清城区岩溶地面塌陷发育现状及形成机理研究

李 明，周振钊，吴丽霞

(广东省水文地质大队，广东 广州 510080)

1 研究区概况

清城区位于广东省中部，北江中下游，清远市最南端，是清远市政治、经济、文化中心。地处华南褶皱系粤中坳陷之花县凹陷褶断束北部，东西向佛冈-丰良构造带与北东向吴川-四会构造带北段交汇部位，断裂构造强烈，地质环境条件较为复杂。区内可溶岩主要有泥盆系天子岭组(D3t)灰岩、炭质灰岩、泥质灰岩、长垑组(C1cl)生物碎屑灰岩、角砾状灰岩以及白垩系百足山组(K1b)、三水组(K2ss)灰质砾岩、钙质泥岩和泥灰岩等，主要分布于中部-西部北江冲积平原区内。区内岩溶分布面积约221.76 km2，占清城区全域面积17.11%，基本上为隐伏状态，大部分为碳酸盐岩岩溶，红层岩溶分布面积小，仅个别钻孔揭露。

2 岩溶地面塌陷总体现状

通过收集以往岩溶地面塌陷资料，得知清城区内近年来发生岩溶地面塌陷灾害有3处，2006年以前的有2处，各岩溶塌陷点基本情况详见表1。

表1 清城区岩溶塌陷基本情况一览表

图1 元仔角村地面塌陷点区域地质图

3 岩溶地面塌陷实例分析

3.1 元仔角村地面塌陷

元仔角村地面塌陷(T1)于2018年4月12日凌晨发生于清城区东城街道黄金村委会元仔角村56号民房东南侧玉米地，地理坐标北纬23°44′44.41″，东经113°8′58.72″。12日凌晨4～5点左右至13日17时，发育塌陷坑面积约28 m2。塌陷未造成人员伤亡，但造成直接经济损失约1 000元，威胁1层砖瓦民房1栋，威胁人口1户4人。

该塌陷点及附近出露的地层主要有第四纪全新世、更新世，白垩纪三水组，泥盆纪帽子峰组、老虎头组、杨溪组。区域出露岩浆岩为晚侏罗世中粒斑状黑云母二长花岗岩。该区在区域上地质构造较为发育，位于峡山顶背斜北西翼，并有近东西走向蟠龙村断裂通过。区内地下水类型主要为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、覆盖型岩溶水。塌陷点位于山前冲积平原区，为隐伏岩溶区，地形平坦，由砂砾层、粘土、亚粘土等构成，地下水位2.06 m，一般耐压力>20 kg/cm2。塌陷点附近无明显人类工程活动，近期附近亦无大量抽取地下水现象(见图1)。

该地面塌陷发生时，地面岩土体突然陷落跌至地下水面，发出岩土体拍击地下水的声音，以圆形塌陷坑为中心形成拉裂缝，处于陆续掉块的不稳定状态。塌陷坑水体较浑浊，偶有冒水泡现象。在4月12日下午16点左右，塌陷坑地面呈圆形，直径约4.2 m；至4月13日下午17点左右，塌陷坑直径扩大到6 m，平面仍呈圆形，垂直近圆柱状，南侧坑壁土体近垂直，北侧坑壁土体仍处于悬空状态。

塌陷坑上部约0.4 m为灰黑色耕植土，下方约1.7 m为棕褐色卵砾石层夹砾质粘性土至水面。地表至塌陷坑水面2.20～2.50 m，地形东南向西北倾斜，地面至坑底可测深度约6.8 m，塌陷坑体积约192 m3。距西北侧塌陷坑边缘约7.55 m为砖瓦民房1栋，南侧3.8 m为低矮红砖牲畜棚(见图2和图3)。

图2 塌陷坑全景照(镜向183°) 图3 塌陷坑现状(镜向3°)

