巖溶塌陷的形成條件與動力因素

1、巖溶塌陷的形成條件與動力因素一、巖溶塌陷的形成條件巖溶塌陷發(fā)育的基本條件是：巖溶洞隙的存在，一定厚度的松散蓋層和水動力條件易于改變的巖溶地下水。    (一)巖溶洞隙是巖溶塌陷產(chǎn)生的基礎。巖溶(國際通用術(shù)語Karst，譯名喀斯特)是指水對可溶性巖石(在我國以碳酸鹽巖為主，局部尚有硫酸鹽巖、鹵化物巖等，這里主要對前者進行論述)進行以化學溶蝕作用與特征(并包括水的機械侵蝕和崩塌使用以及物質(zhì)的攜出、轉(zhuǎn)移和再沉積)的綜合地質(zhì)作用，以及由此而產(chǎn)生的現(xiàn)象統(tǒng)稱。巖溶作用的結(jié)果在可溶巖表面及其內(nèi)部形成各種巖溶現(xiàn)象，在地表的如洼地、槽谷、漏斗、落水洞、溶溝溶槽、石芽、石柱、溶峰等；在地下的則

2、為各種形態(tài)的溶洞、溶隙、管道等。由于巖溶 作用受著地下水水流系統(tǒng)的控制，因而各種巖溶現(xiàn)象也往往組成一定的系統(tǒng)，稱為巖溶系統(tǒng)，受各種因素的影響，巖溶的發(fā)育有強弱之分，一般可溶巖巖性較純，連續(xù)厚度較大，出露分布較廣，斷層較發(fā)育、巖層較破碎的，巖溶較易發(fā)育；可溶巖巖性不純，含泥質(zhì)及其它不溶雜質(zhì)成分較多，連續(xù)厚度不大或多類有非可溶性夾 層，出露分布較局限，斷層不發(fā)育、巖層較完整的、巖溶發(fā)育較弱。其分級標志參見下表。巖溶發(fā)育愈強烈，巖溶洞隙數(shù)量愈多，其規(guī)模也愈大，愈有利于巖溶塌陷的形成。巖溶洞隙的發(fā)育一般受巖溶地下水排濁基準面的控制，多發(fā)育于淺部，向深部逐漸減弱。淺部巖溶洞隙由于地下水活動頻繁，交替強烈

3、，一般連通性較好，成為塌陷物質(zhì)的儲集空間和運移通道。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(zhì)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?qū)P系。實踐表明，洞隙規(guī)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(tài)對塌陷平面形態(tài)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(chǎn)生鏈狀或串珠狀 分布的塌陷坑群。    (二)一定厚度的松散蓋層    目前已知塌陷中土層塌陷占967，可見土層是塌陷的主要組成部分。土層可由粘土、砂、礫等各種組分組成，形成單層雙層或多層結(jié)

4、構(gòu)。巖性結(jié)構(gòu)對塌陷的形成有著明顯的影響：均一的砂土由于其顆粒間無粘結(jié)力，在一定水頭的水流滲透作用下，其細小顆粒易于被潛蝕搬運進而淘空破壞，抗塌陷能力最差，塌陷數(shù)量相對 較多；雙層或多層結(jié)構(gòu)的土層，由于有粘性土的緩沖作用，其抗塌能力要稍好一些；均一粘性土或底部為粘性土的多層結(jié)構(gòu)土層，由于粘性土具有一定的凝聚力，抗塌能力較強，塌陷數(shù)量相對較少，塌陷的速度也要緩慢一些。土層的厚度對塌陷的產(chǎn)生也有明顯的影響，據(jù)統(tǒng)計，土層厚度小于10m的塌陷占絕大多數(shù)；厚度1030m的塌陷數(shù)量要少得多，而>30m的僅零星出現(xiàn)。目前所知土層厚度最厚的見于安徽銅陵新橋礦塌陷，土層厚度達到60m。除蓋層為土層的塌陷外，

