湖北省大冶市李家湾岩溶发育特征及地面塌陷形成机制研究

湖北省大冶市李家湾岩溶发育特征及地面塌陷形成机制研究陈伯恒;胡新红;陶海宁
【摘要】通过收集资料、结合物探、钻探等手段,对李家湾岩溶地面塌陷产生的地质环境、形成条件、发育特征和影响因素进行深入研究,在此基础上分析李家湾地面塌陷形成机制与发展趋势,并提出防治建议.
【期刊名称】《资源环境与工程》
【年(卷),期】2019(033)003
【总页数】9页(P368-376)
【关键词】岩溶发育特征;地面塌陷;形成机制;发展趋势;李家湾
【作者】陈伯恒;胡新红;陶海宁
【作者单位】湖北省地质局冶金地质勘探大队,湖北黄石 435000;湖北省地质局第一地质大队,湖北大冶 435100;湖北省地质局冶金地质勘探大队,湖北黄石435000
【正文语种】中文
【中图分类】P642.26
大冶市李家湾及周边一带自20世纪80年代初以来,相继出现数十处地面塌陷,对当地居民生产生活产生严重的影响,同时也制约了当地经济的发展。

1 李家湾矿区地质环境背景条件
1.1 自然地理
区内属构造侵蚀丘陵地貌,总地势东南高,北西低。

海拔最高点张家山190 m,地势较低处标高为35～45 m,相对高差为155 m。

李家湾东西两侧为沿南北方向延展的丘陵带,丘陵带之间形成一条呈北东—南西向展布的宽约600 m的宽缓洼地,为区间地表水、地下水汇集富集地带。

区内具大陆季风型气候特征,四季分明、雨量充沛。

年平均气温17 ℃,年降雨量974.9～1 929.4 mm,平均1 459 mm,最大日降雨量248.3 mm,降雨主要集中在4—7月份,其降雨量约占全年的56%,年蒸发量1 528.6 mm。

地表水系主要为铜山口河,由南向北流经铜山口矿床中部汇入大冶湖,河水雨季流量剧增,最大流量65 397 L/s,雨后2—4 d流量减小,枯水期最小流量12 L/s。

河床最低标高34.85 m,为当地最低侵蚀基准面。

1.2 水文地质条件
1.2.1 含水岩组划分
根据区域地质环境现状(见图1)[1],主要划分三个含水岩组。

冲洪积砂砾石孔隙含水岩组:分布在铜山口河河谷地段。

厚度3～10 m,砂、砾、卵石与粘土混杂,钻孔抽水试验单位涌水量0.022 L/s·m,渗透系数0.405 m/d,富水性弱。

含水层上部相对隔水层(亚粘土、亚砂土)厚度一般为0.4～5.0 m,孔隙水处在弱承压状态;下部直接与基岩接触,与岩溶地下水水力联系较密切。

碳酸盐岩岩溶含水岩组:主要由大冶群第四岩性段至嘉陵江组中段大理岩、白云质大理岩和白云岩组成。

分布在北侧一带岩溶隐伏区,溶洞极发育,富水性强,钻孔抽水试验涌水量1.31～3.02 L/s·m,渗透系数1.78～2.86 m/d,地下水水位标高32.22～37.93 m。

岩浆岩风化裂隙、裂隙含水岩组:岩浆岩风化带发育深度一般为10～30 m,局部达60 m。

风化带之下有厚0～70 m的裂隙发育段,其下限一般在0 m标高以上。

裂面平直,有不同程度的铁染现象,局部充填的方解石脉小溶孔较发育。

该含水层富水性弱,钻孔抽水试验单位涌水量0.012 L/s·m,渗透系数0.006 m/d。

除上述含水层外,尚有矿山弃渣堆、残坡积等透水不含水层或弱含水层,与本次研究关系不大。

1.2.2 岩溶发育总体特征
根据铜山口矿区水文地质与工程地质勘探资料周宗桂,矿田构造学讲义,中国地质大学(武汉)，2007。

,铜山口地区岩溶发育具有以下总体特征与规律:
(1) 裸露区以溶沟、溶槽、落水洞、岩溶洼地为主。

隐伏和埋藏区以溶隙、溶孔为主,溶洞次之。

钻孔溶洞遇见率19.4%,80%溶洞高度<5 m,最大溶洞高21.81 m。

图1 李家湾一带区域地质环境图Fig.1 Regional geological environment map of Lijiawan area1.残坡积透水不含水岩组;2.冲洪积砂砾石孔隙含水岩组;3.碳酸盐岩岩溶含水岩组;4.岩浆岩风化裂隙、裂隙含水岩组;5.矿山;6供水井;7.推测岩溶塌陷区。

