岩溶塌陷影响因素分析

岩溶塌陷的产生、发展是一个复杂的系统过程，不仅与区域地质背景条件密切相关，而且又取决于其影响因素的综合作用。研究岩溶塌陷灾害，综合分析岩溶条件、盖层条件、地下水条件、诱发动力条件四大因素对岩溶塌陷形成的影响，查清各影响因子中岩溶塌陷形成的决定性因素，对于评价和预测岩溶塌陷风险，有效防治岩溶塌陷有重要的作用。

结合对中国北方岩溶塌陷成因的分析，对枣庄十里泉域历史岩溶塌陷进行研究，主要从岩溶条件、盖层条件、地下水条件、诱发动力条件四个方面考虑。

一、岩溶因子

可溶岩的岩性是控制岩溶发育的基本内在条件。研究区域可溶岩主要为碳酸盐岩类。枣庄十里泉域早古生代（寒武纪、奥陶纪）及晚古生代石炭纪碳酸盐岩分布集中于十里泉、丁庄-东王庄两大水源地，主要有寒武-奥陶系九龙群三山子组白云质灰岩、白云岩和马家沟组东黄山段、北庵庄段白云质灰岩、石灰岩等。该类岩石成分较纯，厚度大，分布稳定、时代古老，岩石受到成岩后生作用的强烈改造。因而具有孔隙度低，力学强度大的特点，这些特点则直接影响到岩石的含水性和岩溶的发育。

岩溶、裂隙发育程度是决定岩溶塌陷发生概率及塌陷强度的基础性因素。枣庄十里泉域岩溶塌陷发育以西北方向居多，与地下水主径流方向和裂隙、岩溶发育方向基本一致。据钻孔资料，十里泉地段地下岩溶发育在深0～100m之间，其中50m以上岩溶发育强烈，岩溶形态以溶洞、溶隙、溶孔为主，洞隙直径1～7cm，且连通性好，线性岩溶率平均为5.5%，100m以下裂隙岩溶发育渐弱。20世纪70年代在十里泉泉头开挖大口井时在三山子组白云岩中遇直径8.3m的大型溶洞；裂隙发育方向以120°～130°的居多，宽度在0.5～1m之间。丁庄-东王庄地段地下岩溶、裂隙发育段在深100m以上，其中30～80m之间溶洞、蜂窝状溶孔发育，线性岩溶率平均为9%，深度100～150m岩溶、裂隙发育较弱。分布于东王庄、冯刘跃附近的三山子组白云岩地表溶隙、溶沟、溶槽有两组，一组方位角65°，另一组方位角130°，两组相互交织形成井字形裂隙网。分布于官庄和丁庄南的马家沟组北庵庄段石灰岩地表岩溶也比较发育，溶沟、溶槽宽度多大于1m，是地表水和大气降水入渗、沟通地下水的主要通道。良好的岩溶发育，为研究区域塌陷提供了基础条件。

岩溶塌陷的发生与岩溶塌陷历史有一定关系，统计研究表明，本区岩溶塌陷点在首次塌陷回填处理后，发生二次、三次等再次塌陷的几率很大，许多塌陷坑是多次活动的复塌坑，而且发生频次越高的区域越容易发生复塌。因此，研究岩溶塌陷影响因子须考虑岩溶塌陷历史的影响。

二、覆盖层因子

1.覆盖层厚度

据初步统计，本区岩溶塌陷大部分发生在土层较薄地区，尤以小于15m的地方为多。这是因为在相同的水文地质条件下，上覆土层厚度小，土洞扩展到地表的进程短，使塌陷易于发生。同时土层厚度大，从土洞发育到塌陷到地面的时间也长，即形成地表塌陷的可能性也变小。十里泉水源地发生的塌陷大多发生在盖层厚度小于5m的地段，在丁庄至东王庄水源地附近，塌陷区盖层土体最厚也不过10～12m（表9-3）。但是另一方面也要看到土层厚度大，有的也会使自重力加大，因此致塌力也会大，土体破坏失稳形成内部塌陷孔洞（或土洞）可能性也会大。

2.覆盖层岩性

覆盖层土体的岩性对岩溶塌陷产生很大影响，覆盖层土体结构可由砂，砾石及黏土组成。在其他条件相同情况下，均一的砂或土较易塌陷，夹砂、土或砾石层状非均一结构则次之，均一黏土抗塌性能则相对好，而多层结构最易塌陷，大量的工程实践证明，砂性土、砾石相对于黏性土更易发生塌陷。

3.覆盖层结构

从本区发生的塌陷分析，所有塌陷均发生于第四系浅覆盖区，以单层结构的粉质黏土为主，在近河流处发育双层结构，一般砂性土比黏性土易塌；具双层结构或含砾黏土比均匀结构的或单一均质黏土易塌；第四系颗粒越粗越易产生塌陷；含水土层比干土层易塌，其原因一是含水土层增加了自重，二是水的软化作用减少了土体的抗剪强度，是地形低洼处、河床或沟谷易产生塌陷的主要因素（表9-3）。

