枣庄岩溶地面塌陷的影响因素及其发展趋势

３ ３ ／ ， 超 采 ０． ／ ， 到１ 已达到 ７． ８ ０万 ｍ ｄ ９ １万 ｍ ｄ ９ ９ ５ ［ ３ ３ ３］ 年开采量最高达９． ， 超采２． ７万 ｍ／ ｄ ８ １ 万ｍ ／ ｄ ，
０ 引言
自２ 由于不合理开采岩溶 ０世纪８ ０ 年 代 以 来， 地下水 ， 枣庄市地下水水位大幅度下降 ， 几个供水水 引发了 源地周围发生了较 大 范 围 的 岩 溶 地 面 塌 陷 ， 地基 变 形、 房 屋 开 裂、 污 水 回 灌 等 地 质 灾 害。同 时， 岩溶地面塌陷破坏了水环境 ， 加重了地下水的污染 ，
］ ２ 。 区 内 构 造 以 近 ＥＷ 向 展 布 的 枣 庄 质黏土构 成 ［
多人受 伤 ， 土 地 和 水 利、 交通等工程设施 少年丧生 ， 受到严重破坏 ， 地表大量的污水通过岩溶塌陷下灌 直接补给地下水 ， 造 成 水 源 地 污 染。 十 里 泉 水 源 地 １ ９ ９ ５ 年总硬度 、 １ ９ ９ ３ 年枯水期大肠茵群含量分别超 ［ ５］ 标 １． ２ 倍及 ７ ６倍 。
］ ４ 间［ ， 其中十里泉塌陷区还 致 使 ２ 所 学 校 搬 迁 ， ２名
区内地层有 古 生 界 寒 武 系 、 奥 陶 系、 石 炭 系、 二 叠系和新 生 界 第 四 系 。 上 覆 第 四 纪 松 散 覆 盖 层 较 薄， 厚度一般小于 １ ０ｍ。 主要含水 层 位于 下伏 奥 陶 纪和寒武纪白云岩和灰岩 ， 岩溶裂隙比较发育 ， 发育 溶洞 、 溶蚀裂隙等 。 土体结构主要由单层粉 有溶孔 、
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第２ ６ 卷第 ８ 期 水 文 地 质 ２ ０ １ ０年８月 表 １ 枣庄市中区岩溶塌陷记录
时间 塌陷点数 时间 塌陷点数 １ ９ ８ １ １ ０ １ ９ ９ ８ １ ５ １ ９ ８ ２ ２ ４ １ ９ ９ ９ ９ １ ９ ８ ３ ８ ２ ０ ０ ０ ４ １ ９ ８ ４ ９ ２ ０ ０ １ ６ １ ９ ８ ５ ３ ２ ０ ０ ２ ０ １ ９ ８ ８ ３ ２ ０ ０ ３ ０ １ ９ ８ ９ ６ ２ ０ ０ ４ ０ １ ９ ９ ２ ３ ２ ０ ０ ５ ０ １ ９ ９ ３ ４ ２ ０ ０ ６ ０ １ ９ ９ ４ ３ ２ ０ ０ ７ ０ １ ９ ９ ５ ５ ２ ０ ０ ８ ０ １ ９ ９ ６ １ ８ ２ ０ ０ ９ ０ １ ９ ９ ７ ６ ２ ０ １ ０ ０
［］ 坑塘内的岩溶塌陷占岩溶塌陷总数的 ４ ６． ８％ ３ 。
当地 下 水 位 低 于 基 岩 顶 板 时 ， 降雨便成为诱发 决定入渗量 岩溶塌陷的主要 因 素 。 降 雨 量 的 大 小 ， 的大小 ， 进而影 响 渗 透 力 的 大 小 。 降 雨 量 的 大 小 直 接影响水力梯度的大小 ， 大旱过后的降雨 ， 尤其是强 降雨 ， 入渗量明显 增 加 ， 土 体 含 水 量 增 加， 土体黏聚 抗剪强度降低 ， 抗塌力降低 。 同 力及内摩擦角减小 ， 时， 因为静水压力 的 原 因 ， 使 土 体 天 然 容 重 增 加， 致 塌力增大 。 从图 １ 中可以 看 出 ， 塌 陷 集 中 发 生 在 ４—１ ０月 份， 即在旱季后期及雨季初期 ， 且塌陷多发生在降雨 期间或大雨量降 水 后 较 短 时 间 内 。 据 统 计 ， 发生在 ３—７ 月份的地面塌陷占总数的 ７ ３％ 。
修订日期 ： 编辑 ： 曹丽丽 ２ ０ １ ０ ０ ５ ２ ０； ２ ０ １ ０ ０ ７ １ ２； 收稿日期 ： 基金项目 ： 国家自然科学基金资助项目 （ ） 。 ４ ０ ７ ７ ２ １ ４ ５
２ 枣庄岩溶地面塌陷的影响因素
