福建永安大湖岩溶塌陷形成机制与塌陷模式研究

黄光明

(福建省煤田地质勘查院，福建 福州 350005)

岩溶塌陷是指在人为活动或自然因素作用下使得灰岩区上覆土层或灰岩顶板发生的陷落或沉陷的一种“水—土—岩”综合动力作用的地质现象。岩溶塌陷是灰岩区岩溶发展过程中常见的地质现象，也是影响环境问题的地质灾害之一，多具有突发性和隐蔽性，特别是发生在覆盖型岩溶区的岩溶塌陷，严重影响区域场地的稳定性，已成为国内外共同关注的生态环境地质问题之一[1-3]。岩溶塌陷的防治工作多基于塌陷机制分析的基础上，因此，国内外对岩溶塌陷的形成机制进行了大量的研究[4-7]。康彦仁对岩溶塌陷的成因机制按其致塌力的不同破坏表现形式归纳为真空吸蚀致塌模式、渗压致塌模式、潜蚀致塌模式等八类[8]。但随着对大量塌陷区的深入研究，如覆盖层土体结构及物理力学性质的不同，在同一致塌因素作用下，其塌陷破坏机制及发展过程表现为不同的形式。据此当覆盖层为粘性土或灰岩顶板为较厚的粘性土等弱透水性土层为主的阻水盖层时，贺可强等提出了渗压效应致塌模式[9]，王建秀等提出了“溶洞充填物潜蚀流动—压差场—盖层失托增荷效应”致塌模式[10]，李前银则提出了基于土体流变的溯源潜蚀致塌理论[11]。

由于各地岩溶区的地质、地形地貌、水文地质条件的不同，加之岩溶系统是一开放的系统，影响岩溶塌陷的因素较多，这就使得产生岩溶塌陷的机制复杂化。本文依托三明城市地质调查项目，通过实地调查和实测地质剖面，采用野外钻探、取样、室内实验分析对研究区(丘陵山区)的岩溶塌陷成因及机制进行了综合分析，并提出了区内岩溶塌陷机制模型。

1 永安大湖塌陷概况

永安大湖岩溶盆地是“海西三明生态工贸区”的重点开发建设区域[12]。在本项目野外调查期间发生了多起岩溶塌陷，以大湖镇坑源村为代表，各塌陷点分布如图1和表1。大湖镇坑源村发生塌陷时间为2017年12月—2018年6月，其中5处首次发生塌陷时间为2018年5—6月，有的塌陷已进行回填处理。各塌陷坑形状不一，以圆形为主；规模也不尽相同，最大直径为8 m，最小直径3 m。2018年9月12日调查时发现，部分塌陷点有进一步扩大发展的趋势，经现地质测绘及钻探揭示其地质剖面如图2。

图1 大湖盆地内地面塌陷分布图Fig.1 Distribution of surface collapses in the Dahu Basin1.本次调查塌陷点及编号；2.剖面线；3.地下水主要流向；4.地下水等水位线。

2 研究区岩溶地质背景

永安大湖盆地位于三明市永安北面，属典型的中亚热带季风气候。受大陆性和海洋性季风的影响，区内气候温暖，降水充沛，多年平均降水量1 580～1 860 mm，年内4—9月份降水量占全年的73.51%，且多为暴雨，11—12月份降水量最小，占5.56%。受其影响，研究区地表地下岩溶现象异常发育[13-14]。现今大湖盆地分布有大大小小相对独立的多处溶蚀洼地，以岩溶残丘或孤峰相分割，形成了以灰岩为基底的大湖岩溶盆地。研究区为裸露型—覆盖型—埋藏型丘陵岩溶区，区内发育有层状溶洞，洞隙发育深度达160 m以下，并以岩溶管道形式相连通。区内整体洞隙率>10%，覆盖型岩溶区上部溶洞多与上覆第四系相通，洞内多充填有软塑—流塑状粘土和泥质砾石等。研究区内裸露型和覆盖型灰岩为岩溶强发育区，埋藏型灰岩为中等—弱岩溶发育区。岩溶地下水水位埋藏标高在210～190 m段，具弱承压性，由北往南逐次变低，地下水流向总体由北往南，向盆地南面的沙溪河排泄。

图2 塌陷处地质剖面图Fig.2 Geological profile of some collapses

永安大湖盆地洼地处为覆盖型岩溶区，覆盖层从上至下为粉质粘土、泥质砾卵石、红粘土的多层土体结构，所处位置不同而略有不同，厚度多为7～30 m，局部40～70 m，下伏基岩为船山组灰岩或栖霞组灰岩。上覆第四系松散层中泥质砾卵石厚5～23.5 m，粉质粘土及红粘土最大厚度可达40 m，多为弱透水性土层。其中粉质粘土为可塑状，泥质砾卵石为稍密—中密状，红粘土为灰岩风化残余物可塑—硬塑状。各岩土层物理力学特征经实验分析结果如表2。

表2 研究区灰岩上覆各岩土物理力学性质统计表Table 2 Statistics of physical and mechanical properties of soil layer androck stratum overlying the limestone of study area

3 岩溶塌陷机制与塌陷模式分析

3.1 岩溶塌陷成因

覆盖型岩溶区的塌陷是在一定的土洞范围内发生的地面塌陷，表现为“地下水—覆盖层岩土体—岩溶洞隙”系统中的力学失衡。国内外大量研究表明，覆盖型岩溶区岩溶塌陷发育的基本条件是地下隐伏岩溶洞隙的存在和岩溶地下水水动力条件发生变动。而岩溶洞隙上方覆盖层土的厚度决定其内发育土洞的稳定性，一般认为岩溶塌陷临界土洞的极限平衡高度如下式[15-16]：

