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摘要：铜陵市华强玻钢厂附近发生的地裂缝、地面塌陷等地质灾害对工厂生产和附近居民的生命财产安全产生了严重影响。在对区内地质环境条件及地质灾害现状特征进行详细分析研究的基础上，阐述了本区地裂缝、地面塌陷产生的原因，进而对地质灾害进行了预测分区，并提出了相应的防治措施。
关键词：地质环境条件；地质灾害；地裂缝；地面塌陷；防治措施
中图分类号：X9 文献标识码：A 文章编号：1672-3198（2011）19-0246-03
1 问题由来
铜陵市华强玻钢厂位于华东冶金地质勘查局八一二地质队老区东北侧，市区～碎石岭公路从厂区旁边通过。2003年厂内及附近民区陆续出现数条地裂缝，2004年3月上旬，一场持续多日的降雨过后，在厂区附近又发现多处地面塌陷，同时，地裂缝也有进一步发展的态势。地裂缝和地面塌陷等地质灾害严重地影响了华强玻钢厂的安全生产和附近居民的生命财产安全，因此有必要对本区地质灾害进行调查。
2 地质环境条件
2.1 自然地理概况
本区位于铜官山主峰西部低丘区，其东南侧为中低山，其余三面被低矮的山丘所环绕，地势东南高，西北低，厂区附近最大相对高差约15米。
本区属亚热带湿润季风气候区，气候温暖，雨量充沛，多年平均降水量1375.9mm，年平均蒸发量1359.8mm，每年的5～8月为丰水期，11月至次年的1月为枯水期。
2.2 地层岩性
区内地层较齐全（图1），由老至新有泥盆系上统五通组（D3w）、石炭系中上统黄龙船山组（C2+3）、二叠系下统栖霞组（P1q）、孤峰组（P1g）、上统龙潭组（P2l）、大隆组（P2d）及三叠系下统殷坑组（T1y），黄龙船山组和栖霞组岩性以厚层状灰岩为主，其余地层则以砂岩、粉砂岩、页岩及硅质岩等碎屑岩为主。
地表为第四系土层，其上部为全新统杂填土和零星分布的砂砾石层，下部为上更新统卵石层及残积粘土。
在白家山铜矿以东一带为铜官山石英闪长岩体，岩体接触带附近赋存有铜矿体。
2.3 地质构造与区域地壳稳定性
2.3.1 地质构造
本区位于铜官山背斜西北翼，区内断层发育，对稳定性影响最大的是F44断层。该断层分布在厂区东北侧，长约1000米，走向325°，倾向南西，倾角83°，为一正断层，两侧岩石破碎，岩溶现象极为发育，断层导水性良好。
2.3.2 区域地壳稳定性
本区第四系以来的新构造运动以振荡式差异升降为主，地壳总体相对稳定。区内地震活动以小震为主，未发生破坏性地震，属中弱发震区，地震动反应谱特征周期为0.35s，峰值加速度为0.05g，相应的地震基本烈度为Ⅵ度。
2.4 水文地质条件
2.4.1 地表水特征
区内主要的地表水体为佘家涝小溪，发源于南部的山间泉水，经厂区东侧向西北流入长江，小溪常年流水，最大流量为80622米3/日（1980年3月31日），但流量随季节不同变化较大。
2.4.2 地下水特征
（1）含水层特征： 主要含水层为由黄龙船山组（C2+3）和栖霞组（P1q）组成的一个统一的含水体，岩性主要为灰岩，次为白云岩，含裂隙岩溶水，富水性1～10L/s，水质类型为HCO3－Ca型。该层岩溶发育，地表溶沟、溶槽及溶蚀洼地随处可见，岩层顶面起伏不平，有时一步之遥竟可相差数米。据白家山、宝山矿床勘探资料，-100米以上岩溶发育，钻孔溶洞能见率和岩溶率都很高，溶洞大小不一，大者洞高可达50米左右，充填物以砖红色流～软塑状粘土为主，有少量灰岩碎块。
