石龙片区岩溶地面塌陷成因机理与监测

申理文 李建峰 杨梨 余芳芳

摘 要：六盘水石龙地区上覆第四纪沉积土、粉土、沙土等，下覆二叠系栖霞组石灰岩及白云岩，并有强烈的地质构造作用，还伴生溶沟，石芽的存在，石龙片区存在较为严重的岩溶塌陷现象。通过分析该地区岩溶塌陷的原因，对岩溶发育的情况进行了勘察，对岩溶塌陷的防治具有较为积极的意义。

关键词：岩溶；塌陷；监测

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

1 岩溶塌陷的形成原因

岩溶塌陷分为溶洞塌陷和土洞塌陷两种形式[1]。石龙片区岩溶塌陷的成因有地下水潜蚀作用、真空吸蚀作用、震动作用、建筑荷载作用。岩溶塌陷的原因主要分为自然因素和人为因素，其中主要的是人为因素为主[2]。

1.1 自然因素

六盘水石龙片区属于亚热带季风湿润气候，年平均降雨为1200～1500mm，春夏季炎热多雨、秋冬干旱少雨。这种气候特征造成了石龙片区的地下水位动态变化极大。在春夏时地下水位急剧抬升，因秋冬地下水位下降而引起土体中气体孔隙体积增大，当地下水上升时引起土体孔隙中气体发生气爆，造成上覆的松软沉积物如粘土发生塌陷。另外春夏季时由于地下水得到迅速补充，溶滤作用加强，在加上石龙片区的岩性是可溶的碳酸盐岩，并且有强烈的地质构造运动，如节理，裂隙，褶皱等的存在，使得岩溶发育更加强烈。

1.2 人为因素

六盤水石龙片区的岩溶塌陷的原因主要是采矿排水、基坑排水等人为活动，这些人类活动强烈的扰动地下水，使得地下水水位强烈降低，造成了地面塌陷。另外，还有人类的工程活动，如上覆的建筑物建在沙土层中，受到动荷载的作用，导致沙土液化并下覆石芽溶沟，导致地面塌陷；或者上覆建筑荷载过大，下覆岩层发育有溶洞，溶洞承受不了上覆荷载而塌陷。

2 岩溶塌陷形成条件

2.1 岩溶洞隙的存在

岩溶洞隙是岩溶塌陷产生的基础。由于洞隙的存在，导致对空洞顶面的荷载的承载力降低，或者是由于力分布不均匀，导致地面产生不均匀沉降、滑移、裂隙等不良现象，最终导致塌陷。不仅如此，在地下还有各种形态的溶洞、溶隙、管道等。

受不同因素的影响，岩溶的发育有强弱之分。岩溶洞隙数量愈多，其规模也愈大，岩溶发育愈强烈，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[3]。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。

2.2 一定厚度的松散盖层

由松散破碎颗粒堆积物形成的盖层是塌陷体的主要组成部分。地表覆盖土层是地下洞穴形成和塌陷发生的物质基础。目前数据显示，土层塌陷占总塌陷现象的97%左右，表明土层塌陷是极为常见的塌陷类型。地表覆盖土层的形成原因、矿物及颗粒成分、厚度等，影响着地下土洞的形成和发展快慢。地表覆盖土层的厚度不仅决定着塌陷的形成，还与塌陷体的规模大小有密切的关系。另外，除了土层塌陷类型还有基岩塌陷类型，即覆盖层由物理风化形成的破碎基岩堆积物组成，在重力、大气压力差及各种应力作用下洞穴顶板崩塌沉降而形成的塌陷叫做基岩塌陷。

2.3 地下水运动

塌陷形成的主要动力条件是地下水的运动。不管是由天然条件形成的地表水及地下水的渗流还是人为因素造成的的抽灌地下水，都可能影响地下水的运动平衡条件，导致水动力场及应力场的改变，造成岩溶塌陷。由于水动力平衡条件的失衡，地下水位急剧变化地带是塌陷产生的高发区。地下水主要在连通的岩石空隙中流动，通过对土壤和岩石的物理和化学侵蚀，造成其中的可溶性组分的流失，包括其中的可溶性胶结物，这样就会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应变大，以上因素的形成促发了一种叠加效应，不断地加剧对水流通道中颗粒物质的冲蚀，最终形成愈来愈大的流通空隙，继而形成地下土洞。

人为造成的地下水流失，使覆盖层下部的水压力减小，对土层的浮托力减弱。甚至一些岩溶通道中由于地下水的流失，导致其中的气压为负值，由于覆盖层上下的大气压力差对覆盖层形成吸蚀作用，造成了覆盖土层的坍塌。自然降雨、自然干旱、水库储水、井下抽水和充水等都对地下水运动条件存在密不可分的联系。此外，工厂排放的化学液体对可溶岩性的溶蚀强度及速度有着不容小觑的影响。

3 岩溶塌陷的监测

石龙片区的岩溶塌陷主要分布在较薄的地面表层，一般在20m以内。地层岩性为粘性土，或地层上部粘性土居多，下部是两层沙土所填充的分布地带。此现象发生在断层带、矿体氧化带及地形低洼带等的综合地带。该地面塌陷为突发性地面塌陷，即在地下水位快速下降的同时，快速产生地面塌陷。岩溶空洞形成方式是地下水中承压水头在短暂的时间内下降了十几米，从而使地下水很快地由有压含水层变为无压含水层，并且迅速使地下岩溶中的洞穴和裂隙中的水流空只剩下面积广泛的空腔，覆盖层丧失了向上拉的水头压力，这时覆盖层的自身压力、土中水的渗透压力和气体压力差的合力超越了覆盖层中的抗剪强度，而使覆盖层不稳定，则产生突发性的地面塌陷。塌陷的块体主要在抽水和排水中形成掉落，以及中心部位和地下水径流方向上形成。

4 总结

本文主要论述了石龙岩溶地面塌陷的形成原因、形成条件以及监测方面等一系列内容，通过实地考察、现象分析，得出了石龙片区岩溶地面塌陷的原因与人为因素和自然因素有关，以及与地下水运动、一定松散盖层等相关的形成条件。对于岩溶塌陷成因的分析，对于岩溶塌陷灾害的防治具有积极的意义。

参考文献：

[1]王延岭.山东省泰莱盆地岩溶地面塌陷影响因素分析[J].中国岩溶，2016，35（01）：60-66.

[2]杨胜权.贵州省岩溶塌陷的成因及防治对策[J].中国水土保持科学，2007，5（06）：38-42.

[3]黄邦忠.岩溶地区水井钻探中地面塌陷的原因和防治[J].贵州地质，2013，30（03）：227-229.

作者简介：申理文（1995-），男，本科，地质工程专业。