岩溶塌陷的条件和影响因素分析

岩溶塌陷的条件和影响因素分析

摘要：本文章概述了的岩溶塌陷三大形成条件：一定发育程度的岩溶、上覆盖层、岩溶地下水系统以及活动的内外因素分析；浅述了岩溶塌陷中常见的土洞的形成的地下水动力条件之定量化研究，阐述了广东省的岩溶塌陷现状，针对塌陷的形成条件和塌陷现象,归纳了有针对性的防治措施。 关键词：岩溶塌陷；形成条件；土洞；防治

1 引言

岩溶，也称喀斯特，它是由于地表水或地下水对可溶性岩石溶蚀的结果而产生的一系列地质现象。如溶沟溶槽、溶洞、暗河等。土洞则是由于地表水和地下水对土层的溶蚀和冲刷而产生空洞，空洞的扩展，导致地表陷落的地质现象。 岩溶塌陷指的是在岩溶地区，由于下部洞穴扩大面导致顶板岩体塌陷，或上覆土层中的土洞顶板因自然或人为因素失去平衡产生下沉或塌陷的通称。也即指基岩洞穴顶板的坍塌和土洞顶板的塌落。岩溶塌陷的产生，使岩溶区的工程设施，如工业与民用建筑、交通干线，矿山及水利水电设施等遭到破坏，还造成岩溶区严重的水土流失并恶化环境。

广东省近年来与岩溶塌陷有关的地质灾害有明显回升的势头，据不完全统计，自2000年至2004年上半年，全省约有11处发生不同程度的岩溶地面沉降或塌陷灾害。仅广州市04年上半年来就有3处碳酸盐岩溶引起的地面沉降或塌陷，分别为

（1）广州从化良口镇石岭大理石矿2003年12月27日晚由于坑道排水造成附近村庄地裂、墙裂；

（2）广州花都区花山镇东湖村裕丰庄东北侧2004年3月24日下午出现直径约6m、深约3m的塌坑；

（3） G107国道广州—清远路段2004年5月21日下午在修补路面时出现直径约5m、深约4m溶坑。 2 岩溶塌陷的形成条件

岩溶塌陷的形成，通常必须具备三个条件：

下部有岩溶地层，有溶蚀空间（溶洞或土洞），为地下水和塌陷物质提供存储场所或通道；上部有一定厚度盖层，盖层可以是基岩，也可以是松散土层；其三是产生岩溶塌陷的主导因素：致塌作用力。 2.1 岩溶塌陷的空间条件

广东岩溶地区岩溶洞隙在以往漫长的地质时期中早已形成，主要分布于构造断裂带、褶皱轴部、相对易溶的地层岩性地段，或者与非可溶岩接触地带，且多形成谷地、洼地、岩溶平原等负地形，如广州地区的广花平原等。

根据广东主要岩溶矿区统计，溶洞主要分布于地表以下150m范围内（图1）。由于广东属沿海省份，且雨量充沛（大部分地区年降雨量>1600mm），浅部岩溶洞隙由于地下水活动频繁、交替强烈，一般连通性较好，地下往往形成错综复杂的洞隙网络系统，岩溶以地下厅堂、溶洞、管道、溶蚀裂隙为主，并且通过各种途径与向上开口的溶洞裂隙连通。这些向上开口的溶洞裂隙，是接受塌陷物质的门户和窗口，是塌陷产生的重要因素。

广东碳酸盐岩地区岩溶洞隙的这些特征，不单为塌陷物质提供必要的储集空间和运移场所，还控制着岩溶塌陷的分布和规模，岩溶发育程度强烈的，塌陷产生的数量多且强度大。并因岩溶发育的不均一性，使塌陷具有带状、零星状、面状分布的特点。

