我国岩溶塌陷研究报告综述

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1、-第 18 卷 第 3 期中国地质灾害与防治学报Vol . 18No . 32007 年 9 月The Chinese Journal of Geological Hazard and ControlSep .2007我国岩溶塌陷研究综述丽芬13,曾夏生5,运生13,廖武林1411111430071 ;(1中国地震局地震研究所 ,430071 ; 2 地壳运动与地球观测试验室 ,3 中国地震局地壳应力研究所创新基地 , 430071 ;4中国地震局地球物理研究所 ,100081 ; 5中南勘察根底工程 ,430081)摘要:随经济的不断开展,对岩溶区资源的开发日益增强,由此引发的岩溶塌陷问题也

2、日趋频繁、严重,已成为岩溶区可持续开展的一大障碍 ,有效减轻其造成的危害势在必行。文章根据近年来国外岩溶塌陷的研究现状及开展 ,概述了岩溶塌陷的三大形成条件 :一定发育程度的岩溶、上覆盖层、岩溶地下水系统; 以及中国岩溶塌陷的时空分布规律 ,分别举例例证了它的几种成因机制 ,如重力致塌、潜蚀致塌等。由于其突发性及危害性 ,有必要对岩溶塌陷的预测防治进展深入研究 ,做到防灾减灾。基于此 ,总结了中国岩溶塌陷的监测预报和平安评价等方面的新方法和措施等。针对塌陷的形成条件、塌陷现象或其危情的存在状况及其危害性 ,归纳了有针对性的防治措施。关键词:岩溶塌陷;成因机制;监测预报;防治;平安评价文章编号:

3、100328035 (2007) 0320126206中图:P642125文献标识码:A. z.-1岩溶塌陷概述据不完全统计 ,全球已有 16 个国家存在严重的塌陷问题。就我国而言 , 可溶岩分布面积达 365 万 km2 ,占国土面积的 1P3 以上 ,是世界上岩溶最发育的国家之一 1 。岩溶塌陷分布围也相应很广 , 见于22 个省区 ,以南方的桂、黔、湘、赣、川、滇、鄂等省区最为发育;北方的冀、鲁、辽等省也发生过严重的岩溶塌陷灾害 2 。岩溶塌陷的产生 ,使岩溶区的工程设施 ,如工业与民用建筑、交通干线 ,矿山及水利水电设施等遭到破坏 ,还造成岩溶区严重的水土流失并恶化环境。如1981 年

4、 5 月 8 日发生在美国佛罗里达州的 Winter Park 的巨型塌陷 ,直径 106m、深 30m ,毁坏街道、公用设施和娱乐场所 ,损失超过 400 万美元。1996 年 1 月28 日发生于市市中心的体育场塌陷 ,塌陷坑直径 915m ,深度5m ,造成邻近整个商业街关闭15 天 ,营业额损失近千万元。1981 年 1 月 3 日发生于*玉林分界的塌陷 ,共形成塌陷坑 400 多个 ,使 517hm2 农田被毁 2 。2000 年 3 月 ,安溪县湖上乡岩溶塌陷造成多处山上梯田破毁 ,经济损失达 390 余万元 3 。2岩溶塌陷的形成条件岩溶塌陷的形成 ,通常必须具备三个条件: 下部

5、有岩溶地层 ,有溶蚀的空间(溶洞或土洞) ,为地下水和塌陷物质提供存储场所或通道;上部有一定厚度的盖层 ,盖层可以是基岩 ,也可以是松散土层;其三是产生岩溶塌陷的主导因素 致塌作用力。211空间条件岩溶是漫长的地质历史所形成的。可溶岩中普遍存在的垂向岩溶是其上方岩土体中物质在水的入渗作用下发生的垂直通道 ,而层状岩溶、构造岩溶和层间岩溶 ,既是垂直通道运移来的物质在水动力作用下进一步运移的水平通道 ,也是当溶洞开展到一定规模时直接容纳冒落和塌陷物质的空间 ,它控制了岩溶塌陷的分布 4 。简言之 ,洞隙是塌陷产生的根底 ,是地下水和塌陷物质的存储场所或通道。岩溶洞隙主要分布于构造断裂带、褶皱轴部

