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1、论岩溶塌陷形成的致塌模式康彦仁?地 矿部岩溶地质研究所,桂林? ? ? ?提要岩溶塌陷是塌陷体受到的致塌力超 过抗塌力而产生 的,各种致塌力可以形成多种力学效应,构成不同的致塌模 式。因此,塌陷的形成应该是 多机制的。据对全国? ?多个 塌陷点的研究,有重力致塌式、潜蚀致塌式、冲爆致塌式、真空吸蚀致塌式、振动致塌式、荷载致塌式、溶蚀致塌式、根 蚀致塌式等八种基本的致塌 模式。岩溶塌陷是岩溶 地区常见的一种动力地质现象,在人类的经济一工程活动参与岩溶地区环境的利用改造中,岩溶塌陷己变得十分频繁和活跃,使岩溶塌陷成为岩溶地区一种十分或要的环境地质问题或地质灾害。它破坏建筑 物及建筑设施、影响生产,
2、危及人民的生命财产安全,每年造成的经济损失可达 数千万元?它恶化环境?影响城乡发展,咸协或影响资源的开发利用。中国的岩溶塌陷见于?个省区,北自黑龙江,南达海南,西到青海察尔汉盐湖,东到南京、杭州一带,已发现塌陷点? ?。多处,塌坑总数 在?万个以上。这些塌陷点主要分布于我国东部及长江以南地区碳酸盐岩连片的 区域。其 中,尤以广西分布最多。各种塌陷以土层塌陷居多,基岩塌陷少见。按塌陷 产生的原因,有由于降雨、干旱、洪水、地震等 自然作用引起的自然塌陷,亦有由于人类抽水、坑道排水、蓄水、灌溉、振动、加荷等经济一工程活动影响下产生的人为塌陷。岩溶塌陷的形成,一般来说,都要经过由溶洞。塌陷?慕岩塌陷?
3、,或 由浓洞、土洞?塌 陷?土层 塌陷?的过程。在塌陷体陷落 的过程 中,往住要受 到多种因素、多种力的影 响和作用,产生多种致塌效应,当致塌力超过抗塌力时,塌陷便产生形成。一般情况下,致塌力包括岩土体 自重 力、地下水的垂向渗透力和侧向渗透力、岩土体空隙中气体 的正压 力或负压力、振动力?抗塌 力包括岩土体的内聚力、塌陷体周边摩阻力、地下水的浮托 力。对于一个塌陷?坑?来说,不是同时受到上述所有力的作用、而是依其本身所处的地质环境和引起塌陷的因素不同而异。由于受力状态不同、产生的力学效应不一样。因而有不同的形成机制,造成不同的致塌模式。除个别情兄以由一种致塌力产生单一的致塌效应形 成塌陷分,
4、 一 大数情况下,都是多种力综合影响或叠加作琪扮两种以上致塌效应,导致塌陷的形成,虽然共?绷?主 导作用的致塌效应,因此,可以说?岩溶塌陷丫?成是多机制的。单一成因理论如 潜蚀论、液化沦空吸蚀论,只能解释某些特定条件下所形 成 丫从从各种致塌力的作用,可以形成重力效应江魏蚀效应、失托增荷效应、真空吸蚀效应、水气汉一勺应、水击效应、振动破裂效应、振动液化效应效应、水位波动解散效应、溶蚀效应、根蚀效? ?种致塌 效应,以前五种效应常见,影响最大是少对全国? ?。多个塌陷点的研究,可归纳出下述、弃本的致 塌模式。?重力致塌式岩溶地区溶洞、土洞顶板,由于我?卜休、私一丁作用,产生的重力效应使其破坏,逐
5、层剥淤乞衫?陷,造成塌陷的过程和现 象,称为重力致塌投大成的塌陷称重力式塌陷。重力式塌陷,主要产生于地下水位埋藏较?冤?洞土洞发育的地带。其坑墙一般陡直,形成?几粉、一?溶区的重力式土层塌陷,有时也呈口小肚大之碳又辱力式塌陷是基岩塌陷的最市要模式,很多的古 塌 比策属这种模式形成。典型 的重力式塌陷,如广西介扭弯弓基岩塌陷,发育于二叠系合山组灰岩 中,叮犷平缓,裂隙 发育,下部有?。一刘?高的溶泪,掀板灰岩长期遭受风化作用,岩石变得 软弱破砰成?左右块体。在重力作用下于? ? ?年王?获陷落,形成长 ? ?。,宽? ?,深? ?多?的大?一 如一竖井。产生时发出 巨响,尘土冲天。?潜蚀致塌式覆
