山东莱芜侯家沟—西泉河地区岩溶塌陷成因浅析

邹连庆 吕媛媛 王振涛 秦鹏 蒙永辉 高峰 刘妍芬 崔吉瑞 武靖雯

收稿日期：20231102；修订日期：20240228；编辑：王敏

基金项目：莱芜市地质调查项目“山东省莱芜市牛泉—泉河地区岩溶塌陷地质灾害调查与评估”

作者简介：邹连庆（1985—），男，山东济南人，高级工程师，主要从事环境地质、生态地质研究工作；Email：zoulianqing2010@163.com  *通讯作者：吕媛媛（1981—），女，山东济南人，高级工程师，主要从事自然资源规划研究工作；Emaii：42648150@qq.com

摘要：莱芜侯家沟—西泉河地区断裂构造、裂隙岩溶水水文地质条件复杂。该文在系统分析侯家沟—西泉河地区水文地质条件、岩溶塌陷发生历史及规模的基础上，总结了区内岩溶塌陷成因。研究表明：区内岩溶塌陷主要发生在浅部岩溶发育的侯家沟和泉河地区，发生时间多为每年汛期雨中或雨后的一段时期内，主要是岩溶地下水的频繁大幅度波动（波动范围16～40m）造成的浅部溶洞上覆厚度约4～15m的黏质砂土、砂质黏土遭到破坏，进而产生塌陷。

关键词：岩溶塌陷；第四系；岩溶水位动态；机理；山东莱芜

中图分类号：P642.26    文献标识码：A    doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.05.003

引文格式：邹连庆，吕媛媛，王振涛，等.山东莱芜侯家沟—西泉河地区岩溶塌陷成因浅析［J］.山东国土资源，2024，40（5）：1723.ZHOU Lianqing，LV Yuanyuan，WANG Zhentao， et al. Analysis on the Causes of Karst Collapse in Houjiagou—Xiquanhe Area in Laiwu City in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（5）：1723.

0  引言

岩溶塌陷作为山东省主要的地质灾害灾种之一，分布较广，泰安、临沂、枣庄、莱芜等地相继多次发生，许多学者对岩溶塌陷的土体变形、岩溶发育程度、诱发因素等进行了研究并提出了相应治理对策［16］，一些工程技术人员也通过诱发因素监测、地质雷达等技术方法对岩溶塌陷成因开展了探索［79］。也有学者对莱芜及其他地区岩溶塌陷特征、岩溶塌陷危险性评价、灾害防治等方面进行了研究［1012］。上述研究成果对相关区域岩溶塌陷防治发挥了重要的指导作用。

本文以侯家沟—西泉河地区第四系松散层厚度较薄，类似“天窗”构造地区为研究对象，对其水文地质条件、塌陷现状、塌陷规律及诱发因素进行分析研究［13］，提出了侯家沟—西泉河地区岩溶塌陷主要受岩溶水位变幅和顶部岩溶发育程度控制。

1  研究区概况

1.1  自然地理

研究区位于莱芜区西南部，地势南高北低，地形标高160～220m，除南部为低山丘陵外，大部分地形平坦。地貌上为山前倾斜平原和冲积平原。区内多年平均降水量697.3mm，最大降水量1236.9mm，最小降水量263.1mm，降水多集中在6—9月份，占全年的75%左右。主要河流为牟汶河，由东向西流经本区北部，汛期在7—9月份。

1.2  地质背景及水文地质条件

研究区大面积被第四纪沉积物覆盖，南部少量基岩裸露。地层由老至新依次为寒武奥陶纪三山子组、奥陶纪马家沟群、石炭纪本溪组、二叠纪石盒子组、古近纪大汶口组及第四系。主要构造为塔子石门官庄断层、牛王泉杜官庄断层、牛泉茂盛堂断层、侯家沟东断层。燕山期岩浆岩在南部山前呈小型侵入体沿塔子石门官庄断层断续出露，其余隐伏第四系之下。根据地层岩性组合、含水介质的赋水状况等特征，研究区地下水可分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水和基岩裂隙水（图1）。