6、、相对易溶的地层岩性地段 ,或者与非可溶岩接触地带。如碳酸盐岩分布区 ,岩溶普遍发育 ,加上雨量充沛 ,浅部岩溶洞隙由于地下水活动频繁 ,连通性较好 ,地下往往形成错综复杂的洞隙网络系统 ,岩溶通过各种途径与向上开口的溶洞裂隙连通。这些向上开口的溶洞裂隙 ,是承受塌陷物质的门户和窗口 ,是塌陷产生的重要因素 5 ,6 。212岩溶塌陷的物质条件收稿日期:2006211216 ;修回日期:2006212223作者简介:丽芬(1981) ,女,硕士,现从事水库诱发地震研究。. z.-第 3 期丽芬 ,等:我国岩溶塌陷研究综述127. z.-岩溶地面塌陷是盖层土体在各种致塌因素作用下所产生的塌落现象

7、 ,盖层的性质根据其胶结程度分为岩石和土石两类。岩石指各种坚硬岩石 , 裂隙发育 ,具破碎性;土石主要为松散土石 ,是主要的塌陷盖层。从致塌条件分析 ,随土的颗粒变粗 ,其抗塌性能变差 ,随含砂量的增加 ,其抗塌性降低 ,均匀构造的黏土具有最好的抗塌性 6 。岩土体的厚度因受岩溶地下水动力作用的大小、可溶岩承受溶蚀的时间长短、区域构造升降运动的缓急等因素控制 ,随地区的不同其差异较大。一般来说 ,塌陷大多分布于上覆盖层较薄部位 ,盖层越厚越不易产生塌陷。213水动力条件有了基岩的洞化及较薄的盖层 ,并不一定就会形成塌陷 ,还要有岩溶系统渗流场中地下水动力条件的改变 ,这是产生岩溶塌陷的主导因素

8、 7 。地下水动力条件的改变,从*种程度上来讲就是使塌陷产生的作用力 ,即致塌力。这种力主要来自地下水位改变及水流产生的水、气作用力及岩土体的自重。由于水动力条件决定的岩溶洞穴扩展速率和上部岩土体物质转移的速率不同 , 岩溶塌陷有二种形式:一种是岩溶洞穴开展到一定规模时在重力作用下产生自然冒落 ,形成岩溶塌陷。岩溶洞穴容纳了塌陷体 ,在我国北方大多数都属于这种类型 8 。另一种是岩溶上部岩土体中薄弱部位在垂直入渗水动力和分界面水平运动水动力综合作用下形成土洞 ,当土洞发展到一定规模时 ,自然冒落形成岩溶塌陷 ,容纳塌陷体的是土洞而不是岩溶洞穴 ,据我国南方十省岩溶塌陷的资料统计 , 96117

9、 % 的岩溶塌陷属于这种类型 4 ,9 。总之 ,地下水动力条件的改变是塌陷形成的主要原因;而可溶岩浅部岩溶发育强烈 ,溶洞发育 ,第四系土层较薄 ,构造较疏松 ,地势较低洼 ,则是塌陷发生必须具备的条件。只有上述条件同时具备 ,岩溶塌陷才有可能产生。3岩溶塌陷的时空分布规律311空间分布规律31111在地形地貌上 ,主要发生于丘陵地带或中低山的山前 ,岩溶洼地及河谷低洼地段 ,特别是在河床沟塘及其两岸粗粒层分布地段。这里有利于地表水的聚集及地下水的补给 ,使地下水的潜蚀作用增强。岩溶塌陷随地下水抽排水量的增加和地下水位的降低而开展 ,多位于地下水的疏干漏斗 ,并随漏斗的扩展而变大。还多产生于