(2) 地下水循环交替强烈部位溶洞最发育:铜山口河河谷地带是地下水交替强烈部位,其钻孔溶洞遇见率达44%,揭露溶洞个数占全区揭露溶洞总数的45.7%,且溶洞主要集中在标高35～50 m的浅部。

(3) 大冶群第四段大理岩与嘉陵江组白云岩接触部位、碳酸盐岩与岩浆岩接触带附近溶洞多见及:据统计,上述地段溶洞数量占全区50%以上。

(4) 溶洞主要发育在标高-100 m以上,-100 m标高以下为岩溶作用显著减弱带。

-100 m标高以上溶洞个数占全区88.42%,溶洞高度占全区92.18%。

1.2.3 地下水与地表水的关系
区内铜山口河河水与地下水关系较密切,河水与地下水为互补关系:
(1) 河床上部虽有粘土和亚砂土分布，且具有一定的隔水作用,但其分布不均匀,最小厚度只有0.4 m而隔水性能差,且粘性土下部的砂砾石孔隙含水层大部分直接与岩溶含水层接触;铜矿河位处区域岩溶水汇集区,在天然条件下,铜山口河沿岸的岩溶水水位一般均高于河水水位0.42～1.00 m,岩溶水可通过砂砾石孔隙含水层和其上
覆较薄的粘性土以越流形式补给河水。

(2) 岩溶水供水孔供水期间,铜山口河附近产生了大量岩溶地面塌陷;据河水流量长观资料,未受人工抽排水影响的上游河水平均流量,比已受人工抽排水影响的下游河水平均流量大114.423 L/s。

说明地下水水位在低于河水水位时,河水补给地下水。

1.2.4 地下水补径排条件
区内主要地下水类型为岩溶水。

地表广泛分布的裸露型碳酸盐岩,是岩溶水接受大气降雨的主要补给区,大气降雨是岩溶水的主要补给源。

据长期观测资料:岩溶水水位动态随降雨强度消涨,水位变幅为1.44～4.8 m;探矿坑道雨季最大流量为17.054 L/s,旱季最小流量为1.828 L/s,流量变化系数达9.33。

岩溶水有三种排泄方式:①在沟谷部位或在断裂破碎部位的岩溶发育带附近,以下降泉或溶洞下降泉排泄,如区内北东外围的龙骨泉;②在径流方向因受其它局部隔水层(体)的阻水作用而以上升泉排泄,如区内西南部泉口朱村自流井;③人工排泄,如矿坑排水、供水井等。

1.3 工程地质条件
根据岩土体的成因、结构类型、坚硬程度、蚀变、风化及岩溶作用等因素,划分为松散层工程地质岩类、岩浆岩工程地质岩类、碳酸盐岩工程地质岩类、矽卡岩工程地质岩类。

1.3.1 松散层工程地质岩类
分布在山坡、沟谷地带,由残坡积、冲积和冲洪积形成的粘土、亚砂土、砂砾石组成,一般厚0～15 m,呈散体结构,作为一般建筑物地基,无不良工程地质现象。

1.3.2 岩浆岩工程地质岩类
散体结构岩浆岩工程地质岩组：风化带厚度一般为10～30 m,下限标高主要受接触带控制。

呈散体—碎裂结构,工程地质条件差,地下洞室顶板易产生冒落塌陷。

坚硬块状岩浆岩工程地质岩组：分布在风化带之下,裂隙率0.235%～1.571%,RQD
值一般为90%～100%,少数为75%～90%,抗压强度一般为121.116～9.1 MPa,岩石质量等级为Ⅰ-Ⅱ级(极好的—好的)。