6、盖岩溶地区土层,在地下水流的渗流作?当其获得的实际水头值?渗透压力?或水力坡搜大,使土层产生机械潜蚀?管涌?或流土等河扮用,引起土层破坏,形成土洞,导致塌陷的过程一象,称 潜蚀致塌模式,产生的塌陷,叫潜蚀式塌犷?潜蚀式塌陷,除主要受到渗流潜蚀效应夕卜?到失托增荷效应、重力效应 作用,有时也受到人一二水文地质工程地质? ?年第? ?卷第?期一动解散效应影晌,而加速塌陷的形成。据计算,土层全消失时,土体增荷比率可达? ?一? ?。厅一? ? ?,地下水位埋深?,当地下水浮托力完扩展。负压力对土体的吸 蚀破坏作用和现象,称为真空吸蚀效应。由此产生塌陷的过程,称吸 蚀致塌模式。潜蚀式塌陷的形成,重要的
7、是地下水的垂向渗透力和集中渗透点的 作用?图?。因为垂向渗透力 是,讯甲?那巧平, 矽, 喃, 刃阶铆饰一一 一一?一, ? 叻?一?窄瞬卜心圈?集中渗透点示愈图?原地下水位? ?土层中滞后降低的地下水位,? ?降低后的岩溶地下水位,人、?、?集中渗透点。土体获得的实际水头值,在集中渗透点附近,水流集 中,流速最大,潜蚀作用最强,有利于土洞塌 陷 的形成。潜蚀式塌陷是土层塌陷形成中最主要 的陷塌模式?吸之一,它可以在一次或 多次潜蚀作用下形成。土层可因地下水的反复升降,受到多次潜蚀作用,而在土层 中形成土洞 发育带。该类塌陷通常具有口小肚大的坛状,平面形态多为圆形。常 出现于岩溶洼地、谷地、平
8、原的低洼地 带,由地表水下渗引起。也常于坑道排水、抽水井的 中心地带或水库的漏水点附近见到这种潜 蚀 致 塌 现象。如广西河池某厂,在刚推平的亚砂土地墓上,因排水不畅,一场大雨后,雨水下渗产生潜蚀作用和土 体容重增加,使土洞向上发展,场地中突然产生?个塌坑。又如合山河里矿区东望、俊口两水库一带,出落下二益统灰岩,岩溶发育,搜盖土层厚?一?,由 于扩坑排水,地下水位最深下降达? ?多?加 速了潜蚀作用,水库不能蓄水,井在库内及交通沿线产生塌坑?的多个。桂林东郊在加多。厚的班盖岩溶区抽 取岩溶水,由于地下水的潜蚀作用,从井水变浑?多小时后,相距水井? ?一? ?地面产生? ?。直径塌坑。夔?真空吸
9、蚀致塌式在封闭较好的岩溶空腔中由于地下水的重 力 作用,高速水流的吸气作用和过水断面由窄变宽的改变等,造成的真空负压状态?图?,一方面对真空腔 璧产生一种吸蚀力,使土体产生宏观的剥落破坏?一 方面是使土体内原始的空隙向真空腔产生一 种扩溶力,使土体炸裂、扩容,为达到能量的平衡而引起土 体微观的破坏,这种破坏由真空腔周壁迅速向土体内 水文地质工程地质?曲?年第拍卷第?期图?岩溶管道中负压状态产生的?种条件?。水位下降,地下水重力作用形成 负压?腔?,?过水断面由窄变宽产生负压?高速水流引起水流抽气尸作用形成负压。?据苏建三等?岩溶地区地表溶洞、竖井、落水洞中见 到的 吸气、地鸣等现象,是负压力存
10、在的佐证。一些暗河天窗、竖井等,多有这种吸蚀式塌陷的成因。矿井突水中地下水位迅猛下降,常可产生吸蚀效应。江西丰城煤矿六庄矿,放水期间在刚打开? ?号放水孔时,地下水以? ?滋出,开闸?分钟在其南? ?的地 面,出现一直径? ?多米的大塌坑,并发出较大的响声,实层吸蚀式塌 陷。又如湖南凤凰县樱桃坳水库,为封闭溶佳中八个落水洞和暗河进口建成的,库内最大水深达? ?图?,用?号洞滋流,开 始滋优时,?号洞附近冒气饱,发生气鸣声,随后即产生涟润泥水,形成塌陷。后来在?号洞装了通气卧管,水库才蓄水成功。每当?号洞滋流时,通气管就大呈向洞内吸气。这实质上是高速水流产生的吸气作用形成的负压引起的塌陷。电引水
11、润图?极挑坳水库 平面图吸蚀式塌陷主要受真空吸蚀效应作用,但在从土润至塌陷的过程中,童力效应及由真空吸蚀作用弓? 起的诊沈蚀变作用也有? 定影响。这种塌陷,形态以园一?一形井状或坛状的为多,伴随吸蚀式塌陷产生,有时可听到震响。?冲爆致塌式储 集于溶洞、管道及土 洞中的高压气团及强大的承压水头,有着巨大的能量,当其超过岩溶空腔顶板允许强度时,会冲破岩土体产生爆裂,出现爆破声及水气冲击的呼哨声,并有喷水、喷砂现象,接着在岩土体 自重及水流作用下引起塌陷。这种由高压气团引起的破坏作用和现象,称为冲爆效应。导致塌陷的过程,称为冲爆致塌式。冲爆式塌陷多出现于地下河的中下游或饱气带厚度较大的地段。不 合理
