岩溶塌陷的形成条件与动力因素

1、岩溶塌陷的形成条件与动力因素、岩溶塌陷的形成条件岩溶塌陷发育的基本条件是： 岩溶洞隙的存在，一定厚度的松散盖层和水动力条件易于 改变的岩溶地下水。（ 一）岩溶洞隙是岩溶塌陷产生的基础。岩溶（国际通用术语 Karst ，译名喀斯特 ）是指水对可溶性岩石 （在我国以碳酸盐岩为主， 局部尚有硫酸盐岩、卤化物岩等，这里主要对前者进行论述） 进行以化学溶蚀作用与特征（ 并包括水的机械侵蚀和崩塌使用以及物质的携出、转移和再沉积）的综合地质作用，以及由此而产生的现象统称。岩溶作用的结果在可溶岩表面及其内部形成各种岩溶现 象，在地表的如洼地、槽谷、漏斗、落水洞、溶沟溶槽、石芽、石柱、溶峰等；在地下 的则为各种

2、形态的溶洞、溶隙、管道等。由于岩溶 作用受着地下水水流系统的控制， 因而各种岩溶现象也往往组成一定的系统，称为岩溶系统，受各种因素的影响，岩溶的 发育有强弱之分，一般可溶岩岩性较纯，连续厚度较大，出露分布较广，断层较发育、 岩层较破碎的，岩溶较易发育；可溶岩岩性不纯，含泥质及其它不溶杂质成分较多，连 续厚度不大或多类有非可溶性夹 层，出露分布较局限，断层不发育、岩层较完整的、 岩溶发育较弱。其分级标志参见下表。岩溶发育愈强烈，岩溶洞隙数量愈多，其规模也愈大，愈有利于岩溶塌陷的形成。岩溶 洞隙的发育一般受岩溶地下水排浊基准面的控制，多发育于浅部，向深部逐渐减弱。浅 部岩溶洞隙由于地下水活动频繁，

3、交替强烈，一般连通性较好，成为塌陷物质的储集空 间和运移通道。岩溶洞隙的开口程度是影响岩溶塌陷形成的重要因 素，岩溶地下水的 活动，塌陷物质的运移都是通过洞隙开口处进行的，因此，塌陷坑与开口洞隙存在着密 切的垂向对应关系。实践表明，洞隙规模愈大，塌陷也愈大；洞隙开口愈大，塌陷速度 愈快。洞隙的平面展布形态对塌陷平面形态有着决定性影响，裂隙状洞隙往往形成长条 状塌陷坑，沿地下河管道往往产生链状或串珠状 分布的塌陷坑群。（ 二）一定厚度的松散盖层目前已知塌陷中土层塌陷占 96 7，可见土层是塌陷的主要组成部分。土 层可由粘土、砂、砾等各种组分组成，形成单层双层或多层结构。岩性结构对塌陷的形 成有着

4、明显的影响： 均一的砂土由于其颗粒间无粘结力， 在一定水头的水流渗透作用下， 其细小颗粒易于被潜蚀搬运进而淘空破坏，抗塌陷能力最差，塌陷数量相对 较多；双 层或多层结构的土层，由于有粘性土的缓冲作用，其抗塌能力要稍好一些；均一粘性土 或底部为粘性土的多层结构土层，由于粘性土具有一定的凝聚力，抗塌能力较强，塌陷 数量相对较少，塌陷的速度也要缓慢一些。 土层的厚度对塌陷的产生也有明显的影响，据统计，土层厚度小于10m的塌陷占绝大多数；厚度 10 30m的塌陷数量要少得多， 而 >30m的仅零星出现。 目前所知土层厚度最厚 的见于安徽铜陵新桥矿塌陷，土层厚度达到60m。除盖层为土层的塌陷外，