截至4月13日下午17点左右，塌陷坑平面呈圆形，直径达6 m，垂直近圆柱状，可测深约6.8 m，南侧坑壁土体近垂直，北侧坑壁土体仍处于悬空状态。塌陷坑水体较混浊，并有少量水泡冒出，断续有小块土体崩落坑中，沿塌陷坑周围未见明显裂缝。塌陷点除损毁28 m2农田外，并未造成人员伤亡。根据塌陷点区域地质情况和上述特征，参照“广东省地质灾害隐患点特征认定和地质灾害分级标准(试行)”，该地质灾害为地面塌陷，其规模属于小型，该处地面塌陷地质灾害隐患点的稳定性差。

3.2 屋子村地面塌陷

该塌陷点位于清城区龙塘镇金沙村委会屋仔村西侧乡村公路西侧(T2)，中心点地理坐标为：北纬 23°36′14.38″，东经113°2′17.49″，东直线距离龙塘镇区约4 km。2018年11月21日上午7点左右至11月22日17时，塌陷坑面积约扩大至22 m2，造成部分路段公路及村民自建房屋场地损毁，直接经济损失约3万元，无人员伤亡，对过往行人及北侧一间民房的安全有一定威胁性。

该塌陷点区域内出露的地层主要有第四纪全新世、更新世，白垩纪三水组、百足山组，三叠纪小坪组，泥盆纪帽子峰组。区域附近无岩浆岩出露。该区在区域上地质构造上位于复式向斜核部，两翼地层为帽子峰组砂岩，核部为天子岭组灰岩，上部多被第四系松散层及百足山组砾岩、砂砾岩覆盖。区内地下水类型为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、覆盖型岩溶水(见图4)。

图4 屋子村地面塌陷点区域地质图

该塌陷点位于河流冲积平原第一阶地上，为隐伏岩溶区，地形平坦，由砂砾层、粘土、亚粘土等构成，一般耐压力>20 kg/cm2。塌陷点附近人类工程活动主要为建房所进行填方作业，点东南约30 m处公路两侧正进行房屋建设，近期附近无大量抽取地下水现象。

该地面塌陷发生时，地面岩土体突然陷落跌至地下水面，以塌陷坑为中心形成拉裂缝，处于基本稳定状态。该地面塌陷坑存在积水及少量堆土，水体较浑浊。塌陷坑平面呈近圆形，直径约5.3 m，22日下午17点扩大至5.5 m，现已基本稳定，塌陷坑垂直近圆柱状，东、南、西侧坑壁土体近垂直，北侧坑壁上部公路部分路段仍处于悬空状态。塌陷坑上部0.4～0.8 m为棕红色人工填土，为最近修建民房所填，其下约0.3 m为灰色耕植土，下部至水面为厚1.7～2.0 m的棕黄色砂质粘土。地表至塌陷坑水面2.30～2.50m，地形东南向西北倾斜，水深约0.4 m，地面至坑底可测深度约2.8 m，塌陷坑体积约55 m3。东南侧距塌陷坑边缘约35 m公路两侧为2栋在建民房，北侧6 m处公路旁为一间一层砖瓦式民房(图5)。

截至11月22日下午17点左右，塌陷坑平面呈近圆形，直径达5.5 m，垂直近圆柱状，可测深约2.8 m，坑壁土体近垂直，东侧部分公路仍处于悬空状态。塌陷坑水体较混浊，有少量掉块现象，陷坑周围新发生裂缝不明显，未发现进一步扩大迹象。该塌陷点造成约5 m长乡村公路路基损毁，并未造成人员伤亡。根据塌陷点区域地质情况和上述特征，参照“广东省地质灾害隐患点特征认定和地质灾害分级标准(试行)”，该地质灾害为地面塌陷，其规模属于小型。地面塌陷地质灾害隐患点的稳定性较差。

图5 塌陷坑全景照(镜向306°)

4 地面塌陷点成因分析

地面塌陷形成原因复杂，是由气象水文、地形地貌、地层岩性、地质构造、地表水活动、地下水活动等自然和抽排地下水等人为因素多种综合作用的结果。本次灾害诱发主要是内、外动力地质等因素导致土洞上部土体失稳，在重力作用下发生地面塌陷而致灾，主要成因如下：

