山东省曲阜市息陬镇岩溶塌陷成因分析及防治措施研究

蔺林林 刘彬涛 杨晨 王学森 孔铭

摘要： 自1993年以来，曲阜市息陬镇多次发生岩溶塌陷，给当地的经济发展产生了较大的影响。本文在分析研究区地质、水文地质条件的基础上，结合现场调查、地球物理勘探及水文地质钻探，对研究区的岩溶塌陷分布规律及成因进行深入分析，并提出防治措施。研究发现，岩溶塌陷多集中发生于年内丰水期，主要受到短时强降雨的影响，在时间上具有集中突发的特点。空间上则主要受控于地质构造及地下水径流的影响，主要分布于断裂带附近及地下水主径流带上。降雨引发的地下水动力条件的改变是诱发岩溶塌陷的主要因素。

关键词： 岩溶塌陷；分布规律；形成原因；防治措施；曲阜市；山东省

中图分类号：  TE822.01      文献标识码：  A    doi：10.12128/j.issn.1672  6979.2023.04.006

引文格式： 蔺林林，刘彬涛，杨晨，等.山东省曲阜市息陬镇岩溶塌陷成因分析及防治措施研究［J］.山东国土资源，2023，39（4）：39  44. LIN Linlin， LIU Bintao， YANG Chen， et al. Origin Analysis and Prevention Measures of Karst Collapse in Xizou Town in Qufu City in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（4）：39  44.

0 引言

近年來，山东省城市化进程加快，人类工程活动强烈。快速增加的用水量需求导致地下水开采量激增。叠加增长的人类活动对地质环境的影响日益加剧，岩溶地质环境问题频发［1  2］。目前，山东省存在的岩溶地质环境问题主要有岩溶塌陷［3  8］、岩溶地下水污染［9  15］、岩溶大泉断流［16］等。岩溶塌陷是最严重的问题。曲阜市息陬镇自1993年首次发生岩溶塌陷后，至2021年岩溶塌陷频发，不仅制约了当地的经济发展，也给人民群众生命财产安全造成极大隐患，同时对日兰高速的运输安全造成严重威胁，亟需分析其发育规律、总结成因并提出防治措施，降低该地区再次发生岩溶塌陷的可能性。本文重点以西夏宋村岩溶塌陷为例开展研究。

1 研究区概况

1.1气象水文

研究区属暖温带半湿润季风气候区，年内四季分明。降水主要集中在每年6月下旬至9月中旬，降水量约占全年降水总量的70%～80%，多年平均降水量689.66mm（1980—2021年），最大年降水量1076.5mm（2003年），最小年降水量415.6mm（2002年）。多年平均蒸发量1820mm，最大冻土深度38cm。

1.2 地形地貌

地貌类型为山前倾斜平原，整体地势较平坦，略有起伏，呈东高西低、南高北低的趋势，地面高程一般在77m左右。周边主要河流为辽河，该段常年无水，仅在雨季时沟渠内形成季节性水流。

1.3 区域地质条件

区内发育的断裂主要为息陬断裂和防山断裂，均为隐伏断裂（图1）。地层的分布、岩性、厚度则明显受构造控制，从老到新有古生界寒武系张夏组、崮山组；寒武  奥陶纪炒米店组、三山子组及新生界第四纪山前组、临沂组。寒武纪及奥陶纪地层多隐伏于第四系之下，岩层总体倾向NW。区内地震动峰值加速度为0.05～0.10g，地震烈度为Ⅶ度，地震动反应谱特征周期0.40s，属地壳稳定—基本稳定区。

1.4 区域水文地质条件

研究区在区域上属于曲阜断块岩溶水系统。依据地下水赋存条件、水力联系、水化学特征、富水程度及不同时代、不同成因、不同岩性的组合关系，区内含水岩组主要划分为松散岩类孔隙含水岩组、碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组两种。

（1）松散岩类孔隙含水岩组在研究区内广泛分布，岩性以粉质黏土、细砂、砂质黏土、粗砂、黏土为主。塌陷点周边地区第四系厚度较薄，孔隙含水层基本无水。区域上孔隙水多呈不规则条带状展布，主要赋存于冲积和冲洪积的各类砂层的孔隙之中。主要含水砂层埋深多在50m以浅，岩性以中粗砂、混砾砂为主，含水层厚度一般10～20m，局部超过20m。农田灌溉多取用此含水层。

（2）碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组主要包括奥陶系和寒武系，岩性以石灰岩、白云岩组成为主。隐伏于第四系之下，塌陷区周边顶板埋深为15～30m。地下水主要赋存于碳酸盐岩的裂隙、溶隙溶孔中，单井涌水量小于1000m3/d，富水性不均，在断裂构造影响带富水性增强。

区域上孔隙水主要接受大气降水入渗、河流入渗及上游侧向径流补给，通过人工开采和侧向径流排泄，现状条件下水位埋深24m左右。岩溶水主要接受上游侧向径流补给及孔隙水的越流补给，径流方式以水平径流为主，排泄方式为侧向径流排泄及人工开采排泄。现状条件下水位埋深40m左右。

