徐州地区岩溶塌陷调查-华东地区地质调查成果

项目编号：12120114022001

承担单位：江苏省地质调查研究院

项目负责人：黄敬军，缪世贤

工作周期：2014—2015年

档案号：893

主要成果：

（1）基本查明了徐州地区可溶岩地层岩性分布、岩溶层组类型及溶蚀性特征，摸清了岩溶发育规律及控制因素。

徐州地区可溶岩为碳酸盐岩，按矿物成分可分为灰岩和白云岩，赋存于震旦纪贾园组、赵圩组、倪园组、九顶山组、张渠组、魏集组、史家组，寒武纪猴家山组、昌平组、馒头组、张夏组、炒米店组，奥陶纪三山子组、贾汪组、马家沟组及石炭纪太原组地层中，分布面积约600km2。其中，马家沟组碳酸盐岩分布最广，面积约143km2，占23.83%；其次是张夏组，分布面积约84.3km2，占14.05%。

徐州地区可溶岩地层分为纯碳酸盐岩、不纯碳酸盐岩及非碳酸盐岩层组3类。其中，纯碳酸盐岩层组地层包括奥陶纪马家沟组、三山子组，寒武纪张夏组、昌平组，震旦纪九顶山组和赵圩组等；不纯碳酸盐岩层组地层包括寒武纪炒米店组、震旦纪倪园组和张渠组等；非碳酸盐岩层组地层包括石炭纪太原组、寒武系馒头组、震旦纪史家组等。

综合考虑各地层岩石溶蚀试验的比溶蚀度和比化学溶蚀度，将徐州地区碳酸盐岩地层岩石的溶蚀性能分强、中和弱3个等级。其中，张渠组、马家沟组、赵圩组、九顶山组的溶蚀性能强；炒米店组、张夏组、昌平组、馒头组、望山组、魏集组、贾园组的溶蚀性能中等；三山子组和倪园组的溶蚀性能弱。

徐州地区岩溶发育在水平方向和垂直方向呈明显分带性，受可溶岩地层分布的影响，在平面上呈北北东向条带状展布，受断裂构造的影响，在平面上呈北西向条带状展布，其交互区域是岩溶最发育的区段；垂直上岩溶发育随深度增加而减弱，60m以浅为强岩溶发育带，线岩溶率21.64%，遇洞率30.07%；60～120m为中等岩溶发育带，线岩溶率9.07%，遇洞率13.65%；120m以深为弱岩溶发育带，溶洞发育较少。

徐州地区岩溶发育主要受岩性、裂隙发育特征、构造特征、新构造运动及地下水活动等因素的控制。马家沟组、三山子组、张夏组、昌平组、九顶山组和赵圩组等纯碳酸盐岩层组岩溶发育最强，炒米店组、倪园组和张渠组等不纯碳酸盐岩层组岩溶发育次之，太原组、馒头组和史家组等非碳酸盐岩层组岩溶发育最弱；地质构造、裂隙发育程度及地下水活动控制岩溶发育方向和岩溶发育的规模，北西向张性断裂较北东向压性断裂岩溶发育、背斜核部较两翼岩溶发育、裂隙发育的地层则岩溶发育、地下水活动强烈的区域岩溶发育。

（2）基本查明了徐州隐伏岩溶区上覆第四纪土层厚度变化及结构特征，建立了“单一透水型盖层”“透—阻型盖层”等岩溶塌陷发育的地质模式。

徐州地区第四纪土层厚度变化较大，以中薄层为主，岩性为陆相沉积砂土、粉土、粉质黏土、黏土及淤泥质土，为全新世连云港组及晚更新世戚咀组和中更新世泊岗组。

徐州地区隐伏岩溶区第四纪土层厚度多小于30m，为薄覆盖型岩溶区。其中，厚度大于30m的土层区235km2，占35.71%；厚度20～30m的土层区130km2，占19.76%；厚度10～20m的土层区155km2，占20.97%；厚度小于10m的土层区138km2，占23.56%。

徐州地区土体类型分为单层结构（单层砂性土、单层黏性土）、双层结构及多层结构3类。单层砂性土类分布于废黄河高漫滩水文地质天窗区，面积0.5km2，占隐伏岩溶区0.12%；单层黏性土类分布于山体周边，面积99.5km2，占24.15%；双层结构土层类及多层结构土层类分布于平原区，面积分别为222km2、90km2，分别占53.88%、21.84%。