5、如盖层为风化破碎的基岩也可产生塌陷，如湖南水口山铅锌矿 阳公堂因矿坑排水产生塌陷，直径 59X54m，塌坑可见深 25m，塌陷层 表层残积土厚 38 7m，其下碎屑岩厚 124 67m，下伏为岩溶发育的灰岩，盖层总厚达 16337m。山 东莱芜铁矿顾家台矿区因矿坑排水在厚 156m 受断层破碎的第三系红色砂岩、粉砂岩中产生塌陷。此外，在湖南的煤炭坝煤矿、江西 城门山和东乡铜矿，均发现有隐伏的古基岩塌陷堆积体，其直径可达500m，其深度可达 300m。（ 三）易于改变的岩溶地下水动力条件岩溶地下水一般具有赋存状态复杂 （ 集中管道状或分散网络状 ） 、动态变化迅猛、 迳流通 畅、流态多变的特点，

6、这些特征在不同地段由于其补给、迳流、排泄条件的不同而又有 明显的差异。影响补、迳、排条件的因素除了地质构造外，主要受地形地貌、即碳酸盐 岩的出露条件、地形切割程度及水文网配置格局所控制，不同地貌 类型具有不同的岩 溶地下水特征。 据此可在宏观上将岩溶地下水概括三种类型：岩溶山地 （ 裸露型岩溶 ）的 岩溶地下水，岩溶平原、盆地、谷地 （复盖型岩溶 ） 的岩 溶地下水和河湖近岸地带的岩 溶地下水。需要指出的是， 在华南复盖岩溶区的上复粘性土层常与残坡积或坡洪积成因，多含有砂 砾质且垂直裂隙发育，具有不均一的含水性，往往组成弱含水层，居民多取之供生活用 水。其特征是含水不均，水位随地形而变化，水量

7、较小，干旱年份甚至干涸。这一类土 层水的水位一般高于下伏的岩溶地下水位，尤其在雨季，其水位差达 到最大，在其作 用下，沿土层中的垂向裂隙和粗大孔隙产生垂向渗透补给岩溶地下水， 其水力坡度较大， 可在土层中产生潜蚀作用，将土的细小颗粒随水带走，形成土洞，进而扩展形成塌陷。地下水的动力条件是指地下水的赋存 （含水介质类型 ）和水力条件 （承压、非承压 ）及其以 水位 （水头） 、流速、水力坡降等要素表征的条件。在岩溶地下水埋藏较浅、循环交替强 烈的地段，岩溶地下水动力条件易于改变，地下水活动变化强烈，有利于塌陷的形成。 这些地段有：水位埋藏较浅，多具承压性，变化幅度较大，或 在基岩面附近波动的地

8、段；迳流较通畅的集中迳流带或主迳流带；地下水的排泄带；具有潜水 （ 包括土层水 ）和 岩溶水双层含水层结构分布地段；与潜水或地表水体 联系密切、交替强烈地段；降落 漏斗影响范围内。二、岩溶塌陷形成的动力因素岩溶塌陷是在具备上述三个基本条件的基础上， 受到各种自然或人为的动力因素的作用 而产生。（ 一）岩溶地下水的作用：岩溶地下水的活动在岩溶塌陷的形成中具有多种作用，是一种十分重要的动力因素，可 以在自然条件下由于气候季节的干、湿变化引起，也可以由于人工抽水、矿坑排水、水 库蓄水、引水、灌溉和给排水工程的渗漏引起。1 溶蚀作用水对可溶岩的溶蚀过程极为缓慢。 据观测计算， 我国岩溶区其溶蚀量每千年

9、 为数十至百余毫米。作为岩溶塌陷基础的岩溶洞隙都是在漫长的地质历史时期中形成。 但在石膏、岩盐类岩石分布地区，因采矿、水库兴建或其它人类活动的影响可使其产生 强烈的溶蚀作用，使新岩溶快速发育，为塌陷提供必要 的条件。2 改变土体的状态岩土体中含水量随地下水位的升降而变化，含水量的增加一方面使岩土体的重度增大， 如达到饱和， 重度可增加约 15 25；另一方面对于粘性土因塑性状态发生变化而使其 变软，强度降低。这些变化将使洞隙顶板的力学平衡状态恶化。3 地下水的浮托作用处于地下水位以下的岩土体都受到地下水浮托力的作用。 当水位上升， 浮托力按其增加 的水头值增大，产生正压效压，如上复盖层较薄、上

