崩塌是指高陡坡或陡崖上的岩土体离开母体下落的现象。崩塌按破坏模式可分为滑移式崩塌、倾倒式崩塌和坠落式崩塌^[10]。徐州市崩塌主要发生在人工开挖形成的高陡边坡上, 由于坡体构造裂隙发育, 岩体较破碎, 在降雨、大风、震动及人工干扰等诱发因素作用下, 坡面危岩体发生位移, 向坡下坠落, 从而形成崩塌。

地面塌陷为地表岩体或土体在自然作用或人为活动的影响下向下陷落, 在地面形成凹陷、坑洞或裂缝的过程和现象, 可分为岩溶地面塌陷和采空地面塌陷^[1]。

岩溶地面塌陷是指岩溶洞隙上方的岩土体在自然或人为因素作用下发生变形破坏, 并在地面形成陷坑的一种岩溶地质作用和现象, 简称岩溶塌陷^[1]。徐州市岩溶地面塌陷发生的原因主要是由于塌陷区岩溶水超采导致水位在基岩面附近作频繁升降运动, 从而引发潜蚀、真空负压作用, 导致土洞形成并逐渐扩大、上移, 最终发生地面塌陷。

采空地面塌陷是指由于采矿形成地下空间, 导致上部岩土层在自重作用下失稳而引起的地面塌陷现象^[11]。徐州市采空地面塌陷主要与煤矿、铁矿和石膏矿等地下开采活动有关。

地面沉降是指由自然因素或人为活动引发松散地层压缩而导致地面高程降低的地质现象^[1]。徐州市地面高程不断下降主要是由于含水层地下水的过量开采致使地下水水位下降、土层中孔隙水压力降低以及土层有效应力增大而导致的。

2.1.1 崩塌

徐州市位于鲁西南丘陵区, 山体岩性主要为较完整灰岩, 崩塌地质灾害主要发生在人工开采后形成的高陡边坡上。由于边坡岩体裂隙发育形成危岩体, 在降雨、大风、震动等自然因素和人工干扰等诱发因素作用下, 这些危岩体发生翻转、滑移或坠落, 形成崩塌。依据崩塌形成机理和运动形式进行分类, 徐州市崩塌多属于坠落式崩塌, 滑移式崩塌和倾倒式崩塌数量则较少。

2.1.2 地面塌陷

(1)岩溶地面塌陷。通过分析徐州市岩溶地面塌陷点地层与地质构造条件、岩溶发育特征及岩溶水开采等因素可知, 导致岩溶地面塌陷的原因主要有以下3点:

第一, 徐州市岩溶地面塌陷多受废黄河断裂带及古河道控制。废黄河断裂带基岩裂隙和岩溶较发育, 古河道沉积的砂性土层直接覆盖在寒武系— 奥陶系可溶性碳酸盐岩上, 当基岩中溶洞发育至基岩顶面后, 基岩之上的松散-稍密状砂性土覆盖层便会随地下水流失而产生塌陷。

第二, 徐州市岩溶地面塌陷多分布在超量开采地下岩溶水形成的降落漏斗内。徐州市岩溶水开采始于1941年, 此后水位呈逐年下降趋势, 并出现超采现象^[12], 同时因季节降水量的不同, 岩溶水位表现为多年趋势性下降和季节性频繁波动, 导致孔隙水与岩溶水联系更加密切, 加速了孔隙水向岩溶水的补给, 所形成的较大水力梯度致使土洞发育并向上发展, 最终导致地面塌陷。

第三, 地面振动及强降雨加剧了徐州市岩溶地面塌陷的发生。已发生的岩溶塌陷中有4处位于铁路路基附近, 火车的频繁振动导致洞顶失稳, 同时地面振动及强降雨加剧了砂性土的流失, 从而引发岩溶地面塌陷。