徐州地区岩溶塌陷均为土层塌陷，依据土层类型和结构等的差异，分为单一透水型（砂性土单层结构）和透-阻型（砂性土-黏性土双层结构）两种岩溶塌陷发育的地质模式。

（3）查明了徐州地区岩溶水水文地质条件，系统分析了区内岩溶水开采历史及主要水源地水位降落漏斗演变规律。

徐州地区地下水可分为孔隙水、岩溶水和裂隙水三大类型。孔隙水主要赋存在第四纪冲积、冲湖积、湖积的松散沉积物内，含水层的厚度变化受地貌和断陷盆地的控制，单井涌水量500～1 000m3/d；岩溶水主要赋存在寒武纪、奥陶纪、震旦纪及石炭纪碳酸盐岩地层中，含水岩性多为灰岩、白云岩、白云质灰岩、砂页岩夹灰岩，富水性受岩溶发育及断裂构造控制，废黄河断裂带为较强富水区，单井涌水量大于5 000m3/d；裂隙水主要赋存在古近纪、白垩纪、侏罗纪碎屑岩地层及岩浆岩的风化裂隙和构造裂隙中，富水性差，单井涌水量一般小于100m3/d。

根据含水介质空间分布规律、边界条件及地下水流场、地下水循环中的补径排条件，将徐州地区划分为拾屯复式向斜、贾汪复式向斜和大庙复式背斜3个水文地质区。其中，拾屯复式向斜水文地质区分为湖西平原孔隙水、丁楼岩溶水、新河孔隙水、白头山岩溶水4个水文地质亚区；贾汪复式向斜水文地质区分为贾汪孔隙水、七里沟岩溶水、孟家沟孔隙水、汉王岩溶水4个水文地质亚区；大庙复式背斜水文地质区分为大许孔隙水、魏集岩溶水、潘塘孔隙水、张集岩溶水4个水文地质亚区。

徐州地区孔隙水主要补给来源是大气降水和农田灌溉水入渗，其次为地表水侧向入渗补给，其径流受地形地貌条件制约，总体流向与地形坡向基本一致，蒸发、人工开采、越流补给是最主要的排泄方式。岩溶水主要接受大气降水、孔隙水的越流补给、地表水的渗漏补给，其径流受地形，含水层的走向、倾向以及地质构造的限制。强烈开采区形成岩溶水水位降落漏斗，岩溶水由周边向水位漏斗中心径流。岩溶水的排泄方式主要有人工开采、泉水溢出、向地表水排泄和侧向径流排泄4种方式。

徐州地区孔隙水天然状态下水位动态受气象条件控制，开采状态下受人工开采与气象条件双重控制，动态类型可分为入渗-蒸发型或入渗-蒸发-开采型；岩溶水水位动态特征则受人工开采和大气降水、孔隙水越流补给及地表水渗漏等多种因素影响，动态类型可分为入渗-径流型、入渗-开采型、水文型。

徐州地区岩溶水开采始于1941年，年开采量约7.00×104m3。中华人民共和国成立以后的1950年开采量36.5×104m3，1970年开采量3 650×104m3，1982年开采量9 125×104m3，出现超采现象，1990年开采量达18 290×104m3。1996年开采量减至16 589×104m3，近10年来开采量维持在（11 000～13 000）×104m3之间。

七里沟水源地岩溶水是徐州市最早的供水水源地，其水位降落漏斗经历了3个不同的变化阶段：1980—1990年为开采的增采阶段，水位降落漏斗逐年增大，中心水位逐年下降；1991—2000年为开采的控采阶段，水位降落漏斗扩张的势态得到控制，中心水位回升；2001—2015年为开采的禁采阶段，中心水位继续回升，水位降落漏斗逐年变小，乃至消失。

丁楼—茅村水源地也是徐州市供水的重要水源地，其水位降落漏斗经历了4个不同的变化阶段：1980—1985年为开采的初级阶段，水位降落漏斗逐渐由开采中心向外围扩展；1986—1995年为开采的增长阶段，水位降落漏斗扩展至整个水源地区域；1996—2000年为开采的控采阶段，开采量虽得到控制，但水位仍呈整体下降；2001—2015年为压采阶段，水位降落漏斗中心外移至大彭一带。(https://www.xing528.com)

（4）总结了岩溶塌陷时空分布规律，分析了岩溶塌陷触发因素及动力模式，提出徐州地区岩溶塌陷发育判据，并建立了岩溶塌陷动力监测网点。

徐州地区岩溶塌陷主要分布于市区中心地带，其空间分布具有明显的规律性。一是受废黄河断裂带控制；二是发育于浅部岩溶强烈发育地段；三是集中分布在古河道内；四是发生在岩溶水开采降落漏斗内。