12、 的封闭通气的落水洞、夭窗建成的中小型水库,常产生冲爆式塌陷,影响水库的运营 和安全。例如,湖南慈利县余湖水库,建于中三叠统嘉陵江组灰岩之上,堵塞三个岩溶洼地中落水洞成库。蓄水后,由于 地下水引起的强大静水压力和高压气团,产生冲爆作用,在库内冲破堵体,造成?一?高水柱,引起塌陷,后装了排气装置,水库 才 正 常运行。广西玉林分界塌陷,在其初期,由于早期塌陷陷落后 的大量土石,充填岩溶洞 隙,并使其 中水气振动,形成高压气团和承压水头,在塌陷区边沿桥头村、大湾塘一带出现?一? ?个喷水喷砂塌坑。喷 出 水柱高?一?,洞口附近有砂砾、螺壳、鱼骨、树枝等,这是冲爆致塌的典型实例。?振动致塌式当地震、
13、爆破或机械车辆振动时,由于各种振动波作用,在岩土体 中产生破裂位移、压密下沉、振动溶化、塑流变形等破坏效应,由此导致 塌 陷 形 成 过程,称为振动致塌式。其 中重要的是要有破裂位移或振动液化效应 出现,造成岩 土体强度降低并 使之陷落。营口地震时,就使弧山乡覆盖 岩 溶区产生? ?多个振动液化式塌坑。广西贵县良吴村,? ? ?年抗旱挖泉中,在一泉口附近用? ?炸药爆破石炭系岩溶强烈发育的灰岩,引起爆破点附近地面多处塌陷。进而造成? ?。多个塌坑,迫使良吴村迁移。这里早期形成的塌陷,就是由于爆破产生的破裂位移效应而导致塌陷产生的。在浙赣线分宜车站的数十个塌坑,除主要由抽水的潜蚀作用形成外,有?
14、 ?个直接位于枕 木头 及道心下,说明火车的振动作用,也是主要的导因。认荷载致塌式由于溶洞?土洞?上部荷载增加,产生 的附加应力超过了溶洞?土洞?顶板的允 许 强度时,压穿溶洞、土洞的过程和现象,称为荷载效应。由此导致的塌陷,叫荷载致塌式。典型的实例,如广西柳州纺织印染总厂沉渣池,建于土洞发育区,刚建好级“一烹混泥土立柱,一夜之间压穿 土洞,造成止了介?的两个塌坑,致使工程停建。水库蓄”,力为库盘,也是一种较大的荷载,同样可林穿引起 塌陷,库水漏失。?溶蚀致 塌式在含可溶盐成份较高的土层中或一些左区,因地下水?包括排放的酸 碱废液?的沐 他、住?用,使地下溶洞扩大或解散土体,造成岩上坏游一现象
15、和过程,称溶蚀效应。并在岩土体自重乍?导致的塌陷,叫溶蚀致塌式。青海省察尔汉 饮声?石盐 晶间卤水,矿化度虽达? ?一? ?、, , ?扮、?有一定的溶解能力,因而使石盐层空洞扩凡一?地面塌陷。广西桂林造纸厂废酸性水漏 失,? 井兴?层 中的可溶盐成份,解散了土体,引起多介酥生,在制水车间的塌洞、造成水罐倾倒,工犷存?根蚀致塌式在岩溶洼地,谷地中,或 中小型水库区,榨?一艰茎埋伏地下,当其腐烂分解形成空洞,导致渗 菠粼 浊效应或荷载效应产生,使土层向岩溶空间漏失,?趁塌陷的过程,称 根蚀致塌式。它常是洼地中落 仁卜侣塞积水,复又陷落疏干的直接原因。四 川垮连趁一于过这种报导。现将各种致塌模 式
16、简化以图表示?图?胶胶吸?式式查为?旧旧泪艘 掀娜娜节瞥瞥?一一 ?“主主皿由发 旅 函函职 水?千 ? ? ?抽 水、 犷 峡峡 坑 月碍 盆书内书水水镶?彼彼?工。 。琅琅琅 吧汤 水水姆水积积水 水库 放放、尽惬水水权喊拐动动?” 下下下艰艰水? 城 污? ? ?口?水水水水水友友友友飞泪泪泪泪泪泪吸吸吸脸胭力力自 盆 力力粼飞飞薰薰匀厅厅昙 或 交交昆么二二髯干干力力力力力力力向 止手终 月月月月月怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕怕况况况护用六六伙的力力杭帅力力拱 勇力力奥 禁几几织剪 力力饮 勇九九犷 必必? ? ?式式式式式、寸尸尸尸? ?飞飞飞昭昭胭胭胭胭胭胭胭胭胭胭胭胭胭胭鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫蕊蕊