另外，第四系下部卵石和残积土中含有孔隙潜水，但其渗透性差，富水性较弱。
（2）隔水层特征：除C2+3和P1q外，其它岩层均可视为相对隔水层，分布在东南、东北及西北三面，使本区形成一个相对封闭的水文地质单元（图1）。
（3）地下水的排、补条件：本区地下水主要受大气降水的垂向补给，其次是地表水沿F44断层渗透补给。在天然状态下，地下水迳流方向与地表水流向基本一致，均为西北向，并以零星泉源及地下径流方式排出地表。
2.5 工程地质条件
2.5.1 岩体工程地质特征
厂区下伏岩体为栖霞组灰岩，呈块状、层状结构，结构体形状为块状、柱状，结构面主要为层理面和裂隙面，岩体平均抗压强度为81.3MPa，属坚硬工程地质岩组。但其岩溶发育，顶面起伏不平，对厂区附近地面稳定性影响较大。
2.5.2 土体工程地质特征
根据工程勘察资料，厂区附近土层结构如图2，其上部为松散状杂填土或砂砾石，中部为中密状卵石，下部为软～可塑状粘土、粉质粘土。土层分布变化极大，呈阶梯状，在佘家涝小溪两旁仅有上部薄薄的砂砾石层，局部基岩已露出地表。在小溪和厂区之间，残留有下部的粘土层，厚度2米左右。在厂区下面，土层齐全，但厚度变化大，在基岩面向上拱起部位厚度较小，下部的粘土、粉质粘土层呈尖灭趋势。
2.6 人类工程活动对地质环境的影响
白家山铜矿的采矿活动是本区最主要的人类工程活动，该矿山位于厂区东部，主井口距厂区约200米左右，二者位于同一个水文地质单元中。在本区地面塌陷产生前，矿山采矿标高已降至-100米以下。由于矿山长期抽排地下水，使本区地下水位大幅降低，原有的地下水均衡状态遭到严重破坏，因而在本区特定的地质环境条件下，可引发一系列地质灾害。
3 地质灾害现状特征
3.1 地裂缝
本区于2003年开始出现地裂缝，到2004年3月共发现四处，集中分析在玻钢厂内及附近居民区中，地裂缝通过处墙体开裂（照片1）。地裂缝方向一般为310°～335°，弯曲延伸，单体规模较小，长度一般为20米左右，最长32米，宽度一般0.2～1厘米，在有的裂缝两旁还有多条次级小裂缝，形成裂缝带。地裂缝上部呈“V”字型张开，裂面凹凸不平，表现出明显的张性特征。
3.2 地面塌陷
2004年3月，在厂区附近共发现三个塌陷坑，都分布在厂区与佘家涝小溪之间。塌陷坑一般为椭圆形或近圆形，长轴方向为西北向，规模都不大，最大的一个长轴长3.15米，短轴长3.05米，可见深度2.30米，呈漏斗状，最小的一个长轴长1.20米，短轴长仅有0.90米（照片2），表现出岩溶塌陷的特征。
3.3 地裂缝和地面塌陷的分布规律
通过调查，发现地裂缝和地面塌陷都出现在灰岩地区，分布在F44断层旁边，方向与F44断层基本吻合，而且离白家山铜矿都较近。另外地面塌陷都分布在厂区与佘家涝小溪之间土层较薄的地带。
4 地质灾害成因
4.1 地裂缝
因溶蚀作用，本区基岩顶面起伏变化很大，导致其上覆土层结构极不均匀，在基岩面向上拱起部位，土层厚度减小，特别是下部的可～软塑状粘土、粉质粘土层急剧变薄，甚至尖灭。当地下水位因矿坑排水而下降后，土层中的水压逐渐减小，有效应力逐渐增大，使得土粒间的空隙体积减小，土体被压缩而发生沉降。因土层厚薄不均，会产生差异沉降，在基岩面向上拱起部位，沉降量最小，其它部位相对较大，因而在拱起部位上方的土层中会产生拉张应力，使土层裂开，形成地裂缝（图3）。