表9-3 枣庄十里泉域部分塌陷点覆盖层厚度及岩性一览表

4.地形地貌条件

岩溶塌陷多发生在地势较低的河流河床及两岸或洼地，十里泉域岩溶水系统的岩溶塌陷主要发生在陶枣盆地区，另外在平原区也零星发生过岩溶塌陷，但在低山、丘陵区域则没有岩溶塌陷记录。因此，地形地貌条件也是岩溶塌陷的影响因素之一。

三、地下水因子

1.地下水位埋深

地下水水位大起大落是产生塌陷的主要动力来源。岩溶塌陷形成的最有利时期为大量抽水，或抽水量不稳定引起地下水水位剧烈振荡时；人为或天然作用引起地下水水位频繁反复升降时；大雨或暴雨引起地下水水位猛烈回升时；地下水水位降至第四系与基岩接触面附近并不断上下波动时。塌陷的形成、发展与地下水的活动状态、地下水水位变化密切相关，这是决定塌陷形成和发育速度的主导因素。据长期监测和调查资料分析显示，十里泉地段地下水水位降至标高37.75m，埋深17m，便可诱发塌陷；水位在标高24.75～14.75m，埋深30～40m之间便出现第二个塌陷高峰；而在丁庄-东王庄地段，第一次大规模产生塌陷时的水位标高为27.63m，埋深为34.62m，第二次集中出现塌陷是1996年5月，水位标高为6.948m，埋深达55.3m。

2.地下水位月变幅

地下水位变化值是地下水变化最直观的表征因子，地下水位的骤变是诱发岩溶塌陷的重要因素，但是影响地下水变化的因素比较多，是各种诱发因素下的地下水综合变化反映。因此，分析岩溶塌陷影响因素应特别注意短时间内地下水位变化，比较有代表性的就是地下水位月变幅。该区历史上大规模岩溶塌陷均发生于地下水位变幅较大时期。

四、动力因子

1.降雨量

大气降水是影响地下水水位升降的重要因素，枯水年份地下水水位大幅度下降后，塌陷集中发生。如1981年降水量较小（546.2mm），导致1982年十里泉地段地下水水位下降到最低点（标高34.073m），比1980年下降了13.777m，是形成塌陷的第一个集中期，累计产生塌陷40余处；1995年、1996年和1997年连续降水偏少，水位持续下降，1997年平均水位下降到标高24.358m，最大埋深41.56m，比1995年下降15.712m，为历史上第二个最低点，造成1996～1998年为岩溶塌陷的第二个集中发生期。年内枯水期及丰水期初是塌陷多发季节，平水期则相对较稳定，82%的塌陷发生于4～7月份的枯丰季节交替期。另外，暴雨往往诱发岩溶塌陷，因为强降雨后，土层吸水饱和，透气性降低，真空度增加，垂直渗压增大，此时最易形成塌陷。因此，研究岩溶塌陷影响因素，降雨因素必不可少。

2.地下水开采强度

地下水开采量的增加是造成水位降低的主要因素，抽水时地下水位迅速下降，停抽后地下水位迅速回升。抽水所引起的水位降幅使天然条件下水位变幅进一步加大，使局部地下水流速加快，加速了天然条件下的潜蚀、渗蚀、真空吸蚀、失托增荷等的作用，从而使岩溶洞穴之上的土层由稳定状态变为不稳定状态。

1980年前十里泉和丁庄水源地开采量分别在5.7万m³/d和2万m³/d左右，在此以前没有发生岩溶塌陷。随着十里泉、丁庄-东王庄两水源地开采量的逐年增加，到1981年开采量分别增加到7.54万m³/d和6.1万m³/d，均超过允许开采量，造成地下水水位持续下降，最大水位埋深分别达到或超过17m和34.62m。从此以后，塌陷不断产生，在开采井周围形成的降落漏斗范围内，塌陷点最为密集。1999年后十里泉电厂从苍山会宝岭水库引水，减少了十里泉、东王庄水源地的开采量，岩溶塌陷发生的规模和次数已有所减缓。因此，地下水开采强度是形成岩溶塌陷的重要诱发因素，必须重点考虑。

3.距抽水井距离

研究表明，在地下水超采的情况下，距离抽水井的距离较近的区域，受抽水强度的影响比较明显，尤其是在抽水降落漏斗范围内往往比较容易发生塌陷，而且越靠近抽水井塌陷越密集，塌坑规模也越大，所以距抽水井距离也是非常重要的影响因素。

4.人口密度

枣庄现有人口383万人，人口密度高达830人/km²，分别为全国的5.9倍、全省的1.35倍，居山东省17市第一位。人口密集区是工农业生产及生活用水的集中采集区，地下水开采是诱发岩溶塌陷的主要因素，所以人口密集程度也是间接影响岩溶塌陷的因素之一。据统计分析，人口密度越大的地区，地下水开采越多，对地下水环境破坏也越严重，岩溶塌陷密度也越高。