第六章 主要城市岩溶塌陷

第六章全国主要城市岩溶塌陷

岩溶塌陷是指岩溶洞隙上方的岩土体在自然或人为因素作用下发生变形破坏，并在地面形成塌陷坑（洞）的一种岩溶动力作用与现象。

一、岩溶塌陷的危害

近年来，随着岩溶区国民经济的飞速发展，土地资源、水资源和矿产资源开采的不断增强，岩溶塌陷问题日益突出，严重妨碍了城市经济建设与发展。岩溶塌陷可毁损民房，毁坏建筑及农田，破坏铁路、公路、桥梁等交通设施，威胁人民生命安全，交通矿山、水电工程、军事设施、农业生产、城市建设及人民日常生活深受其害。据不完全统计，全国有40余座矿山、25条铁路先和数百座水库长期遭受岩溶塌陷的困扰。

例如：1979、1985年贵昆线铁路因岩溶塌陷先后发生了2次列车颠覆事件，直接损失2000多万元；1999年广西合山电厂塌陷，大量的煤灰水溃入使朔河矿矿井被淹；安徽淮南的岩溶塌陷造成近百亩果园农田被毁；湖南娄底的矿区岩溶塌陷破坏房屋374幢、农田600公顷、桥梁4座并造成66个泉点干枯断流；广西玉林的岩溶塌陷威胁人口437多人，潜在经济损失达1935万元。

二、主要城市分布规律与岩溶发育特征

2.1 岩溶塌陷的分布规律

我国可溶岩分布面积达365万Km2，占国土面积的1/3，是世界上岩溶最发育的国家之一。岩溶类型划分有不同的原则。可溶岩的出露状况，例如裸露、半裸露、覆盖和埋藏的情况不同，相应岩溶的发育情况也有很大的差异性。中国岩溶主要类型分布如图1所示。

本次综合研究中有14个省区的68个城市存在岩溶塌陷，共计1312处（图2）。塌陷以南方的广西、广东、浙江、湖南、江西、云南等省区最为发育（图3），上述六省发生数量已达1089次，占本次统计的83%。

从地貌上看，岩溶塌陷多分布在峰丛洼地及谷地地貌中，从地形上看，岩溶塌陷多分布在低山区、河谷平原区及溶蚀丘陵区。

图1 中国岩溶主要类型分布图（引自《中国喀斯特---奇峰异洞的世界》，卢耀如著）

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图2 岩溶塌陷在各城市的分布数量图

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图3 岩溶塌陷在各省区的分布数量图

岩溶塌陷的分布受构造（图4）和地层岩性影响也很明显，多沿断裂影响带和背斜、向斜轴部及两翼发生，岩性为纯灰岩的地区也较易发生，例如广西自治区河池市、来宾市、南宁市的岩溶塌陷多发生于构造活动地带。岩溶塌陷的分布于地下水活动也有密切关系，地下水活动强烈的岩溶发育地段，塌陷发生的几率很大，表1中可以看出抽取地下水引起的岩溶塌陷数占总量的51.8%。

（引自《中国喀斯特---奇峰异洞的世界》，卢耀如著）

（a）构造节理控制洞穴通道发育（b）紧密背斜控制暗河发育（c）断裂控制洞穴暗河及泉水的发育（d）节理控制垂直岩溶通道的发育（e）向斜控制暗河系统的发育（f）横向张性裂隙控制暗河发育。1.洞穴通道；2.大谷地；3.洼地与落水洞；4.裂隙及垂直洞穴；5.伏流入口；6.暗河地下通道与出口；7.断层；8.背斜轴；9.向斜轴；10.碳酸盐；11.砂页岩；12.砂页岩间有少量碳酸盐岩