1.2.1  松散岩类孔隙水

主要沿牟汶河两岸阶地分布，其宽度受地形控制。第四系厚度0～20m，岩性主要为砂、砾石等。含水层透水性强，大气降水和地表水是其主要补给来源，在牛王泉、泉河及杜官庄等“天窗”地段与岩溶水互补，富水性强，单井涌水量2000m3/d。地下水径流方向与地形坡向基本一致，总体趋势由河流两侧向河流下游运动，水位埋深1～5m，年变幅1～3m。

1.2.2  碳酸盐岩裂隙岩溶水

裂隙岩溶水主要赋存于奥陶纪石灰岩，石门官庄塔子断层以南广泛出露地表，其余地段隐伏地下，由南向北随古近系厚度增大而变深。含水岩性为青灰色、棕灰色厚层灰岩。大气降水为主要补给来源。研究区南部地表岩溶发育，可直接接受大气降水入渗补给。受岩层倾向控制，地下水基本上顺岩层倾向，由南东或南向北西或北径流。在灰岩隐伏区，巨厚的古近系砂岩阻断了岩溶水与孔隙水的水力联系，但在地形低洼处灰岩隆起，古近系地层缺失的杜官庄、牛王泉及泉河附近（图2），第四系松散层与灰岩直接接触，岩溶水与孔隙水具有密切的水力联系，在牛泉和泉河“天窗”以泉的方式溢出地表，如牛王泉、郭娘泉。牛泉茂盛堂断裂以东地区岩溶发育，富水性中等—强，单井涌水量630.7～2808m3/d。牛泉茂盛堂断裂至西部边界石炭系附近，岩溶裂隙不发育，单井涌水量小于50m3/d。另根据当年调查资料［14］进一步分析研究发现，牛王泉杜官庄断层的阻水作用，使得其北部和南部的水文地质情况存在一定差异，北部与顾家台矿区水力联系密切，南部与莱新铁矿水力联系密切。南部区内的F1断层和侯家沟东断层附近岩石破碎，透水性较好。20世纪80年代后，区内工矿业的开采，岩溶水水位大幅度下降，泉水枯竭，大气降水在牛王泉、杜官庄、泉河等松散层与灰岩直接接触地区可通过第四系直接补给裂隙岩溶水。岩溶水主要排泄途径为人工开采。岩溶水位受降水影响明显，水位上升与降水基本同步，但最高水位出现时间明显滞后于降水量一段时间，最高水位一般出现在9—11月份，最低水位一般在5—6月份，年变幅30m左右。

1—第四系松散物；2—古近系砂页岩；3—奥陶系灰岩；4—闪长岩；5—岩溶水位。图2  西泉河附件水文地质剖面略图

裂隙水赋存于古近系砂岩、燕山期闪长岩风化裂隙中。其含水层主要为构造裂隙及浅部的风化裂隙，由于裂隙发育细微，仅有降水渗入补给，含水微弱，赋水性较弱，单井涌水量一般小于10m3/d。

2  岩溶塌陷情况

2.1  岩溶发育现状

研究区岩溶塌陷主要发生在西泉河和侯家沟村地段，牛王泉和杜官庄地段未发生塌陷。

2.1.1  西泉河地段

该地段塌陷自1975年叶庄矿放水实验始发，进入20世纪80年代以来，塌陷时有发生，即有重复塌陷，也有新的塌陷。塌陷位于西泉河村东侧及东南冲沟附近，侯家沟东断层东南，呈NNW向，南北长1000m，东西宽100～300m（图3）。塌坑呈筒状，坑口以圆形、椭圆形为主，直径多2～7m，深度1～6m（图4）。塌陷多在塌陷范围内重复塌陷，初步统计共塌陷60余处。

2.1.2  侯家沟地段

该地段自20世纪80年代发生塌陷以来，近年塌陷时有发生。塌陷位于侯家沟村东部，F1断层和侯家沟断层之间（图5），呈NW向，南北长210m，东西宽150m，塌坑口以圆形、椭圆形为主，最深可达11.7m（图6），初步统计塌陷10余处。

