塌陷机理

塌陷机理（精选4篇）

塌陷机理 篇1

1 概述

影响岩溶塌陷的主要影响因素有:覆盖层岩土性质和厚度、岩溶发育程度、气候条件、地质构造、地下水与人类工程活动等[1]。岩溶发育范围内岩溶地面塌陷灾害频繁，塌陷灾害具有隐伏性、突发性、群发性、多因性等特点[2]。目前，岩溶地面塌陷形成机理研究已取得较多成果，形成了一些公认的理论，如潜蚀论、吸蚀论、失托加载、抽排水等。何宇彬[3]认为岩溶塌陷的真正机理是岩溶管道水流的水动力条件变化。雷明堂等[4]通过原状土试验，认为侧压水位下降速度达到0.65 cm/s及压力变幅达8 m水头时，土层发生破坏。程星等[5]认为一定的地质条件是研讨岩溶致塌机制的前提，脱离一定的物质基础去探讨其形成机制就会出现偏差。袁道先[6]认为土层厚度大于30 m，发生岩溶地面塌陷的可能性较小。叶维国[7]认为当深圳市龙岗区区域内土层厚度大于30 m时，发生地表塌陷的概率极低;而同乐村的覆盖土层厚度大于60 m，也发生岩溶地面塌陷灾害，据调查发生不止一次，这可能是一个特例。研究地面塌陷原因和机理，需结合环境地质条件、人类活动等情况进行分析和探讨。

2 工程概况

深圳市龙岗区同乐村发生岩溶地面塌陷[8]，塌陷区中心地理位置:东经114°16'10″，北纬22°43'15″，塌陷坑平面上呈椭圆形，长轴方向为320°，长轴长10 m，短轴长5 m，塌陷坑深3 m，本次岩溶地面塌陷属于小型塌陷。为查明岩溶地面塌陷原因、形成机理，对该塌陷区进行了钻探和地球物理勘探等工作。

3 勘查成果分析[8]

3.1 钻探资料分析

根据该场地勘查的主剖面图可知(见图1)，塌陷区土层深度近似在地面下68.4 m～75.6 m，且塌陷区所在位置是两侧覆盖层变化的转折点;由于塌陷区上面覆盖层的一元结构不连续，土层中形成了近似垂直的水力入渗通道。同乐村溶洞遇见率低，岩溶在平面上发育不均匀，但在纵向上较为发育。钻孔ZK4,ZK5,ZK6之间粘性土比例较低，渗透系数小;而大部分是透水系数较大的粗砂和细砂等;ZK5,ZK6,ZK7之间细砂土层厚度约为15 m;ZK3,ZK4之间粗砂层厚度约为20 m～40 m。另外，ZK4,ZK5,ZK6之间的大理岩形成了陡坎，坡度达到75°，推测可能是断层壁。ZK5孔在地下62.3 m～68.4 m处遇到土洞，根据ZK5遇到的土洞深度，推测在ZK5,ZK6处是溶洞的出口，剖面图1上画出了土洞的大致范围。以上这些因素都为岩溶地面塌陷提供了条件。

3.2 地球物理勘探结果分析

图2和图3分别是为高密度电法测试结果和地质雷达探测结果，表明岩溶塌陷区下面一定范围内存在一个地下水的入渗通道或落水洞，这与勘查结果基本一致。

4 岩溶地面塌陷原因及形成机理分析

4.1 气象水文

深圳市每年汛期为4月～9月，全年雨量有85%出现在4月～9月，最多为8月，平均达368 mm，雨量年际变化较大，最多的年份达2 747 mm(2001年)，最少的年份只有913 mm(1963年)。降水时空分布不均匀，秋冬春季常发生旱情，为满足生产和生活的需要，当地工厂和居民常常自主抽取地下水，从而导致地下水位的往复波动。场区地表水相对不发育，仅有一近似圆形的积水塘。叶维国[7]认为塌陷点附近存在积水坑、盲塘的原因是早期的岩溶地面塌陷地下水排泄通道，导致地面水排泄不畅而形成。

4.2 地形地貌

同乐村位于深圳市龙岗区中部，高程为36.0 m，地形中间低，西南侧和东侧主要为55.0 m～100.0 m的高台地;东侧台地之间有三颗松水库和松子坑水库，其余为平地。周边地势较高，为同乐地区地下水的补给提供了条件。根据文献[9]，同乐村位于龙岗河支流西侧的冲洪积阶地上，属于龙岗河一级阶地;另根据当地村民介绍，龙岗河曾在此经过，后经建设需要，河道取直，形成了现在的地形地貌。