1.3.3 碳酸盐岩工程地质岩类
坚硬厚层大理岩工程地质岩组：主要由大冶群第四岩性段(T1dy4)和嘉陵江组大理岩、白云质大理岩组成。

上部有厚30～100 m的溶洞裂隙发育段,局部为“架空结构”。

岩石抗压强度76.8～92.7 MPa,平均84.8 MPa,RQD值大多为90%～100%,部分为75%～90%,岩体质量优—良。

较坚硬—坚硬薄层白云岩、大理岩工程地质岩组：由嘉陵江组组成,主要分布在矿
区南北两端。

其中北端隐伏在冲洪积层之下,浅部RQD大多为25%～50%,岩石质量等级属劣的;深部RQD值多为75%～90%,岩石质量等级属好的。

岩石抗压强度变化较大,由40.5～114.2 MPa,属坚硬—较坚硬岩石。

1.3.4 矽卡岩工程地质岩类
软弱—坚硬块状透辉石矽卡岩岩组：主要分布在岩浆岩北侧与东侧,以透辉石矽卡
岩为主,其次为斜长岩。

前者透辉石含量一般在70%以上,硬度小的片状矿物含量多;后者局部高岭石化强烈,遇水易膨胀。

岩石的抗压强度变化大,一般为97.5 MPa,最
低为24.3 MPa。

坚硬块状石榴石矽卡岩岩组：沿岩浆岩与大理岩接触带不连续分布,地表仅在狮子
山一带见及,抗压强度变化大,最高201.9 MPa,最低为1.3 MPa，平均124.0 MPa。

工程地质性状变化较大是其主要特征。

1.4 人类工程活动特征
铜山口地区矿产资源丰富,主要人类工程活动为矿山开采、矿坑地下水疏排及供水
井开采,李家湾周边主要有6家矿山和1口供水井,根据调查及收集资料基排水层位及排水量见表1[2]。

表1 主要矿山及供水井开采特征一览表Table 1 List of mining characteristics
of main mines and water supply wells矿山、井名称排抽水量/(m3·d-1)排水层位最深排水标高/m备注铜山口铜矿露采坑5主要为大气降雨4铜山口铜矿供水井(Ⅰh)2 080三叠系大理岩溶洞裂隙含水层根据泵型和矿方提供的日排水时间推算狮子山铜矿200三叠系大理岩溶隙裂隙含水层-80泰成公司铜矿1 300三叠系大理岩溶隙裂隙含水层-100大广山铁矿12 000三叠系大理岩深洞裂隙含水层-350柯家湾铁矿1 045接触构造裂隙与岩浆岩裂隙含水层-80大陈欧船—张泗朱铁矿1 680矽卡岩接触构造及岩浆岩裂隙含水层-180
2 李家湾矿区岩溶发育特征
2.1 微地貌特征
李家湾位于铜山口—大广山公路东部,属于低山丘陵区边缘向铜山口河一级阶地过渡地带。

总体地势较为低洼平坦,村庄东部高于西部,地表略向西倾斜,地面标高39.03～47 m,相对高差一般2～3 m,最大5～7 m。

村庄中部有一排洪港自南向北通过,港深2～3 m,宽3～8 m,洪水季节流量较大。

2.2 地层岩性
李家湾区内为三叠系下统第四岩性段碳酸盐岩隐伏区,地层岩性单一,根据钻探揭露,自上而下岩性为人工填土、粉质粘土、大理岩,其特征如下:
(1) 人工填土。

黄褐色,主要成分由碎石块及建筑垃圾组成,碎石大小2～5 cm为主,含量50%～60%,厚度0～1.6 m,稍密。

(2) 粉质粘土。

成因为冲洪积堆积,黑褐色、黄褐色为主,厚度7.6～11.7 m,其中上部5～6 m，以粘土、粉质粘土为主,可塑、稍湿,含少量粉、细砂粒,手搓有砂感,天然孔隙比e0=0.664～0.873,压缩系数a0.1-0.2=0.18～0.29 MPa-1,属中等压缩性土层;该层底部有时夹有厚度不大的粗、细砂层,稍密实。

本次K2钻孔粉质粘土层底部(孔深8.8～9.2 m),揭露厚度0.4 m粗砂层,夹少量砾石。

(3) 大理岩。

浅灰色、白色,弱风化,主要矿物成份为方解石,粒状变晶结构,块状构造,
节理裂隙发育,局部见条带状方解石脉,岩心较完整,溶蚀不发育段岩心主要呈长柱状、短柱状,溶蚀较发育孔段岩心多呈短柱状,块状。