10、浅部隐伏岩溶发育地段 ,特别是开口型岩溶形态发育地区 10 。31112在地层构造上 ,塌陷的产生与第四系岩性有关 ,第四系主要为松散冲积层 ,易产生塌陷。在第四系岩性大体一样的情况下 ,塌陷则往往发生在土层厚度较薄的地段。这些地段 ,由于地下水的潜蚀搬运作用 , 土层自然应力拱易失去平衡 , 引起地面塌陷 7 ,10 ,11 。31113岩溶塌陷多受地质构造控制 ,多沿断裂构造带分布。可溶岩的性、扭性断裂带岩石破碎 ,裂隙特别发育 , 往往是地下水补给、径流、排泄的通道 12 。当抽排水时这些地带特别易产生塌陷 , 产生的塌陷规模大且塌陷的延伸方向与构造线方向一致。31114在地质开展史上

11、,主要出现在浅层岩溶作用强烈的时期。312随时间的变化规律塌陷随时间的变化规律主要受塌陷水位变动的控制 ,在抽排水初期 13 , 首先塌陷的是漏斗中心部位 ,因为此时漏斗中心部位的水位变动最大; 之后随地下水降落漏斗的扩展 ,塌陷围也扩大 ,其开展具有向源性。一般自然塌陷多发生在雨季、降雨后期和春耕泡田季节 14 ,这个时期是地下水强烈变动期。4岩溶塌陷成因机制分析岩溶塌陷按产生的原因 ,可分为自然塌陷及人为塌陷。按岩溶塌陷成因机制分析 ,其产生的根本原因是盖层的局部土体受力失稳破坏 ,塌陷体受到的致塌力超过抗塌力。由于所处的地质环境和引起塌陷的作用不同 ,对一个岩溶塌陷来说 ,不可能同时受到

12、上述所有力的作用 ,因受力状态不同 ,产生的力学效应不一样 ,却有不同的成因机制 ,形成不同的致塌模式 ,所以岩溶塌陷的形成是多机制的。如省市*塌陷 ,该塌陷缘于隐伏灰岩岩溶洞穴发育和地下水位下降。尤其是当岩溶水位处于岩溶水含水层顶板附近并上下波动时 15 ,灰岩以上第四系松散沉积物由于脱水、真空吸蚀、遭受岩溶水冲刷等作用而发生坍塌 ,从而产生土洞 ,并进一步涉及地表附近 ,当土洞以上土体无法承受上覆盖层重量时即形成地面塌陷。省江山市城区石头山组 ( C22P1s) 灰岩分布广 ,并构成北东向向斜构造的核部 ,同方向的压性断裂和北西向性或扭性断裂构造也十分发育 ,为岩. z.-中国地质灾害与防

13、治学报128ZHONGGUO DIZHIZAIHAI YU FANGZHI *UEBAO2007 年溶塌陷的形成创造了有利的自然条件。当石灰岩、向育到达一定规模后 ,因重力负荷作用而垮塌 ,进而导斜构造、断裂构造 ,特别是断裂构造穿插同时叠加时 ,致上覆柱状节理发育的玄武岩也垮塌 ,从而形成如今地下水十分丰富 , 水交替作用频繁 , 岩溶漏斗、落水的半边式岩溶洼地 19 。洞、管道状暗沟或暗河等岩溶形态发育 ,地质构造非省枣庄市是北方岩溶塌陷的主要发育区之常脆弱。在这些地质构造脆弱地段 ,其上又有砂性土一。该区岩溶塌陷主要分布在十里泉水源地及丁庄层覆盖时 ,可因干旱或干旱后暴雨、震动等自然因素