4.2 地面塌陷
本区溶洞发育，以F44断层附近最为强烈。矿山排水引起灰岩中的裂隙岩溶水水位大幅下降，导致溶洞充填物产生压密沉降，在溶洞上部形成空腔，这样，一方面会使溶洞上方的土层失去支撑，另一方面在空腔形成的瞬间，因其它物质不能及时充填进来，空腔中会形成一定程度的真空状态，对溶洞上方的土层产生真空吸蚀作用。另外，由于裂隙岩溶水水位下降速度较快，上覆土层中的孔隙水水位因受土层渗透性限制而下降缓慢，二者之间会形成水头差，产生渗透坡降，并对上覆土层产生潜蚀作用。在真空吸蚀和地下水潜蚀作用的影响下，溶洞上方失去支撑的土层受到强烈扰动，土颗粒向溶洞中流失，形成土洞。随着地下水位的进一步下降，土洞逐渐向上发展，土层慢慢变薄，达到一定程度后，在自重应力作用下，即可产生地面塌陷（图4），可见本区地面塌陷属于岩溶塌陷。很明显，土层越薄，塌陷形成越快。另外，当土洞发展到一程度时，若遇持续性降雨，会使土层的抗剪强度降低，也会加速塌陷的产生。
总之，本区地裂缝和地面塌陷的产生是内因与外因综合作用的结果，内因是本区特定的地质环境条件，属控制因素，外因主要是矿山排水，其次是降雨，属诱发因素，二者缺一不可。
5 地质灾害预测分区
根据区内地质环境条件和地裂缝、地面塌陷产生的原因及其分布规律，可将厂区附近划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个分区（图5）。
Ⅰ区：位于公路东北小溪两侧，目前发生的地裂缝及地面塌陷都分布在该区，下伏基岩为栖霞组灰岩，岩溶发育， F44断层从区内通过，大部分地段土层较薄，离白家山铜矿最近，受矿山排影响最大，地下水位变化最强烈，有进一步发生地裂缝和地面塌陷的危险，属地裂缝、地面塌陷危险区。
Ⅱ区：位于公路南西侧，目前尚未发生地裂缝和地面塌陷，下伏基岩也是栖霞组灰岩，岩溶发育，土层相对较厚，距白家山铜矿相对Ⅰ区较远，但随着矿山开采面积扩大，采矿深度加深，地下水位变化将波及该区，故存在产生地裂缝和地面塌陷的隐患，属潜在地裂缝、地面塌陷区。
Ⅲ区：分布在Ⅰ区和Ⅱ区的西部，下伏基岩为二叠系中、上部的硅质岩、砂岩、页岩，为良好的隔水层，无岩溶现象，发生地裂缝和岩溶塌陷的可能性小，属相对稳定区。
6 地质灾害防治措施
地质灾害防治应坚持预防为主、避让与治理相结合的原则，根据本区地裂缝、地面塌陷成因，可采取以下综合防治措施：
（1）开展岩溶调查工作，尽快在本区建立地下水位变化及地面沉降监测系统，总结成灾规律及其前兆信息，为监测和判定地质灾害提供依据。
（2）积极宣传地质灾害防治知识，完善和加强汛期巡查、速报等制度。
（3）严格控制附近矿山的开采面积和开采深度，限制矿山超量排水，禁止在附近新建其它汲水工程，维持本区地下水位的相对稳定状态。
（4）对已产生的地裂缝应及时用水泥充填密实，对塌陷坑可按反滤层的形式和要求进行填埋夯实处理，以防其因外界因素的影响而进一步发展。
（5）对已经损坏的厂房和民房，要根据损坏程度或进行加固处理，或搬迁避让，以确保人民群众的生命财产安全。
