低(4.02 m)，此后由于降雨，岩溶水得到补给，水位急剧回升，6月30日升至14.22 m，上升10.10 m，在回升过程中，电业局宿舍发生岩溶塌陷(1986年6月2日)。

②1988年1月10日，岩溶水水位8.72 m，再次低于基岩面(8.86 m)，在长达2年半的时间岩溶水水位一直在基岩面以下，并持续下降，于1990年5月5日达最低值0.62 m，低于基岩面8.24 m，此后水位开始回升，7月15日升至9.87 m，上升9.25 m，在回升过程中，电业局宿舍再次发生岩溶塌陷(1990年7月8日)。

③1991年12月5日，岩溶水水位8.57 m，又一次低于基岩面(8.86 m)，此后岩溶水水位一直在基岩面上下波动，升降在0.5 m之间，受降雨入渗补给的影响，1992年4月5日岩溶水水位急剧回升至10.07 m，升至基岩面以上，在回升后的4月12～13日，新生街发生大面积岩溶塌陷。

④1996年12月10日岩溶水水位降至8.67 m后，岩溶水水位长期低于基岩面，1997年7月10日降至2.47 m，低于基岩面6.39 m，此后，水位回升，7月20日急剧回升至12.02 m，上升9.55 m，在回升过程中，新生街连续发生2次塌陷(1997年7月17日、7月24日)。

显然，岩溶水水位低于基岩顶板这一临界条件出现后，失托加荷效应、真空负压作用的发生，潜蚀效应加强，岩溶塌陷发生概率加大。即岩溶塌陷受控于区内地下水位的变化，与地下水的剧烈波动密切相关，地下水位下降至基岩面附近时，是岩溶塌陷较活跃的时期[8]。

图5 岩溶水位波动与岩溶塌陷的时间关系图Fig.5 The time relationship between karst water level fluctuation and karst collapse

5 结论

徐州新生街位于废黄河断裂带内，下伏奥陶系马家沟组厚层灰岩，岩溶发育，受地堑式断裂破碎带影响，形成了开口向上的岩溶洞隙，第四系覆盖层薄，且多为黄河河道沉积的粉砂、粉土(单层砂性土结构)，具备产生岩溶塌陷的地质条件。研究结果表明，新生街岩溶塌陷受控于区内岩溶水水位的动态变化，岩溶水超采后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或由基岩面下回升至基岩面时，真空吸附作用导致岩溶塌陷产生。岩溶塌陷发生的强度与岩溶地下水位变幅大小、岩溶地下水开采强度大小呈正相关关系。

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TherelationshipbetweenthekarstcollapseformationconditionandthekarstwaterlevelchangeinXuzhouXinshengstreet,Jiangsu

HUANG Jingjun1, WU Xin1, MIU Shixian1, CUI Longyu1, GU Chunfen2，JIANG Su1

(1.KeyLaboratoryofEarthFissuresGeologicalDisaster,MinistryofLandandResources(GeologicalSurveyofJiangsuProvince),Nanjing,Jiangsu210018,China；2.XuzhouLandResourcesBureau,Xuzhou,Jiangsu221006,China)

Xinsheng street is the most serious area of karst collapse in Xuzhou. Karst collapse caused serious economic loss and bad social influence in the 80～90 s of the 20th century. In this study, we listed the formation conditions of karst collapse (the geological conditions, the overburden conditions, the karst development conditions and the hydrodynamic conditions) combined with the latest findings, based on the previous investigation. These results revealed the genetic model and trigger factors of karst collapse in Xuzhou new street. According to the monitoring data, the relationship between karst collapse and karst water level change was identified. We found that karst collapse occurred in the developmental upward opening cavern zone of the old Yellow River fault zone. This region was strong runoff zone and skylight supply area of karst water, and sandy soil of the Quaternary overburden layer. Over exploitation of karst water was the inducing factor of karst collapse. The sharply rise period, after karst water level down to the bedrock surface, was the active period of karst collapse. Karst collapse occurred in the karst water drawdown funnel area.

karst collapse; formation condition; genetic model; the old yellow River fault zone; Seven Mile Gully water source

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.04.20

P642.252

A

1003-8035(2017)04-0125-05

2017-02-10;

2017-04-05

“徐州城市地质调查”项目； 中国地质调查局国土资源大调查项目：徐州地区岩溶塌陷调查(12120114022001)

黄敬军(1962-)，男，学士，工程地质及水文地质专业，研究员级高级工程师，主要从事水文地质和环境地质研究等工作。E-mail：hjjhfy@163.com