14、一东王庄水源地地下水降落漏斗中心围 ,第 1 阶的影响而发生岩溶塌陷 16 。段岩溶塌陷主要原因为抽排地下水引起的“真空吸蚀南伞盆地区地下水位升降幅度较大 ,雨季地作用及“失托加荷作用20 ; 后阶段塌陷主要原因是下水位升至地表 , 枯季下降至地下暗河中。雨季期降雨入渗诱发产生的渗压效应。渗压效应是由于降间 ,由于降雨影响地下水位频繁升降产生压力差 ,对水(或地表积水) 入渗补给岩溶地下水时 ,对覆盖层岩溶洞、溶隙开口处上覆土体产生潜蚀、渗压和真空吸土体产生的综合效应 ,包括静水增荷效应、垂直渗透蚀等作用或在土洞产生气压作用 , 并通过地下暗效应 ,吸水软化效应以及负压封闭效应。河、溶洞将土质

15、排走 ,从而形成了土洞发育、塌陷的主*省市西城区岩溶塌陷土洞的形成、开展要开展演化过程 17 。直至产生塌陷的过程 ,实质上是岩溶空隙之上土层在省市城下水下降漏斗区 ,由于含水地下水位变动带及其以下地带遭受潜蚀、吸蚀及散解砂层已被排干或大部排干 ,加之垂直方向上不均匀静脱落 ,土层成份不断转移到流动的地下水中 ,不断地压力作用 ,已被排干的饱和砂层不断压实 ,体积缩小 ,被地下水搬运而形成土洞 ,并逐渐扩大 ,使土洞顶板地面会出现不均匀沉降及裂缝 ,溶洞顶板较薄的部位厚度变薄 ,在其他力(如重力等) 作用下 ,最后洞顶产失去自撑力造成岩层塌陷 18 。生塌落的过程 21 。金沙江溪洛渡电站区由

16、于本区第四纪以来 ,地壳综上所述 ,岩溶塌陷的成因机制可分为以下几种一直处于间歇式强烈抬升 ,金沙江相对快速下切 ,造(表 1) : 重力致塌模式; 潜蚀致塌模式; 真空吸成两岸地下岩溶水系统水力坡度极大(200 ) ,溶蚀、蚀致塌模式; 冲爆致塌模式; 振动致塌模式; 荷冲蚀能力很强 ,岩溶发育很快。当下伏灰岩中洞穴发载致塌模式; 溶蚀致塌模式; 渗压致塌模式。表 1岩溶塌陷的致塌模式 1Table 1 The model of karst collapse致塌模式重力致塌潜蚀致塌真空吸蚀冲爆致塌振动致塌荷载致塌溶蚀致塌渗压致塌积水、干旱、表抽水、矿坑排 坑道排 ( 突)暴雨、洪水、水地震爆

17、破、机械工程荷载、水 表水下渗、易主要诱因(污) 水下渗水、积水、表水 水、水库放库蓄水振动、水压波 库蓄水溶岩溶蚀降雨入渗下渗(漏) 水动、气压波动致塌力 自重力自重力自重力、吸蚀 气压力、水击 自重力自重力自重力自重力渗透压力力、扩溶力压力、静水压振动力荷载力(渗透压力)(渗透压力)受力情况抗剪力抗剪力抗剪力自重力、抗剪 抗剪力、抗剪力抗剪力抗剪力抗塌力聚力聚力聚力力、聚力聚力聚力聚力聚力. z.-5岩溶塌陷监测预报及平安性评价511岩溶塌陷的监测预报目前 ,岩溶塌陷的监测方法归纳起来可分为直接监测法和间接监测法两类。直接监测方法就是通过直接监测地下土体或地面的变形来判断地面塌陷的方法 ,

18、如监测地面沉降、地面和房屋开裂等常规方法 ,以及地质雷达和光导纤维等监测地下土体变形的非常规方法。间接监测方法主要有岩溶管道系统中水(气) 压力的动态变化传感器自动监测技术 22 。经过多年的研究和实践发现 , 采用监测地面沉降、地面和房屋开裂的方法来监测塌陷 ,效果并不好。而且地质雷达监测费用昂贵 ,比拟适用于短距离、小围监测;光纤监测法适用于各种线状工程监测。为此 ,雷明堂等在地质大调查工程支持下 ,以模型试验结果为根底 ,提出了以岩溶管道裂隙系统水(气) 压力监测为主、固定测线的地质雷达定期探测为辅的适于由地下水触发的岩溶塌陷的监测方法 ,并取得了较好的效果。研究发现 ,岩溶水气压力变化