2.2 岩溶塌陷的发育特征

从岩溶塌陷的发育情况看，塌陷绝大多数分布于碳酸盐岩分布的岩溶强烈和中等发育地区，以土质塌陷为主，个别为岩质，规模以小型为主（图5）。

岩溶塌陷发育的同时会伴生一些现象：

a．地面下沉开裂；在岩溶地区，围绕塌坑常常有一些环状裂缝或局部下沉现象，它们有时伴随塌陷产生，有时成为塌陷的前兆。如昆明翠湖地区公园内可普遍看到桥墩下沉、房屋开裂等一些地面变形现象。。

b．塌陷地震；大规模的塌陷可引起地震效应，如湖南水口矿区在排水初期塌陷大量产生，同时出现烈度为V度的地震，贵州开阳县城东南，1957-1958年在石炭纪灰岩、白云岩中出现过塌陷地震，震级3级。

①塌陷具有持续性，岩溶塌陷在其诱发因素消失之前将持续发展，直到新的稳定平衡为止。如湖南水口山矿区岩溶塌陷自1964年以来塌陷持续发展达20年之久，至今仍在延续。

②塌陷具有阶段性，单个塌陷的发育过程分为孕育（土洞形成和扩展）阶段、塌陷（塌陷形成）阶段、调整（塌陷坑壁不稳定土体的坍塌，以逐渐达到新的平衡）阶段及休止（后期的改造和充填堆积）阶段。

③塌陷具有周期性，在诱发因素稳定不变的情况下，受气象水文因素的影响，塌陷作

用随其周期性变化而强弱波动，如一年中的雨季和春季，塌陷作用强烈，塌陷数量多且发生时间集中，其他季节塌陷作用减弱，数量减少。

④塌陷具有重复性，对于一个特定的塌陷区来说，由于诱发源的不断变化，可经历多次轮回的重复塌陷。

三、岩溶塌陷的形成条件与主要影响因素

3.1 岩溶塌陷的形成条件

形成岩溶塌陷必须具备三个条件，一是地势较低洼，下伏岩层具有岩溶洞隙的存在，这是地下水和上覆土体流失、搬运的通道及坍塌后的堆积场所；二是基岩上覆第四系有一定厚度的松散盖层，但厚度不大，结构松散，这是塌陷的物质来源；三是存在水动力条件易于改变的岩溶地下水，这是导致坍塌的动力，也是岩溶塌陷最基本和必备的条件。

3.2 岩溶塌陷的主要影响因素

（1）岩溶发育程度

下伏基岩岩溶发育是岩溶塌陷形成的必要条件，岩溶越发育的地方越有利于岩溶塌陷的形成，因此岩溶塌陷往往沿着岩溶发育带分布。岩溶洞隙是岩溶发育程度最直接的标志，也是岩溶塌陷赖以产生的基础。岩溶洞隙的开启程度是塌陷产生的重要因素，向上开口的溶洞裂隙是接受塌陷物质的窗口，没有向上开启的洞隙一般不会造成地面塌陷。

（2）第四系土层特征

岩溶塌陷实质是溶洞、土洞顶板物质的陷落。目前已知的塌陷中，大多为土层塌陷，基岩塌陷极为少见。凡有土洞的地方都存在着塌陷的危胁。可见上覆土层特征对塌陷的产生有着重要的影响，主要包括三个方面：土层结构、土的类型和土层厚度。

①土层结构

土层可由粘土、砂、砾各种成分组成，构成均一结构、双层结构或多元结构。一般来说，均一砂性土最易产生塌陷，夹砂砾石状非均质土次之。

②土的类型

对于细粒土、砂类土、砾类土和巨砾土这四大类土而言，相同条件下，粘土含量越高，越不利于塌陷的产生，即：细粒土发生塌陷相对较难，砂类土和砾类土要容易。这主要是因为砂性土粒之间无粘结力，容易在致塌因素下出现塌陷。