RQD值70%～80%,平均75%。

该层岩溶发育,浅部岩溶形态以溶洞、溶隙为主。

2.3 岩溶发育特征
为了查明李家湾范围内地层分布和岩溶发育情况,研究岩溶发育规律,采用物探初探、钻孔验证等手段,兹将相关成果反映如下。

2.3.1 物探成果解译
本次物探工作采用高密度电法进行测量,共布设了9条高密度电法剖面,剖面总长
3.3 km,物探工作布置详见图2。

典型物探解译剖面图详见图3-图6，分析如下。

图2 大冶市李家湾地面塌陷物探、钻探工作布置图Fig.2 Geophysical and drilling layout of Lijiawan ground subsidence in Daye City1.第四系冲洪积层;2.高密度测线及编号;3.塌陷坑;4.推测岩溶塌陷区;5.钻孔及编号。

图3 1-1′测线高密度物探解译剖面图Fig.3 High density geophysical interpretation profile of 1-1′ line
(1) 1-1′测线。

该测线呈北西向,布设在工作区西边。

从高密度推断该测线所在地段第四系覆盖层总体结构由粉质粘土组成,平均厚度6 m左右,局部较薄地段覆盖层厚度3 m,较厚地段覆盖层10 m,土体电阻率<30 Ω·m。

下伏基岩主要是大理岩,基岩埋深在3～10 m以下,岩溶发育基岩电阻率50～600 Ω·m,较完整基岩电阻率600～2 000 Ω·m,推测所处地段覆盖层下7～27 m均可能为岩溶发育区。

(2) 5-5′测线。

该测线呈北西向,布设在工作区中部。

从高密度推断该测线所在地段第四系覆盖层总体结构为粘土、粉质粘土组成,覆盖层厚度3～17 m左右,粘土电阻率<30 Ω·m,局部存在高阻现象推测由地面混凝土造成。

测线上第四系厚度有一定
的起伏,测线中明显有两个基岩凸起,推测该测线已到了古铜山口河的一级阶地后缘。

下伏基岩主要是大理岩,基岩平均埋深在11 m以下,岩溶发育的基岩电阻率10～200 Ω·m,较完整的基岩电阻率400～2 000 Ω·m,推测岩溶强烈发育区在23#～46#电极之间,推测表层第四系中的高阻体可能为后期人工填埋的块石。

本测线其他地段覆盖层下3～5 m均属于岩溶发育区。

(3) 8-8′测线。

该测线呈南东向,布设在工作区中部。

从高密度推断该测线所在地段第四系覆盖层总体结构为粘土、粉土、砂卵石组成,覆盖层厚度4～16 m左右,粘土电阻率<30 Ω·m,局部存在高阻现象推测是人工回填块石造成。

下伏基岩主要是大理岩,基岩平均埋深在10 m以下,基岩电阻率基本>100 Ω·m,岩溶发育的基岩电阻率100～600 Ω·m,较完整的基岩电阻率600～2 000 Ω·m,本测线所处地段覆盖层下4～59 m均可能为岩溶发育区。

此测线在李家湾方向刚好布设在基岩凸起上,故基岩较完整,基岩电阻率较高。

图4 5-5′测线高密度物探解剖面图Fig.4 High density geophysical interpretation profile of 5-5′ line
(4) 9-9′测线。

该测线呈南东向,布设在工作区南部。

从高密度该可看出9-9′测线所在地段第四系覆盖层总体结构为粘土、碎石土和砂卵石组成,覆盖层厚度4～27 m 左右,粘土电阻率<30 Ω·m,局部存在高阻现象推测由地面混凝土造成。

下伏基岩主要是大理岩,基岩平均埋深在15 m以下,基岩电阻率基本>100 Ω·m,岩溶发育的基岩电阻率100～600 Ω·m,较完整的基岩电阻率600～2 000 Ω·m,本测线所处地段覆盖层下4～28 m均可能为岩溶发育区。

此测线在李家湾方向刚好布设在基岩凸起上,故基岩较完整,基岩电阻率较高。

2.3.2 钻探验证情况
根据ZK1、ZK2 、SH2三孔揭露到溶洞情况(详见表2),李家湾自然村下伏大理岩岩溶发育较为强烈,钻孔遇洞率为75%,单孔溶洞率13.55%～39.04%,单孔线岩溶率15.04%～45.03%。