19、对塌陷具有触发作. z.-第 3 期丽芬 ,等:我国岩溶塌陷研究综述129. z.-用 ,可以此作为衡量塌陷发育的临界条件。这就意味着通过对岩溶管道系统的水(气) 压力的动态变化进展观测 ,可以到达对塌陷进展预报的目的。如*柘木村 23 ,24 的岩溶塌陷 ,就是在这一理念的根底上进展监测的。研究说明 ,地下水是岩溶塌陷发育的动力因素 ,岩溶水压力的变化 ,尤其是突发性变化与岩溶塌陷的发生有密切的关系; 另一方面 ,工作区塌陷的发生 ,也是岩溶地下水压力发生急剧变化所致。因此 ,监测工作将重点放在对岩溶系统的水(气) 压力以及第四系孔隙水压力实施连续监测上 ,同时 ,采用定期用地质雷达沿固定测

20、线扫描的方法 ,监测地下异常区的变化。在产生岩溶地面塌陷的隐伏灰岩区 ,建立具一定密度的岩溶水监测网络 ,对岩溶水位、水质进展监测。当岩溶水位下降至第四系底部时 ,应加密监测。并及时整理监测资料 ,做出等水位线平面图 ,了解岩溶水运动方向;当岩溶水位快速下降、单井涌水量骤减甚至岩溶水浑浊时 ,根据监测资料结果划定隐伏土洞形成围及可能塌陷区围。512平安性评价进展岩溶塌陷平安性评价是城市总体规划中一项关键的根底工作。关键是找到各种影响因素对综合指标的非线性综合奉献。传统的方法是统计确定各种影响因素与塌陷的关系 ,并在以上工作根底上 ,采用模糊综合评判或灰色聚类分析方法进展稳定性分区。由于影响因素

21、与塌陷的关系不能简单地用线性关系或用权重系数代表 ,传统的方法已难以胜任岩溶塌陷的预测评价工作 ,给岩溶塌陷的平安评价工作带来很大困难。朱庆杰等 25 ,26 应用人工神经网络方法对市的岩溶塌陷进展了平安性评价 ,突破了传统线性分析方法的局限 ,建立了岩溶塌陷平安评价的多元非线性定量评价模型。评价方法采用人工神经网络方法 ,该方法是建立平安评价模型的较好方法。通过分析影响因素与岩溶塌陷的非线性关联关系 ,可以对岩溶塌陷做出平安评价。6岩溶塌陷的防治 2731 近年来 ,日趋严重的岩溶塌陷已经引起国家和地方的高度重视 ,有效减轻岩溶塌陷危害已成为一个亟待解决的重要问题。塌陷灾害的防治 ,其途径都

22、是要首先查明塌陷的形成条件、塌陷现象或其危情的存在状况及其危害性 ,然后采取有针对性的防治措施。611根据塌陷形成的根底条件(溶洞、土洞和较薄盖层) 可相应地采取两种措施: 加固盖层 ,防止雨洪对松散土层的浸泡; 充填溶洞 ,如采用注浆等手段 ,或对已出现的塌洞用混凝土封盖;612根据塌陷触发条件(地下水动力条件改变) ,可采取以下措施: 注浆封闭井下大的出水点 ,缩小排水量; 对地表水进展铺底 ,对洪水采取拦洪泄洪 ,对低洼地区排除积水; 建立截流帷幕 ,切断外围补给水源 ,缩小地下水降落漏斗 ,限制塌陷围开展;613根据塌陷的成因 ,治理的依据就是减弱塌陷力 ,增加抗塌力。岩溶塌陷的处理方