4.3 地层岩性

根据钻探资料，场地土层为第四系冲洪积层，下伏基岩为石炭系下统石磴子组灰岩及大理岩。在上覆地层中，主要由薄层粘性土和巨厚层粗砂组成，具二元结构(见图1)。岩溶地面塌陷主要是由于可溶岩上的土体发生沉降所致，覆盖层分布必然会对塌陷产生影响，在一定程度上起着控制作用。本次塌陷起始点位于地面以下约70 m深处，与前人研究的覆盖层厚度有所不同。冯佐海认为80%以上的塌陷发生在一元结构的粘土、粉质粘土中，且土层厚度小于10 m[10]。塌陷数量随土层厚度增大而减小，大于30 m的塌陷很少发生[6]。对于二元结构的土层而言，当土层底部隔水层被破坏后，所谓的二元结构又重新形成新的一元结构模式[11]。该地区存在二元结构的阻水特性，但是经过地下水的长期作用，巨大的水头作用使得下部隔水层逐渐破坏，再加上抽取岩溶水导致下部岩溶空腔负压增大，上下同时作用更有利于土洞的产生。

4.4 地下水

根据能量守恒定律可知，导致覆盖层土体破坏的力是由地下水体做功转变而来的。因此，地下水对岩溶地面塌陷起着非常关键的动力作用。

根据勘查结果分析知，塌陷区水文地质条件复杂，具有双层地下水:上部是孔隙潜水和下部是岩溶水。地下水主要来自大气降水、东南侧河流及周边水库的补给。据钻探和周围居民井地下水测试可知，上层稳定水位在3 m～4 m。

双层水位的存在对塌陷的产生有重要影响:1)不同土层之间的水力坡度增大，使土体发生破坏[11];2)第四系孔隙水具有封闭作用，导致含水层的溶洞、溶隙内形成真空负压，对上覆地层产生真空吸附作用，加速土洞的破坏。另外，地下水水位越高，发生塌陷的几率越大。当地下水位在岩土界面附近波动时，水位变幅越大塌陷越易形成。

4.5 地质构造

据深圳市1∶50 000区域地质图，该区地质构造背景较复杂[9]，主要发育北东向断裂。本次勘探中，在地面塌陷位置正下方发现一条北西向断裂F3，产状为N320°W/NE∠40°，此前尚未发现。F3断裂的作用使原有水平向的沉积地层错开一定宽度(见图1)，导致地层间裂隙发育，岩体破碎，有利于地下水的补给、径流与排泄，长期作用下，接触面处的土体将被掏空，为地下水的流通提供通道，甚至控制岩溶地面塌陷的规模，表明地质构造部位与塌陷具有内在的成因联系。

4.6 人类活动

从我国岩溶地面塌陷发育特征看，在已有的岩溶地面塌陷灾害中，约70%为人类活动所诱发[4]。人类活动是岩溶地面塌陷的诱发动力，主要有抽水或人工降水、动荷载等，尤以抽水影响最大[6]。针对同乐村的岩溶地面塌陷，由于天气持久干旱，地下水位下降，后采用人工抽水满足生活需要，从而导致地下岩溶水大幅度下降所致，改变地下水天然流畅，形成了一个上部地下水下渗的潜蚀通道(落水洞)，推测岩溶水下降幅度超过20 m。同乐地区岩溶地面塌陷在前几项因素的支配下，人类活动诱发了本次岩溶地面塌陷。

5 结语

同乐村塌陷区地层是岩溶地面塌陷的基础条件，该塌陷区位于龙岗河一级阶地上，覆盖层厚度大于60 m，且存在典型的二元结构，特殊的地层为岩溶地面塌陷提供了便利条件。双层水位的存在对塌陷的产生有重要影响，使得岩溶地面塌陷更易发生。推测同乐地区岩溶地面塌陷是由于北西向断裂作用，使得分布均匀的二元结构发生错动，后经地下水长期作用，导致某些土层结构破坏缺失，为地下水的补、径、排提供了良好的通道，利于土洞的形成和发展。地质构造越发育的地区，岩溶发育越强烈。同乐村岩溶地面塌陷主要是当地居民大量抽取地下水导致。

