大冶市欧家港岩溶地面塌陷成因机理分析

刘 帅， 李圣军， 王明起

(湖北省地质环境总站，湖北 武汉 430034)

大冶市是鄂东南地区重要的矿冶基地之一，该区有著名的铜山口铜矿床。该矿床于20世纪80年代中期建成投产，至今已有三十余年的大规模开采历史，并从露天开采为主逐渐转为井下开采为主。随着该矿床开采深度的增加，疏排水量也不断增加，导致铜山口矿区及周边地区产生了严重的矿山地质环境问题，其中岩溶地面塌陷是最主要问题之一[1]。矿山开采活动引发的岩溶地面塌陷十分常见，查明这些塌陷形成的条件、机理对矿区及其他岩溶发育区的塌陷地质灾害监测及防治具有重要的参考价值[2]。本次在野外地质调查、钻探、物探等工作基础上，总结铜山口地区欧家港岩溶地面塌陷的发育特征及形成地质条件，分析其成因机理并建立致塌模式，为后期岩溶地面塌陷监测及治理提供依据。

1 地理及地质背景

欧家港岩溶地面塌陷位于大冶市陈贵镇铜山口村(图1)。该区属亚热带大陆气候区，四季分明，雨量丰沛，年平均气温17℃，年降雨量899.8～2 180.0 mm，年平均降雨量1 387.5 mm，洪水季节为每年的4—8月。

研究区属构造侵蚀低山丘陵地貌，地势总体东南高北西低，海拔最高点为张家山，高程约190 m；海拔最低点为欧家港河床，高程约25 m，也是本区最低侵蚀基准面。研究区中部分布一条呈NE-SW向展布、宽约600 m的宽缓洼地，为区内地表水、地下水汇集地带。欧家港为区内主要地表水系，呈NNE向流经铜山口矿区中部，河床下伏基岩以碳酸盐岩为主，所富含的岩溶水与河水水力联系较密切。

研究区出露地层较简单，主要由三叠系下统大冶组灰岩段(T1d4)、三叠系下—中统嘉陵江组白云岩段(T1-2j1)及灰岩段(T1-2j2)、第四系(Q)组成。第四系分布广泛，覆盖全区85%以上的面积，主要由冲积(Qal)、冲洪积(Qal+pl)、残坡积(Qel+dl)的亚砂土、亚黏土、粉质黏土、砂砾石组成。区内断裂较发育，主要有NE向、NW向和近EW向三组，均属逆断层。F1、F6走向NE，倾向SE，倾角60°～77°，断距32～150 m，沿断层面偶有闪长岩脉侵入。F5走向NW，倾向SW，断距90 m。F2、F3、F4走向近EW向，倾向S，倾角50°～80°，断距30～70 m，沿断裂面有闪长岩侵入，为主要导矿构造。

2 岩溶地面塌陷发育特征

2.1 岩溶地面塌陷发育现状

铜山口地区最初于20世纪80年代初期形成多处岩溶地面塌陷，这些塌陷主要分布于河床及河道两侧[3]。2009年10月以来，铜山口地区再次活跃，在河床及周围村庄又形成多处塌陷，居民房屋出现不同程度的开裂。2014年至今，该位置又陆续发生28处塌陷，塌坑多呈椭圆形，长轴一般长约1～10 m，短轴一般长约1～8 m，坑深一般为3～5 m。2020年7月28日—30日，欧家港一带发生塌陷，塌陷主要分布于欧家港河床，路面、浆砌石挡墙等遭到破坏下沉。塌陷变形区平面形态不规则，长约75 m，宽约25 m，面积为1 875 m2。整个变形区由多个大小不等塌陷坑组成，塌陷坑呈漏斗形、椭圆形、不规则形，直径0.3～6 m，可见深度0.2～6 m。

图1 铜山口地区地质简图Fig.1 Geological map of Tongshankou area1.三叠系；2.二叠系；3.石炭系；4.志留系；5.花岗闪长岩；6.花岗闪长斑岩;7.石英闪长岩；8.正常背斜轴；9.倒转背斜轴；10.倒转向斜轴；11.实测与推测断层；12.角砾岩;13.塌陷坑。