2.2 岩溶塌陷的物质条件

岩溶地面塌陷是盖层土体在各种致塌因素作用下所产生的塌落现象，盖层的性质根据其胶结程度分为岩石和土石两类。岩石指各种坚硬岩石，裂隙发育，具破碎性；土石主要为松散土石，是主要的塌陷盖层。从致塌条件分析，随土的颗粒变粗，其抗塌性能变差，随含砂量的增加，其抗塌性降低，均匀结构的黏土具有最好的抗塌性。岩土体的厚度因受岩溶地下水动力作用的大小、可溶岩接受溶蚀的时间长短、区域构造升降运动的缓急等因素控制，随地区的不同其差异较大。一般来说，塌陷大多分布于上覆盖层较薄部位，盖层越厚越不易产生塌陷。

2.3 岩溶塌陷的水动力条件

有了基岩的洞化及较薄的盖层，并不一定就会形成塌陷，还要有岩溶系统渗流场中地下水动力条件的改变，这是产生岩溶塌陷的主导因素。地下水动力条件的改变，从某种程度上来讲就是使塌陷产生的作用力，即致塌力。这种力主要来自地下水位改变及水流产生的水、气作用力及岩土体的自重。由于水动力条件决定的岩溶洞穴扩展速率和上部岩土体物质转移的速率不同，岩溶塌陷有二种形式：一种是岩溶洞穴发展到一定规模时在重力作用下产生自然冒落，形成岩溶塌陷。岩溶洞穴容纳了塌陷体。另一种是岩溶上部岩土体中薄弱部位在垂直入渗水动力和分界面水平运动水动力综合作用下形成土洞，当土洞发展到一定规模时，自然冒落形成岩溶塌陷，容纳塌陷体的是土洞而不是岩溶洞穴，总之，地下水动力条件的改变是塌陷形成的主要原因；而可溶岩浅部岩溶发育强烈，溶洞发育，第四系土层较薄，结构较疏松，地势较低洼，则是塌陷发生必须具备的条件。只有上述条件同时具备，岩溶塌陷才有可能产生。

广东省每年降雨量的80%集中在雨季（4~9月），雨季常有暴雨天气，如广州地区历史上日最大降雨量达284.9mm（1955年6月6日），最大降雨量达82.4mm/h（1994年4月16日）；最长连续降雨天数33天，总降雨量884.0mm（1975年4月28日~5月20日），占全年降雨量的42.1%。充沛且集中的降雨使地下水位升降和补、径、排活动非常活跃，不单因土层含水量的增减改变着土体的容重和状态，还因渗透水流产生的渗透压力引起激烈的潜蚀作用，使土粒或土体迁移。地下水位的升降还可使位于地下水位以下土体所受浮托力产生变化，使封闭较好的岩溶空腔中的气体出现向上的冲压或负压腔，产生冲爆或吸蚀，引起岩土体的破坏。地下水本身具有的侵蚀、搬运能力，可使溶洞中的充填物部分被迁移，使充填的溶洞重新开启。 3 土洞形成机理

土洞顶板的塌落是岩溶塌陷的一种常见形式，而土洞的形成也需具备以上说的三个条件，也即要有开口面向覆盖层的溶洞、溶隙或断裂裂隙，也就是要有能容纳被水流带下的上覆岩土的场所空间；要有一定厚度的覆盖岩土层；要有地下水的活动。其中地下水的活动是土洞形成和产生地面塌陷的最活跃因素。

大量的实例证明，在人为的塌陷中，抽水引起的岩溶塌陷占大多数。土洞的形成和扩展是产生覆盖型岩溶地面塌陷的前提。土洞形成以后，在地下水流的作用下会向上扩展，扩展至一定程度后，在一定条件下（如停止抽水）可形成土拱，土洞的发展就处于暂时平衡状态。当继续抽水至改变土拱的平衡状态时，土洞又继续向上扩展。在松散的砂砾石层中，当过量过快抽取地下水时，往往不形成土拱，土洞快速向上发展直至产生地面塌陷。这就是为什么有的地点在抽水后几分钟至几小时就产生塌陷的原因。 3.1 地下水的动态变化对土洞形成的影响