③土的厚度

土层越厚，塌陷孕育的时间越长，形成的塌陷坑规模往往越大。

（3）地形地貌特征

不同地貌类型、不同的地貌位置对塌陷有明显的影响，一般地，负地形的地区、溶丘谷地、峰丛洼地、峰林平原比较容易发生塌陷（照片1）。

溶丘谷地峰丛洼地

照片1 溶丘谷地、峰从洼地地形示意图

（引自《中国喀斯特---奇峰异洞的世界》，卢耀如著）

（4）水动力条件

地下水活动是岩溶塌陷形成中表现最为活跃的因素。地下水的活动主要表现为水位的升降及流速、流量和水力坡度的变化（图6）。

地表水的存在也有利于塌陷的产生，特别是当地表水体附近的下伏基岩岩溶较发育、岩溶水位长期保持在基岩面以下时，地表水及大气降雨的长期入渗，可以形成地面塌陷。此外，降雨等造成的地表水位的抬升，特别是快速抬升，会大大加速岩溶水的流动，并由此产生一系列压力效应（正压、负压、压力快速变化），诱发塌陷的发生。

图6 主要岩溶水动力条件示意图

（引自《中国喀斯特---奇峰异洞的世界》，卢耀如著）

(a)分流状岩溶水动力条件；（b）差流状岩溶水动力条件；（c）平流状岩溶水动力条件；（d）聚流状

岩溶水动力条件；（e）散流状岩溶水动力条件；（f）汇流状岩溶水动力条件；（g）间流状岩溶水动力条件；（h）块流状岩溶水动力条件；(i) 阻流状岩溶水动力条件；(j) 深埋状岩溶水动力条件；（k）混流状岩溶水动力条件；（l）深流状岩溶水动力条件。

（5）人类活动

从岩溶塌陷发育规律看，影响诱发或触发岩溶塌陷的人类活动的作用形式有两种，一是改变地下水动力条件，二是改变已有土洞的受力条件，可能影响岩溶塌陷的人类活动包括：

①使地下水排泄增强：抽吸岩溶水、矿山和隧道疏水突水（图7），例如淮南市。、基坑降水。

②增强地下水补给：地表水库蓄水（金华市），灌溉、疏水管渠渗水，地面挖方积水。

③地表荷载和爆破（照片2，3）。

图7 隧道突水、突泥几种情况示意图

（引自《中国喀斯特---奇峰异洞的世界》，卢耀如著）

（a）溶水、泥土溃入隧道；（b）富水岩溶通道突水入隧道；（c）上部暗河突水、泥、石块入隧道；（d）岩溶小管道水多处突入隧道；（e）统一地下水位上断裂带孤立管道水、泥突入隧道；（f）地下水位断层带水、泥溃入隧道。1.岩溶通道 2. 封闭岩溶水、泥的通道 3. 岩溶泉水 4. 岩溶暗河出口 5. 隧道 6.河水位 7. 突水、突泥方向 8. 地下水位 9.断层带

照片4 广州市荔湾区地铁五号线工程爆破造成地面塌陷

照片5 广州市白云区上步社区建筑工地地表荷载引发地面塌陷

综上所述，塌陷的形成受自然因素和人为因素共同影响，本次统计的省区中诱因为自然因素有377处，占塌陷总数的28.7%，诱因为人为活动的有935处，占塌陷总数的71.3%（表1，表2及图8）。

表1 各省区岩溶塌陷发生原因统计表

表2 各城市岩溶塌陷主要诱发因素统计表

图8 岩溶塌陷发生原因统计图

四、岩溶塌陷形成机理

通常认为，引起岩溶塌陷的因素是很复杂的，在塌陷形成过程中，往往是多种效应同时作用。塌陷的形成机理主要有：

1. 渗透变形效应

这是抽水引发塌陷的主要力学效应，在抽水过程中，由于岩溶水位的下降，第四系土层孔隙水向下渗流补给岩溶水的作用增强，在集中渗流点（岩溶管道开口、裂缝）附近，作用于上覆土层的水力坡度超过了土体发生渗透破坏的临界水力坡度，土体发生渗透变形破坏。第四系底部土体类型不同，渗透变形的类型也不同。