塌陷机理 篇2

1 矿区地质环境条件及煤层赋存情况

松河井田为构造剥蚀山地地貌, 发育单面山, 脊状山, 井田位于土城向斜北翼中段, 为一单斜构造, 井田内出露地层由老到新为:二叠系上统峨嵋山玄武岩组 (P2β) 、龙潭煤组 (P2l) 、三叠系下统飞仙关组 (T1f) 、永宁镇组 (T1yn) 、第四系 (Q) 。二叠系上统峨嵋山玄武岩组 (P2β) :平均厚682m。二叠系上统龙潭煤组 (P2l) :厚322～384m, 平均341m。三叠系下统飞仙关组 (T1f) :平均厚621.0m。

三叠系下统永宁镇组 (T1yn) :平均厚248.0m。第四系 (Q) :本井田第四系不发育, 虽覆盖较广, 但厚度不大, 以残积、坡积和冲积、亚砂土为主, 多未胶结, 厚度一般在6.0m以内。

松河井田煤矿井田内含煤地层为二迭系上统龙潭煤组和峨嵋山玄武岩组第二段。二迭系上统龙潭煤组煤层倾角20°～35°, 主要可采煤层为5层 (3、12、15、17、18) , 主要可采煤层平均总厚10.26m, 集中在上中煤组。上二迭统峨嵋山玄武岩第二段含煤地层:煤层倾角在20°～35°, 厚4.5～39.0m, 平均16.6m, 含煤总厚0～7.15m, 平均2.44m。含煤系数14.7%;其中可采煤层1层 (32号层) , 平均厚1.51m, 煤层厚度有一定变化, 结构复杂。

2 松河矿区采空区塌陷主要特征

对松河井田煤层露头沿线10km典型地质灾害现状进行了调查, 调查滑坡点10个, 崩塌、塌陷点15个, 地裂缝点18个。其中位于二采区的TX2, 如图1所示, 据调查, 其底部3#煤层基本被采空。塌陷方向327°, 出露岩层为飞仙关组暗紫、紫灰、绿灰色粉砂岩薄层及中厚层状夹紫灰色粉砂质泥岩, 灰绿色细砂岩, 节理裂隙发育, 岩层成块裂结构, 上覆松散层较薄。塌陷成台阶状, 每级台阶宽约20m, 长度约100m, 台阶2～3级, 台阶面走向223°, 塌陷后壁高2～30m。此类塌陷主要发生在覆岩为砂岩及泥岩互层的山区或丘陵区。由于在山区和丘陵区地下水位较底, 岩层干燥, 煤矿采空后上覆岩层随采煤进度发生间歇性脆性下陷。其特点是存在一系列平行或弧状落差裂缝, 最大危害是易形成崩塌、滑坡。

3 采空区地面塌陷的形成机理

埋藏在地下的煤层承受着上覆岩层的重力。煤层采空以后, 采空区上覆岩层形成自由面, 原来的应力平衡被破坏。应力重新分布时, 产生集中应力, 覆岩承受的应力随着采空区范围的扩大而增加, 当煤层顶板集中应力超过其极限强度时, 顶板岩石就会破裂塌落形成冒落带。冒落的岩块大小不一, 杂乱无章地充填到采空区。由于其上部岩层失去支撑或支撑力不足, 于是产生裂隙、离层及断裂, 但仍保持原有的岩层层次, 即形成断裂带。断裂带岩层上部的岩层, 由于断裂带的岩层向下弯曲, 在自身重力作用下, 发生整体向下弯曲, 但既不破裂, 也不脱落, 故称为弯曲带[1], 如图2所示。

断裂带岩体为块裂结构, 块体间相互咬合、铰接, 形成一定的铰接砌体岩梁半拱形结构和悬臂梁结构。其上部的软弱岩层可视为坚硬岩层上的荷载, 同时又是上层坚硬岩层组与下部结构联结的垫层, 多组坚硬岩层的存在形成了上覆岩层的复合砌体梁结构, 如图3所示。

该平衡结构若发生失稳, 一般出现两种基本情况, 即结构的滑落失稳和转动失稳。由于松河矿区二采区TX2具有明显的台阶下沉特点, 就此只讨论TX2上覆岩层结构滑落失稳的情况。单岩块铰接平衡关系及受力分析, 如图4所示。

