覆盖型碳酸盐岩地区岩溶地面塌陷机理分析——以佳城村岩溶地面塌陷为例

时间：2024-08-31

高丽娟

（湖南省水文地质环境地质调查监测所湖南长沙 410000）

从20世纪50年代至今，佳城村周边陆续发现塌陷十多处，且塌陷发生数量呈增加趋势。因区内建筑物密集，人口密度大，塌陷的发生往往造成较大的财产损失，甚至人员伤亡，由此将严重威胁村民的生产生活，并造成社会恐慌。岩溶地面塌陷发生应具备3 个要素，即岩溶发育且有开口型溶洞、溶洞上覆盖有一定厚度覆盖层和地下水动力条件的变化［1-3］。本文通过对佳城村岩溶地面塌陷成因的分析研究，为岩溶地面塌陷危险性分区的划分奠定基础，为地面塌陷的预测、预警和预防提供依据。

1 地质环境背景

1.1 地形地貌

该区地处湘东丘陵山区地带，以丘陵谷地地貌为主，总体呈南高北低，东高西低之势。按地貌成因，可划分为剥蚀侵蚀丘陵地貌及溶蚀侵蚀河谷地貌两种类型。

1.1.1 构造剥蚀丘陵地貌

主要分布于研究区南东部松山岗一带，由板溪群和震旦系下统板岩、二叠系上统龙潭组砂页岩组成。地面高程一般在100～170m 之间，相对高差一般小于20m，丘顶多呈椭圆形，山坡平缓，地形坡度一般10°～20°，局部达25°，沟谷宽缓。

1.1.2 溶蚀侵蚀河谷地貌

分布于研究区内北西侧的宝山河两侧。上部为第四系全新统冲洪积物的粉质黏土、含砾粉质黏土，下覆基岩为石炭系中上统壶天群的灰岩、白云质灰岩、白云岩和二叠系下统栖霞与茅口组的灰岩、泥灰岩夹页岩、白云岩。地面高程98～106m，沟谷宽缓，平坦开阔，地形坡度一般小于5°。

1.2 气象水文

1.2.1 气象

研究区属亚热带季风湿润气候，四季分明，春夏潮湿多雨，秋冬寒冷干爽。据气象观测资料（1990—2012年），研究区年均降雨量1574.7mm，年最大降雨量为2096.1mm（1998年），年最小降雨量1079.1mm（2007年），历年月最大降水量为736.5mm（1998年6月），历年日最大降水量为287.2mm（1997年6月7日）。降雨多集中在6月，占全年总降水量的16%以上［4］。2012年本区各月降水量见表1。

表1 2012年各月降水量统计表

1.2.2 水文

研究区内常年性河流为大溪河的支流宝山河，该河自东向西径流，在永和镇菜花洲注入大溪河。在区内上下游水位标高分别为102m和98m，水位坡降约为2‰，河面宽14～50m。

1.3 地层岩性

根据钻探揭露地层岩性有第四系全新统人工填土、耕植土，第四系冲洪积含砾粉质黏土，第四系残坡积粉质黏土，石炭系中上统壶天群（C2+3）灰岩、白云质灰岩、白云岩。各岩土层的岩性特征及分布情况自上而下依次概述如下。

1.3.1 第四系全新统（Qh）

（1）人工填土（Qhml）：褐色，杂色，松散至稍密状，主要由黏性土和矿渣等组成。局部分布。

（2）耕植土（Qhpd）：褐黑色，褐黄色，松散至稍密状，见植物根系。厚度为0.80～1.40m，平均厚度1.10m。

（3）冲洪积层（Qhapl）：岩性主要为含砾粉质黏土或砾质粉质黏土，含砾石10%～20%，局部为砾砂，砾径1～5cm不等。按工程特性，可划分为软塑—可塑状和硬塑状两个亚层。

1.3.2 第四系更新统（Qp）残坡积层

岩性为黄色褐黄色粉质黏土，偶见少量碎石，碎石成分主要为灰岩、白云岩及硅质岩等。干强度中等，韧性中等，无摇振反应，稍有光泽。按工程特性，又可划分软塑—可塑状和硬塑状两个亚层。

1.3.3 石炭系中上统壶天群（C2+3）

岩性为灰色、青灰色、灰白色灰岩、白云质灰岩。隐晶质结构，中厚层状构造，裂隙不甚发育，多呈闭合状，方解石充填。

1.4 地质构造

区内主要发育有横（山）古（港）逆断层，该断层位于研究区南侧。断层产状为N∠30°～50°，倾角向下渐变为60°～70°。破碎带宽一般为10～35m，最宽达61m，浅宽深窄；角砾成分有板岩、白云岩、灰岩、磷块岩及脉石英等，角砾呈棱角至次棱角状，大者可达数十厘米。胶结物为泥质、硅质、磷质及铁质等。横古逆断层南盘整体呈单斜构造，地层产状为N∠20°～88°，以急倾斜为主。

1.5 水文地质条件

1.5.1 地下水类型

区内地下水主要有松散岩类孔隙水和碳酸盐岩溶洞水两大类。前者分布在宝山河两岸，岩性为含砾粉质黏土和砾质粉质黏土，厚度一般为8～12m，具冲洪积特征，含水贫乏，水化学类型为HCO3-Ca型；后者含水层为石炭系中上统壶天群，岩性为白云质灰岩、白云岩，含水丰富。

