岩溶地面塌陷类型及其发生、分布规律

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岩溶地面塌陷类型及其发生、分布规律近年在一些城市圈内的隐伏岩溶分布区，岩溶地面塌陷时有发生。如武汉、广州、深圳等大城市，由隐伏岩溶造成覆盖层地面塌陷曾导致居民财产严重受损，或建筑工程停顿，或堤防受损加固，其经济损失非常巨大。其中以武汉市最为突出，2000年4月近郊的烽火村出现22个塌陷坑，造成49栋农居楼房易地重建，经济损失500余万元；2008年4月汉南纱冒镇邻近长江大堤发生地面塌陷，仅加固堤防就耗资近3000万元；深圳某体育中心，施工过程中发生地面塌陷，不但使工程停顿，还增加了大量勘探工作和加固费用，总增加投资超过1000万元。由此可见岩溶地面塌陷的危害之大。岩溶地面塌陷这一不良地质现象，似乎是大家都熟知的一种地质灾害。但事实证明，许多人对它的实质含义、类型、发生及分布规律并不真正了解，甚至存在一些误区。比如一遇到地面塌陷就误认为是地下溶洞发生垮塌，这类塌陷本来是一种自然的物理地质现象，人为活动在多数情况下是诱发因素，只是在特殊情况下成为主导因素。但在塌陷发生后，往往是不分青红皂白地追究人为责任，而不去深入探讨自然规律。有鉴于此，特作如下阐述。一、定义所谓“岩溶地面塌陷”，是指隐伏在第四纪覆盖层下的可溶岩中存在岩溶空洞，且存在与覆盖层相连的通道。在某些自然因素或人为因素作用下，覆盖层物质沿着岩溶通道漏失到岩溶空洞中，引起覆盖土体发生塌陷，导致地面出现塌陷的自然现象。这里要强调两层含义，一是“地面塌陷”，二是“覆盖层土体”塌陷，而非可溶岩溶洞塌陷。二、机理不同地质条件具有不同的塌陷机理。最早流行的是“潜蚀”机理。上世纪80年代出现了“真空吸蚀”机理。本文提出“潜蚀——液化——漏失”机理。实际情况是三种机理并存，不同地质条件下的塌陷符合不同机理。1、潜蚀机理所谓“潜蚀”6 是泛指地下水在运动过程中不断带走土中物质的机械作用过程。岩溶地面塌陷过程中的“潜蚀”一般是发生在土岩接合面附近的土中。最有利于发生潜蚀的条件是覆盖层为粘性土，且岩溶地下水位已脱离基岩顶面降至岩体中而在地下水位以上存在饱气带，亦即岩面上下地下水的垂直循环带。由于基岩面的高低变化，特别是在溶沟、溶槽中易形成土层底部的小径流，在漫长的潜蚀过程中将土中物质带入溶洞中，在上覆粘性土层中形成“土洞”。当土洞顶板土层超越自撑能力时，发生地面塌陷。土洞形成要两个重要条件，一是岩溶地下水位低于土岩界面，二是土岩界面高差较大。因此，土洞多数分布在山前或山间谷地。2、潜蚀——渗流液化——漏失机理这是一种混合类型。当覆盖层为二元结构冲积层且冲积层下部饱和粉土、砂、砾石层直接盖在岩面之上时，在粉土、砂、砾石层中的孔隙水与可溶岩中的岩溶裂隙、管道水发生直接联系，形成统一运动情况下，由于水位不断升降变化，尤其是岩溶地下水位或承压水头低于孔隙水位时，发生垂直渗流。先是在粉土、砂、砾石层中发生潜蚀作用，形成“漏斗状疏松体”，进而因垂直渗流加剧，局部水力坡度加大，砂、砾石土呈液化状态流入岩溶空洞，地面出现塌陷坑。3、真空吸蚀机理所谓“真空吸蚀”是指岩溶地下水在大量抽取或因矿井大量排水后水位在短时间内急剧下降过程中的“活塞”作用下形成负压至真空状态。在这种负压或真空作用下，覆盖土层对应岩溶地下通道的薄弱位置在瞬间产生陷坑或陷洞。这种由负压或真空对覆盖层的抽吸作用称为“真空吸蚀”。这种作用所产生的塌陷确实存在，但主要发生在矿山地区和集中抽取岩溶地下水的群井水源地，有时也发生在公路、铁路隧道施工的突水地段。这种因“真空吸蚀”产生的塌陷坑往往成群出现，在短时间内可产生几十甚至上百个陷坑或陷洞，其危害相当严重。是否会发生真空吸蚀，主要有两个特殊条件：其一是大量抽排岩溶地下水，水位在短时间内急剧下降；其二是覆盖层对地下岩溶有良好的封闭作用，能使在水位下降的过程中形成充分的负压或真空。这两个条件就决定了这类塌陷分布的特殊地域性。比如在岩溶地下水的补给区和排泄区（可溶岩出露区）和不存在水位急降条件的地区，就不易发生这类塌陷。6 上述三种机理是指三种不同地质条件下的塌陷过程特点，也就是说不同条件符合不同机理。其共同特点是，必须具备岩溶空洞及联系通道和地下水的运动，所不同的是覆盖土层与岩溶的组合性质不同和触发因素不同。前两者机理是以自然因素为基本因素，最后一种则以人为因素为主。