重點水源地巖溶塌陷機理分析及對策研究

婁 英，肖建國，劉福臣

(1.山東省日照市后村鎮水利站，山東日照276808;2.山東省日照市東港區馬陵水庫管理局，山東日照276826;3.山東水利職業學院，山東日照276826)

水源地巖溶塌陷具有突發性、隱蔽性、破壞性大等特點，已成為威脅人民生命財產安全和生態環境的嚴重地質災害，為此國內外學者進行了大量研究工作。國外早在1984年就嘗試運用地質雷達進行潛在塌陷的監測工作;中國巖溶塌陷研究起步較晚，中國巖溶地質研究所通過模型試驗，研究不同類型巖溶塌陷發育機理、影響塌陷發育主要影響因素。針對南方巖溶地區，揭示了巖溶塌陷發育的現狀和宏觀分布規律;鐵道部第二勘測設計院對泰安市巖溶塌陷嚴重發育區進行了全面的勘查、治理，取得了良好效果［1］。

圖1 泰安市東羊樓巖溶塌陷

巖溶水是泰安市的重要水源，由于無節制地開采巖溶水，引起地下水位下降，形成降落漏斗，據不完全統計，位于津浦鐵路泰安段、訾家莊灌莊水源地、舊縣水源地已發生地面塌陷100余處，巖溶塌陷2003年5月31日凌晨，泰安市省莊鎮東羊樓村邊麥地間發生嚴重地面塌陷，近兩畝麥地突然間垂直塌陷30 m，大坑直徑接近40 m，形成山東省最大的巖溶塌陷(見圖1)。

1 地質概況

本次重大巖溶塌陷，位于泰安市省莊鎮東羊樓村東麥地里，塌陷區的地形地貌、地層巖性、地質構造如下。

1.1 地形地貌

東羊樓塌陷區地貌上屬剝蝕—溶蝕平原，位于泰萊盆地的西部，為石灰巖隱伏區，第四系覆蓋層厚度一般在20～30 m。

1.2 地質構造

東羊樓塌陷區內以斷裂構造為主，大的構造主要有兩條，一條為岱道庵斷裂，由數條平行的斷層組成，斷層走向NNW，傾向NNE，傾角70°～75°;另一條為羊樓斷裂，斷層走向EW，傾向N，傾角70°～75°，該斷層在小苑莊以北被岱道庵斷層切斷。

1.3 地層巖性

東羊樓塌陷區為石灰巖隱伏區，上層為粉土—粉質粘土，松散，干燥，厚約30 m;下層為中奧陶馬家溝石灰巖，巖層走向近東西向，傾向北，厚度很大。中奧陶系石灰巖巖溶發育，含水性較強，由于含水層蓄水空間大，補給條件有利，地下水水源較為豐富，該區為泰安市重要水源地。

2 巖溶塌陷機理

巖溶塌陷的機理研究，主要有巖溶潛蝕、巖溶真空吸蝕等類型。

2.1 巖溶潛蝕

在石灰巖隱伏區，地層屬于雙元結構，上部為松散土層，下層為基巖。由于過度開采地下水，必然引起水位下降，開采量愈大，下降幅度愈大，形成的降落漏斗范圍愈大。當地下水位降到基巖面附近時，上部土體的自重應力增加。在動水壓力作用下，不斷地將土顆粒帶到巖溶洞隙中，在基巖面附近首先形成土洞。隨著土洞的不斷擴大，當上覆土體自重超過土的抗剪強度時，導致土體突然塌落，形成巖溶塌陷［2］。

2.2 巖溶真空吸蝕

在相對密閉的承壓巖溶水中，由于地下水位大幅度下降，當地下水位下降到基巖底板時，地下水由承壓水轉化為無壓，在水位與覆蓋層底板之間形成低壓真空，腔內水面如同吸盤一樣，抽吸上部土顆粒，形成土洞。隨著水位的下降，吸力加大，土洞進一步擴大發展，以至于出現地面塌陷。