（1）潜蚀效应

对于非粘性土，渗透变形以潜蚀为主，即地下水流在一定水力坡度下产生较大的动水压力，使得岩土体中细小颗粒冲动，带走或溶滤掉易溶部分的现象。潜蚀塌陷是土层塌陷形成中最主要的塌陷模式，特别是在地下水主径流带附近或地表水潜水与岩溶水水力交换频繁地带。在这一过程中，由于土体强度较高,常形成一定时期相对稳定的“土洞”（图9）。

图9 土洞塌陷模式分析图

（引自《中国喀斯特---奇峰异洞的世界》，卢耀如著）

（a）敞露下伏碳酸盐岩通道；（b）地表出现凹坑

例如桂林市雁山区和象山区等岩溶孤峰平原区，主要为碳酸盐岩地层，岩溶发育，特别是浅层岩溶发育地段，地下水循环交替以及水位变幅易对上覆土层产生淘蚀、气蚀作用，从而土层形成“土洞”，最终形成岩溶地面塌陷。湖北恩施的地下岩溶塌陷（照片4），浙江省江山市贺村594、596塌陷，童家588、540塌陷等9处塌陷均为潜蚀效应为主的致塌模式。

(2) 对淤泥质土或软粘土来说，主要是土体的“流变”。这类土强度低，含水量高，常呈流塑状态，水位降低后，渗透力和压力差很容易使土体向岩溶空腔中快速流动，并迅速发展而产生塌陷。这类塌陷的特点是形成发展快，给人以来势凶猛的感觉，不会形成一定时期相对稳定的“土洞”

例如昆明市岩溶塌陷多发育于岩溶化程度强至中等的石炭、二叠系纯碳酸盐岩分布区，多分布于碳酸盐岩浅埋覆盖层厚度较小且颗粒较均一的粘性土地段，这类岩溶塌陷具有显著的隐蔽性和突发性，造成的危害也是巨大的。

2. 真空吸蚀效应

真空吸蚀作用是在岩溶地区特定的地质、特定的水文地质环境下产生的。在相对密封的承压岩溶网络系统中的地下水位下降时造成岩溶洞穴(或土洞空腔)体积增大、过水断面由宽变窄等，从而在土洞空腔内形成低于外界大气压的低气压状态。地下水面和岩溶腔上覆盖层脱开时地下水对盖层产生“吸盘”作用，即岩溶空腔内的地下水重力抽吸上覆盖层土体向下陷落，地下水面和覆盖层脱开后，由于覆盖层底面压力减小，使得顶板呈颗粒状和片块状沿着向下的方向剥落，同时覆盖层表面和岩溶空腔内形成压力差，从而加剧覆盖层的破坏和陷落，

最终导致岩溶覆盖层的塌陷和垮落，逐渐的在地表形成坑洞。

真空吸蚀效应为主的致塌模式多发生在粘土单层结构分布的区域。

例如湖南省邵阳市的岩溶塌陷区第四系覆盖层较薄，下伏可溶岩岩溶发育，

人工降低地下水位或地下水的自然排泄，使得溶蚀洞穴的空隙水压力降低，土粒间有效应力增加，导致土层压密下陷，或土石被地下水淘空，在岩面上形成土洞，当土洞不足以支承上覆土层的自重压力，在真空吸蚀作用下而产生塌陷。浙江省江山市大溪滩219、558，清湖-农垦场一带的586、578等24处塌陷均为真空吸蚀为主的致塌模式。

3. 浮托力丧失

当岩溶地下水为承压时，岩溶水位的下降，将减小作用在土体中的浮托力，使土体更容易下榻、破坏，特别是当溶沟、溶槽和浅层岩溶裂隙发育条件下，充填在岩溶裂隙中的流塑状粘土在岩溶水位下降时，容易发生流动，从而引起上覆土层的变形或破坏，产生土洞或塌陷。