(1)气象水文：清城区处于属典型的南亚热带季风气候区，湿热多雨，降水充沛。塌陷点附近见较多池塘，由于地表水和池塘水的下渗导致岩土工程性质变差，潜在土体变形的可能性大，易引发地面塌陷地质灾害。

(2)地层岩性：塌陷点处覆盖型岩溶区，覆盖层为第四系河流冲积层，岩性为卵石层夹砂质粘土、粘土质砂、砾层、含砾质粘土层等，上部粘性土粘结性较好，但厚度较薄，形成相对较稳定土层。覆盖型灰岩岩溶发育，见洞率高，地下岩溶空洞通道连贯性强，当上覆盖层被潜蚀掏空时，易发生岩溶地面塌陷。

(3)地表水活动：地表水在流动过程中下渗进入土体中，当地表水发生垂直渗流时最容易产生潜蚀情况，土体中的细颗粒在孔隙通道内，容易产生运动而被水流携出，土体强度降低，加剧入渗水流的潜蚀作用，最终导致盖层失稳发生地面塌陷。

(4)地下水活动：地下水活动是岩溶地面塌陷发生最重要的动力因素。丰水期水位急剧上升，地下水侵蚀能力增强，而枯水期，地下水位下降，易在空洞上方形成负压。由于地下水的搬运作用，以及对土体中可溶岩的溶蚀溶解作用，使上覆土体的结构发生变化，改变了土体原来的平衡状态。地下水位频繁变化，致使岩溶洞穴中的正负压力随之发生改变，造成对土地的挤压及吸蚀作用，土体平衡逐渐被打破。同时在地下水的浸泡作用下，力学强度大为降低，从而使其在地下水位下降时极易向下部岩溶空间运移，形成土洞，进而导致塌陷发生。

塌陷发生时，天气干旱，降雨量少，春耕灌溉用水量大，导致地下水位下降明显，可能为诱发地面塌陷因素之一。

综合分析诱发因素对地质灾害主要致灾作用的形成、发育所起的作用，从而确定本次地质灾害主导因素是清城区特有的地层岩性，从属因素是气象水文、地形地貌、地表水条件。T1、T2塌陷点激发因素均为地下水活动，由于地下水长期渗流作用，第四系孔隙水补给岩溶水，掏空上覆在岩溶管道裂隙上的土层，形成土洞并不断向上扩大，从而造成地面塌陷。

5 防治措施及建议

清城区岩溶地面塌陷不发育，近几年也只发生过几处小型塌陷灾害，但区内隐伏岩溶发育，岩溶发育带位于北江两岸冲积平原地段，加之清城区经济建设日益加强，人类工程活动愈变强烈，建议相关部门应尽快建立系统完善的地面塌陷监测预警系统，具体防控措施如下：

(1)建立、健全岩溶地面塌陷监测预警系统，建立区域地面塌陷监测网，开展系统性、连续性地面塌陷监测工作。在工程建设过程中，尤其在岩溶分布区，应对周边进行严格地面塌陷监测。

(2)完善地下水资源管理措施。制定合理的地下水开发计划和制度，实行地下水取用水总量和水位控制。在岩溶发育区上，严格控制农业、工业建设项目和服务业取用地下水量，对于出现区域性降落漏斗的超采区，应逐步削减开采量，实现地下水补采平衡。并应加强地下水动态观测。

(3)加强项目施工管理。做好岩溶塌陷地质调查和探测评价工作，建筑场地应尽可能避开隐伏塌陷发育区及地下水开采区等不利地段，远离塌陷区。严格基坑设计审批管理，加强深基坑排水工程管理和监测。

(4)加强与地面塌陷相关法律法规、技术标准体系建设。建立、健全地下水资源管理行政法令措施，成立管理机构，制定管理法规，对于私自超采者应问责问罪，加大管控力度。结合现有地面塌陷技术标准，制定符合本地区岩溶地面塌陷特点的技术标准。