石龍片區巖溶地面塌陷成因機理與監測

申理文 李建峰 楊梨 余芳芳

摘 要：六盤水石龍地區上覆第四紀沉積土、粉土、沙土等，下覆二疊系棲霞組石灰巖及白云巖，并有強烈的地質構造作用，還伴生溶溝，石芽的存在，石龍片區存在較為嚴重的巖溶塌陷現象。通過分析該地區巖溶塌陷的原因，對巖溶發育的情況進行了勘察，對巖溶塌陷的防治具有較為積極的意義。

關鍵詞：巖溶；塌陷；監測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.067

1 巖溶塌陷的形成原因

巖溶塌陷分為溶洞塌陷和土洞塌陷兩種形式[1]。石龍片區巖溶塌陷的成因有地下水潛蝕作用、真空吸蝕作用、震動作用、建筑荷載作用。巖溶塌陷的原因主要分為自然因素和人為因素，其中主要的是人為因素為主[2]。

1.1 自然因素

六盤水石龍片區屬于亞熱帶季風濕潤氣候，年平均降雨為1200～1500mm，春夏季炎熱多雨、秋冬干旱少雨。這種氣候特征造成了石龍片區的地下水位動態變化極大。在春夏時地下水位急劇抬升，因秋冬地下水位下降而引起土體中氣體孔隙體積增大，當地下水上升時引起土體孔隙中氣體發生氣爆，造成上覆的松軟沉積物如粘土發生塌陷。另外春夏季時由于地下水得到迅速補充，溶濾作用加強，在加上石龍片區的巖性是可溶的碳酸鹽巖，并且有強烈的地質構造運動，如節理，裂隙，褶皺等的存在，使得巖溶發育更加強烈。

1.2 人為因素

六盤水石龍片區的巖溶塌陷的原因主要是采礦排水、基坑排水等人為活動，這些人類活動強烈的擾動地下水，使得地下水水位強烈降低，造成了地面塌陷。另外，還有人類的工程活動，如上覆的建筑物建在沙土層中，受到動荷載的作用，導致沙土液化并下覆石芽溶溝，導致地面塌陷；或者上覆建筑荷載過大，下覆巖層發育有溶洞，溶洞承受不了上覆荷載而塌陷。

2 巖溶塌陷形成條件

2.1 巖溶洞隙的存在

巖溶洞隙是巖溶塌陷產生的基礎。由于洞隙的存在，導致對空洞頂面的荷載的承載力降低，或者是由于力分布不均勻，導致地面產生不均勻沉降、滑移、裂隙等不良現象，最終導致塌陷。不僅如此，在地下還有各種形態的溶洞、溶隙、管道等。

受不同因素的影響，巖溶的發育有強弱之分。巖溶洞隙數量愈多，其規模也愈大，巖溶發育愈強烈，愈有利于巖溶塌陷的形成。巖溶洞隙的發育一般受巖溶地下水排濁基準面的控制，多發育于淺部，向深部逐漸減弱[3]。巖溶洞隙的開口程度是影響巖溶塌陷形成的重要因素，巖溶地下水的活動，塌陷物質的運移都是通過洞隙開口處進行的，因此，塌陷坑與開口洞隙存在著密切的垂向對應關系。實踐表明，洞隙規模愈大，塌陷也愈大；洞隙開口愈大，塌陷速度愈快。洞隙的平面展布形態對塌陷平面形態有著決定性影響，裂隙狀洞隙往往形成長條狀塌陷坑，沿地下河管道往往產生鏈狀或串珠狀分布的塌陷坑群。