２． １ 内部因素
作者简介 ： 袁杰 （ ， 女， 硕士研究生 ， 主要从事水文地质环境地质研究 ； ： １ ９ ８ ４—） Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ６ ３． ｃ ｏ ｍ。 ７ ２ ０ ８ ９ ６＠１ ｙ ｊ
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第２ ６ 卷第 ８ 期 山 东 国 土 资 源 ２ ０ １ ０年８月
化， 塌陷逐渐形成 ， 从 图 ２ 可 以 看 出， 塌陷高峰的出 现与地下 水 位 在 基 岩 面 附 近 的 强 烈 变 化 有 直 接 关 系。
在枣庄水源地附近因为长期的地下水开采已经 形成了降落漏斗 ， 潜水基本被抽干 ， 引起包气带位置 土洞顶板以 上 土 体 含 水 量 较 低 ， 透 气 性 较 好， 下移 ， 不利于真空负压 的 形 成 。 一 般 情 况 下 ， 漏斗中心部 地下水对土体的搬运能力较小 ， 位单位渗流场很弱 ， 这也就难以形成有效的潜蚀作用 。 因此从真空负压 及其潜蚀作用来说 ， 区内不容易再发生塌陷 。 另外从地下水水位的 变 动 情 况 来 说 ， ２ ０ １ ０年因 为减少了地下水的开采 ， 岩溶地下水水位不断恢复 ， 较之前有了明显提高 ， 根据 水位 资料 （ 图 ２） ， 岩溶水 位变化 比 较 平 稳 ， 虽然２ ０ ０ ３年及２ ０ ０ ７年水位也下 降到基岩面 附 近 ， 但 波 动 持 续 时 间 较 短， ２ ０ ０ ２年之 进而证明了短期的水 后再没有发生岩溶 地 面 塌 陷 ， 位波动不足以导 致 岩 溶 地 面 塌 陷 的 产 生 。 因 此 ， 如 果不继续加大地下 水 的 开 采 ， 持续稳定地开采地下 水， 区内就不会再发生岩溶塌陷 。 区内 十 里 泉 及 东 王 庄 水 源 地 附 近 ， 因为长期过 在开口岩溶洞穴上方一般已形成临 量开采地下水 ， 界土洞 。 如果覆盖层厚 度 ５ｍ 左 右 ， 且存在直径大 致塌力就大于抗塌力 ， 于３ｍ 以上的开口岩溶洞穴 ，
地表积水一方面增加了上 降雨 引 起 地 表 积 水 ， 部荷载 ， 另一方面 积 水 在 渗 透 过 程 中 还 可 以 带 走 一 部分细小颗粒 ， 使得盖层的黏度降低 ， 从而导致盖层 长期的地表积水使土壤过饱 的承载力降低 。 另 外 ， 和， 阻止岩溶洞腔内外气体的运动和交换 ， 真空压力 增大 ， 有利于塌陷的发生 。 据统计 ， 区内发生在积水
图 １ 枣庄岩溶地面塌陷点与降雨量 、 月份的关系示意图
（ ） 地下水位的强烈变化 ２ 地下水位大幅度起落是该地区产生地面塌陷的 主要动力源泉 ， 尤其是在基岩顶板附近的强烈波动 。 区内 ２ 而在７ ０ 世纪 ７ ０ 年代以前未发 现 岩 溶 塌 陷 ， ０ 年代后期建成水源地以来 ， 因工业及农业的需要 ， 大 量开采岩溶地下 水 。 随 着 季 节 、 降水量及其人工开 采地下水量的变化 ， 地下水位升降幅度 、 频率发生变
１］ 严重制约了地下水资源的可持续开发利用 ［ 。
造成水位大幅下降 ， 动态变化加大 。 观测资料表明 ， 十里泉水源地水 位 年 变 幅 为 １ 丁庄 东王 ０～２ ８ ｍ， 最大可 达 ３ 因 庄水源地变幅为 １ ０～２ ５ｍ， ０ｍ 以上 ， 此地下水降落漏斗逐年扩大 。 自十 里 泉 及 丁 庄 东 王 庄 水 源 地 被 大 规 模 开 发 后， 至 今， 共发生塌陷 １ ９ ８ １年 该 区 开 始 出 现 塌 陷， 表 １） ， 形成６ 涉及面积５ ２ ８ ０ 多次 （ ９ 个 塌 陷 坑， ０ ２ ， 均分布在水源地降落漏斗范围内 。 ｋ ｍ 塌陷区内居 民 房 屋 普 遍 性 开 裂 ， ３层以上房屋 为危房 ， 开 裂 房 屋 达 ５２ 形成危房８ ４ ４ 余 间， ０ ０余