(2)采空地面塌陷。徐州市煤矿的采矿方式主要是走向长壁式, 采空区的顶板管理大多为全部垮落法。煤层采出后, 在岩体内部形成一定空间, 其周围原有的应力平衡状态受到破坏, 采空区顶板覆岩失去支撑而垮落, 通过煤层顶、底板变形破坏来达到新的应力平衡。石膏矿、铁矿虽采用房柱式开采, 留有矿柱用以支撑顶板岩层, 但随着矿层顶、底板及矿柱在地下水和空气的作用下风化、变形, 强度降低, 在上覆岩层的自重应力和构造应力的作用下, 矿柱可能会发生较大变形, 遭受破坏, 从而导致上覆岩层垮落。顶板岩层的变形破坏一般自下而上出现“ 冒落(垮落)、裂缝和整体移动(弯曲)” 3个破坏带, 当这3个带达到地表时, 便会使地表产生移动和变形, 即形成采空地面塌陷。

2.1.3 地面沉降

丰、沛、睢地区分布有大面积巨厚的未固结松散地层, 颗粒较细, 可压缩性强, 为地面沉降提供了物质基础。由于长期过量开采地下水, 区域性深层地下水位不断下降, 土体的天然应力失去平衡, 致使砂层中的孔隙水压力降低, 土层的有效应力增大, 含水层被压缩发生变形, 进而引发地面沉降。丰、沛、睢地区地面沉降区主要分布于地下水开采强烈、水位下降幅度较大的区域(累计降幅大于30 m), 且与区内地下水位降落漏斗相吻合。

徐州市地质灾害主要包括崩塌、地面塌陷和地面沉降, 各类灾害的空间分布情况见图1。

图1

Fig.1

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	图1 徐州市地质灾害空间分布Fig.1 Distribution of geological hazards in Xuzhou City

2.2.1 崩塌

徐州市崩塌地质灾害主要分布于睢宁县、邳州市、贾汪区、铜山区和徐州市区剥蚀残丘山体周边人工开采宕口内。睢宁县、邳州市、贾汪区、铜山区崩塌点大多远离居民区, 虽存在发生崩塌的物质条件和诱发因素, 但由于人迹罕至, 危险性较小; 而市区部分崩塌点多位于居民区、厂区或道路周边, 威胁人口较多, 危险性较大。

2.2.2 地面塌陷

2.2.2.1 岩溶地面塌陷

徐州岩溶地面塌陷主要分布于城市中心区黄河故道周边。徐州市最早的岩溶地面塌陷事件发生于1986年5月27日徐州市溶剂厂。此后, 在新生里、民安巷、五交化商场、开明市场、朝阳路和下洪村等地先后发生岩溶地面塌陷14起, 共20个塌陷坑(表1、图2)。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 徐州市岩溶地面塌陷地质灾害一览表 Tab.1 Statistics of Karst collapse geological hazards in Xuzhou City 序号 发生时间 位置 长度/m 宽度/m 深度/m 灾情 1 1986.05.27 溶剂厂西南角 13.0 12.0 9.0 铁路运输中断22 h 2 1986.06.02 电业局宿舍 11.0 11.0 0.5 三层楼房中部断裂 3 1992.04.12 新生街民安一巷3号 8.0 8.0 3.0 形成南北长约190 m、东西宽约110 m的大面积塌陷区。96户人家的224间民房直接倒塌。其余民房严重开裂, 自来水管道、下水道等生活设施全部损坏 新生街128号 25.0 15.0 4.5 4 1992.04.13 新生街民安一巷2号 4.0 4.0 1.5 新生街民安二巷28号 7.0 7.0 3.0 新生街民安一巷19号 5.0 5.0 1.5 新生街民安二巷20号 6.0 6.0 2.5 新生街98号 10.0 6.5 2.5 二轻幼儿园对面 3.0 3.0 1.5 5 1992.10.10 民主北路五交化门前 5.0 5.0 3.0 6 1993.05.10 开明市场门前 3.0 3.0 3.0 7 1994.08.27 朝阳村 5.0 4.0 1.0 8 1997.07.17 新生街民安巷28、29号 7.0 4.0 3.5 倒塌民房6间 9 1997.07.24 新生街67号门前 5.0 5.0 3.0 损坏民房1间 10 1998.08.16 朝阳村29号 5.0 4.0 2.0 损坏民房4间 11 2000.05.01 下洪村141-143号 6.0 2.0 3.0 损坏民房20间 12 2003.08.29 下洪村150号 1.3 1.0 1.9 13 2006.07.10 下洪村152号院内 0.3 0.2 出现3处塌坑, 深度不详 14 2014.03.21 柳新镇钮庄 2.0 2.0 1.5 3月21日首次塌陷, 4月上旬及6月中旬, 再次发生塌陷