根据三铰拱的平衡原理, 成拱且使岩块保持平衡的水平推力T为:

式中:q——裂隙体梁的载荷集度, N/m;

L——跨距, m;

h——基本顶岩层的厚度, m。

梁的剪切力R在两端支座处最大, 其值为qL/2当剪切力与摩擦力相等时, 呈极限平衡状态, 如果剪切力大于摩擦力, 此结构将出现滑落失稳[2]。

结构失稳条件为:R>Ttanφ (2)

将undefined代入 (2) , 得:

式中:φ——岩块间的摩擦角, °;

h——岩块厚度, m。

由式 (3) 可知, 图4所示的三铰拱岩块结构是否产生滑落失稳主要取决于破断岩块的高长比。因此在undefined值一定的情况下, 断裂岩块长度越小, 岩体结构越容易发生滑落失稳。

如果考虑岩层断裂时, 断裂面与垂直面成一断裂角θ, 则断裂岩块间的力学关系如图5所示。

断裂岩块相互间力的关系及平衡条件为:

由式 (4) 可知, 对于图5, 当φ=θ时, 不论水平推力T有多大, 都不能取得平衡。一般情况下, φ=38°～45°, tanφ=0.8～1。因此, 当节理面与层面交角小于45°～52°时, 都将发生岩块滑落失稳[2]。

当TX2地下煤层采出后, 上覆岩层产生“三带”型变形, 并暂时形成砌体梁式的平衡结构。由于降雨增大了上覆岩层的自重, 及矿山爆破、采动等对上覆岩层的扰动, 使破断的岩块继续发生断裂, 最终导致平衡结构的滑落失稳。从而在工作面上表现为顶板的台阶下沉。

4 主要影响因素

通过对松河矿区二采区TX2的详细观察和初步分析, 认为造成塌陷的主要因素是:煤层开采厚度、开采深度、开采煤层顶板岩层力学性质、水文地质条件、地形地势的影响。

4.1 煤层开采厚度

可采煤层愈厚, 采空区高度愈高, 对上覆岩层破坏愈严重, 导致的冒裂带高度愈大, 地面塌陷也会愈深。冒裂带高度按照下列公式:

式中:Hh——冒裂带高度, m;

M——煤层采出厚度, m;

a, b, c——系数[3]。

松河矿区二采区煤层为倾斜煤层, 3#煤层厚度为2.05～2.55m, 煤层顶板中硬, 式 (5) 中取a=1.6, b=3.6, c=±5.5。

4.2 开采深度

开采深度越大, 煤层上覆岩层越厚。对于一定厚度的可采煤层来说, 它的断裂带高度是一定的, 对上覆岩层的影响范围也是一定的, 这个影响是随着深度的增加而递减的。松河矿区内小煤窑的开采垂深一般为50～150m, 主要为浅部开采。

4.3 开采煤层顶板岩层力学性质

可采煤层顶板岩层力学性质包括密度、弹性模量、抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等。实际生产和研究表明, 上覆岩层的强度越高, 抗弯曲能力愈强, 为上覆岩体内部应力重新分布和能量聚积提供了可靠的载体, 随着岩体内部的能量积聚增大到一定值时, 迫使岩体破断而释放内部积聚的大量能量。

4.4 水文地质条件

水文地质条件的变化主要影响岩层的物理力学性质[4]。水的侵入使覆岩强度降低, 促进了顶板岩层的冒落。对松河矿区地质灾害的调查分析发现, 沉陷、滑坡等地质灾害多发生于雨季。在矿区内, 由于地下水位下降、疏干, 在短期内造成地面不均匀下沉。

4.5 地形地势

地形地势对采空区塌陷的影响主要是塌陷类型。松河矿区内, 地形复杂, 地势起伏大。故矿区内主要发育台阶式、地裂缝等地面塌陷类型。

5 结语

针对贵州复杂山体煤矿区地形地貌环境及岩层特性, 通过力学研究方法, 从力学本质上揭示了采空区地面塌陷的机理。但岩层的移动和破坏是一个复杂的物理力学现象。采空区地面塌陷取决于地质、采矿因素的综合影响, 影响因素较为复杂。简化后的力学模型与实际工程问题存在一定差别, 但其参考意义是肯定的。

参考文献

[1]何国清, 杨伦等.矿山开采沉陷学[M].北京:中国矿业大学出版社, 1991.