10、升水头较高时，就可能顶破盖层产 生塌陷；当水位下降时浮托力消减，对于不透水的粘性土或砂土，其消减值为全部的下 降水头或 （0607） 倍下降水头，其作用相当于使盖层增加一个同值的附加荷载，对于粘性土一般可达到其自重的 40左右。这样可使盖层的稳定性降低甚至直接导致失 稳塌陷。4 地下水的渗透潜蚀作用潜蚀作用是指地下水流在其流径上对土、岩颗粒产生的动水压力使其移动带走的作用， 动力水的大小取决于地下水的坡降，产生潜蚀作用的起始水力坡降称为临界水力坡降， 它的大小取决于土的组成成分与结构，一般粘性土因其具有凝聚力，比砂性土要大。沿着岩溶地下水流方向上的水平渗透潜蚀， 在自然条件下因其水力坡降较小一

11、般不易产生，主要出现于人工抽排水岩水位急剧下降的过程中，这时地下水的坡降流速增大，从 而对岩溶洞隙通道中的松散充填物和复盖会产生潜蚀、冲刷和淘空作用。其结果，岩溶 洞隙充填物被带走，在复盖层底部的洞隙开口处形成空洞，成为土洞 的雏形。并在岩 溶水位下降到基岩顶板之前继续受到潜蚀、冲刷而逐渐扩展。在双层含水层结构分布地区。 潜水或土层水向岩溶地下水的垂向渗透， 以及降雨和地表 水的垂向入渗， 可产生垂向渗透潜蚀作用，这时入渗水流向着洞隙开口处汇聚和集中渗 透。这种作用在抽排岩溶地下水水位急速下降的情况下最为显著，因上复土层的渗透性 比岩溶含水层要小得多，其水位的下降速度也就要慢得多。这样水位 差

12、将随着岩溶水 位的下降而增大，当水位降至复盖层底板时，其水力坡度达到最大 （ 可接近 1） ，浸蚀作 用也最强。在上述作用下土洞不断向上扩展而导致失稳塌 陷。5 岩溶地下水位变化引起岩溶洞隙空间的正负压力作用岩溶地下水位上升时， 封闭较好的岩溶洞隙空间的气体受压形成高压气团， 对其周围的 岩土体产生正压作用，当盖层较薄时，可冲破盖层岩土体，形成气爆，造成塌陷。这类 塌陷称之与冲爆塌陷，主要见于岩溶山地地下河的通道上。岩溶地下水位大幅度下降可在封闭的岩溶洞隙空间产生负压， 对复盖层土体产生附加吸 力而使其遭到吸蚀剥落并向下迁移。对于上复土体中所含的水， 负压使其增加了向下渗 透的附加水头，从而加

13、剧了对土体的潜蚀作用，加速土体的破坏和土洞的形成和扩展。 负压的大小取决于复盖层的封闭程度和水位的下降速度，在安全封闭 条件下，其理论 最大值为一个大气压， 实际上复盖层的封闭性只是相对的，地下水位下降速度除矿坑突 水骤降外一般也是较缓慢的。 因此其作用有限，完全由负压吸蚀产生的塌陷只有在极特 殊的条件下才有可能出现。使其发生崩解和6 岩溶地下水位波动的散解作用岩溶地下水位波动使岩溶洞隙上复盖岩土体处于频繁的干湿交替状态， 剥落， 促进土洞的发育和扩展。 形成于地下水位波动带中的土洞除了入渗水流的潜蚀作 用外主要与此种作用有关。7 岩溶地下水的水击作用岩溶管道中的地下水流经常处于不稳定状态，管