地下水的动态变化指的是水位的波动，分为水位变化和流速变化，不包含化学成分的变化。地下水位的变化可产生两种作用：一是动水压力引起的剪切，二是超静孔隙水压力引起的推拉。地下水位的变化有自然的，也有人为的。尤其是人为的抽水使地下水位大幅度、快速地升降，会加快土层的崩解剥落。

土洞形成的力学机制有两种：一种是剪切，另一种是推拉。这两种作用都是由地下水的流动引起的。地下水流对土颗粒的作用力相应地也有两种：一种是作用于土颗粒的正应力，是由超静孔隙水压力引起的；另一种是作用于土颗粒侧面的剪应力或称拖曳力，与水流方向平行，是由动水压力引起的。超静孔隙水压力或真空吸力使土的结构体产生剥落，而动水压力则使土的细颗粒产生迁移，两者共同作用，使土洞不断扩大。

超静孔隙水压力使土结构体产生变形破坏，即产生大块的剥离（落）。当超静孔隙水压

力或真空吸力作用于土体的拉应力超过土的抗拉强度σt 时，土体就开始产生张裂缝并剥落，剥落的土体又被水流带走。动水压力（水流拖曳力）则使土颗粒产生剪切。土颗粒之间因各种联结力（范德华力、静电引力、摩擦力等）的作用而结合在一起，土颗粒要从母体分离，需要克服一定的剪应力，也即土颗粒之间存在一个临界剪应力值τcr。当作用于土颗粒上的剪应力超过临界剪应力时，土颗粒就开始崩解（分散）。崩解的细颗粒在地下水流的作用下发生迁移，当满足一定条件时形成管涌。

综上所述，超静孔隙水压力或真空吸力使土的结构体（土块体）产生剥落，而动水压力则使土的细颗粒产生迁移，两者共同作用，使土洞不断扩大。

显然，超静孔隙水压力与地下水的波动有关，波动幅度越大，作用于土体的拉应力也越大；而动水压力则与地下水的流速有关，流速越大，动水压力也越大，作用于土颗粒上的剪应力就越大。也即必然存在一个临界水位波幅ΔHcr ，当抽水使地下水位波动幅度超过临界水位波幅时，土体开始剥落；也必然存在一个地下水的临界流速vcr，当地下水的实际流速超过临界流速时，作用于土颗粒上的剪应力超过了其临界剪应力，细颗粒将发生崩解并迁移。 3.2土洞形成的地下水动力条件之定量化研究 3.2.1 临界地下水位降幅

试验证明，当地下水位突然下降时，由于向上的水压力突然减少，当土中某点的张应力超过其抗拉强度时，将会在开口向上的溶洞顶板以上的土层中形成水力裂隙，土结构块体在地下水流及自重力的作用下，与母体分离并进入溶洞中，于是形成了土洞的雏形。初始结构体的剥落将暴露一层新的具有更大张应力的土表面，也将被剥落，一旦破坏开始，裂隙面便迅速向上扩展，直到水压力引起的张应力小于土的抗拉强度，土洞便停止发展，处于暂时稳定状态，如图2 所示。

对于砂类土，由于临界水位降幅为0，ΔH按实际降深计算。在实际抽水过程中，用上式控制好最大流量和降深的关系，实际上也就控制了最大流速。 4 岩溶塌陷活动因素分析 4.1 内在因素

土石界的岩溶裂隙通道是岩溶塌陷的内在因素。岩溶裂隙和非可溶裂隙在贯通性上是差异悬殊的两个概念，非可溶岩裂隙一般只能过水，但岩溶裂隙不管是管道型还是裂隙型，土颗粒在水的带动下都可以自由通过，这是岩溶地区产生地表塌陷的内在原因。 4.2 外在条件

人类生产活动是地表塌陷最活跃的外在条件，是与塌陷同步产生的控制因素。最常见的是修建地下工程、矿井排水及深层超量开采地下水等（可简称人为因素）。没有水的活动，即使岩溶极发育，土石界面岩溶通道很多，也难以产生土颗粒位移，岩溶塌陷也没有产生的条件。