区内岩溶水水位年内动态与曲阜断块岩溶水系统内岩溶水水位年变化趋势基本一致（图2），受裸露区岩溶水侧向径流补给及上部覆盖层越流补给影响，地下水位随降水的增大而上升，受当地开采的影响而下降，水位年变幅相对较大，年内最大变幅可达13～14m。多年动态呈现出呈振荡式衰减的趋势。

2 岩溶塌陷发育概况

据调查，研究区内西夏宋村1993年首次发生岩溶塌陷，变压器房倾倒。1995年秋又一次塌陷，停于地面的农用拖拉机掉入塌陷坑内。1998年8月4日和12日，连续发生两次地面塌陷，塌坑平面上呈椭圆形，直径14m×8m，深4～7m，致使两间民房整体陷落。2018年村委院内出现塌陷坑，直径0.5m，深13～14m，并伴随房屋开裂。2021年9月26日，大雨过后村委院内再次发生岩溶塌陷，塌坑平面上呈椭圆形，直径5m×3m，深3m（照片1），导致院墙开裂陷入塌陷坑中，现塌陷坑已部分回填。

3 岩溶塌陷分布规律

3.1 岩溶塌陷发生的时间规律

针对研究区内自1998—2021年的塌陷情况进行归纳，区内共发生塌陷5处。调查发现，塌陷发生时间主要集中于年内丰水期（8—9月），即发生在强降雨过后，主要受到短时强降雨的影响，在时间上具有集中突发的特点。

3.2 岩溶塌陷发生的地域规律

塌陷发生具有一定的地域性。首先，研究区内岩溶塌陷沿地下水主径流带分布。该处地下水流动速度快，对上覆土层的冲刷淋滤作用强。其次，塌陷发生于第四系厚度较薄且岩溶发育强烈的地区。西夏宋村发生岩溶塌陷的地方第四系厚仅为10～20m左右。根据以往研究，砂层厚度较大时粉质黏土、黏土较易发生塌陷，随着砂层的逐渐变薄，发生岩溶塌陷的程度变缓［6］。塌陷点周边第四系厚度小于20m，岩性以粉质黏土、砂层、黏土为主，砂层厚达5m（图3），颗粒粗且较松散，黏性低，容易受到地下水的冲刷。

山东省岩溶塌陷区大多分布于寒武  奥陶纪的灰岩、白云岩中［1］。研究区内为寒武  奥陶纪炒米店组灰岩，质地相对较纯、较软，相同的地下水条件下，更易于被溶解溶蚀，形成发育良好的溶孔、溶洞。

区内岩溶塌陷沿断裂带分布。研究发现，山东省目前发生的岩溶塌陷大多分布在断裂周边500m范围内，随着与断裂带距离的增加，塌陷数量逐渐减少，断裂发生与构造断裂具有明显的相关性。因为断裂带及其周边地区，岩石较破碎，地下水对基岩的溶蚀作用强烈，大多属于岩溶强发育地段，具备岩溶塌陷发生的基本条件。研究区内根据物探分析结果，推测发育有一次级断裂，岩溶发育较好。

综上所述，研究区内岩溶塌陷的发生在时间上具有突发性，与丰水期强降雨具有明显的关系；空间上主要发生在上覆第四系盖层较薄的地下水主径流区及断裂带附近，受地层构造与水位的双重影响。因此，若要分析研究区内岩溶塌陷发生的原因，必须要结合区内的地质、水文地质条件综合分析。

4 岩溶塌陷成因分析

从西夏宋村已发生的岩溶塌陷的情况分析，岩溶发育程度、上覆第四系厚度及岩性是岩溶塌陷发生的物质基础条件。此外，岩溶水的势能是岩溶塌陷物质迁移及产生潜蚀的动力条件，没有水流的流动冲刷，不可能发生岩溶塌陷。因此水动力条件是岩溶塌陷发生的最主要诱发因素。

4.1 岩溶发育程度

可溶岩的裂隙及洞穴的发育情况对岩溶塌陷的发生至关重要。它们可成为岩溶塌陷的物质转移通道，岩溶洞穴亦可成为容纳上覆土层塌落体的场所。根据物探及相关钻探成果资料，研究区内岩溶发育程度分析图如图4所示。

受防山断裂、息陬断裂及其次级断裂（圖中推测断裂F1）影响，研究区内岩溶裂隙沿构造带及其交会部分发育强烈，而岩溶塌陷的发生地带与岩溶发育强烈地带分布一致，即岩溶越发育的地方越有利于岩溶塌陷的形成［13］。发生岩溶塌陷的西夏宋村西地势较低洼，地下水径流迅速，上覆第四系砂层较厚且松散，在地下水流的冲刷作用下不断陷落，土洞逐渐变大，当其无法承受上覆土体压力时，便在地表发生了岩溶塌陷。