） 开口岩溶 １ （ 研究区 内 地 表 岩 溶 、 裂 隙 发 育， 岩溶形态为溶 隙、 溶沟 、 溶槽等 ， 其中市中区十里泉地段裂隙发育 的居多 ， 宽 度 多 在 ０． 方向以 Ｎ Ｅ１ ２ ０ ° ３ ０ ° ５～１． ０ ～１ 丁 庄 东 王 庄 地 段 裂 隙， 一组方向 Ｓ ， ｍ 之间 ； Ｅ５ ５ ° 另一组方向 Ｓ ， 两 组形成 “ 井” 字型， 是地 表 水 Ｅ１ ３ ５ ° 和大气降水入渗及沟通地下水的主要通道 。 两地段 地下岩溶发育比较强烈 ， 十里泉地段在４ ５ｍ 深度以 以溶洞 、 溶孔 、 溶隙为主 ， 洞穴直径 浅岩溶发育强烈 ， 连 通 性 好， 线 性 岩 溶 率 平 均 为 ５． 丁 １～７ｃ ｍ， ５％ ； 庄 — 东王庄地段在 ５ 蜂窝状溶孔 ０ｍ 深度以浅溶洞 、 发育 ， 线性 岩 溶 率 平 均 为 ９％ 。 开 口 岩 溶 不 仅 是 坍 而且影响 塌土体的暂时储存 场 所 和 物 质 转 移 通 道 ， 着塌陷的规模与时间 。 岩溶洞隙的通畅与否以及是 否是岩溶裂隙水的主流场直接影响着土体塌陷的可 能与发展速度的快慢 ， 枣庄岩溶为半裸露型 ， 覆盖层 薄， 岩溶极 其 发 育 ， 这为塌陷的发生提供了前提条 件。 （ ） 上覆土层性质和厚度 ２ 为黄褐 研究区内松散盖层厚度一般小于 １ ０ｍ， 局部含少量钙质结核 ， 下部为黏质砂土 色砂质黏土 ， 细砂 ， 底 部 为 砂 砾 层， 即以单一阻水盖 夹粗砂和粉 、 层和阻 透水 盖 层 地 质 模 式 为 主 。 这 种 模 式 使 第 四 系孔隙水 与 下 伏 基 岩 岩 溶 裂 隙 水 有 密 切 的 水 力 联 系， 构成双层介质统一含水体 ， 当过量开采地下水导 致地下水水位下降 后 ， 地下水对上覆砂砾性土体的 浮力明显下降 ， 相当于增加了土体的自重力 ， 也就是 增加了致塌力 ； 区内在 ３ ０～９ ０ｍ 及 １ １ ０～１ ９ ０ｍ 两 个垂向深度段内岩溶发育形成了较大规模的溶洞和 岩溶裂隙 ， 这为塌陷提供了贮备的空间条件 ， 同时也 为地下水强烈 运 动 提 供 了 良 好 场 所 。 此 外 ， 研究区 内土层性质对阻止岩溶洞腔内外气体的运动和交换 很有利 ， 从而使得 该 区 具 备 产 生 塌 陷 的 真 空 负 压 条 件， 加速了岩溶塌陷的发生 。 ２． ２ 外部因素 （ ） 降雨 １
［］ 若适 逢 大 于 ４ 就极易形成岩溶塌 ０ ｍｍ 的 降 水 ６ ，
图 ２ 地下水位 、 塌陷点数的关系示意图
地下水位的变化实际上是岩溶塌陷过程中物质 当地下水位降低时 ， 水力梯 运移与能量转移的动力 ， 度也将增加 ， 潜水与地下水之间的水头差变大 ， 补给 造成的渗流场较强 ， 使地下水动力条件增强 ， 由此而 在土洞或岩溶空腔中形成的空气压力变化造成的真 空负压作用与吸蚀作用将对盖层土体产生很大的破 坏， 同时地下水的 流 动 将 堵 塞 在 岩 溶 空 腔 中 的 黏 土 促进了岩溶塌陷的发生 。 颗粒带走 ， 中国 地 质 大 学 于 青 春 ， 沈继方教授对塌陷数与 地下水位降深的关 系 进 行 了 研 究 ， 得出了二者具有 并建立了公式 ： 正相关的结论 ， ｌ ｎ 犖 ＝犃 犛 ＋犅 式中 ： 犖— 塌 陷 总 数 ； 犛— 水 位 降 深 ； 犃， 犅— 常 量 系 数 。 若含水层处于承压状态 ， 或者处于无压状态 ， 且 水位降深与含水层 厚 度 相 比 很 小 时 ， 可借鉴此类公 式。