23、法很多 ,主要有堵填法、跨越法、强夯法、灌注法、深根底法、控制抽排水强度法、疏排围改综合治理法、恢复水位法、气压力法等 ,其中较常用的方法为堵填法、跨越法、深根底法、灌注法。总之 ,岩溶塌陷的治理应采取防、治结合。如做好地面水系的疏排、调整抽排水方案、建立塌陷前兆监测网、工程选址时避开塌陷发育且尚有活动迹象的地段等。治理主要是针对塌陷发育的三要素进展堵截水流、强化土层和洞穴充填物、填堵岩溶通道等。参考文献 : 1 康彦仁. 岩溶塌陷的形成机制J . 广质. 1989 , 2(2) :83 - 90. 2 雷明堂 ,小珍. 岩溶塌陷研究现状、开展趋势及其支撑技术方法J . 中国地质灾害与防治学报

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26、O2007 年防治J . 地质 ,1997 ,13 (2) :79 - 83.溶. 2005 ,4 (2) :103 - 108. 1 传正. 我国岩溶塌陷分布规律的探讨J . 中国地质灾 23 雷明堂 ,瑜 ,小珍 ,等. 岩溶塌陷灾害监测预报技术害与防治学报 ,1997 ,SO (增刊) :11 - 17.与方法初步研究 以市柘木村岩溶塌陷监测为 13 王滨 ,贺可强 ,高宗军. 岩溶塌陷发育的时空阶段分析例J . 中国地质灾害与防治学报. 2004 ,15 ( SO) : 142 -J . 水文地质工程地质 ,2001 , (5) :24 - 27.146. 14 凯栋.省岩溶塌陷类型及

27、形成分布规律探讨 24 雷明堂 ,等. 柘木岩溶塌陷监测预报 A . 中国岩溶J . 地质. 1990 ,7 (3) :204 - 215地下水与石漠化研究 M .: *科技 , 15 高宗军. 岩溶地面塌陷形成机理与防治对策J .2004.中国地质灾害与防治学报 ,2001 , 12 (4) :73 - 76 25 朱庆杰 , 幼坡 , 廷全. 市岩溶塌陷平安评价 16 林清 ,帅 ,郭福生. 江山市城区岩溶塌陷研究的遥J . 中全科学学报 ,2004 ,14 (2) :91 - 94.感应用J . 东华理工学院院报 ,2005 ,28 (2) :119 - 124. 26 朱庆杰 ,卢时林

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30、防治 J . 岩土工程界 ,22 ,等. 岩溶地面塌陷监测技术与方法J . 中国岩2004 ,7 (4) :72 - 74.瑜11Revie w on karst colla pse in China1511212122ZHANG Li fen13, ZENG *ia sheng5, YAO Yun sheng13,L IAO Wu lin14(1Institute of Seismology , CEA , Wuhan 430071 ,China ; 2 Crustal Movement Laboratory , Wuhan 430071 , China ;3Wuhan Base of In

31、stitute of Crustal Dynamics , CEA , Wuhan430071 , China ;4Geophysical institute , Beijing100081 , China ;Investigating and Foundation Engineering Co . Ltd in Middle South , Wuhan 430081 , China)Abstract :With the continuous economic development of the karst area , resource development has increased

32、, and problemsalso have bee more and more serious. The karst collapse has been a major obstacle to sustainable development in karst area . So the task of reducing the harm effectively is imperative . According to the research of karst collapse at home and abroad in recent years , the paper outlined

33、three formation conditions : karst with certain development , overlying rock and soil , and the karst groundwater system ; and the distribution of karst collapse of China . Several e*amples illustrate its mechanisms. It is necessary to have further study on karst collapse prevention and forecast . B

34、ased on this , the paper summarizes the new methods and measures of monitoring , forecasting and safety evaluation of karst collapse . In view of the formation conditions of collapse , the phenomenon and its danger , the targeted prevention measures also have been summed up in order to have certain significance to the future management of karst collapse .Key words : karst collapse ; genetic mechanism ; monitoring and forecasting ; safety evaluation ; safeguard. z.