5、如蓋層為風化破碎的基巖也可產(chǎn)生塌陷，如湖南水口山鉛鋅礦陽公堂因礦坑排水產(chǎn)生塌陷，直徑59X54m，塌坑可見深25m，塌陷層 表層殘積土厚387m，其下碎屑巖厚12467m，下伏為巖溶發(fā)育的灰?guī)r，蓋層總厚達16337m。山東萊蕪鐵礦顧家臺礦區(qū)因礦坑排水在厚156m受斷層破碎的第三系紅色砂巖、粉砂巖中產(chǎn)生塌陷。此外，在湖南的煤炭壩煤礦、江西城門山和東鄉(xiāng)銅礦，均發(fā)現(xiàn)有隱伏的古基巖塌陷堆積體，其直徑可達 500m，其深度可達300m。    (三)易于改變的巖溶地下水動力條件巖溶地下水一般具有賦存狀態(tài)復雜(集中管道狀或分散網(wǎng)絡狀)、動態(tài)變化迅猛、逕流通暢、流態(tài)多變的特點，這些特征在

6、不同地段由于其補給、逕流、排泄條件的不同而又有明顯的差異。影響補、逕、排條件的因素除了地質(zhì)構(gòu)造外，主要受地形地貌、即碳酸鹽巖的出露條件、地形切割程度及水文網(wǎng)配置格局所控制，不同地貌 類型具有不同的巖溶地下水特征。據(jù)此可在宏觀上將巖溶地下水概括三種類型：巖溶山地(裸露型巖溶)的巖溶地下水，巖溶平原、盆地、谷地(復蓋型巖溶)的巖 溶地下水和河湖近岸地帶的巖溶地下水。需要指出的是，在華南復蓋巖溶區(qū)的上復粘性土層常與殘坡積或坡洪積成因，多含有砂礫質(zhì)且垂直裂隙發(fā)育，具有不均一的含水性，往往組成弱含水層，居民多取之供生活用水。其特征是含水不均，水位隨地形而變化，水量較小，干旱年份甚至干涸。這一類土層水的水

7、位一般高于下伏的巖溶地下水位，尤其在雨季，其水位差達 到最大，在其作用下，沿土層中的垂向裂隙和粗大孔隙產(chǎn)生垂向滲透補給巖溶地下水，其水力坡度較大，可在土層中產(chǎn)生潛蝕作用，將土的細小顆粒隨水帶走，形成土洞，進而擴展形成塌陷。地下水的動力條件是指地下水的賦存(含水介質(zhì)類型)和水力條件(承壓、非承壓)及其以水位(水頭)、流速、水力坡降等要素表征的條件。在巖溶地下水埋藏較淺、循環(huán)交替強烈的地段，巖溶地下水動力條件易于改變，地下水活動變化強烈，有利于塌陷的形成。這些地段有：水位埋藏較淺，多具承壓性，變化幅度較大，或 在基巖面附近波動的地段；逕流較通暢的集中逕流帶或主逕流帶；地下水的排泄帶；具有潛水(包括

8、土層水)和巖溶水雙層含水層結(jié)構(gòu)分布地段；與潛水或地表水體 聯(lián)系密切、交替強烈地段；降落漏斗影響范圍內(nèi)。二、巖溶塌陷形成的動力因素巖溶塌陷是在具備上述三個基本條件的基礎上，受到各種自然或人為的動力因素的作用而產(chǎn)生。    (一)巖溶地下水的作用： 巖溶地下水的活動在巖溶塌陷的形成中具有多種作用，是一種十分重要的動力因素，可以在自然條件下由于氣候季節(jié)的干、濕變化引起，也可以由于人工抽水、礦坑排水、水庫蓄水、引水、灌溉和給排水工程的滲漏引起。    1溶蝕作用    水對可溶巖的溶蝕過程極為緩慢。據(jù)觀測計算，我國巖溶區(qū)其溶蝕量每千年為數(shù)十至

9、百余毫米。作為巖溶塌陷基礎的巖溶洞隙都是在漫長的地質(zhì)歷史時期中形成。但在石膏、巖鹽類巖石分布地區(qū)，因采礦、水庫興建或其它人類活動的影響可使其產(chǎn)生強烈的溶蝕作用，使新巖溶快速發(fā)育，為塌陷提供必要的條件。    2改變土體的狀態(tài)巖土體中含水量隨地下水位的升降而變化，含水量的增加一方面使巖土體的重度增大，如達到飽和，重度可增加約1525；另一方面對于粘性土因塑性狀態(tài)發(fā)生變化而使其變軟，強度降低。這些變化將使洞隙頂板的力學平衡狀態(tài)惡化。    3地下水的浮托作用處于地下水位以下的巖土體都受到地下水浮托力的作用。當水位上升，浮托力按其增加的水頭值增大，產(chǎn)生正壓效壓