泰安地面塌陷的原因是多方面的，但主要是潛蝕作用和真空吸蝕共同作用的結果。沿羊樓斷裂南側，從苑莊至羊樓一帶第四系孔隙水與巖溶水有直接的水力聯系，孔隙水沿裂席通道向巖溶水排泄，產生潛蝕作用，在第四系地層與奧陶系地層的接觸帶附近，形成東西方向、呈串珠狀分布的土洞;由于超量開采，造成第四系孔隙水旱季被疏干，雨季后恢復這樣年復一年的重復現象，在空腔內產生吸力，由此會引起土洞進一步擴大。事發正值小麥大量用水之際，由于過量抽取地下水，致使地下水位迅速下降，發生了山東省最大的巖溶地面塌陷。

3 地球物理勘探分析

在對泰安地區地面塌陷現狀情況進行調查分析的基礎上，采用聯合剖面、電測深等方法，對塌陷現場進行了物探分析，旨在摸清塌陷區的地質狀況及巖溶發育情況。

3.1 聯合剖面法［3］

聯合剖面法是由兩個對稱的三極裝置聯合而成，其公用供電電極C垂直于測線方向，在每一測點分別用A、C及B、C輪流供電，分別測出 M、N 電極之間的電位差值 ΔUAC、ΔUBC，繪制曲線，根據曲線特征解釋推斷含水層或含水構造帶的部位。本次聯合剖面法工作，在東羊樓塌坑西側布置南北向聯合剖面線一條，測點距離為20 m，供電極距AB=140 m，測量極距MN=20m，其聯合剖面曲線見圖2，由7、8、9、10測點組成一個寬大的U字型異常，寬度達80 m，推測為強烈巖溶發育帶。

圖2 1#測點的聯合剖面曲線

3.2 電測深法

電測深法就是在地表同一測點上、從小到大逐漸改變供電電極之間的距離，進行視電阻率測量，研究測線中點地下不同深度巖層的變化情況，確定不同地層的埋藏深度及其性質的方法。本次電測深工作，在塌坑附近布置電測深點6個，測量極距MN=5 m，供電極距按 9、12、16、20、25、32、40、50、60、74 m 布置。

1#測點(位于塌坑北10 m，東西方向布極)的電測深曲線上有3個明顯的電性層［4］，0～27 m段，解釋真電阻率 ρ=97.5Ω.m，由此可推測此段主要為粉質砂土;27～68m段，解釋真電阻率ρ=127.6Ω.m，推測27～68 m為灰巖強烈巖溶發育帶;68 m以上，解釋真電阻率ρ=400.5Ω.m，應為完整石灰巖。其他5個電測深曲線，基本上與1#測點相同，表明在塌坑周圍，30m深度附近存在強烈的巖溶發育帶。經鉆孔驗證:0～25 m為干燥砂質粉土，25 m開始巖芯破碎、掉鉆、巖溶發育，在36 m出現直徑3 m的溶洞，60 m以下中奧陶石灰巖，巖芯呈短柱狀，巖石相對完整。

4 巖溶塌陷防治措施

(1)對已發生塌陷的地區應盡快進行處理，避免在塌陷區附近進行任何工程建設活動。

(2)在潛在危險區中設立監測點，對地下水動態進行長期的監測，對地下水位進行控制。

(3)地下水位回升，能夠改善地下水的動力條件，減小地下水的波動，地面塌陷將會有所減緩。因此應調整開采井的布局，減少地下水的開采量，要將地下水的開采量控制在允許范圍內，在塌陷隱患區禁止增加開采量，對現有的開采井要統一管理，限量開采。

［1］國內外巖土工程實例和實錄選編，林宗元主編，遼寧科學技術出版社，2002.

［2］中國地質災害，段永侯，羅元華等，中國建筑工業出版社，1993.

［3］周天福，工程物探，中國水利電力出版社，1992.

［4］山東水利科學研究所，電測找水，山東科學技術出版社，濟南，1980.