徐州地区岩溶塌陷主要集中发生在20世纪80—90年代，21世纪以来少有发生。1992年为岩溶塌陷高发期，多发生在降雨量较少的4—6月，少部分发生在7—8月。

徐州地区岩溶塌陷均为现代发生，属新塌陷，均为土层塌陷。触发因素有火车震动、施工振动、降雨以及河道清淤等。塌陷坑的平面形态多呈圆形、椭圆形，塌陷群发育方向为北西向，与废黄河断裂带展布方向一致。塌陷规模虽不大，但灾害造成的经济损失及社会影响相当严重。

根据徐州地区地质条件和岩溶塌陷发育情况，提出室内试验和监测分析两种岩溶塌陷发育判据的方法。室内试验是通过确定土体破坏的临界水力梯度，作为岩溶塌陷初期土洞发育的判据；监测分析是找出与岩溶塌陷发生时间有对应关系的规律性监测数据作为预测预报判据。

依据岩溶塌陷形成机制和触发因素，从地质力学角度，将徐州地区20个岩溶塌陷归纳为重力致塌、潜蚀致塌、吸蚀致塌以及振动致塌4种岩溶塌陷发育的动力模式，20个岩溶塌陷坑大多是重力致塌和潜蚀致塌共同作用所致。

选择已发生过岩溶塌陷以及地下水动力条件强烈、工程活动强烈的区域布设岩溶塌陷动力监测网点6处，监测岩溶管道裂隙系统水（气）压力的变化和第四系孔隙含水层水位的变化。其中，3处监测点同时监测岩溶水和孔隙水，3处监测点仅监测岩溶水，监测频率为20min/次。

（5）在分析岩溶塌陷发育条件的基础上，建立岩溶塌陷易发程度评价指标体系，运用层次分析法进行了岩溶塌陷易发性评价，为防治规划提供依据。

地下水动力条件用岩溶水水位距基岩面的距离、孔隙水与岩溶水水位差及岩溶水水位最大月变幅3个要素来表征。岩溶水与基岩面距离小于4m、孔隙水与岩溶水水位差大于16m、岩溶水最大月变幅大于4m的区域为水动力条件强区，分布面积约61.35km2，占隐伏岩溶区的14.9%；岩溶水与基岩面距离介于4～16m、孔隙水与岩溶水水位差介于2～16m、岩溶水最大月变幅介于2～4m的区域为水动力条件中等区，分布面积约172.69km2，占隐伏岩溶区的41.9%；岩溶水与基岩面距离大于16m、孔隙水与岩溶水水位差小于2m、岩溶水最大月变幅小于2m的区域为水动力条件弱区，分布面积约177.96km2，占隐伏岩溶区的43.2%。

岩溶塌陷易发程度评价指标体系依据岩溶发育条件、覆盖层条件、水动力条件建立，由3个条件层、8个因子层组成。岩溶发育条件主要考虑碳酸盐岩溶蚀性、断裂密度2个指标；覆盖层条件主要考虑土层结构、土层厚度、砂性土与黏性土厚度比3个指标；水动力条件主要考虑岩溶水最大月变幅、岩溶水距基岩面距离、孔隙水与岩溶水水位差3个指标。

以Map GIS的空间分析模块为评价平台，依据建立的岩溶塌陷易发程度评价指标体系，采用层次分析-综合模糊模型，进行岩溶塌陷易发程度评价。徐州地区岩溶塌陷易发区面积412km2，占全区总面积的48.7%。其中，高易发区面积约10.3km2，占易发区总面积的2.5%，中易发区面积约128.3km2，占易发区总面积的31.1%，低易发区面积约273.4km2，占易发区总面积的66.4%。

根据徐州地区岩溶塌陷地质灾害易发区分布特点，岩溶塌陷地质灾害治理现状，结合徐州城市总体规划及国民经济和社会发展总体规划，以人口密集区、重大工程项目建设区以及旅游区为岩溶塌陷地质灾害防治重点，将七里沟水源地、张集水源地划为岩溶塌陷重点防治区，重点防治区面积28.08km2。七里沟水源地重点防治区土层结构为砂性土单层土体或砂性土-黏性土双层土体，在废黄河断裂带内，岩溶发育强烈，已发生岩溶塌陷13次，应建立岩溶塌陷地质灾害预警系统，加强岩溶水开采控制，划定岩溶塌陷危险区。张集水源地重点防治区土层结构为砂性土-黏性土双层土体，在废黄河断裂带内，岩溶发育强烈，该水源地是徐州市主要供水水源，已形成一定规模的水位降落漏斗，应控制岩溶水的开采。