14、道中因塌陷物的堵塞或充填物的冲决， 使水流速度突然变化， 水流的动能将转化为压力， 形成一种向来水方向传播的弹性波即 水击波，从而产生水击作用，冲击岩溶洞隙管道系统，引起与之相通的上方复盖岩土体 的击穿与塌陷。据计算，岩溶管道中水流速度突然降低 1m/s 时， 产生的水击压力可达 到 120m水头以上，可见其力之大。8 地下水的侵蚀和搬运作用在洞隙管道中流动的地下水， 一般具有和地表水一样的侵蚀作用，而且由于管道系统形 态的曲折多变，多有涡流形成而具有很强的冲蚀、掏蚀能力。在洞隙的开口处，对上复 土层的侵蚀常可形成土洞雏形，并参与土洞的扩展过程。浅部岩溶洞隙常有松散沉积物充填，由于水动力条件的

15、改变，地下水水力坡降加大，流 速加快，这些充填物被迁移搬运，并在塌陷发育过程中不断将塌落物质带走，这样塌陷 才能不断发展，直至达到新的平衡。（二）降雨及表水 （库水、灌溉水、渠运管道渗漏水、 建筑物地面排水等 ）的入 渗作用入渗水流对塌陷的形成有以下几方面的作用：1 洞隙盖层岩土体充水增重和软化作用；2 垂直渗透潜蚀作用3 地下水位上升使岩溶洞隙空间气团受压产生正压力4 水库蓄水库水对库盘的静水压力形成附加荷载。（ 三）河、湖近岸地带的侧向倒灌作用河、湖近岸地带多有阶地发育，普遍分布着孔隙潜水与岩溶水组成的双层含水介质。一 般情况下地下水向河、湖排泄。其水位随河、湖水位的起落而波动。但在汛期洪

16、水位急 剧上升的情况下，河、湖水将向地下水产生侧向倒灌，地下水位随之上升。这时岩溶地 下水对洞隙上复盖层土体产生正压力或使浮托力增大。在洪水位迅速 回落时，岩溶地 下水位由于其迳流较通畅亦随之很快下降，对洞隙上复盖层的浮托力很快消减，而潜水 位因渗透性相对较弱下降较缓慢，使潜水位与岩溶水位之间的双层水位差增大，从而通 过洞隙开口处从潜水含水层向岩溶洞隙产生垂向的渗透潜蚀作用， 在盖层中形成土洞进 而扩展塌陷。这种现象称之为洪水倒灌潜蚀塌陷，简 称为洪水塌陷，一般在自然条件 下即可形成，如有人为因素的叠加，可加快塌陷的发展速度。（ 四）地震与振动作用我国属多地震国家，在岩溶地区的地方志中就不乏地

17、震引起塌陷的记载，近年来的 唐山、海城等地震都有产生塌陷的实例。地震对塌陷的形成主要有两方面的作用：地震 力使洞隙盖层岩土体产生破裂、 位移形成塌陷；洞隙上复浅埋的松散饱水细粒砂层“液 化”而形成塌陷，砂土液化是指饱水松散砂、土在震动作用下有变得 紧密的趋势，导 致其孔隙水压力骤然升高， 砂粒间接触点上传递的压力减小甚至消失， 这时砂粒之间就 会脱离接触而完全悬浮于水中像液体一样流动的作用和现象， 其特点是伴随有喷水冒砂 现象。除了构造地震外， 岩溶区的塌陷地震和大型水库蓄水诱发的塌陷地震时有发生，一般其 强度较低，为 1 2 级，影响范围较小，不致于引起塌陷，但在特殊情况下也可产生塌陷。如桂林柘木镇漓江岸边的地下河出口处管道顶板基岩中产生一直径约 35 米的塌陷， 并出现地震效应。 受地震力的冲击并因管道堵塞水流突然受阻产生的水击效应，使柘木 镇阶地地面出现喷水冒砂及数十个塌陷，塌陷的散布范围达 350 米以外。人为的爆破和车辆振动， 也可造成洞隙顶板的塌落而形成塌陷， 主要见于隐伏土洞发育 地区，这些土洞顶板已接近极限平衡状态，在强度不大的振动力使用下产生附加荷载效 应而导致塌陷。