三孔揭露大理岩总厚87.6 m,揭露大小溶洞8个,总高23.3
m,平均溶洞率为26.6%。

溶洞最大的高度达8.5 m,一般0.8～4.5 m,高度<2 m的约占63%。

溶洞主要分布在标高6.5～30 m,溶洞几乎全部充填,仅个别为半充填,
充填物质为砾砂、粉土、粘土等。

2.3.3 综合分析
根据高密度物探电法结果及钻探揭露综合分析,李家湾自然村地层结构与岩溶发育
特征与规律如下:
(1) 李家湾自然村地质结构为隐伏型碳酸盐岩岩溶区,上覆盖层为第四系冲洪积粘土、粉质粘土层,层底局部分布砂砾石层,覆盖层厚3～15 m,以村中河港两侧厚度较薄。

其下伏大理岩岩溶发育,垂向上岩溶发育带起伏较大,溶沟、溶槽、溶洞发育,村庄中部岩溶发育带底板埋深较大,可达±0 m标高左右,由中部向村庄南北两侧,岩溶带底板埋深渐浅,一般为标高15～30 m,岩溶发育区顶底板数值高程分布见图7-图8。

表2 李家湾钻探(孔)揭露岩溶情况统计表Table 2 Statistical table of karst exposure by drilling (hole) in Lijiawan孔号大理岩厚度/m溶洞埋深/m溶洞标
高/m洞高/m充填状况溶洞率/%溶蚀发育段埋深/m总厚度/m线岩溶率
/%ZK13119～23.223.4～19.24.2半充填,其中埋深19～19.3 m为空洞掉钻
13.5519～23.227.8～2835.1～35.337.2～37.44.915.8ZK243.315.5～16.426～25.10.9全充填16.6～17.424.9～24.10.8全充填17.7～18.723.8～22.81.0全充
填19.3～20.722.2～20.81.4全充填21.0～25.520.5～16.04.5全充填26.5～35.015～6.58.5全充填39.0415.5～3519.545.03SH213.313.2～15.230.01～28.012.0全充填15.0413.2～15.2215.04合计87.623.326.626.430.14
注:ZK1与ZK2孔为2011年所打验证孔;SH2孔为2009年所打勘察孔。

图5 8-8′测线高密度物探解剖面图Fig.5 High density geophysical interpretation profile of 8-8′ line
图6 9-9′测线高密度物探解剖面图Fig.6 High denstity geophysical interpretation profile of 9-9′ line
(2) 根据物探资料,在1线—6线中部地段,由东北—西南,推测存在一条宽100 m左右,深14～30 m岩溶强烈发育区,尤其4、5、6线反应非常明显。

(3) 李家湾自然村下伏大理岩浅部溶洞较发育,钻孔遇洞率为75%,单孔溶洞率13.55%～39.04%,线岩溶率15.04%～45.03%。

钻孔揭露溶洞最大的高度达8.5 m,一般0.8～4.5 m,洞高<2 m的约占63%。

溶洞主要分布在标高6.5～30 m(埋深35～13 m)之间,溶洞几乎全部充填,仅个别为半充填,充填物质为砾砂、粉土、粘土等。

图7 岩溶发育区顶板数值高程图Fig.7 Numerical elevation map of roof in karst development area
图8 岩溶发育区底板面数值高程图Fig.8 Numerical altitude diagram of bottom surface in karst development area
3 李家湾矿区岩溶地面塌陷形成机制与发展趋势
3.1 地面塌陷形成机制与破坏模式
根据收集资料及调查研究,李家湾及周边一带地面塌陷类型为岩溶塌陷。

塌陷发育呈套合相连总体特征:①主要分布在中部铜山口河两岸,塌坑呈串珠状展布,塌陷坑中有坑,老坑套新坑,沿塌陷周边多见有开裂缝;②塌陷分布带基本呈北东—南西走向,严格受大理岩岩溶发育带控制,且集中分布。

③李家湾主要以不均匀沉降为主(表现为房屋开裂),局部曾发生小型塌陷。

3.1.1 地面塌陷形成机制
(1) 区内塌陷主要分布于铜山口河—李家湾一带,均为碳酸盐岩隐伏岩溶区,在地质
结构上具备了岩溶塌陷的基本条件。

根据李家湾自然村物探与钻探验证,第四系松
散层厚度约3～15 m,下伏大理岩浅部岩溶发育,单孔溶洞率13.55%～39.04%,单
孔线岩溶率15.04%～45.03%,但因溶洞充填程度高,充填紧密,因而主要产生地面不均匀沉降为其重要表现。