2.2  岩溶塌陷分布规律

水平方向受地质构造影响，多沿断裂带分布。已发生的塌陷主要分布F1断层以东，侯家沟东断层之间以及侯家沟东断层以东、泉河断层以东区域，其余的地段未发现岩溶塌陷坑及其引发的房屋斑裂现象。断裂构造发育地段岩石破碎，裂隙发育，成为地下水的良好赋存空间和运移通道［15］，地表水和地下水对基岩作用强烈，岩溶裂隙、溶孔、溶洞发育，非构造发育带岩溶发育程度明显减弱。垂直方向上，岩溶塌陷多分布在4～15m厚度的黏质砂土、砂质黏土双层结构盖层区，下部古近系红色砂岩相对较薄，盖层下伏奥陶纪马家沟群灰岩。如2005年7月2日发生在西泉河村东南的塌陷，塌坑直径8m左右，深6m左右，从上至下为第四系松散层约4m，古近系砂岩厚约1m（图7）。2009年7月发生在侯家沟村树林中的塌陷，塌坑底部可见薄层古近系砂岩，厚约0.5m（图8）。

3  成因分析

3.1  岩溶塌陷的物质基础

研究区岩溶塌陷主要受第四系松散盖层及下伏岩溶发育特征控制，其中研究区第四系厚度0～20m。在牛王泉、杜官庄、泉河地段古近系缺失，第四系直接覆盖灰岩之上，岩性多为褐色黏质砂土、砂质黏土等。在地下水位强烈波动之下易被冲刷破坏。在古近系厚度较薄，胶结程度较差地区，古近系砂岩在地下水位强烈且反复波动之下，亦可能被冲刷破坏，继而上覆第四系松散盖层被破坏产生岩溶塌陷［16］。可溶岩是岩溶发育物质基础［17］，区内岩溶地层主要为奥陶纪灰岩、泥质灰岩组成，岩溶裂隙发育。岩溶发育程度自上而下呈递减趋势，渗透系数K介于1.484～4.661m/d之间。区内牛王泉—南宫地区岩溶发育最强，依次为马家庄—刘家庄地区，侯家沟—西泉河地区。许多钻孔皆揭露大小不等的溶洞，但因岩性、结晶程度不同，岩溶发育不均匀。一般溶洞高20～30cm，少部分大于50cm，也有的钻孔未见溶洞。裂隙岩溶垂向随深度增加发育程度减弱，主要发育10～150m。据钻孔资料，牛王泉村东北部A1孔，80.49～87.00m岩石破碎，溶蚀现象普遍；牛王泉A15孔，48.9m处揭露直径2.6m溶洞，在126.2m处发育直径约1.62m溶洞；东泉河ZK0901孔，20.26～21.34m与85.74～86.54m均见有溶洞；西泉河村ZK0701号孔，19.84～21.84m揭露直径2m溶洞；杜官庄北部ZK12号钻孔，136.62～146.45m发育直径9.83m溶洞。溶洞之间多被方解石分割成网格状，多数被充填，充填物多为红褐色砂质黏土。

3.2  地下水动力特征

研究区地下水水位动态受人为开采及大气降水影响，地下水垂向和水平径流在不停的转换，地下水水位亦在周而复始的升降变化。根据区内岩溶水水位监测资料，岩溶水水位埋深3.55～144.18m，位于第四系底板、灰岩顶板之下。与此同时，地下水对第四系直接与奥陶系接触地带盖层不停的进行侵蚀溶蚀。

3.3  研究区岩溶塌陷成因分析

塌陷区开口溶洞早已存在，发育深度多在20m左右（前已论述），区内第四系松散物厚度4～15m，基本相当于直接覆盖于开口溶洞上方，塌陷是随着地下水位的频繁波动多次发生。根据1997—2001年塌陷区发生塌陷时间和水位波动数据分析可知，区内岩溶塌陷主要发生在汛期6—9月份，发生塌陷月份前后两个月地下水位波动在16～40m。尤其是2000年，侯家沟—西泉河汛期发生塌陷48处，其中8月份42处，占塌陷总量的87.5%，期间降水量达326mm，西泉河岩溶水位波动幅度高达40.7m。

究其塌陷理论可简单归结为“水位波动溶洞充填物潜蚀流动气压差盖层失托”［18］（图9）。区内岩溶水水位长期稳定在灰岩顶界面以下某个水平面时，溶洞内盖层物质及大气的补充进入，使溶腔和溶洞内外处于相对平衡状态（图9a）。当遭到强降雨、强抽水后，地下水位上下波动，溶洞内部气压随之升高或降低，形成气压差，溶洞空腔充填物中的松散物质受潜蚀作用（研究区内松散物渗透系数K为50～300m/d，透水性强，易在地下水入渗过程中形成渗流液化），遭到破坏（图9b）。充填物不断破坏和随水流走，溶洞空腔逐渐增大，孔隙水水力坡度和渗流速度增大，使溶洞上覆盖层遭受更严重的潜蚀作用（图9c）。