HR= (R-2c/γ)/K0tgφ

式中:R为发育土洞的洞径跨度；K0为土体静止土压力系数；c、φ为土体的粘聚力和内摩擦角；γ为土的重度；HR为土洞洞顶—地面的临界垂直距离。

大湖镇坑源村塌陷位于一岩溶蝶型洼地内，为覆盖型岩溶区。钻探表明：场地内覆盖层为粉质粘土、泥砾卵石及红粘土等组成的多层岩土结构；地下溶洞及岩溶管道发育，溶洞多充填有流塑或软塑状粘性土或碎石类土；塌陷前岩溶水水位标高为209 m，多为承压或微承压水，地下水流向为北西向南东，塌陷后岩溶水水位标高为202.6 m。经现场调查及地质测绘，塌陷场地西南侧为一露采灰岩矿山，其采坑坑底标高到水平面186 m，并于2017年10月发生坑底突水，并淹没至水平标高193.8 m(如图3)。随后大湖镇坑源村于2017年12—2018年6月先后发生了多起岩溶地面塌陷事故。基于以上资料分析，笔者认为大湖镇坑源村岩溶塌陷触发原因是由于采坑大量涌水，导致洼地内地下水水位大幅下降(这在2号塌陷处东侧一口古井水干涸得以验证)从而引起多处地面塌陷。其地面塌陷大致经历了土洞形成→扩展→塌陷的过程，所以其时间上表现为相对滞后。由于采坑大量排水，导致洼地内的地下水经岩溶管道排向采坑，地下水流向转为北东向南西，并引起地下水水位下降和原充填于溶洞内的土体产生流变冲蚀(据访矿坑涌水过程中有逐渐变混浊的现象)，使原有浮托作用的地下水产生失托作用，改变了原有的灰岩溶洞处上覆土层的应力平衡，在有地下溶洞发育且上覆土层较薄处发生地面岩溶塌陷(如图3)。

图3 大湖盆地坑源村岩溶塌陷形成过程图Fig.3 Formation process of karst collapse in Kengyuan village,Dahu Basin1.塌陷前地下水位；2.塌陷前地下水主要流向；3.塌陷时地下水位；4.塌陷时地下水主要流向。

3.2 岩溶塌陷模式分析

综合以上分析，覆盖层为较厚的粘性土等弱透水性土层构成的多层岩土结构的岩溶地区，自然地面下弱透水性覆盖层在溶洞充填物及承压水的支撑和浮托作用下处于相对平衡稳定状态。当岩溶地下水位在自然或人为因素的影响下发生快速下降，水力坡度超过一定阈值时，由于充填物多为流塑或软塑状，溶洞充填物极易产生冲蚀作用，首先被破坏产生土体流变和流失，朝水流渗透方向土体逐渐变形。土洞在基岩面与弱透水性土层交界处开始形成。随着地下水位下降，降低了地下承压水对覆盖层土体的浮托力，自然平衡状态下形成的承压水浮托—覆盖层土体自重的动态应力平衡系统被破坏，且土体中因失水其有效自重应力逐渐增加。当岩溶地下水水位低于顶板时，在土洞和所处的岩溶管道形成压差场，失托作用得以产生，并伴有土体冲蚀流变。覆盖层土体因受到压差场作用[17]和地下水流动产生的冲蚀作用，开始局部坍塌，形成土洞。随着抽排水持续，土洞拱顶土体不断塌落流失并向上扩展，当土洞前期形成的应力拱不能支撑上覆土体自重，覆盖层厚度小于临界高度时，最终形成塌陷。岩溶塌陷快慢受控于上覆覆盖层的土体物理力学性质及地下水位下降的幅度，当地下水位下降较大较快时，则塌陷发展较快。因区内水位下降引起失托并产生盖层土体冲蚀流变形成空洞，使得覆盖层土体自重及附加应力超过了土体的抗塌能力，多形成圆柱形或坛形塌陷，塌陷坑壁面一般较为陡直。如区内多数塌陷坑即是此类型，覆盖层土体表现为剪切破坏。其可以在自然条件下由于气候和季节的水位升降变化引起，也可以由于人工抽排水引起。大湖镇坑源村发生的多起地面塌陷归纳总结为“失托—土体流变效应”致塌模式，区别于以强透水性砂类土为主的潜蚀致塌模式，类似“溯源潜蚀”。

4 结论

(1) 大湖镇坑源村塌陷主要是因区内矿坑排水，大幅降低塌陷区的地下水位和改变流向，引起原充填于溶洞内的土体产生流变冲蚀，使地下水原有的浮托作用引起失托，改变了原有的灰岩溶洞处上覆土层的应力平衡，在有地下溶洞发育且上覆土层较薄处发生地面岩溶塌陷。

(2) 大湖镇坑源村发生的多起地面塌陷归纳总结为失托—土体流变效应致塌模式，即地下水位大幅下降，覆盖层土体在减压失托和地下水流动冲蚀作用下，自下而上不断引起土体冲蚀流变，直至产生岩溶区地面塌陷。塌陷处土体表现为剪切破坏。

(3) 永安大湖岩溶盆地内灰岩矿山开采应严格控制开采底界标高，即不能低于周边地下岩溶水水头高度，以免因采坑排水而引起洼地岩溶地面塌陷。