这些均表明地面塌陷区第四系松散层的结构与厚度、下伏岩溶发育强度是区内地面塌陷的基本条件。

(2) 铜山口—大广山为同一水文地质单元,疏排地下岩溶水使地下水动力条件剧变,
是地面塌陷的主要原因。

铜山口—大广山目前有7家矿山及供水井疏排地下水,除大陈欧船张泗朱铁矿、向
家庄铁矿疏排岩浆岩裂隙水外,其余都在疏排同一层位的岩溶水。

由于大量排水,造
成地下水降落漏斗扩大,地下水水位降低,从而增大了水力梯度,加剧了地下水的活动,改变了地下水水动力条件,加剧了地下水对岩石的洗刷、溶蚀和溶滤作用,减少了地
下水对上覆岩体的浮托力,当这种力减少到难以维持原始平衡状态时,就会造成上覆
岩体因自重力大于浮托力而出现地面下沉,形成地面塌陷。

地下水动力条件变化是
诱发岩溶塌陷的主要原因。

由于多家矿山疏排地下水导致地下水位的下降,地下水位下降使地表水和地下水垂
向交替作用增强,地下水流速加快,加剧了对岩溶洞隙中的充填物和覆盖层产生潜蚀、冲刷和淘空作用,也易发生塌陷。

李家湾及周边一带地面塌陷主要是地表水和地下
水垂向潜蚀作用,其次是地下水位下降造成大理岩上覆第四系土体物理性质的改变。

因此,矿山及供水井长期疏排地下水是导致李家湾地面塌陷、房屋开裂的主导因素;
地面塌陷区内第四系松散层的结构与厚度、下伏岩溶发育强度、断裂破碎带等地质因素对地面塌陷分布、规模和强度有一定影响。

3.1.2 地面塌陷破坏模式
李家湾位于大理岩隐伏区,大理岩岩溶发育,富水性强,上覆第四系土体松散且厚度较
薄,受自然和人为动力作用,易形成地面塌陷。

(1) 自然动力因素。

①地下水的活动在岩溶塌陷的形成中具有多种作用,地下水入渗加剧是主要的动力因素之一,在自然条件下受气候季节的干、湿变化影响。

雨季特别是暴雨时地下水入渗加剧,使第四系松散层土体抗压强度降低,凝聚力减小,为地面塌陷的形成提供了有利的前提条件。

②李家湾地区具有双层含水层结构分布,地表水向岩溶地下水的垂向渗透,以及大气降雨和地表水的垂向下渗,使第四系松散土体入渗潜蚀作用加强。

③地下水的侵蚀和搬运作用,岩溶发育地带中,洞隙管道中流动的地下水,由于溶洞的形态曲折多变的不规则性,多呈涡流具有很强的冲蚀能力。

在溶洞的开口处,受地下水垂直运移的水动力影响,第四系松散土层由下对上逐渐崩落,且被运移,易形成隐伏土洞,受地面或负压吸蚀作用,易产生地面塌陷。

(2) 人为动力因素。

①各矿、井都在疏排同一层位的岩溶水。

属同一个水文地质单元,目前地下水流向由南向北东径流,矿体部分位于当地侵蚀基准面以下,矿体直接顶板为大理岩,大理岩岩溶发育,富水性强,因此是矿体开采的主要充水因素。

②区内中部为覆盖型大理岩,岩溶较为发育,由于矿山及供水井长期排水,岩溶地下水承压水位下降,使地下水动力条件剧变,导致第四系孔隙水直接补给下伏大理岩岩溶水地下水,在这种地下水垂直运移的水动力条件,会导致第四系松散颗粒物被潜蚀、倒吸沿岩溶管道流失而引发地面塌陷、房屋开裂。