（6）在Ⅰ区和Ⅱ区进行工程建设前，必须按有关规范进行岩溶勘察，在建筑设计时，应充分考虑岩溶发育规律，力求总体布局合理、谐调，对重要建筑物可考虑采用桩基础，以确保其安全可靠。
关键词：地质环境条件；地质灾害；地裂缝；地面塌陷；防治措施
中图分类号：X9 文献标识码：A 文章编号：1672-3198（2011）19-0246-03
1 问题由来
铜陵市华强玻钢厂位于华东冶金地质勘查局八一二地质队老区东北侧，市区～碎石岭公路从厂区旁边通过。2003年厂内及附近民区陆续出现数条地裂缝，2004年3月上旬，一场持续多日的降雨过后，在厂区附近又发现多处地面塌陷，同时，地裂缝也有进一步发展的态势。地裂缝和地面塌陷等地质灾害严重地影响了华强玻钢厂的安全生产和附近居民的生命财产安全，因此有必要对本区地质灾害进行调查。
2 地质环境条件
2.1 自然地理概况
本区位于铜官山主峰西部低丘区，其东南侧为中低山，其余三面被低矮的山丘所环绕，地势东南高，西北低，厂区附近最大相对高差约15米。
本区属亚热带湿润季风气候区，气候温暖，雨量充沛，多年平均降水量1375.9mm，年平均蒸发量1359.8mm，每年的5～8月为丰水期，11月至次年的1月为枯水期。
2.2 地层岩性
区内地层较齐全（图1），由老至新有泥盆系上统五通组（D3w）、石炭系中上统黄龙船山组（C2+3）、二叠系下统栖霞组（P1q）、孤峰组（P1g）、上统龙潭组（P2l）、大隆组（P2d）及三叠系下统殷坑组（T1y），黄龙船山组和栖霞组岩性以厚层状灰岩为主，其余地层则以砂岩、粉砂岩、页岩及硅质岩等碎屑岩为主。
地表为第四系土层，其上部为全新统杂填土和零星分布的砂砾石层，下部为上更新统卵石层及残积粘土。
在白家山铜矿以东一带为铜官山石英闪长岩体，岩体接触带附近赋存有铜矿体。
2.3 地质构造与区域地壳稳定性
2.3.1 地质构造
本区位于铜官山背斜西北翼，区内断层发育，对稳定性影响最大的是F44断层。该断层分布在厂区东北侧，长约1000米，走向325°，倾向南西，倾角83°，为一正断层，两侧岩石破碎，岩溶现象极为发育，断层导水性良好。
2.3.2 区域地壳稳定性
本区第四系以来的新构造运动以振荡式差异升降为主，地壳总体相对稳定。区内地震活动以小震为主，未发生破坏性地震，属中弱发震区，地震动反应谱特征周期为0.35s，峰值加速度为0.05g，相应的地震基本烈度为Ⅵ度。
2.4 水文地质条件
2.4.1 地表水特征
区内主要的地表水体为佘家涝小溪，发源于南部的山间泉水，经厂区东侧向西北流入长江，小溪常年流水，最大流量为80622米3/日（1980年3月31日），但流量随季节不同变化较大。
2.4.2 地下水特征
（1）含水层特征： 主要含水层为由黄龙船山组（C2+3）和栖霞组（P1q）组成的一个统一的含水体，岩性主要为灰岩，次为白云岩，含裂隙岩溶水，富水性1～10L/s，水质类型为HCO3－Ca型。该层岩溶发育，地表溶沟、溶槽及溶蚀洼地随处可见，岩层顶面起伏不平，有时一步之遥竟可相差数米。据白家山、宝山矿床勘探资料，-100米以上岩溶发育，钻孔溶洞能见率和岩溶率都很高，溶洞大小不一，大者洞高可达50米左右，充填物以砖红色流～软塑状粘土为主，有少量灰岩碎块。