（6）剖析了典型岩溶塌陷的形成演化过程、力学机理，并进行了典型区岩溶塌陷风险评价。

徐州地区岩溶塌陷均为土层塌陷，土洞的形成发育过程是岩溶塌陷的前期阶段，初始土洞的形成标志着岩溶塌陷的升始，临界土洞的形成是土洞发展的最后阶段，以临界土洞为界，岩溶塌陷形成可划分为内部塌陷阶段与地表塌陷阶段：1986年以前，徐州多处于内部塌陷阶段；1986年后，徐州进入了地表塌陷阶段。

徐州典型岩溶塌陷发育区岩溶水水位经历了承压波动、承压-无压波动、承压波动等多个阶段，尤其是新生街-和平桥地区，1985—2000年期间岩溶水多处于承压-无压波动模式，水位在基岩面上下波动尤为频繁，致使该段时间多次发生岩溶塌陷。

根据地质模式和力学机理的不同对徐州地区典型塌陷进行了剖析，市溶剂厂塌陷、新生街塌陷以及开明市场塌陷等属于渗透变形破坏。其中，新生街塌陷和开明市场塌陷等地质模式为单一透水型，致塌模式为潜蚀-渗透变形-重力致塌，岩溶水开采是其主要诱因，废黄河水位的变化及降雨是其触发因素；溶剂厂塌陷和下洪村塌陷地质模式为透-阻型，潜蚀-渗透变形-震动致塌模式，岩溶水开采是其主要诱因，触发因素为火车震动；民主北路塌陷属于渗透变形和剪切变形共同破坏，其地质模式为透-阻型，致塌模式为吸蚀-剪切变形-重力致塌，岩溶水开采是其主要诱因，触发因素为降雨。

在岩溶塌陷形成条件分析的基础上，综合多因素叠加法，分别针对徐州市幅新生街地区和大庙幅邓楼地区开展岩溶塌陷风险性评价。新生街典型区岩溶塌陷高风险区面积约0.18km2，占新生街典型区面积的18%，主要分布于新生里棚户区、淮海东路及建国东路等城市主要干道沿线；邓楼典型区岩溶塌陷高风险区面积约0.06km2，占邓楼典型区面积的6%，主要分布于X307沿线、居民区以及水源井泵房附近。

（7）基于渗透变形理论，划定了主要岩溶水水源地的水位控制红线，提出了轨道交通岩溶塌陷风险控制。

徐州地区岩溶塌陷形成机理有渗透变形、剪切变形、真空吸蚀、冲爆、震动液化、地面加荷效应等，但以渗透变形为主。因此，徐州地区岩溶水位控制红线是基于渗透变形机理而划定的，以引发岩溶塌陷时所对应的水位埋深值为约束条件，即不允许土体中发生渗透变形，控制水力梯度小于土体自身的临界水力梯度。本次研究确定禁采水位埋深为极限水位控制红线，预警水位为安全水位控制红线。

在分析七里沟、丁楼-茅村、张集等主要水源地岩溶水水文地质条件、覆盖层特征、水位降落漏斗演变的基础上，基于渗透变形理论，计算了各水源地的临界水力梯度，划定了水位控制红线。提出严格执行岩溶水开采规划、建立岩溶水开采管理模型、完善岩溶水动态监测网等地下水开采管理建议。

基于轨道交通工程建设区地质条件，判定隧道和车站施工过程中是否可能诱发突水突泥型、底板突破型、底板下陷型和加荷震动型4类岩溶塌陷地质灾害。根据地铁沿线地质结构、岩溶发育特征、覆盖层特点等，分段评述了地铁1号线、2号线、3号线岩溶塌陷的易发性，并划定了地铁沿线岩溶水的水位控制红线。

（8）通过1∶5万岩溶塌陷调查及资料分析整理和综合研究，建立了徐州地区岩溶塌陷调查数据库。

在前期调查研究成果资料的基础上，通过1∶5万岩溶塌陷调查、工程地质调查、水文地质调查及资料整理和综合研究，建立了徐州地区岩溶塌陷调查数据库，包括调查数据、实测剖面、遥感数据、勘察数据、监测数据、测试数据、成果图件、成果报告、项目文件等。

调查数据共计863个。其中，徐州市幅377个、大庙幅486个；实测剖面2条；遥感数据2份（徐州市幅、大庙幅各1份）；勘察数据152组，包括工程地质钻探84孔、水文地质钻探5孔、地球物理勘探剖面63条；监测数据14组，包括岩溶塌陷动力监测数据9组、委托监测数据5组；测试数据877件，包括水化学测试104件、渗透变形试验50组、土工试验数据723组；成果图件包括16个输出图形和若干个空间图形。空间图形数据库按MapGIS数据格式提交；遥感解译、实测剖面及示意图类以JPG格式提交；野外调查、勘察、测试等属性数据以Access格式提交；项目文件、成果报告等以Word或PDF格式提交。