2.2 岩溶发育特征

本次研究布置了4条高密度电法剖面(2条SN走向，2条EW走向，长度合计2.4 km)，用于探索岩溶发育区和地面塌陷的空间分布特征。物探结果(图2)显示，岩溶发育区(低阻异常)广泛发育，多赋存于地表—-40 m范围内，深部基岩大部分较完整；这些岩溶发育区集中分布于欧家港两侧，说明地下水循环交替强烈部位有利于岩溶发育[4]。值得注意的是，实测发现的地面塌陷均有显著的低阻异常显示，物探发现的低阻异常数量更多、范围更广，表明其他区域也存在地面塌陷风险。

图2 2#高密度电法剖面(部分)成果解译图Fig.2 Interpretation of 2# high-density electrical profile (part) results

本次研究布置了8个地质钻孔，用于探索可溶岩带分布范围、岩溶发育特征并验证高密度电法发现的低阻异常。钻探结果显示，其揭示的岩溶发育情况与物探异常基本吻合。可溶岩上部直接覆盖第四系土层，覆盖层厚4.0～13.0 m，平均为9.55 m，主要由素填土、粉质黏土、含砾粉质黏土、卵砾石及少量细砂组成。岩溶发育形态以溶隙、溶孔及溶洞为主。溶隙宽1～3 cm，溶孔孔径1～4 cm，主要沿裂隙、层面、方解石脉和构造角砾岩带发育，多呈蜂窝状分布，有时呈单个体出现。本次实施的8个钻孔中有7个揭露出溶洞，共发现溶洞23个，以洞高0.6～6.6 m的小型多层溶洞为主，溶洞总高度为58.1 m，线溶洞率为5.30%～39.95%，大多数溶洞未充填(图3)。就单个钻孔来看，溶洞发育部位位于地下水水位标高上下，表明溶洞的形成与发展与地下水位变动有关。

图3 溶洞充填情况示意图Fig.3 Schematic diagram of cave filling蓝色为基岩；红色为有充填溶洞；白色为无充填溶洞。

3 岩溶地面塌陷成因机理

3.1 岩溶地面塌陷形成条件

欧家港岩溶地面塌陷的发生受多种因素的影响和制约，主要形成条件包括具备开口的可溶岩、上覆松散土体盖层和地下水动力作用。

铜山口东南部以裸露型碳酸盐岩为主，西部和北部地表以岩浆岩为主，是埋藏型碳酸盐岩分布区。区内可溶岩为大冶组灰岩(均变质为大理岩)和嘉陵江组灰岩与白云岩(均变质为大理岩)，上部直接覆盖第四系土层，因此该区为覆盖型可溶岩分布区。可溶岩中发育较多溶洞、溶隙和溶孔，是容纳覆盖层塌陷体的场所和水流迁移岩土物质的通道，是岩溶塌陷产生的基础。

该区覆盖层主体为“上土下砂”的二元结构，局部为“上土中砂下土”的三元结构，砂性土层直接与下伏可溶岩接触。在覆盖层与水直接接触部位，粉质黏土因遇水膨胀、失水收缩而处于软化状态，导致粉质黏土层黏聚力、内摩擦角、抗剪强度降低，盖层的稳定性也随之降低，产生地面塌陷[5]。在砂性土层与碳酸盐岩接触部位，砂性土中的细颗粒会直接通过溶隙、溶孔等通道漏失，也能引起地面塌陷。

岩溶发育区主要分布于欧家港两侧，降水入渗、地表水渗漏、河水倒灌、人为抽(疏)排水等自然和人为因素普遍存在，加剧了地下水的活动，是诱发和促进岩溶地面塌陷产生的重要因素之一。

3.2 岩溶地面塌陷诱发因素及发展过程

研究区以“上土下砂”的二元覆盖层结构为主，可溶岩隐伏于砂性土层之下且埋深较大。由于砂性土具黏聚力小、易液化特点，潜蚀、真空吸蚀机理对砂性土影响较大，故潜蚀—渗流液化—漏失机理为该区主要的塌陷类型[6]。在塌陷形成过程中，受到自然因素和人为因素的综合影响。