2.2 一定厚度的松散蓋層

由松散破碎顆粒堆積物形成的蓋層是塌陷體的主要組成部分。地表覆蓋土層是地下洞穴形成和塌陷發生的物質基礎。目前數據顯示，土層塌陷占總塌陷現象的97%左右，表明土層塌陷是極為常見的塌陷類型。地表覆蓋土層的形成原因、礦物及顆粒成分、厚度等，影響著地下土洞的形成和發展快慢。地表覆蓋土層的厚度不僅決定著塌陷的形成，還與塌陷體的規模大小有密切的關系。另外，除了土層塌陷類型還有基巖塌陷類型，即覆蓋層由物理風化形成的破碎基巖堆積物組成，在重力、大氣壓力差及各種應力作用下洞穴頂板崩塌沉降而形成的塌陷叫做基巖塌陷。

2.3 地下水運動

塌陷形成的主要動力條件是地下水的運動。不管是由天然條件形成的地表水及地下水的滲流還是人為因素造成的的抽灌地下水，都可能影響地下水的運動平衡條件，導致水動力場及應力場的改變，造成巖溶塌陷。由于水動力平衡條件的失衡，地下水位急劇變化地帶是塌陷產生的高發區。地下水主要在連通的巖石空隙中流動，通過對土壤和巖石的物理和化學侵蝕，造成其中的可溶性組分的流失，包括其中的可溶性膠結物，這樣就會使其孔隙度及水流通道增大，地下水的流速和水力坡度也相應變大，以上因素的形成促發了一種疊加效應，不斷地加劇對水流通道中顆粒物質的沖蝕，最終形成愈來愈大的流通空隙，繼而形成地下土洞。

人為造成的地下水流失，使覆蓋層下部的水壓力減小，對土層的浮托力減弱。甚至一些巖溶通道中由于地下水的流失，導致其中的氣壓為負值，由于覆蓋層上下的大氣壓力差對覆蓋層形成吸蝕作用，造成了覆蓋土層的坍塌。自然降雨、自然干旱、水庫儲水、井下抽水和充水等都對地下水運動條件存在密不可分的聯系。此外，工廠排放的化學液體對可溶巖性的溶蝕強度及速度有著不容小覷的影響。

3 巖溶塌陷的監測

石龍片區的巖溶塌陷主要分布在較薄的地面表層，一般在20m以內。地層巖性為粘性土，或地層上部粘性土居多，下部是兩層沙土所填充的分布地帶。此現象發生在斷層帶、礦體氧化帶及地形低洼帶等的綜合地帶。該地面塌陷為突發性地面塌陷，即在地下水位快速下降的同時，快速產生地面塌陷。巖溶空洞形成方式是地下水中承壓水頭在短暫的時間內下降了十幾米，從而使地下水很快地由有壓含水層變為無壓含水層，并且迅速使地下巖溶中的洞穴和裂隙中的水流空只剩下面積廣泛的空腔，覆蓋層喪失了向上拉的水頭壓力，這時覆蓋層的自身壓力、土中水的滲透壓力和氣體壓力差的合力超越了覆蓋層中的抗剪強度，而使覆蓋層不穩定，則產生突發性的地面塌陷。塌陷的塊體主要在抽水和排水中形成掉落，以及中心部位和地下水徑流方向上形成。

4 總結

本文主要論述了石龍巖溶地面塌陷的形成原因、形成條件以及監測方面等一系列內容，通過實地考察、現象分析，得出了石龍片區巖溶地面塌陷的原因與人為因素和自然因素有關，以及與地下水運動、一定松散蓋層等相關的形成條件。對于巖溶塌陷成因的分析，對于巖溶塌陷災害的防治具有積極的意義。

參考文獻：

[1]王延嶺.山東省泰萊盆地巖溶地面塌陷影響因素分析[J].中國巖溶，2016，35（01）：60-66.

[2]楊勝權.貴州省巖溶塌陷的成因及防治對策[J].中國水土保持科學，2007，5（06）：38-42.

[3]黃邦忠.巖溶地區水井鉆探中地面塌陷的原因和防治[J].貴州地質，2013，30（03）：227-229.

作者簡介：申理文（1995-），男，本科，地質工程專業。