清江高坝洲水电站岩溶发育规律及其对工程的影响

【学员问题】岩溶塌陷的发育规律？

【解答】一、岩溶塌陷的分布规律

岩溶塌陷主要分布于具备塌陷形成条件且有多种不利要素综合作用的结果，对自然或人为诱塌因素的作用较为敏感的地段。归纳国内的实践经验，这些地段有：

（一）岩溶强烈发育的纯可溶岩分布地带，或沿其与非可溶岩的接触地带。这些地带中隐伏岩溶形态（漏斗、溶槽等）较发育，且其中多有较土分布；

（二）沿可溶岩中的断裂带或主要裂隙交汇破碎带，岩层剧烈转折、破碎的地带；

（三）松散盖层较薄县以砂土为主，其底部粘性土层缺失或甚薄（一般不足1—2米）的“天窗”地段；

（四）岩溶地下水的主迳流或或岩溶管道上；

（五）具有潜水和岩溶水仅层含水层分布地带；

（六）岩溶地下水的排泄区；

（七）岩溶地下水位在基岩面上下频繁波动的地带，或受排水影响强烈的降落漏斗中心及近侧地段；

（八）临近河、湖、塘地表水体的近岸地带；

（九）岩溶地下水位埋藏较浅的低洼地带。

二、岩溶塌陷的散布规律

在自然条件下，由于诱塌因素的作用强度除地震外一般较弱，塌陷往往是零星单个产生。对于人为塌陷由于诱塌因素作用一般较强，塌陷往往成群出现。这些塌陷群在空间是有一定的散布规律，其散布特征主要受控于可溶岩的分布、岩溶发育的均一程度和塌陷的发育程度。其散布特征可分为三类：

（一）岛状散布：在塌陷群中数量最多，其原因一般与可溶岩呈岛状分布有关，如水口山矿区，塌陷主要集中出现于曾家桥、茶子园、侨头、香花坪等地段。也多与岩溶发育的不均一性有关，如煤炭坝煤矿，塌陷主要集中发育于岩溶较强烈的上泽泉、大成桥泉等地段而呈岛状分布。此外，还与诱发源的分布有关，如水城水钢供水源地，塌陷主要集中在14个抽水井周围，形成岛状塌陷。

（二）带状散布：其原因主要与可溶岩或岩溶强烈发育带呈条带状分布有关，其中以断裂破碎带、地下河通道带的控制作用最为明显。

（三）面状散布：主要见于岩溶发育较均一、岩溶地下水呈分散网络状分布的地段，常见于岩溶谷地的河、湖近岸地带、岩溶地下水的排泄地带。

三、岩溶塌陷发育的时空动态规律

（一）单个岩溶塌陷的发育过程及其动态特征

对于绝大多数常见的土层塌陷来说，都具有由岩溶洞隙→土洞→塌陷的发育过程，土洞是塌陷的孕育阶段，也是潜在的塌陷，土层塌陷的动态规律受着土洞发育过程的控制，后者又因土层岩性结构和厚度、岩溶地下水的状态及引起塌陷的作用因素不同而异。

根据我国的实际情况，按土洞发育的时期可区分为老土洞和新土洞两类：老土洞是在已往地质历史时期中在自然因素的作用下形成的；新土洞形成于现代，绝大多数是在人为因素作用下形成。

对于老土洞，根据其活动性概可分为两类。一类是已停止活动的“死”土洞，其特征主要是土洞充填较密实，无空洞存在，无地下水流强烈活动的迹象。这类土洞是由于环境条件的改变而形成，如原来岩溶地下水运移通道（包括岩溶洞隙）的充填堵塞，岩溶地下水位区域性下降并保持在基岩顶板以下，后者往往与地壳的升降活动有关。除非有强烈作用的人为因素如大规模的抽排水或突水水作用的迭加而可能重新活动外，一般不会复活，在工程活动中可当作一类具特殊性质的工程岩土体来对待，可不采取防塌措施。另一类是具有微弱的或间歇性活动性的老土洞，其形成时的条件和因素没有基本的变化，仅作用因素的强度有所减弱，其发育和扩展速度较缓慢，要达到塌陷产生的时间较为漫长，但在有人为因素的迭加作用下，其活动性及其发育和扩展的速度随人为因素作用的强度而有不同程度的增加。使老土洞产生塌陷，其经历的时间一般为数月甚至数年。我国南方是有这中缓塌型动态的塌陷为数甚多。缓塌型老土洞的特征是土洞充填物较疏松软弱，一般呈软型状，具有地下流动的痕迹，但其上部空洞少见。

新土洞主要是在人为因素作用下形成，其发展速度一般较老土洞要快得多，其经历的时间短至数小时，长的数日至数月，可称之为速塌型。新土洞的特征是土洞充填物较新，结构很疏松，含水量高，一般处于流动状态，其上部往往有空洞存在。

（二）岩溶塌陷群发育的时空动态

人为塌陷多成群产生，形成塌陷群，其时空动态表现在以下几个方面：

1.塌陷的持续性：岩溶塌陷在其诱发因素消失之前将持续发展，直到达到新的稳定平衡为止。如铜录山，水口山等矿区从1964年以来塌陷持续发展达20年之外，至今仍在继续。其他矿区也有类似的情况，这种现象主要与矿坑排水降深不断加深有关。对于抽水塌陷来说，如果降深较稳定，其持续时间将要短得多，但有的也可延长至10年以上（如水城）。