3.2.1自然因素

2016年7月和2020年7月强降雨期间，欧家港河及河漫滩全部被淹，地表水高出河漫滩1～2 m。受河水位的升降影响，岩土接触面处的水土快速漏失，进而诱发塌陷的发生(图4)。

3.2.2人为因素

区内人为因素主要为疏排水(图5、图6)。铜山口矿山疏排水改变了该区地下水流向，形成了以铜山口矿区为中心的地下水降落漏斗。地下水位南北相差约150 m，加之区内可溶岩和岩溶较发育，因此岩溶地下水水平径流活动条件充足。区内地下水埋深较大，在强降雨期间，地表水与岩溶地下水之间的水头差较大，加剧了地表水对地下水的补给速度，形成相对较强的渗流场和强烈的径流活动，一方面使得土石界面附近的土层受到干扰，土层性质变差；另一方面加大了地下水的吸蚀、携带能力，是本区地面塌陷的主要动力条件。

图4 河水位下降引起地面塌陷示意图Fig.4 Schematic diagram of ground collapsecaused by river water level falling1.黏性土；2.砂性土；3.灰岩；4.岩溶洞穴；5.地下水位；6.土洞界线；7.塌陷坑堆积物。

图6 抽取浅层地下水引起地面塌陷示意图Fig.6 Schematic diagram of ground subsidence caused by extraction of shallow groundwater1.黏性土；2.砂性土；3.灰岩；4.岩溶洞穴；5.地下水位；6.土洞界线。

此外，研究区紧邻002县道，该县道是周边厂矿企业的交通要道，常年有重载车辆行驶，产生的震动诱发和加剧了接近极限平衡状态的隐伏扰动土层产生塌陷。

3.2.3塌陷发展过程

本区岩溶地面塌陷的发展过程大致分为四个阶段(图7)：

(1) 原始稳定阶段。孔隙承压水和岩溶水存在一定的水头差，孔隙承压水补给岩溶水，但是渗透坡降较小，上覆土层处于相对稳定阶段。

(2) 自然因素作用阶段。孔隙承压水和岩溶水的水头差增大，加之在降雨作用下，渗透力造成土层流失，在灰岩顶板形成疏松砂土、土洞并不断向上发展。

(3) 人为因素和自然因素共同作用阶段。施工扰动或抽取地下水一方面使孔隙承压水和岩溶水的水头差增大，另一方面在渗透力作用下造成疏松砂土、土洞不断向两侧及向上扩展，逐步逼近黏性土盖层底板，并达到土洞临界拱高。

(4) 塌陷阶段。黏性土盖层中形成的土洞上覆盖层已接近临界拱高，在降雨、地面荷载等诱发因素作用下，土拱的致塌力超过抗塌力而引起土拱破坏，进而产生塌陷。

图7 岩溶地面塌陷发展过程示意图Fig.7 Schematic diagram of development process of karst ground collapse1.黏性土；2.砂性土；3.灰岩；4.溶洞充填物；5.塌落体；6.土洞压力拱发展轨迹；7.降雨或地面荷载；8.孔隙承压水位h1和岩溶水位h2。

3.3 致塌模式及力学分析

3.3.1致塌模式

欧家港岩溶地面塌陷的形成是经过地下水掏蚀崩解+地表水入渗+振动效应综合形成的，其塌陷形成过程分为3个阶段：扰动土层形成阶段(地下水大幅下降前)(图8-a)、扰动土层发展阶段(地下水大幅下降后)(图8-b)、地面塌陷阶段(强降雨、矿山疏排水、震动效应)(图8-c、图8-d)。

图8 欧家港岩溶地面塌陷形成过程示意图Fig.8 Schematic diagram of formation process ofOujiagang karst ground collapse1.黏性土；2.砂性土；3.可溶岩；4.溶洞充填物；5.塌落体；6.地表裂缝；7.孔隙承压水位h1和岩溶水位h2;8.塌落扩散角。