破坏程度取决于岩溶水水位变幅及升降速度，水位升降速度愈快、变幅愈大形成的气压差相对愈大。尤其是岩溶水位在作大幅度频繁升降变化时，溶洞顶板相当于受到了“活塞运动”式的振动荷载，从而加剧溶洞上覆盖层结构破坏［19］。另外强降雨后，松散盖层中砂土、粉土、黏性土等遇水饱和，松散物变软，大大降低了其相互间吸引力，因此，当降水引发岩溶水位变化时，盖层土体强度会迅速降低，当大气压和土体自重压力超过了盖层土体的抗剪强度，盖层失托，岩溶塌陷继而发生（图9d）。本区岩溶塌陷大多集中于汛期雨中或雨后便起因于此。

a—自然状态下，盖层在溶洞充填物及承压水的支撑作用下处于相对平衡状态；b—岩溶水位下降，溶洞充填物发生潜蚀破坏，土洞首先在充填物中形成和扩展，溶洞逐渐形成较大空腔；c—岩溶水的反复运动，真空机制形成，盖层受潜蚀及气压差作用，应力进一步增加，盖层开始局部破坏；d—岩溶水位快速下降，土体应力超过其抗剪强度，盖层失托，形成塌陷。图9  溶洞充填物潜蚀流动气压差盖层失托效应解释岩溶塌陷成因示意图

杜官庄、牛王泉地段所处水文地质单元与北部联系密切，受矿山排水影响更大，水位变幅比南部泉河地段更大，但至今这两个地段尚未发生过岩溶塌陷，究其原因，笔者认为这两地段虽然灰岩上覆第四系厚度较薄，岩溶水位动态变幅较大，但区内钻探表明，这两区域内50m以浅岩溶不发育弱，岩溶发育段多在50～140m处（前已论述），虽受水位波动、溶洞气压变化等原因影响，但溶洞上覆较厚的灰岩减缓了上覆盖层遭破坏的程度，故本区尚未有岩溶塌陷发生。

4  结论

通过系统分析区内水文地质条件及岩溶塌陷发生情况，区内岩溶塌陷主要是发生在浅部岩溶发育的侯家沟和泉河地区，发生时间多为每年汛期的较大降雨中或雨后的一段时期内，主要是岩溶地下水的频繁大幅度波动（波动范围16～40m）造成的浅部溶洞上覆厚度约4～15m的黏质砂土、砂质黏土受潜蚀溶蚀、气压变化等作用遭到破坏，进而产生塌陷。牛王泉、杜官庄地区至今未有岩溶塌陷发生，与本区段浅部岩溶发育较弱，水位波动引起的潜蚀流动，真空吸蚀等作用弱存在较大关系。

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Analysis on the Causes of Karst Collapse in Houjiagou—Xiquanhe Area in Laiwu City in Shandong Province

ZOU Lianqing1，LV Yuanyuan2，WANG Zhentao1，QIN Peng1，MENG Yonghui1，GAO Feng1，LIU Yanfen1， CUI Jirui1， WU Jingwen3

（1.Shandong Provincial Territorial Spatial Ecological Restoration Center，Shandong Ji'nan 250013， China；2. Jinan Urban and Rural Planning Compilation Research Center， Shandong Ji'nan 250098， China;3.Shandong Experimental High School， Shandong Ji'nan 250001， China）

Abstract：Hydrogeological conditions of fault structures and fissure karst water in Houjiagou-Xiquanhe area in Laiwu city are complicated. Based on systematic analysis of hydrogeological conditions， history and scale of karst collapse， the causes of karst collapse in the area have been analyzed systematically. It is showed that karst collapse mainly occurs in Houjiagou and Quanhe areas where shallow karst develops， and occurs during or after the rain in flood season every year. It is mainly caused by frequent and large fluctuation of karst groundwater （fluctuation range is 16～40m）， which results in the destruction of the clay and sandy clay with a thickness of 4～15m over the shallow karst caves， and then the collapse occurs.

Key words：Karst collapse； Quaternary system； karst water level dynamics；mechanism; Laiwu city in Shandong province