③铜山口生活供水井Ⅰh于1982年建成,井深150.11 m,距李家湾400 m左右。

揭露的岩性:0～3.7 m为亚粘土,3.7～17.5 m为粘土、中细砂夹卵石,17.5～150.11 m为大理岩。

其供水层位为碳酸盐岩溶含水层,与李家湾岩溶水同处一个水文地质单元。

供水井Ⅰh在1982年成井抽水试验的最大降深为7.07 m,出水量为21.35 L/s,影响半径为300 m。

供水期间,在铜山口河床一带相继产生地面塌陷12处,塌陷坑与李家湾最近距离约50 m。

分别于1999年—2009年11月,在李家湾中心也发生了地面塌陷(见图2),同时发生民房墙体开裂。

1999年9月,供水井停抽10 h,李家
湾SHK1观测孔水位回升0.04 m,其后供水井再次抽水17 h,SHK1观测孔水位下降0.17 m。

2009年在SHK1观测孔北东8 m施工了SH2孔,目前水位埋深为8.7 m,水位比1999年下降6.49 m。

生活井(Ⅰh)降深由1999年的7.39 m增至
+9.61 m。

下降2.22 m。

从上述情况看出,供水井Ⅰh及周边矿山疏排地下水形成的联合地下水位下降漏斗还在不断发展之中,下降漏斗已扩展到了李家湾,是导致李家湾地面塌陷、房屋开裂的主导因素。

3.2 地面塌陷稳定性分析
3.2.1 地质条件分析
(1) 塌陷区存在开口的岩溶洞隙,而岩溶洞隙的发育主要归因于两种作用:水对可溶矿物的溶解以及流动水对可溶岩的动力侵蚀。

岩溶洞隙的存在是岩溶塌陷产生的基础,开口的洞隙越大、越多,洞隙间的连通性越好、洞隙水的循环交替越快,就越有利于岩溶塌陷的发生。

(2) 塌陷区表层为人工填土和冲洪积粉质粘土,下伏大理岩浅部岩溶发育。

因此,在本区下伏大理岩区块地层稳定性差,产生地面塌陷的可能性大。

(3) 水活动是岩溶塌陷形成的重要动力条件,本区岩溶水水位较深,位于岩土结合面之下,且雨量丰富,地表水补给充分,存在地表水向下渗透至岩溶水位的垂直运动。

因此,在水动力条件较好地段地层稳固性差,产生地面塌陷可能性大。

3.2.2 稳定性计算(经验法)
目前国内外对于溶洞的稳定性评价主要是按经验公式对溶洞顶板的稳定性进行验算[3]。

原理和方法:顶板坍塌后,塌落体积增大,当塌落至一定高度H时,溶洞空间自行填满,无需考虑对地基的影响。

所需塌落高度H按下式计算:
式中:H0为塌落前洞体最大高度(m);K为岩石松散(涨余)系数,石灰岩取1.2,粘土取1.05。

对本区溶洞进行计算,具体溶洞情况和计算结果见表3。

表3 计算结果一览表Table 3 List of calculation results孔号洞高H0/mK塌落高度H/m覆盖层厚/m评价结果备注K14.21.2/1.052119不安全溶洞K20.8～8.51.2/1.054～42.515.5～26.5不安全溶洞SH221.2/1.052013.2不安全溶洞
该区溶洞充填程度较高,但由于区内大量疏排地下水,加剧了地下水的活动,改变了地下水动力条件,加剧了地下水对溶洞充填物和覆盖层产生潜蚀、冲刷和淘空作用,易诱发地面塌陷。

3.3 地面塌陷发展趋势
覆盖型岩溶区地面岩溶塌陷往往具有复发性,只要水动力条件产生剧烈变化,地下水潜蚀作用加剧,大气降雨入渗强烈时都有可能再促使变形加剧或复活。

地下水位波动对覆盖层的破坏作用依然存在,在大气降雨入渗、地下水渗流潜蚀、覆盖层土体失水固结压密效应的影响下,李家湾一带仍可能产生岩溶塌陷和不均匀沉降。

岩溶塌陷产生的主要因素是地质结构条件和水动力条件。

根据以往已发生的岩溶塌陷,影响岩溶塌陷的因素主要有:第四系松散岩土层之下为裂隙、岩溶发育的强含水带,塌陷强度与分布受强含水带岩溶发育程度、厚度,溶洞充填程度,地表水下渗等因素控制;塌陷主要发生在强含水带地下水位猛然下降、地下水动力条件急剧变化的阶段。

区内已产生较大的水位降深,而且区内疏排水和供水井开采还将长期存在,岩溶塌陷与地面沉降还将持续发生。

未来变化趋势可能有如下特点:①在土层可能逐渐发育形成隐伏土洞;②覆盖型岩溶区具有双层水文地质结构,上覆的第四系土层中含有弱孔隙地下水,其与下伏岩溶含水带存在密切水力联系,下伏岩溶含水层水位大幅下降,使二者接触界面构成了上覆土层的排水边界,因渗透性能的巨大差异,松散层地下水。