表1 徐州市岩溶地面塌陷地质灾害一览表 Tab.1 Statistics of Karst collapse geological hazards in Xuzhou City

图2

Fig.2

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	图2 徐州市主要岩溶地面塌陷点分布Fig.2 Distribution of main Karst collapse points in Xuzhou City

2.2.2.2 采空地面塌陷

徐州市有130余年的采煤历史, 多年开采造成采煤沉陷区广泛分布, 涉及贾汪区、铜山区、泉山区、鼓楼区、沛县和丰县(图1), 总面积282.26 km²左右。目前, 徐州市煤矿采空地面塌陷地质灾害隐患点有50余处。

徐州市地下开采铁矿矿山位于铜山区利国镇和沛县栖山镇、张寨镇, 多年地下开采引发了数次地面塌陷地质灾害, 对原始地形地貌造成了一定的改造与破坏。

徐州市石膏矿采空地面塌陷主要分布于邳州市北部。截至2018年底, 邳州北部石膏矿区内共发生21处采空地面塌陷, 基本特征见表2。按塌陷形成机理及形态特征, 可将其分为面状地面变形、波状地面塌陷和点状地面塌陷3类。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 邳北石膏矿区采空地面塌陷基本情况一览表 Tab.2 Ground collapse of gobs in plaster mining areas in northern Pizhou 编号 名称 基本特征 TX1 平台矿主井塌陷 塌陷区呈盆地状, 地面波状起伏较大, 低洼处有5个积水区, 总面积约300亩, 水位年变幅约1 m TX2 运女河东岸塌陷 近圆形, 直径15 m, 面积160 m2, 地裂缝不明显 TX3 希州矿青平二号副井地面塌陷 近圆形, 直径34 m, 面积572 m2, 地裂缝不明显 TX4 希州矿副井地面塌陷 近圆形, 直径68 m, 面积2 842 m2, 周边见地裂缝 TX5 希州石膏矿塌陷 近圆形, 直径约39 m, 深约5 m, 面积1 108 m2, 未见地裂缝, 有积水 TX6 富达矿一号副井地面塌陷 近圆形, 直径10 m, 面积80 m2, 周边见地裂缝 TX7 富达矿一号副井地面塌陷 椭圆形, 塌陷坑长轴约186 m, 短轴约160 m, 面积22 116 m2, 推测坑底深度约10 m, 水深大于8 m, 周边无地裂缝 TX8 富达矿一号副井地面塌陷 近圆形, 直径52 m, 面积1 656 m2, 周边见地裂缝 TX9 富达一号主井地面塌陷 近圆形, 直径33 m, 面积676 m2, 周边见地裂缝 TX10 富达矿一号主井塌陷 近圆形, 直径约8 m, 深2 m, 面积50 m2, 未见地裂缝, 未有积水 TX11 富达一号主井地面塌陷 近圆形, 直径30 m, 面积563 m2, 周边见地裂缝 TX12 富达矿三号井地面塌陷 近圆形, 直径37 m, 面积1 088 m2, 周边无地裂缝 TX13 淮海矿风井地面塌陷 近圆形, 直径14 m, 面积134 m2, 周边见地裂缝 近圆形, 直径9 m, 面积58 m2, 地裂缝不明显 TX14 云坛矿主井地面塌陷 近圆形, 直径17 m, 面积223 m2, 周边见地裂缝 TX15 云坛矿主井地面塌陷 近圆形, 直径32 m, 面积561 m2, 周边见地裂缝 TX16 希州石膏矿2#副井东南塌陷 长轴近东西走向, 长约15 m, 短轴长约12 m, 地面下约6 m有积水, 推测塌陷坑深8~10 m, 坑壁近直立, 地表无伴生地裂缝 TX17 希州石膏矿主井北塌陷 塌陷盆地东西向长轴约150 m, 短轴约120 m, 面积约15 300 m2, 最大深度6 m左右, 局部积水, 塌陷盆地四周地面出现多条环状裂缝, 裂缝宽度约0.5~20 cm, 塌陷盆地内多为农田 TX18 云海矿和原石羊矿交界部塌陷 塌陷坑长5~6 m, 宽2~3 m, 深0.4~0.5 m, 塌落物成分为土石混合体, 潮湿但无水渗出 TX19 石膏公司1号副井塌陷 塌陷坑平面形态近圆形, 直径约0.5 m, 深度1 m, 内部直径约3 m, 斜距1.5 m, 坡度45° , 呈倒锥型, 无积水 TX20 石膏公司1号主井、4号副井交界部塌陷 塌陷点呈近圆形, 直径0.75 m, 深部呈“ 八” 字形, 下口直径1.2 m, 深0.8 m左右, 坑内无水 TX21 富达矿一号主井井口东南约110 m塌陷 塌陷坑近圆形, 深8~10 m, 直径约45 m, 内有积水, 水深2~3 m; 坑壁断面呈台阶状, 共由3组环状裂隙分割为3个台阶, 地裂缝深0.7~1.1 m, 上口宽0.2~0.5 m, 台阶宽1~2 m, 高0.7~1.2 m