2.塌陷的阶段性：单个塌陷的发育过程可分为孕育阶段（土洞形成和扩展），塌陷阶段（塌陷形成），调整阶段（塌陷坑壁不稳定土体的坍塌以达到新的平衡状态及后期发行和充填堆积的休止阶段）。对于在一定诱发源（如一定降深的矿坑排水）作用下整个地区的塌陷发展过程可分为以下几个阶段。这几个阶段组成一个塌陷轮回。

3.塌陷的周期性：在诱发源稳定不变（如排水降深稳定）的情况下，受气象水文因素的影响。塌陷作用随其周期性变化而作强弱波动，如一年中的雨季春耕泡田季节，塌陷作用强烈，塌陷数量多而集中，其它季节塌陷作用减弱，数量减少。在一个轮回中这种波动随着塌陷发展逐渐向外围扩展，其幅度逐渐减弱以至消失。在诱发源发生变化（如排水降深加大）。塌陷作用将再次复活并向外围扩展，开始一个新的轮回，再次出现新的周期性波动，但其波动幅度较前一轮回减弱，呈螺旋式发展。

4.塌陷的重复性：对于一个特定的塌陷区来说，由于诱发源不断变化，可经历多次轮回的重复塌陷，表现为产生新的塌陷或者是原先塌陷的复活。

四、岩溶塌陷的伴生与共生现象

（一）岩溶塌陷的伴生现象。主要有地面下沉、地面开裂和塌陷地震，它们随塌陷而产生，有时成为塌陷的前兆现象。

1.地面下沉：在岩溶洞隙上复盖层与厚度较大但性质松软的土层组成时，土洞的扩展将引起地面的局部下沉，其发展的结果最终将形成缓发性塌陷。位于建筑物下方的土洞，在其扩展过程中将引起建筑物的不均匀沉降，地面亦将出现局部下沉。

2.地面开裂：在土洞扩展到一定程度而尚未塌陷前，往往首先在地面出现裂缝，这些裂缝大都是弧形断续展布，具拉张特征，有时有多条裂缝是平行交错分布。裂缝进一步发展形成环状裂缝，且宽度加大，有时内侧下错形成小的错台，但一般不具有水平的相对位移。这些环状裂缝往往是塌陷坑口位置的表征。此外，在塌陷坑外侧周边还可出现弧形的牵引裂缝。在塌陷坑形成后引起坑壁的坍塌。

3.塌陷地震：大规模的塌陷可引起地震效应，由于其产生地震的能量有限，震源深度很浅，因此强度低，震级小，但烈度偏高。如水口山矿区，在排水初期塌陷大量产生，同时出现烈度5度地震，影响范围直径5公里。乌江渡六厂1945一1946在灰岩中产生3级地震。烈度在5—6°，贵州开阳县城东南，1957一1958年在灰岩，白云岩中出现塌陷地震，震级3级。湖北恩施沐抚区大山顶一带1975年1月27日，当地群众听到地下有闷雷声，地面见有裂缝，宽1—2厘米，长数十至数百米，裂缝附近常见有漏斗或新近塌陷的坑洞，多属基岩塌陷，塌陷地震震级0.5—0.7级，影响范围南北长15—20公里，东西宽2一10公里。

（二）岩溶塌陷的共生现象

岩溶地区在自然和人为因素作用下除产生塌陷外，还可由于自身所具有的条件出现与之共生的地面变形现象，如沉陷和地裂。它们与塌陷没有必然的成因联系，而是与塌陷不同的另一类变形现象，认识它对于区别塌陷现象有着重要的意义。

1.地裂：岩溶地区可出现不同类型的地裂，除新构造运动形成的地裂可偶见外，较常见的是岩溶地区的红粘土中因具有胀缩性（遇水膨胀、失水收缩）而产生的地裂，并常使建筑物开裂损坏。另一类地裂是由于地面沉降而引起的，伴随地面沉降而出现和分布。沉降愈强烈，地裂也愈密集，其延伸长度由数十米至百余米不等。如江西乐平花亭锰矿在放水试验时伴随降出现地裂150多条，最大长度160米，可见最深2米。

2.地面沉降：

岩溶地区可出现不同类型的地面沉降，常见的一种类型是“脱水压密沉降”，如昆明翠湖公园因附近园通山人防工程排水，声溶地下水位有较大下降，该处上复的疏松饱水土层中除有39个塌陷产生外，公园内还普遍见到桥墩下沉、房屋开裂、湖堤外侧开裂等一些明显的下沉开裂现象，这是土层脱水压密的结果。江西乐平花亭锰矿复盖层为厚5～35米的红粘土和厚约5米左右的砂砾石层，1970年2月于一40米坑放水试验，降深32.5米，涌水量268升/秒，除产生82个塌陷外，在降落漏斗内侧约1公里范围内地面还产生沉降和开裂，其最大下沉量达360毫米，超过30毫米的沉降区面积约3平方公里。这也是因为砂砾石层的疏干压密和粘性土层脱水后固结压密的结果。另一类沉降是由于土层下密布细小的岩溶洞隙，使土层向下较均匀地流失造成的这种现象在石膏岩溶区最为典型。

以上内容均根据学员实际工作中遇到的问题整理而成，供参考，如有问题请及时沟通、指正。