[2]张国华, 李凤仪.矿井围岩控制与灾害研究[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2008.

[3]山西省交通厅.高速公路采空区 (空洞) 勘察设计与施工治理手册[M].人民交通出版社, 2003.

塌陷机理 篇3

1 塌陷灾害特征分析

黄土沟壑中, 沟道内地形比较陡峭, 充满阶坎, 导致坡体的整体性能比较差, 在围岩林业的环境下, 如进行不当开采, 很可能会出现崩塌或塌陷等不良的地质现象。沟壑两侧的陡峭山坡会出现坍塌、崩塌等, 在地表沉陷的影响下, 还会出现严重的山体滑移现象。这些灾害严重影响了煤层的开采安全, 导致当地水土流失严重, 影响了施工区域的生态环境。

2 浅埋煤层开采塌陷形成机理分析

2.1 相似材料模拟

现以某煤矿开采工作面为例, 其开采地性质为黄土沟壑浅埋煤层, 选取两个典型的断面进行模拟, 分别为剖面一和剖面二。工作人员结合煤矿开采工作面与沟道进行分析, 掌握剖面一与剖面二和工作面的关系,

其中剖面一与工作面方向一致, 而剖面二与工作面斜向相交。在局部施工中, 有裂隙发育, 然后在岩层作用下, 煤层节理裂隙受到比较严重的影响。煤层主要的底板材料是泥岩和粉砂岩, 且厚度受到了严格的限制, 底板的稳定性比较差, 其成分组成也没有起到强化的效果。煤层覆盖结构及力学性质见表1。

通过模拟相似材料的方式, 应用试验数据, 对工作面开采位置和出现边坡崩塌、塌陷、位移等灾害的关系, 进行分析。

在剖面一中, 如果工作面推进沟底, 沟道边坡会出现一定裂缝和裂痕, 造成坡体出现裂缝, 然后一些岩块遭到切割。在工作面的不断推进中, 要分析其具体位置对底部的影响, 分析其上部是否有所支撑。如果上部的岩层, 缺少支撑, 那么就会造成下坠。在地表出现下沉现象后, 沟道中一些边坡会逐渐转化为松散的岩体, 然后在工作面的影响下, 出现严重坍塌。如果工作面继续推进, 沟道中坍塌和裂缝会更加严重。

在剖面二中, 工作人员要从沟道的特定位置进行开采, 在工作面不断推进中, 地表得到了较好的开采。针对上部覆盖的岩层, 要分析结构中出现的裂缝程度, 观察其是否会影响地表。如果工作面, 推进距沟底50m, 那么开采的影响进一步加大。这种情况会增加边坡的裂缝, 加快沟道中裂缝的发展。

2.2 数值模拟

通过数值模拟的方式, 能够将地质材料在达到极限强度或极限屈服度的情况展现出来, 让人们能够更加直观的感受这种三维力学行为。这种方式在塌陷形成和模拟中非常适用, 能够总结出重点内容。

在工作面不断推进的过程中, 上覆盖层会逐渐出现弯曲和断面, 并逐渐向采空去移动, 在这种影响下, 塑性破坏区不会逐渐变大[1]。在工作面不断推进中, 塑性区就会成为坡体的暂停地, 工作人员要分析这种塑性变形, 在坡体遭到严重破坏的时候, 会有滑落和坍塌情况出现。

工作人员通过了解得出, 坡体角度比较大时, 工作面的开采要注意坡脚下方煤体, 重点关注坡顶边缘附近的岩层, 分析其他位置的水平位移, 杜绝各种灾害发生。

2.3 灾害形成机理分析

在塌陷特征和物理相似材料模拟中, 能够计算出, 矿区地表出现崩塌、塌陷等情况的主要原因是, 该地区沟壑切割地表造成的。该地区黄土沟壑纵横切割, 地形比较陡峭, 遍布阶坎, 导致坡体的整体性能比较差, 在围岩林业的环境下, 如进行不当开采, 很可能会出现崩塌或塌陷等不良的地质现象。

在地下煤层的不断开采中, 其上覆盖的岩层的垮落, 会改变地表斜坡的原始应力, 破坏其平衡。在应力的中心调整中, 塑性区域会逐渐增大, 其上覆盖的岩层会传递到地表, 然后裂缝逐渐变宽变长。如果开采工作对边坡造成影响, 边坡会被破坏导致裂缝出现, 裂缝逐渐增多, 会造成岩层裂开而失去连续性。