表2 邳北石膏矿区采空地面塌陷基本情况一览表 Tab.2 Ground collapse of gobs in plaster mining areas in northern Pizhou

2.2.3 地面沉降

地面沉降主要发生在丰、沛、睢城区及周边地下水强烈开采区, 形成睢宁城区、沛县城区— 大屯及丰县城区3大沉降漏斗。其中, 丰、沛地区地面沉降发生时间较早, 1988年已形成与开采区一致的沉降漏斗, 最大累计沉降量达329 mm, 至2006年, 最大累计沉降量达821 mm, 平均沉降速率为27 mm/a, 根据地面沉降监测资料及地下水降落漏斗分布范围, 推测目前该区累计沉降量> 200 mm的区域面积达200 km², 累计沉降量> 100 mm的区域面积达600 km^2[13](图3)。睢宁城区地面沉降主要发生于城区西北部菁华学校一带及城区东部红旗桥— 高作水厂一带, 2009— 2013年最大累计沉降量分别约为290 mm和250 mm^[8](图4)。

图3

Fig.3

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	图3 1988— 2018年丰、沛地区地面沉降等值线图Fig.3 Isogram of ground subsidence in Feng-Pei area from 1988 to 2018

图4

Fig.4

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	图4 2009年— 2013年睢宁城区地面沉降等值线图Fig.4 Isogram of ground subsidence in Suining urban area from 2009 to 2013

2.3.1 崩塌

自2005年以来, 徐州市共治理了57个废弃露采矿山, 消除了多处崩塌地质灾害隐患。目前徐州市已完成全市范围露采矿山地质环境调查和崩塌地质灾害隐患点排查工作, 后期将按规划开展崩塌地质灾害治理工作。崩塌地质灾害将逐步减少, 危害性也将进一步减小。