当覆盖层厚度较薄（一般小于10-20米），抽水降深达到5-10米时，都有塌陷产生。由于抽水降深有限，其影响范围约数百米至一、二公里。如由16口抽水井组成的贵州水城水钢供水源地，有14口井周围出现塌陷，范围达4平方公里。

4. 土洞顶板失稳

当有土洞存在时，水库蓄水将使土层饱水增大土洞顶板的重量，使土洞发生破坏。例如浙江金华市修建水库时在地表大量取土，致使溶洞上部盖层变薄，水库建成蓄水后，由于库水下渗，土层渗透力增强，在库水渗透和潜蚀作用下，洞体不断扩大，洞顶土层变薄，从而造成地面塌陷。

5. 垂直渗压效应

当地表雨水入渗时，水在孔隙中运动，对土颗粒施加一种垂向渗透压力，从而改变土体的力学性质。当渗透压力达到一定值时，土体结构破坏，土颗粒随水流产生运移，进而形成土洞，甚至发生地面塌陷。渗压效应可以很好的解释岩溶地面塌陷与降雨量的正相关关系。浙江省江山市大溪滩213、217等4处塌陷均为此类致塌模式。

6. 荷载效应

在土洞发育条件下，地面荷载如过往汽车、列车加载，使土洞顶板垮塌，导致地面塌陷。如贵昆线K586-K612一段长26公里，位于丘状溶原，多漏斗洼地，

覆盖层为厚度不足10米的残破积红色粘性土，地下水位在基岩顶板以下。该处的岩溶塌陷主要是火车通过时震动产生的。

五、主要城市岩溶塌陷造成的危害与损失

岩溶塌陷使交通、矿山、水电工程、军事设施、农业生产及城市建设等各个领域深受其害（照片4）。本次研究统计的岩溶塌陷影响总面积为690Km2，威胁人口20684人，造成的

直接经济损失为68531万元，间接经济损失为477756万元。具体见表3。

表3 岩溶塌陷造成的危害与损失

岩溶塌陷造成房屋开裂岩溶塌陷毁坏公路

岩溶塌陷破坏建筑岩溶塌陷毁损路面

照片4 岩溶塌陷造成的危害一览图

五、主要城市岩溶塌陷的防治

岩溶塌陷的防治目前已比较成熟，主要包括以下几个方面：

1. 做好监测预报工作

监测工作包括地面、建筑物、水点（井孔、泉点、矿井突水和水库渗漏点）的长期观测以及塌陷前兆的监测。塌陷前兆监测，主要内容包括抽排水引起的地面积水、泉水干涸，人工蓄水引起地面冒气泡或水泡，植物的变态，建筑物作响、开裂或倾斜，地面环形开裂，地下土层夸落声响，水点的水量、水位及含沙量的突变等。监测预报的手段可采用水准仪、百分表和微震观测仪，也可采用伸缩的钻孔柱（分层桩）、钻孔深部应变仪来监测塌陷。

2. 搬迁避让

在城市地区，以岩溶塌陷危险性评价结果为基础，通过城市规划，对潜在塌陷高危险区的土地利用类型进行调整，以低敏感地类（如公共绿化带用地、广场用地等）代替高敏感性地类（如商业用地、居住用地等）。而对于公路、铁路等交通工程，则采取绕避的方法，避开塌陷地区。此外，整体搬迁也是小城镇防治岩溶塌陷的途径。

3. 减缓岩溶系统水动力因素的变化

科学合理地开采岩溶地下水是防治岩溶塌陷的有效途径。一般认为从以下几个方面设计开采方案：①不会造成岩溶地下水位快速大幅下降，特别是从基岩面以上快速降到基岩面以下；②不会造成岩溶水位的骤停骤降，特别是地下水位在基岩面附近上下波动；③开采出来的地下水不浑浊、无泥沙。

在岩溶塌陷危险区，应避免因地下工程、基础工程的施工疏水造成地下水位的大幅降低。在矿山等需要大幅疏水的地区，可采用钻孔通气的方法，防治岩溶塌陷的产生。在岩溶塌陷危险区可通过加强地表水和输水管线的防渗处理来防治渗水导致的岩溶塌陷。