3 地质灾害防治方法

要从该地的实际情况分析, 总结开采中容易形成的灾害类型, 制定合理的改善机制, 总结相应的防治措施。

首先要设置保护煤柱, 避免其在工作面开采中, 受到影响。在浅埋区域, 如果边坡的倾斜角度比较大, 那么在进行底部支撑煤柱的开采中, 会造成严重的边坡移动, 从而出现坍塌或是其他一些病害。要结合模拟结果进行分析, 确保工作面的开采能够小于坡脚处的距离。为了防止边坡失去稳定性, 出现崩塌和塌陷, 要在规定的范围外停采, 并设置保护煤柱, 避免高陡边坡塌陷。工作面要采用限高开采, 控制开采地表裂缝破坏程度, 选取人工充填裂缝的方式进行处理。

然后是设置沟道位置, 这种方式应在特定的条件下, 应在枯水的季节进行, 然后设立一个沟道, 防止排导渠。从而避免在工作面中有洪水流入, 造成淹井。要控制采空去出现火灾。对于在埋深较大的地方进行开采, 要设置限高的方法, 预防地表塌陷的灾害。

4 结束语

塌陷、崩塌等地质灾害, 主要是由沟壑切割地表导致的。所以工作人员在进行开采工作中, 要对沟道有全面的了解, 明确其开采范围, 避免开采工作不规范, 影响边坡的稳定性, 而出现裂缝。该煤矿开采区的黄土沟壑纵横切割, 地形比较陡峭, 遍布阶坎, 导致坡体的整体性能比较差, 在围岩林业的环境下, 如进行不当开采, 很可能会出现崩塌或塌陷等不良的地质现象。

摘要：本文主要对黄土沟壑浅埋煤层开采塌陷形成的机理机型分析, 首先阐述了塌陷灾害特征, 然后详细论述了浅埋煤层开采塌陷形成机理, 其主要内容有相似材料模拟、数值模拟、灾害形成机理分析, 最后总结了地质灾害防治方法, 通过这些手段, 工作人员能够更好地保证煤层开采的效率和安全性。

关键词：沟壑浅埋,煤层开采,塌陷形成机理

参考文献

塌陷机理 篇4

岩溶塌陷调查与形成机理分析是地质灾害防治的前期工作, 主要是调查岩溶塌陷现状, 收集周边环境地质及人类活动情况, 研究岩溶塌陷灾害的发生, 发展过程及原因分析与形成机理, 对岩溶塌陷区的未来防治工作很有帮助。

1岩溶塌陷调查

1.1 岩溶塌陷区概况

该岩溶塌陷区位于湖南省益阳市赫山区岳家桥镇松塘水库内, 距岳家桥镇正南2.5 km, 塌陷区呈长条形带状分布, 长约50 m、宽约15 m延伸, 方向北西15°, 区内有六处大小不等不规则圆形落水洞相间出现 (见图1) , 洞直径3 m～6 m, 洞内被松散的碎石粘土充填, 据调查事件突发于1989年8月12日上午10时许 (雨天) , 情形壮观, 库水浪高达20 m, 旋涡式的向地下泄 (当时库水位较高) , 由库中心向库西坝肩顺势扩展, 下泄势头越来越猛, 将停靠在库内的小木船连水吞入地下, 摧毁库西坝肩电排站, 山地开裂, 具有溃坝的势头, 但由于水位下降急快, 库水对库坝的侧压力逐步降低, 才免遭库坝崩塌灾害。

1.2 水库简介

松塘水库建于1964年10月, 坐落于覆盖层较薄的第四系新开铺组岩层之上, 其厚度低处为2.0 m～8.0 m, 高处 (山顶) 10 m～20 m。下伏地层为二叠系。水库蓄水面积达2.53 km2, 蓄水量为303.75万m3, 属农业水利建设工程, 承担该镇枫树村、燕子塘村、岳家桥村、萤板桥村等六个村8 000多亩农田灌溉任务。建库时既没有地质资料, 又没有进行地质勘查工作, 在不了解地质资料的情况下将水库建成。建成后, 水库正常运行了25年, 给当地农业生产带来好处, 粮食丰收。没想到在25年后, 该水库失去了蓄水能力。