另外，第四系下部卵石和残积土中含有孔隙潜水，但其渗透性差，富水性较弱。
（2）隔水层特征：除C2+3和P1q外，其它岩层均可视为相对隔水层，分布在东南、东北及西北三面，使本区形成一个相对封闭的水文地质单元（图1）。
（3）地下水的排、补条件：本区地下水主要受大气降水的垂向补给，其次是地表水沿F44断层渗透补给。在天然状态下，地下水迳流方向与地表水流向基本一致，均为西北向，并以零星泉源及地下径流方式排出地表。
2.5 工程地质条件
2.5.1 岩体工程地质特征
厂区下伏岩体为栖霞组灰岩，呈块状、层状结构，结构体形状为块状、柱状，结构面主要为层理面和裂隙面，岩体平均抗压强度为81.3MPa，属坚硬工程地质岩组。但其岩溶发育，顶面起伏不平，对厂区附近地面稳定性影响较大。
2.5.2 土体工程地质特征
根据工程勘察资料，厂区附近土层结构如图2，其上部为松散状杂填土或砂砾石，中部为中密状卵石，下部为软～可塑状粘土、粉质粘土。土层分布变化极大，呈阶梯状，在佘家涝小溪两旁仅有上部薄薄的砂砾石层，局部基岩已露出地表。在小溪和厂区之间，残留有下部的粘土层，厚度2米左右。在厂区下面，土层齐全，但厚度变化大，在基岩面向上拱起部位厚度较小，下部的粘土、粉质粘土层呈尖灭趋势。
2.6 人类工程活动对地质环境的影响
白家山铜矿的采矿活动是本区最主要的人类工程活动，该矿山位于厂区东部，主井口距厂区约200米左右，二者位于同一个水文地质单元中。在本区地面塌陷产生前，矿山采矿标高已降至-100米以下。由于矿山长期抽排地下水，使本区地下水位大幅降低，原有的地下水均衡状态遭到严重破坏，因而在本区特定的地质环境条件下，可引发一系列地质灾害。
3 地质灾害现状特征
3.1 地裂缝
本区于2003年开始出现地裂缝，到2004年3月共发现四处，集中分析在玻钢厂内及附近居民区中，地裂缝通过处墙体开裂（照片1）。地裂缝方向一般为310°～335°，弯曲延伸，单体规模较小，长度一般为20米左右，最长32米，宽度一般0.2～1厘米，在有的裂缝两旁还有多条次级小裂缝，形成裂缝带。地裂缝上部呈“V”字型张开，裂面凹凸不平，表现出明显的张性特征。
3.2 地面塌陷
2004年3月，在厂区附近共发现三个塌陷坑，都分布在厂区与佘家涝小溪之间。塌陷坑一般为椭圆形或近圆形，长轴方向为西北向，规模都不大，最大的一个长轴长3.15米，短轴长3.05米，可见深度2.30米，呈漏斗状，最小的一个长轴长1.20米，短轴长仅有0.90米（照片2），表现出岩溶塌陷的特征。
3.3 地裂缝和地面塌陷的分布规律
通过调查，发现地裂缝和地面塌陷都出现在灰岩地区，分布在F44断层旁边，方向与F44断层基本吻合，而且离白家山铜矿都较近。另外地面塌陷都分布在厂区与佘家涝小溪之间土层较薄的地带。
4 地质灾害成因
4.1 地裂缝
因溶蚀作用，本区基岩顶面起伏变化很大，导致其上覆土层结构极不均匀，在基岩面向上拱起部位，土层厚度减小，特别是下部的可～软塑状粘土、粉质粘土层急剧变薄，甚至尖灭。当地下水位因矿坑排水而下降后，土层中的水压逐渐减小，有效应力逐渐增大，使得土粒间的空隙体积减小，土体被压缩而发生沉降。因土层厚薄不均，会产生差异沉降，在基岩面向上拱起部位，沉降量最小，其它部位相对较大，因而在拱起部位上方的土层中会产生拉张应力，使土层裂开，形成地裂缝（图3）。