三、类型岩溶地面塌陷基本上分为三种类型：一是饱和松散层（粉土、砂、砾石）“漏失”型，即饱和松散层在地下水位变化过程中发生潜蚀——液化，直接漏失到岩溶空洞中，造成地面塌陷。此类塌陷规模大，突发性强，危害最大。如武汉市汉南纱冒镇塌陷，最大陷坑160m×60m，最深处10m，陷入土方达15000方；烽火村塌陷22个陷坑，最大者达60m×50m，深10余米，其中三栋小楼陷入坑中（图1）。图1烽火村岩溶地面塌陷地质剖面图二是“土洞塌陷型”，即粘性土（多为Q3-Q2老粘性土）在土岩界面上长期受地下水潜蚀而形成土洞。当土洞顶板土层厚度减小到不能自撑时，受某种触发因素（强降雨、抽水或打桩、爆破振动或地震）作用产生塌陷。此种塌陷一般规模不大，地表陷坑直径为几米至十几米，数量取决于土洞数目（图2）。三是“真空吸蚀塌陷型”，无论是饱和粉土、砂、砾石覆盖层，还是粘性土覆盖层，都可能在岩溶地下水位急剧、大幅度下降过程中由于真空负压作用而发生地面塌陷。在自然条件下很少发生地下水急剧、大幅度下降过程，而多半是人为活动（抽水或矿井排水）引起的。如湖北应城的汤池温泉，在石灰岩中抽取热水时，当水位降至土岩界面以下一定深度（取水量＞1600T/d）便发生地面塌陷。6 图2湖北大冶老土桥村土洞剖面四、分布规律从上述的三种塌陷机理和相对应的三种塌陷类型可知，不同的地质条件决定了不同的塌陷类型。地质条件最突出的特点是可溶岩之上覆盖层性质——第四纪地层组合特点和地下水埋藏类型及其变动特点，这些条件则决定了塌陷分布规律。众所周知，地貌单元决定其单元内第四纪地层的时代和地层组合特征。其中，地层组合特征决定了土岩界面之上土层性质，如冲积层二元结构（上部为粘性土，下部为粉土、砂及卵砾石）就限定了塌陷类型为“潜蚀——液化”漏失型；地层时代则决定了土层固结密实程度，也就决定了它抵抗漏失的能力，如山前坡地或山间谷地粘性土则不可能因潜蚀——液化而漏失，而只能是在土岩接触面附近，因长期潜蚀而形成土洞。这两种类型实际上受地貌单元的严格控制。仅以武汉及其周边地区为例，略述塌陷分布规律。武汉地区自北向南有三条隐伏石灰岩条带呈东西向分布，横穿长江及其阶地（图3）。根据已发生的多次塌陷，概括以下四条规律：6 图3武汉市区碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组分布图1、自1931年至今，武汉市区先后发生的12次岩溶地面塌陷全部分布在长江一级阶地的二元结构冲积层中（图3），其地层组合为上部粘性土，下部粉细砂（偶见卵砾石），地层时代为Q4。地下水分三层——上层滞水、孔隙承压水和岩溶承压水。产生塌陷地段的岩溶承压水头低于冲积层孔隙承压水头数米。2、长江二、三级阶地老粘土（Q2—Q3）区，虽有石灰岩条带分布，但从未发生过塌陷，原因是无土洞分布（已经成千上万个钻孔证实）。没有土洞的原因有二：一是阶地下石灰岩面高差很小，不利于土岩面上地下水流动；二是岩溶承压水头往往高于土岩界面。3、武汉市周边的山前坡地或山间谷地老粘性土下隐伏岩溶区（乌龙泉、大冶）偶有土洞型塌陷发生。其原因是土岩界面坡度大，岩溶地下水位低于岩面，存在较大的岩溶饱气带和垂直循环带，易于形成土洞。4、大量抽排岩溶地下水地段，易发生真空吸蚀型地面塌陷。如湖北应城汤池温泉，当将岩溶水的承压水头抽至土岩面以下数米（即抽水量达1600T/d）时，地面即发生塌陷；湖北松宜煤矿区，上世纪70年代曾因井下突水、淹井，造成地面河床处发生多处陷坑，河水大量灌入地下。6 五、防治对策1、绕避、回填；2、桩基或桩基托换；3、填灌土洞（指土洞型塌陷，不需填灌溶洞）；4、岩面铺盖帷幕（指潜蚀液化型塌陷）；5、灌浆堵塞溶洞及通道（指潜蚀——液化型塌陷）；6、限量抽水和设增压排气孔（指真空吸蚀型）。六、结论要点1、岩溶地面塌陷是指覆盖层塌陷，而非可溶岩溶洞塌陷；2、存在三种塌陷机理，不同地质条件符合不同机理；3、不同地质条件、不同机理对应不同塌陷类型；4、塌陷是否会发生、会发生何种类型及其分布规律，受控于地貌单元、地层组合、地层时代及第四系孔隙水与岩溶地下水的关系特点；5、防治对策要针对塌陷机理、类型，如土洞型塌陷主要针对土洞（探测土洞位置、填灌土洞）；潜蚀——液化、漏失型塌陷主要针对岩溶空洞和通道（探测溶洞位置规模、覆盖帷幕、溶洞注浆）；真空吸蚀型塌陷主要针对岩溶地下水位变动（限制抽水、设置通气增压孔）。6