1.3 周边人类工程活动

库内调查发现有乱挖现象, 此现象是在建库筑坝时取土开挖的遗迹, 将薄层的覆盖层进一步乱挖和深挖, 降低了覆盖层的厚度, 局部露出了灰岩体。

库区周边没有较大的矿业活动和集中地下水开采, 而远离本区约12 km处均有宁乡煤炭坝和赫山区龙凤山两大煤矿, 其开采历史悠久, 是本地的主要煤矿资源, 1970年～1993年是出煤的旺盛时期, 至今仍在采残煤, 目前开采落底标高降至-180 m, 每天以102.5m3/h的排水能力抽取地下水, 区域地下水均衡早已遭到破坏, 水位形成较大落差, 影响范围波及到15km以外, 沿向斜走向调查, 发现六十多处岩溶塌陷点、水库漏水、地面下沉及房屋开裂现象 (见图2) 。

库内取土筑坝, 削减了覆盖于灰岩溶洞之上土层厚度, 降低了土层对库水的压力, 远处采矿抽排地下水, 其地下水降低, 甚至破坏了区域地下水的均衡, 则产生了负压。因此这两种人类工程活动, 在本区岩溶发育, 连通性较好的环境下, 起到引发岩溶塌陷的加速和推动作用。

1.4 地质环境调查

1.4.1 地形地貌

松塘水库位于洞庭湖西侧6 km处低岗丘陵地带, 属剥蚀残丘地貌类型, 地形整体较平坦, 南高北低, 山顶标高在100 m～120 m之间, 北低处为70 m左右, 地形坡度平缓, 坡角10°～20°, 山间水系发育, 呈树枝形, 有利于地表水聚集。

1.4.2 地层岩性

该区地层出露简单, 均为第四系新开铺组 (Qpx) 地层, 该套地层在本区分为上、下两层, 上层岩性为深黄—棕红色, 含碎石粘土和砂质粘土, 碎石成份由硅质岩、石英砂岩、石英等组成, 呈菱角状, 分布广泛, 厚度10 m～20 m。下层为砂砾层, 分布于低处, 厚度3 m～5 m。本组红土作用强烈, 具网纹状特点, 结构密实, 但遇水后松散。下伏地层二叠系, 为一套台地相浅海～三角洲碳酸盐及含煤砂页岩沉积, 该系自下而上划分为下统茅口组和上统龙潭组、长兴组;下统茅口组岩性为灰白色中厚～厚层状燧石条带, 团块状灰岩及硅质灰岩, 含有方解石细脉, 锤击沥青、大蒜嗅味。上统龙潭组岩性由黑色炭质页岩、粉砂质页岩、粉砂岩夹煤层, 底砾岩组成。上统长兴组岩性由块状灰岩、燧石结核灰岩、硅质灰岩、生物灰岩组成。该套地层岩溶、裂隙发育、富中等岩溶、裂隙水、为岩溶塌陷提供了地层条件。

1.4.3 地质构造

根据区域资料, 松塘水库位于近东西走向向斜南翼, 向斜基底为石炭系地层, 产状较缓12°∠38°, 向斜宽度达5 km, 长达25 km, 区域范围内断裂构造较发育, 方向各异。本区则以近南北向为主, 见斑岩脉出露, 且充填于断裂之中, 断裂具张裂性质, 透水性较好。断裂切穿二叠系地层, 则构造活动期发生在二叠系以后。向斜构造是地下水赋存的有利场所, 区域断裂构造对地下岩溶水起到连通作用, 当采矿长期连续大量抽排地下水时, 则会引起区域性地下水位下降, 破坏地下水均衡, 并形成水位差, 岩溶上方的覆盖土层由此会产生负压作用, 易发生岩溶塌陷现象。

1.4.4 岩溶特征

二叠系灰岩是湖南境内最显著的可溶性地层, 具有溶洞大, 形态多异, 连通性强之特点, 易形成地下溶洞、暗河, 本区也具有相同之特征。现场调查, 库内岩溶塌陷呈群带出现, 群带内有6个塌陷凹坑, 其大小不等, 直径均在3 m～6 m之间, 形状呈不规则的溶蚀圆状漏斗, 被松散的碎石粘土充填, 周边覆盖层为棕红色粘土。群带呈北偏西15°方向展布, 宽约10 m, 长度约50 m, 据能吞入小木船的情形分析, 该处可能存在较大岩溶发育群, 与区域性大断裂连通。