4.2 上覆第四系厚度及结构

根据钻探成果资料（钻孔位于西夏宋村委北侧），研究区上覆第四系松散层为山前冲洪积堆积物，厚度小于20m，研究区属浅覆盖型岩溶区。岩性以粉质黏土、黏土、砂层为主，砂土与黏土互层。砂层和灰岩之间无有效的隔水层，整体上覆土层松散，容易因地下水流动冲刷形成土洞，从而产生岩溶塌陷。

以往研究成果显示，地面塌陷绝大多数发生在覆盖型岩溶区，覆盖层是岩溶塌陷发生的主体，其厚度和结构直接影响岩溶塌陷的易发程度［17  19］。综上，西夏宋村岩溶塌陷区土层厚度相对较薄，且夹有砂层，为岩溶塌陷的发生提供了必要的基础条件。

4.3 水动力条件

地下水水位统测资料显示，塌陷区位于地下水主径流带上，小湖村方向的地下水由东北向西南方向流动到此，刘庄、中元疃方向的地下水由东南方向向此区流动，两个方向的地下水在此汇聚，形成一处强径流带，长年累月，地下水对灰岩的溶蚀作用强烈，溶洞溶孔逐渐增大，强降雨过后，上覆土层充水增重，加之淋滤冲蚀作用，继而发生岩溶塌陷。

5 岩溶塌陷形成机理分析

研究区岩溶塌陷的形成是以地质、水文地质条件为基础，多种因素共同作用形成的［20  23］。

西夏宋村岩溶塌陷区上覆第四系厚度较小，以粉质黏土和砂层为主，在地下水流冲刷作用下极易散落液化，抗塌能力渐弱。

此外，从降水量与地下水位、岩溶塌陷时间关系图可以看出（图5），西夏宋村岩溶塌陷区岩溶水水位长期位于基岩顶板以下，第四系长期处于疏干状态。强降雨过后，雨水通过第四系入渗到基岩岩溶裂隙中，水位快速抬升。强降雨的快速冲刷和入渗，一方面导致第四系覆盖层土体迅速充水增重，另一方面对第四系土体的软化冲刷作用导致土体逐渐松散，并且冲刷带走砂层中的颗粒，久而久之，形成地下水下渗的快速通道，地下水的冲刷力量也就更大。而降雨引起地下水径流增大，对构造溶隙溶洞的溶蚀作用加强，从而导致上覆土体失稳塌陷。

综上，研究区发生岩溶塌陷的机理可大致简化为，在浅覆盖型岩溶区，由于自然及人为因素作用，形成地下水强径流区。第四系松散层砂土颗粒遭受地下水冲刷迁移以及真空吸蚀作用，土层完整性被破坏，形成土洞。强降雨期，在水的侵润软化增荷作用下导致的失稳塌陷。

6 岩溶塌陷防治措施

（1）合理规划地下水的开采，避免因地下水过量开采导致的岩溶塌陷是预防岩溶塌陷的最有效方法［24］，研究区内需严控地下水开采量，使地下水位得以抬升至基岩顶板标高以上，避免地下水位的陡升陡降对上覆土层的持续冲刷，继而避免土洞的持续扩大。

（2）根据以往岩溶塌陷规律，提前制定相应的应急预防措施。西夏宋村岩溶塌陷点周边均为民居，需提前将周边居民进行迁移，降低对群众生命财产的影响。

（3）对塌陷区的水位动态及地面形变进行监测预警，便于分析判断灾害的发生发展趋势，为及时采取应急措施提供科学的依据［25  27］。研究区塌陷点周边可设置地下水位长期自动化监测点，以实时监测地下水位的变幅情况，为岩溶塌陷提供预警信息。

7 结论

研究区岩溶塌陷的发生综合受上覆第四系厚度、地质构造及岩溶发育等基础条件的影响。较薄的第四系厚度及较强的岩溶发育都为塌陷提供了基础物质条件。短时强降雨成为岩溶塌陷发生的主要诱发因素。做好塌陷区应急预案、合理开采地下水、形成岩溶塌陷动态监测预警网络等是减轻岩溶塌陷灾害发生损失的有效手段。

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Origin Analysis and Prevention Measures of Karst Collapse   in Xizou Town in Qufu City in Shandong Province

LIN Linlin，LIU Bintao，YANG Chen，WANG Xuesen，KONG Ming

（Lu'nan Geo  engineering Exploration Institute（No.2 Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources ），Shandong Ji'ning 272100，China）

Abstract：  Karst collapse has occurred many times in Xizou town in Qufu City since 1993， which has caused a great impact to local economic development. Based on full analysis of geological and hydrogeological conditions in the study area， combining with the field survey， geophysical exploration， hydrogeological drilling and other data， the distribution law and causes of karst collapse in the study area have been deeply analyzed， and prevention measures have been proposed. It is found that most of the karst collapses occurred in the flood season （August—September）. They are mainly affected by short  term heavy rainfall， with the characteristics of concentration and sudden in time. In space， it is mainly controlled by geological structures and groundwater runoff， mainly distributed near the fault zone and on main groundwater runoff zone. The change of groundwater dynamic conditions caused by rainfall is the main factor inducing karst collapse.

Key words：   Karst collapse；distribution law；forming origin；prevention countermeasures; Qufu city; Shandong province