2.3.2 地面塌陷

(1)岩溶地面塌陷。目前, 岩溶区工程建设皆针对岩溶发育特征采取了相应的防治措施, 从源头上防止了岩溶地面塌陷的发生。此外, 徐州市已限采地下水, 并充分开发利用骆马湖、南四湖等地表水源, 对岩溶水位的稳定起到一定的促进作用, 可进一步降低岩溶地面塌陷发生的风险。

(2)采空地面塌陷。目前, 城市规划区煤矿已闭坑多年, 区内既有采空区已达到基本稳定或稳定, 后期地表变形进入残余变形期, 发生地面塌陷地质灾害的可能性较小。但丰、沛地区煤矿企业大部分还处于生产状态, 区内存在大量新生采空区, 部分尚未发生地面塌陷的采空区地面变形会随着时间的推移而不断增加, 极有可能发生地面塌陷。

目前, 铜山区利国镇和沛县栖山镇、张寨镇地下开采铁矿矿山主要采用充填式开采, 对地表及其建筑物造成的影响较小, 因此, 铁矿区地面塌陷主要由前期开采所引起。根据矿层开采特征和围岩结构特征, 结合已发生的地面塌陷的特点, 预计区内发生地面塌陷的可能性较小, 主要形式为小型突发地表塌陷坑。

邳北石膏矿区现在处于停采状态, 若未来进行规范开采, 其开采深厚比将大于80, 对地表及其建筑物造成的影响较小。由此说来, 邳北石膏矿区地面塌陷主要由前期不规范开采所引起。目前, 地面塌陷地质灾害仍时有发生, 既有巷道顶、底板及矿柱将长期遭受水浸侵蚀, 并不断剥落、片帮、塌落, 最终失去强度, 形成地面塌陷坑及地面裂缝, 甚至还将引发大面积的地面塌陷。

2.3.3 地面沉降

与苏锡常及沿海等地面沉降严重区相比, 丰、沛、睢地区地面沉降发生时间较晚, 严重程度也较低, 但近年来发展较快。不过, 随着对丰、沛、睢地区地下水开采的控制, 地面沉降趋势将有所减缓。

目前, 针对崩塌地质灾害的防治措施主要是开展露采矿山地质环境调查和崩塌地质灾害隐患点的排查工作, 并在此基础上, 对存在崩塌地质灾害隐患的宕口进行工程治理, 消除地质灾害隐患。此外, 还要加强地质灾害防治管理与宣传工作, 提高公众的减灾、防灾意识, 减少人员、财产损失。

3.2.1 岩溶地面塌陷

目前, 针对岩溶地面塌陷的防治措施主要有以下几个方面: 一是进行岩溶塌陷易发区划分, 在岩溶塌陷易发区内开展大比例尺专项地质勘查工作, 在岩溶塌陷发育地段开展岩溶塌陷监测并建立岩溶塌陷地质灾害信息管理系统及相应的数据库; 二是在工程建设前对场地进行岩溶塌陷地质灾害危险性评估及岩溶专项勘察工作, 针对场地岩溶发育特征, 采取注浆或其他地基基础与结构工程措施。

3.2.2 采空地面塌陷

目前, 针对采空地面塌陷的防治措施主要有以下几个方面: 一是加强采空地面塌陷区工程勘察和建设用地适宜性评价工作, 分区评价采空地面塌陷易发性和危险性, 针对采空区特征采取注浆或其他地基基础与结构工程措施, 从源头上预防并减少灾害; 二是加强管理, 规范铁矿、石膏矿的开采, 可采取充填式开采方法, 保证地表变形量在可控、无害范围内。

目前, 针对地面沉降的防治措施主要有以下几个方面: 一是充分利用现有的地表水厂, 开发新的地表水源地, 加强地下水开采管理, 实行地下水限采或禁采, 减少对地下水的长期开采, 把地下水开采量控制在合理范围内; 二是建立地下水监测系统与地面沉降监测网络体系, 及时掌握地下水、地面沉降动态情况, 适时调整地下水开采计划, 实现对地下水资源的动态管理。