1.5 岩溶类型

库区及区域范围均为第四系新开铺组 (Qpx) 地层所覆盖, 局部见下伏石炭系地层出露, 岩溶塌陷现象普遍存在, 因此, 本区应属覆盖型岩溶类型。

2引起岩溶塌陷的原因分析

综上所述岩溶塌陷及地质环境调查情况分析, 引起岩溶塌陷的原因可总结归纳如下几个方面。

(1) 水库建于解放初期, 由于大修水利, 造福于民, 而忽略了地质勘查工作, 对库内地质条件不慎了解, 未作工程地质条件处理;

(2) 库内地质条件特殊, 底层为二叠系灰岩, 岩溶发育, 富水丰富, 连通性好, 只要抽排地下水, 其地下水位非常敏感。上层覆盖为含碎石粘土和砂砾石层, 厚度薄, 低处不到3 m厚, 其承受的库水压力低;

(3) 库内取土筑坝是盲目的做法, 是不明智的举措。一方面是破坏了库内的地质环境条件;另一方面是削低了覆盖土层的厚度, 同时也降低了土层对库水压的承受能力;

(4) 库内构造发育, 构造为二叠系之后, 构造穿过岩溶后, 为岩溶水提供了补给, 径流, 排泄的通道;

(5) 远离本区12 km的两个煤矿的开采, 日夜不停地抽排地下水, 消耗了区域范围的地下水, 迫使地下水失去平衡, 导致影响范围的扩大, 波及到库内地下水位下降, 产出空隙, 使覆盖层失去浮托力。

3岩溶塌陷形成机理

岩溶塌陷的形成与上述因素有关, 外因应是筑坝时来进行地质勘查, 对地下地质情况 (即地层、岩性、岩溶发育情况及水文地质条件) 了解不够, 随意将库内地质环境进行破坏 (就地取土) , 消减了覆盖层的厚度, 使覆盖层承受的水压力降低。内因则是库区及区域范围内的地质条件, 向斜构造的可溶性地层 (二叠系灰岩) , 其岩溶发育, 富中等岩溶水, 加上区域内的断裂、裂隙发育, 起到连通岩溶水的作用。引起岩溶塌陷的动力来源是岩溶地下水的径流和排泄, 排泄口则是煤炭坝和龙凤山两煤矿的地下抽排水 (水位降至-180 m标高) , 破坏了区域性地下水的动态平衡, 使区域地下水下降, 影响范围波及到了库区, 库区水位随至降低, 形成空隙。空隙的形成, 对较薄层的覆盖土体底板的浮托力消减, 使土体自重增加, 矿山长期不连续的抽排地下水, 使区域性地下位波动起复变化, 水位变化的作用能将岩溶洞隙通道中的充填物被水搬运带走, 长期作用逐步使覆盖层底部的洞隙开口处产生空洞。空洞形成后, 一方面继续受到岩溶地下水的潜蚀、冲刷, 另一方面, 水库水沿松散土层的裂隙和孔隙向下产生渗透潜蚀作用。岩溶水的潜蚀冲刷和库水的补给渗透潜蚀作用而重复运动, 使薄层的覆盖层产生浮托力的反复增减, 反复饱和失水, 其结果使覆盖层底部及沿裂隙的土体遭到崩解、散体、剥落而向下迁移, 逐步形成土洞并向上扩展。当土层承载力达到一定极限时, 在库水压力作用下, 则形成水下岩溶塌陷, 导致库水沿溶洞通道入渗地下, 造成库水疏干, 无法蓄水的灾害局面。

摘要：为了查清岩溶塌陷引起松塘水库失水的原因与形成机理, 在该地区进行了实地岩溶塌陷, 地质环境, 周边人类工程活动调查。本文通过资料分析研究, 认为地质环境 (特别是二叠系的地层岩性及构造特征) 是引起岩溶塌陷的内在因素, 库内取土筑坝和采矿抽排地下水人类工程活动则是引起岩溶塌陷的诱发因素。内在因素与诱发因素的形成均导致了水库漏水而失去蓄水能力。

关键词：岩溶塌陷,壶天灰岩,工程活动,形成机理

参考文献

[1]湖南省地质矿产局区测队.沧水铺幅1∶5万区域地质调查报告[R].1984.

[2]程星.岩溶塌陷机理及预测与评价[M].北京:地质出版社.2006, (10)