10、，如上復蓋層較薄、上升水頭較高時，就可能頂破蓋層產(chǎn)生塌陷；當水位下降時浮托力消減，對于不透水的粘性土或砂土，其消減值為全部的下降水頭或(0607)倍下降水頭，其作用相當于使蓋層增加 一個同值的附加荷載，對于粘性土一般可達到其自重的40左右。這樣可使蓋層的穩(wěn)定性降低甚至直接導致失穩(wěn)塌陷。    4地下水的滲透潛蝕作用潛蝕作用是指地下水流在其流徑上對土、巖顆粒產(chǎn)生的動水壓力使其移動帶走的作用，動力水的大小取決于地下水的坡降，產(chǎn)生潛蝕作用的起始水力坡降稱為臨界水力坡降，它的大小取決于土的組成成分與結(jié)構(gòu)，一般粘性土因其具有凝聚力，比砂性土要大。沿著巖溶地下水流方向上的水平滲透潛蝕，

11、在自然條件下因其水力坡降較小一般不易產(chǎn)生，主要出現(xiàn)于人工抽排水巖水位急劇下降的過程中，這時地下水的坡降流速增大，從而對巖溶洞隙通道中的松散充填物和復蓋會產(chǎn)生潛蝕、沖刷和淘空作用。其結(jié)果，巖溶洞隙充填物被帶走，在復蓋層底部的洞隙開口處形成空洞，成為土洞 的雛形。并在巖溶水位下降到基巖頂板之前繼續(xù)受到潛蝕、沖刷而逐漸擴展。在雙層含水層結(jié)構(gòu)分布地區(qū)。潛水或土層水向巖溶地下水的垂向滲透，以及降雨和地表水的垂向入滲，可產(chǎn)生垂向滲透潛蝕作用，這時入滲水流向著洞隙開口處匯聚和集中滲透。這種作用在抽排巖溶地下水水位急速下降的情況下最為顯著，因上復土層的滲透性比巖溶含水層要小得多，其水位的下降速度也就要慢得多。

12、這樣水位 差將隨著巖溶水位的下降而增大，當水位降至復蓋層底板時，其水力坡度達到最大(可接近1)，浸蝕作用也最強。在上述作用下土洞不斷向上擴展而導致失穩(wěn)塌 陷。    5巖溶地下水位變化引起巖溶洞隙空間的正負壓力作用巖溶地下水位上升時，封閉較好的巖溶洞隙空間的氣體受壓形成高壓氣團，對其周圍的巖土體產(chǎn)生正壓作用，當蓋層較薄時，可沖破蓋層巖土體，形成氣爆，造成塌陷。這類塌陷稱之與沖爆塌陷，主要見于巖溶山地地下河的通道上。巖溶地下水位大幅度下降可在封閉的巖溶洞隙空間產(chǎn)生負壓，對復蓋層土體產(chǎn)生附加吸力而使其遭到吸蝕剝落并向下遷移。對于上復土體中所含的水，負壓使其增加了向下滲透的附加水

13、頭，從而加劇了對土體的潛蝕作用，加速土體的破壞和土洞的形成和擴展。負壓的大小取決于復蓋層的封閉程度和水位的下降速度，在安全封閉 條件下，其理論最大值為一個大氣壓，實際上復蓋層的封閉性只是相對的，地下水位下降速度除礦坑突水驟降外一般也是較緩慢的。因此其作用有限，完全由負壓吸蝕產(chǎn)生的塌陷只有在極特殊的條件下才有可能出現(xiàn)。    6巖溶地下水位波動的散解作用巖溶地下水位波動使巖溶洞隙上復蓋巖土體處于頻繁的干濕交替狀態(tài)，使其發(fā)生崩解和剝落，促進土洞的發(fā)育和擴展。形成于地下水位波動帶中的土洞除了入滲水流的潛蝕作用外主要與此種作用有關。    7巖溶地下水的水擊作用