1.5.2 地下水水位埋深及动态特征

根据20眼水（民）井的测量，区内的地下水水位埋深为0.34～3.45m，距宝山河的直线距离为80～534m。区内地下水水位等值线见图1。

图1 研究区地下水水位等值线图

区内残坡积层中的民井水位埋深较大，为0.67～3.45m，平均水位埋深2.06m；冲洪积层中的民井水位埋深较浅，为0.34～2.13m，平均水位埋深1.30m。由地下水水位埋深等值线图可以看出：区内的地下水仍处于天然状态下，未受到人为因素的干扰，地下水水位未出现异常。

1.6 岩溶的发育特征及形态特征

1.6.1 岩溶的发育特征

区内可溶岩中浅表型溶洞发育，据统计：钻孔见岩溶率50%。溶洞高0.50～19.51m，溶洞率0%～21.97%；浅部溶洞多泥砂质充填或半充填，0m 标高以下充填物少。按溶洞个数统计，标高在50m 以上的占64.2%～71.0%，标高在50～0m 的占31.7%～24.2%，即向深部岩溶发育呈变弱趋势（见图2）。

图2 岩溶垂向变化图

物探推断的溶洞8处，溶槽24处，其埋藏深度多介于10～40m之间，溶槽发育深度一般不超过30m。

综上所述，区内的岩溶主要发育在前部。

1.6.2 岩溶的形态特征

（1）溶洞。区内地下溶洞较发育，钻孔见溶洞率50%；溶洞规模较大，溶高0.50～4.3m，溶洞多被黏土及黏土夹碎块石充填，充填率为80%。

（2）溶蚀裂隙及溶孔。勘查表明：区内溶隙发育普遍，只是单个形态规模较小。溶孔常呈蜂窝状、星点状，一般连通性较好，直径一般0.2～1.0cm，以钙、泥质半充填—无充填为主。

（3）地下开口溶洞及溶槽。其是区内的主要岩溶形态。溶沟、溶槽往往与浅层发育的开口型溶洞相连，这为岩溶地面塌陷的形成奠定了基础。

2 岩溶地面塌陷的基本情况

区内发生的岩溶塌陷共有10 余处。各岩溶地面塌陷的基本情况详见表2。

表2 岩溶地面塌陷基本情况一览表

3 岩溶地面塌陷形成机理分析

3.1 岩溶地面塌陷形成的充分必要条件

岩溶塌陷是多种因素影响和作用的结果，一般认为，岩溶塌陷的发生要具备3 个条件，一是岩溶发育，且存在开口型溶洞或土洞，这是岩溶发生的基本条件；二是可溶岩上覆存在土体盖层，这是岩溶发生的必要条件；三是溶洞中存在流动的地下水，且水位上下波动，这是岩溶发生的引发条件［5-6］（见图3）。3 个因素的作用机理叙述如下。

图3 岩溶塌陷形成条件分析图

3.1.1 水动力条件变化

覆盖型岩溶区上覆土体的下部多处在地下水位线以下，如本区的地下水位埋深仅0.34～3.45m，上覆土体及荷载受到地下水的浮力作用，因此，水位变化会引起覆盖土层应力体系的变化。地下水水位上升时，一方面作用于土体的浮托力增大，另一方面使土体受浸泡而软化的厚度增加。反之，地下水水位下降时，一方面作用于覆盖层上的地下水浮托力将减少，当地下水水位下降到基岩面下时，作用于覆盖层上的浮托力将消失，另一方面土体失水使得该层土体松弛而掉落。地下水水位升降的循环往复，使得土体不断塌落变薄并进入岩溶管道系统（这个过程也叫地下水的潜蚀作用，它是开口型岩溶向土洞延伸的过程），最终导致地表塌陷形成。该区地表塌陷有多处是在旱季与雨季产生的。据访问调查，佳城村T1、T9 塌陷均是发生在强降雨过后，这很好地说明了这一点。

3.1.2 覆盖层的厚度及其物理力学性质

覆盖土层的物理力学性质及其厚度是岩溶地面塌陷发生的控制因素之一［7-8］。覆盖土层含水量增加土体的凝聚力降低，抗剪强度降低；同时，含水量增加，自重力加大，作用于土洞拱顶的垂直荷载增大；覆盖土层的物理力学性质与塌陷密切相关。本区土体均具有上硬下软的特点，这种土层结构及形状有利于岩溶地面塌陷的产生。

3.1.3 浅层岩溶发育，存在开口型溶洞

岩溶洞隙是可溶岩岩溶发育程度最直接的标志，是岩溶塌陷产生的基础。物探解译结果表明，溶槽所占比例为75%（大部分溶槽属于开口型溶洞的外延部分或与浅层岩溶系统有水力联系），地下洞隙的发育为地下水储存和活动提供了空间，向上开口的洞隙是塌陷岩土体暂时储存和物质转移的场所或通道，也是地下水动力条件形成的重要环境。勘查结果表明：区内存在较多开口型溶洞。

3.2 岩溶地面塌陷的形成机理

根据勘查结果和岩溶地面塌陷的形成条件分析，研究区的岩溶地面塌陷的成因过程大致如下。在天然水动力条件下，上下波动的地下水通过开口岩溶洞穴，对岩溶洞穴顶板位置的覆盖层土体不断产生水力作用，土体被不断冲蚀、淘空，并被水流搬运带走，在岩溶洞穴顶板与盖层土体的交接处形成初始土洞（如图4a）。随着时间的延续，在自重及外动力作用下，覆盖层土体中的土洞缓慢发展，逐渐破坏向地面扩展（如图4a），最终扩张至近地表时（如图4b），土洞顶板土体的抗滑力小于土体自重力，土体失稳而塌落而形成岩溶地面塌陷（如图4c）。

图4 岩溶塌陷成因过程示意图