仅靠天然状态下大气降水形成地下水动态变化，地下水下降的侵蚀作用对地表塌陷是长期的、缓慢的，自然界存在是有限的。其原因是自然状态下地下水水力坡度和季节水头差所形成的水平侵蚀和垂直侵蚀不能构成大量土颗粒位移，即土颗粒产生位移也只是少量的、缓慢的，形成隐伏土洞并逐渐扩大，直至地表塌陷时往往是长期的，甚至是一个较长的历史时期。覆盖土层地质年代越老，固结程度越高，土层越厚，岩溶塌陷形成越不容易，延续时间越长。

人为因素对地下水的影响具体表现为：

（1）改变地下水天然流场，形成水位下降漏斗及强径流-排泄带。抽取地下水严重的地区将引起等水位线走向、径流方向改变、水位脊槽、水力坡度急变等特征，在地下水开采井（点）集中、开采量较大地段，地下水产生汇流，交替循环强烈，形成强径流-排泄带，在这些地段最容易产生塌陷。

（2）引起水动力条件突变，诱发塌陷。抽水区内地下浅部岩溶裂隙、管道发育，这些裂隙溶洞大多数被粘土等充填或半充填，而区内多数井点出水段也主要在此岩溶较发育的范围内，当进行大流量、大降深抽水时，常因水位下降，地下水流速突然增大，水动能增加，加速地下水对泥砂的搬运动力，使原来充填或半充填于岩溶裂隙管道中的粘土随水被带走，岩溶通道得到疏通使与岩溶管道连通的土洞（覆盖层）稳定性受到破坏，产生塌陷。

（3）地下水开采强度直接影响着岩溶塌陷强度及塌陷范围。地下水开采量愈大，塌陷数量愈多。

过渡抽、排岩溶区地下水可能是导致塌陷的根本因素。如广州市广花盆地江村水源地，由于过渡开采地下水，引起地下水位下降，1966~1969年出现16处塌陷，1970年出现10处，1970~1979年出现2处。 5 结论与建议

广东所处的地理位置及气候特点，决定了广东碳酸盐岩地区具备了岩溶地面塌陷形成的基本条件，即岩溶洞隙的存在、一定厚度的盖层和地下水活动。这个应该引起我们的高度重视，有效减轻岩溶塌陷危害已成为一个亟待解决的重要问题。通过分析岩溶塌陷的形成条件，我们可以作出针对性的防治。

（1）根据塌陷形成的基础条件（溶洞、土洞和较薄盖层）可相应地采取两种措施；加固盖层，避免雨洪对松散土层的浸泡；充填溶洞，如采用注浆等手段，或对已出现的塌洞用混凝土封盖；

（2）根据塌陷触发条件（地下水动力条件改变），可采取以下措施；注浆封闭井下大的出水点，缩小排水量；对地表水进行铺底，对洪水采取拦洪泄洪，对低洼地区排除积水；建立截流帷幕，切断外围补给水源，缩小地下水降落漏斗，限制塌陷范围发展； （3）根据塌陷的成因，治理的依据就是减弱塌陷力，增加抗塌力。

（4）根据水资源条件，规划地下水开采层位、开采强度、开采时间、合理开采地下水，必要时进行人工回灌，控制地下水动态，限制地下水位的频繁升降，保持岩溶水承压状态。在地下水主要径流带修建堵水帷幕，减少区域地下水的补给，促使外围地下水位升高，防止塌陷向外围扩展。

（5）做好地下水的勘查工作，查明岩溶分布情况和塌陷活动的规律，结合浅层雷达探测和地下水动态的监测、水文动态的监测等进行预测。

（6）地下水开采与利用应严格按照允许开采量进行开采，抽排地下水时，要作好防范工作。

总之，岩溶塌陷的治理应采取防、治结合。如做好地面水系的疏排、调整抽排水方案、建立塌陷前兆监测网、工程选址时避开塌陷发育且尚有活动迹象的地段等。治理主要是针对塌陷发育的三要素进行堵截水流、强化土层和洞穴充填物、填堵岩溶通道等。 参考文献

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