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）2图2 岩溶塌陷在各城市的分布数量图3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。