4.2 地面塌陷
本区溶洞发育，以F44断层附近最为强烈。矿山排水引起灰岩中的裂隙岩溶水水位大幅下降，导致溶洞充填物产生压密沉降，在溶洞上部形成空腔，这样，一方面会使溶洞上方的土层失去支撑，另一方面在空腔形成的瞬间，因其它物质不能及时充填进来，空腔中会形成一定程度的真空状态，对溶洞上方的土层产生真空吸蚀作用。另外，由于裂隙岩溶水水位下降速度较快，上覆土层中的孔隙水水位因受土层渗透性限制而下降缓慢，二者之间会形成水头差，产生渗透坡降，并对上覆土层产生潜蚀作用。在真空吸蚀和地下水潜蚀作用的影响下，溶洞上方失去支撑的土层受到强烈扰动，土颗粒向溶洞中流失，形成土洞。随着地下水位的进一步下降，土洞逐渐向上发展，土层慢慢变薄，达到一定程度后，在自重应力作用下，即可产生地面塌陷（图4），可见本区地面塌陷属于岩溶塌陷。很明显，土层越薄，塌陷形成越快。另外，当土洞发展到一程度时，若遇持续性降雨，会使土层的抗剪强度降低，也会加速塌陷的产生。
总之，本区地裂缝和地面塌陷的产生是内因与外因综合作用的结果，内因是本区特定的地质环境条件，属控制因素，外因主要是矿山排水，其次是降雨，属诱发因素，二者缺一不可。
5 地质灾害预测分区
根据区内地质环境条件和地裂缝、地面塌陷产生的原因及其分布规律，可将厂区附近划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个分区（图5）。
Ⅰ区：位于公路东北小溪两侧，目前发生的地裂缝及地面塌陷都分布在该区，下伏基岩为栖霞组灰岩，岩溶发育， F44断层从区内通过，大部分地段土层较薄，离白家山铜矿最近，受矿山排影响最大，地下水位变化最强烈，有进一步发生地裂缝和地面塌陷的危险，属地裂缝、地面塌陷危险区。
Ⅱ区：位于公路南西侧，目前尚未发生地裂缝和地面塌陷，下伏基岩也是栖霞组灰岩，岩溶发育，土层相对较厚，距白家山铜矿相对Ⅰ区较远，但随着矿山开采面积扩大，采矿深度加深，地下水位变化将波及该区，故存在产生地裂缝和地面塌陷的隐患，属潜在地裂缝、地面塌陷区。
Ⅲ区：分布在Ⅰ区和Ⅱ区的西部，下伏基岩为二叠系中、上部的硅质岩、砂岩、页岩，为良好的隔水层，无岩溶现象，发生地裂缝和岩溶塌陷的可能性小，属相对稳定区。
6 地质灾害防治措施
地质灾害防治应坚持预防为主、避让与治理相结合的原则，根据本区地裂缝、地面塌陷成因，可采取以下综合防治措施：
（1）开展岩溶调查工作，尽快在本区建立地下水位变化及地面沉降监测系统，总结成灾规律及其前兆信息，为监测和判定地质灾害提供依据。
（2）积极宣传地质灾害防治知识，完善和加强汛期巡查、速报等制度。
（3）严格控制附近矿山的开采面积和开采深度，限制矿山超量排水，禁止在附近新建其它汲水工程，维持本区地下水位的相对稳定状态。
（4）对已产生的地裂缝应及时用水泥充填密实，对塌陷坑可按反滤层的形式和要求进行填埋夯实处理，以防其因外界因素的影响而进一步发展。
（5）对已经损坏的厂房和民房，要根据损坏程度或进行加固处理，或搬迁避让，以确保人民群众的生命财产安全。
（6）在Ⅰ区和Ⅱ区进行工程建设前，必须按有关规范进行岩溶勘察，在建筑设计时，应充分考虑岩溶发育规律，力求总体布局合理、谐调，对重要建筑物可考虑采用桩基础，以确保其安全可靠。