14、巖溶管道中的地下水流經(jīng)常處于不穩(wěn)定狀態(tài)，管道中因塌陷物的堵塞或充填物的沖決，使水流速度突然變化，水流的動能將轉(zhuǎn)化為壓力，形成一種向來水方向傳播的彈性波即水擊波，從而產(chǎn)生水擊作用，沖擊巖溶洞隙管道系統(tǒng)，引起與之相通的上方復蓋巖土體的擊穿與塌陷。據(jù)計算，巖溶管道中水流速度突然降低1m/s時， 產(chǎn)生的水擊壓力可達到120m水頭以上，可見其力之大。    8地下水的侵蝕和搬運作用 在洞隙管道中流動的地下水，一般具有和地表水一樣的侵蝕作用，而且由于管道系統(tǒng)形態(tài)的曲折多變，多有渦流形成而具有很強的沖蝕、掏蝕能力。在洞隙的開口處，對上復土層的侵蝕常可形成土洞雛形，并參與土洞的擴展過程。淺

15、部巖溶洞隙常有松散沉積物充填，由于水動力條件的改變，地下水水力坡降加大，流速加快，這些充填物被遷移搬運，并在塌陷發(fā)育過程中不斷將塌落物質(zhì)帶走，這樣塌陷才能不斷發(fā)展，直至達到新的平衡。    (二)降雨及表水(庫水、灌溉水、渠運管道滲漏水、建筑物地面排水等)的入滲作用入滲水流對塌陷的形成有以下幾方面的作用：    1洞隙蓋層巖土體充水增重和軟化作用；    2垂直滲透潛蝕作用    3地下水位上升使巖溶洞隙空間氣團受壓產(chǎn)生正壓力    4水庫蓄水庫水對庫盤的靜水壓力形成附加荷載。  &#

16、160; (三)河、湖近岸地帶的側(cè)向倒灌作用河、湖近岸地帶多有階地發(fā)育，普遍分布著孔隙潛水與巖溶水組成的雙層含水介質(zhì)。一般情況下地下水向河、湖排泄。其水位隨河、湖水位的起落而波動。但在汛期洪水位急劇上升的情況下，河、湖水將向地下水產(chǎn)生側(cè)向倒灌，地下水位隨之上升。這時巖溶地下水對洞隙上復蓋層土體產(chǎn)生正壓力或使浮托力增大。在洪水位迅速 回落時，巖溶地下水位由于其逕流較通暢亦隨之很快下降，對洞隙上復蓋層的浮托力很快消減，而潛水位因滲透性相對較弱下降較緩慢，使?jié)撍慌c巖溶水位之間的雙層水位差增大，從而通過洞隙開口處從潛水含水層向巖溶洞隙產(chǎn)生垂向的滲透潛蝕作用，在蓋層中形成土洞進而擴展塌陷。這種現(xiàn)象稱之

17、為洪水倒灌潛蝕塌陷，簡 稱為洪水塌陷，一般在自然條件下即可形成，如有人為因素的疊加，可加快塌陷的發(fā)展速度。    (四)地震與振動作用我國屬多地震國家，在巖溶地區(qū)的地方志中就不乏地震引起塌陷的記載，近年來的唐山、海城等地震都有產(chǎn)生塌陷的實例。地震對塌陷的形成主要有兩方面的作用：地震力使洞隙蓋層巖土體產(chǎn)生破裂、位移形成塌陷；洞隙上復淺埋的松散飽水細粒砂層“液化”而形成塌陷，砂土液化是指飽水松散砂、土在震動作用下有變得 緊密的趨勢，導致其孔隙水壓力驟然升高，砂粒間接觸點上傳遞的壓力減小甚至消失，這時砂粒之間就會脫離接觸而完全懸浮于水中像液體一樣流動的作用和現(xiàn)象，其特點是伴隨有噴水冒砂現(xiàn)象。除了構(gòu)造地震外，巖溶區(qū)的塌陷地震和大型水庫蓄水誘發(fā)的塌陷地震時有發(fā)生，一般其強度較低，為12級，影響范圍較小，不致于引起塌陷，但在特殊情況下也 可產(chǎn)生塌陷。如桂林柘木鎮(zhèn)漓江岸邊的地下河出口處管道頂板基巖中產(chǎn)生一直徑約35米的塌陷，并出現(xiàn)地震效應。受地震力的沖擊并因管道堵塞水流突然受阻產(chǎn)生的水擊效應，使柘木鎮(zhèn)階地地面出現(xiàn)噴水冒砂及數(shù)十個塌陷，塌陷的散布范圍達350米以外。人為的爆破和車輛振動，也可造成洞隙頂板的塌落而形成塌陷，主要見于隱伏土洞發(fā)育地區(qū)，這些土洞頂板已接近極限平衡狀態(tài)，在強度不大的振動力使用下產(chǎn)生附加荷載效應而導致塌陷。