4. 从增强土体抗塌性能的角度

采用强夯、水泥灌浆等方法，加固第四系土层，提高土层的抗塌性能，达到防治岩溶塌陷的目的。当第四系土层较薄时，可以挖除土层，然后从下到上回填砾径逐渐变小的块石，可以防治塌陷的形成，如在南方岩溶区采用的填石路基，对塌陷具有较好的防治作用。

5. 从加强工程设施抗塌性能的角度

采用桩基础、钢筋混凝土盖板、片伐基础等，可以极大提高建筑物的抗塌性能。此外，对于交通工程，采用桥跨的方式也可以避开塌陷问题。

六、认识或结论、存在问题与建议

1、认识或结论

（1）从全国范围来看，共有14个省区的68个城市存在岩溶塌陷，共计1312处。其中绝大多数分布于华南、西南等碳酸盐岩分布的岩溶强烈和中等发育区，以土质塌陷为主，规模多为小型。

（2）从地形地貌上来看，岩溶塌陷主要分布在峰从谷地及低洼丘陵等负地形地区，受构造及地层控制明显，多沿断裂影响带和背斜、向斜轴部及两翼发生。

（3）岩溶塌陷多伴随地面开裂及地面下沉现象的发生，其发生具有持续性、阶段性和周期性。

（4）岩溶发育程度对岩溶塌陷的产生起着控制作用,岩溶越发育的地段越易产生塌陷。

（5）覆盖层的岩土性状及其厚度大小对岩溶塌陷的产生有着重要影响。一般情况下,覆盖层土体结构越疏松、级配越好、抗剪强度越低、厚度越小,就越容易产生土洞和塌陷。

（6）地下水及其活动既可对可溶岩体产生溶蚀、侵蚀作用,也可对覆盖层土体产生冲刷、潜蚀和搬运作用, 还可以改变覆盖土体的物理力学性质,使其重度增大、抗剪强度降低等。地下水的反复升降还会在土洞中形成真空吸蚀作用,促进某些土体的散解和胀缩。因此,地下水及其活动促使或加速了土洞及岩溶塌陷的形成。

（7）岩溶塌陷的形成受自然因素和人为因素共同影响，人为活动占主导地位，地下水活动是岩溶塌陷形成中表现最为活跃的因素。

2、存在问题与建议

（1）我国岩溶塌陷分布广泛，数量众多，由于各省市区统计不全面，从而造成部分岩溶塌陷被遗漏。建议加强对岩溶塌陷的观测，以更好地掌握岩溶塌陷的宏观分布规律及发生情况。

（2）进行岩溶塌陷的发生数量统计过程中，各地使用术语不统一，有的使用“坑”，有的使用“次”，有的使用“处”，并且“坑、处”的划分缺乏统一标准，致使同样规模的岩溶塌陷在某地被认为仅仅是坑，在另外一地则被认为是处。建议统一术语，建立统一标准，从而方便统计，以更好地摸清岩溶塌陷的家底。

（3）岩溶塌陷的研究缺乏针对性和侧重点，建议对岩溶地下水开发利用较严重及城市建设重点发展地区，加强对岩溶塌陷的实时观测和记录，并对其原因和发生机制进行分析，为岩溶塌陷的防护及城市规划提供科学依据。

（4）岩溶塌陷的发生与水流(包括地表水和地下水)的下渗有关，特别是水流的集中渗流部位。建议在岩溶发育强烈地区建设地下工程时，着重加强勘探和安全性评价。

（5）目前仅对岩溶塌陷发育区（危险区）的安全性作定量评价, 建议对已发生塌陷地区的稳定性也作出科学评价，为该区后续建设和发展提供科学依据。

（6）由于岩溶塌陷的突发性及危害性，建议对岩溶塌陷的预测及防治进行深入研究，做到防灾减灾。