3.3.2塌陷模型力学分析

根据对研究区地面塌陷的调查及分析，可将塌陷过程简化为砂性土漏失塌落阶段和黏性土盖层失稳阶段。

(1) 砂性土漏失塌落阶段。因地下水动力条件改变等因素，砂性土于岩土界面产生垂直渗流—漏失，向上形成“漏斗状疏松体”，疏松体以一定的塌落扩散角向上发展。砂性土层塌落扩散角θ的大小取决于土体的密实度、颗粒组分及埋藏条件、水动力条件等[2]，可通过经验取值或公式计算。

θ=45°-φ/2

(1)

式中：θ为砂性土层塌落扩散角；φ为砂性土内摩擦角加权平均值。

根据欧家港塌陷形成过程推测砂性土层塌落扩散角θ=25°～32°。地表塌陷坑的规模R主要取决于砂性土层塌落扩散角θ及其厚度H1、黏性土盖层塌落扩散角β及其厚度H2。

R=r+H1tanθ+H2tanβ

(2)

式中：R为塌陷坑半径；r为地下水土流失处溶洞和溶隙开口半径；H1为砂性土层厚度；θ为砂性土层塌落扩散角；H2为黏性土盖层厚度；β为黏性土盖层的塌落扩散角，取0°～10°。

以研究区11号和12号塌陷坑为例，将已知的R、H1、θ参数代入公式(2)进行计算，得出在黏性土盖层坑壁陡立(β=0°)的理想状态下，地下水土流失处溶洞和溶隙开口半径分别为5.8 m和5.3 m。

(2) 黏性土盖层失稳阶段。当砂性土的漏斗状疏松体扩散至黏性土盖层底板时，黏性土盖层底部失去支撑，其拱顶中心首先下陷形成地表陷落；当周边的摩阻力、黏聚力及承压水浮力不足以支撑盖层重量时，即形成塌陷坑，其上部剖面形态呈井状[7]。当黏性土盖层为柔性体，失稳的主控因素为盖层土的重力G1、黏聚力c、孔隙承压水浮力Fw，次要因素为地面载荷重力G2、盖层土的摩阻力F时，黏性土盖层的塌陷力学关系式为：

(3)

式中：G1为盖层土的重力；G2为地面荷载重力；F为盖层土的摩阻力；c为盖层土的黏聚力；Fw为孔隙承压水的浮托力。当致塌力(G1+G2)>阻塌力(F+c+Fw)时，塌陷发生，反之则相对稳定。

以11号和12号塌陷坑为例，根据其塌陷现状确定相应的力学参数，并采用公式(2)和(3)进行计算。计算结果表明，当下部砂性土漏失后，黏性土盖层是否塌陷主要取决于上部黏性土层的强度、厚度及孔隙承压水的浮力，上部黏性土层强度越高或厚度越大则越不易塌陷，反之则容易塌陷。研究区可溶岩上覆土层在厚度<15 m、孔隙承压水浮力为0的情况下均可能产生塌陷。

4 结论

(1) 铜山口地区欧家港一带可溶岩(碳酸盐岩)覆盖层为第四系全新统冲洪积黏性土和砂性土，具有“上土下砂”的二元结构，砂性土层与下伏可溶岩直接接触；可溶岩中岩溶(溶洞、溶隙、溶孔)十分发育，地质结构脆弱，属易塌陷地层。

(2) 欧家港一带具备可溶岩地层、上覆松散土体盖层和强烈的地下水活动等有利于岩溶形成的条件，岩溶地面塌陷的诱发因素为自然因素(降水)和人为因素(矿山疏排水)。

(3) 欧家港岩溶地面塌陷的形成过程可分为扰动土层形成阶段(地下水大幅下降前)、扰动土层发展阶段(地下水大幅下降后)和地面塌陷阶段(强降雨、矿山疏排水、震动效应)3个阶段。

(4) 力学试算结果表明，研究区在上覆土层厚度<15m、孔隙承压水浮力为0的情况下均可能产生塌陷。