巖溶洞穴塌陷穩定性分析模型及應用

周佺

摘 要：巖溶塌陷的形成是多種因素共同作用的結果，具有很強的復雜性。該文利用極限平衡理論，提出合理的假設，并對巖溶洞穴的塌落體進行受力分析，確定致塌力和抗塌力，建立巖溶洞穴力學穩定性分析模型。當安全系數K時，塌落坑失穩塌陷；=1時，塌陷體處于極限平衡狀態；>1時，塌落坑穩定，以此對尚未發生巖溶塌陷的洞穴進行預測、預警。

關鍵詞：巖溶塌陷 極限平衡理論 穩定性 安全系數 塌落體

中圖分類號：P642.25 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（c）-0092-03

Abstract： The formation of karst collapse is the result of a variety of factors， which is very complex. In this paper， the limit equilibrium theory is used to make reasonable assumptions， and the stress analysis of the collapse body of karst caves is carried out to determine the collapse force and the anti-collapse force， and the mechanical stability analysis model of karst caves is established. When the safety factor K<1，the collapse of the collapse of collapse collapse； K=1， the collapse of the body in the limit equilibrium state； K>1，the collapse of the pit stability， in order to have no karst collapse of the cave to predict.

Key Words： Karst collapse； Limit equilibrium theory； Stability； Safety factor； Collapse body

在我國的廣西、貴州以及重慶等西南喀斯特地區，巖溶塌陷是常見的地質災害之一。隨著科學技術的發展和進步，人們對環境資源的需求面積越來越大，也更加重視對環境資源的保護和對各種地質災害的防治。巖溶塌陷對人類生命財產安全造成極大的威脅，引起了國內外學者的高度重視。

由于地質環境的差異，巖溶塌陷的發育具有很強的復雜性。重力、滲透力、氣動力、振動力等都是導致塌陷的力。為此，國內外學者做了大量的研究?？祻┤蔥1]等總結提出了重力致塌式、潛蝕致塌式、沖爆致塌式、真空吸蝕致塌式、振動致塌式、荷載致塌式、溶蝕致塌式、根蝕致塌式8種基本的巖溶致塌模式，其中潛蝕論和真空吸蝕論比較得到大家的認可；李前銀[2]提出了“溯源潛蝕”和“土體流變”的觀點；陳國亮[3]等提出導致塌陷的主要成因機理是當地下水位變動時產生的壓強差效應，壓強差效應并非單一的真空負壓或潛蝕（管涌），既有壓強差的作用，又有由此而產生的潛蝕和氣蝕作用。

巖溶塌陷的形成發生，往往是多種作用的共同結果。巖溶塌陷發育的基本條件是：一定發育程度的巖溶，一定厚度的松散覆蓋層和水動力條件易于發生改變的巖溶地下水系統[4]。所以為了避免或者減小巖溶塌陷災害引起的損失，需要對還未發生塌陷的地下洞穴的覆蓋層進行穩定性分析，達到對塌陷提前預測預警的目的。

1 巖溶塌陷的成因機制

1.1 巖溶塌陷的成因機制分析

按巖溶塌陷產生的根本原因是蓋層的部分土體受力失穩破壞，塌陷體受到的抗塌力小于致塌力。一般條件下，致塌力包括蓋層巖土體自重力、地下水的垂向滲透力、側向滲透力、巖土體空隙中氣體的正壓力或負壓力、振動力、大氣壓力；抗塌力包括巖土體的內聚力、塌陷體周邊的摩阻力、地下水的浮托力等。對一個巖溶塌陷來說，因為引起塌陷的作用和所處的地質環境不同，不可能同時受到上述所有力的作用，但由于受力狀態和產生的力學效應的不一樣，且有不同的成因機制，形成不同的致塌模式，所以巖溶塌陷的形成是多種因素共同作用的結果，單一成因論無法解釋在任何條件下所形成的巖溶塌陷[5]。

影響巖溶塌陷的因素主要有：（1）隱伏巖洞、巖溶發育的程度和深度因素。當巖溶發育的程度和深度的不同，會導致塌陷的規模也不相同。（2）地下水位降低。地下水位下降，地下水的坡降流速增大，會對巖溶洞隙通道中的上部松散充填物和覆蓋層產生沖刷、潛蝕和掏空作用。（3）地下水補給。當降水或地表積水入滲補給地下水時，會對覆蓋層巖土體產生靜水增荷效應、垂直滲透效應、吸水軟化效應和負壓封閉效應等綜合效應。（4）巖土性狀。土層組成影響土體的滲透破壞類型，砂礫石層以潛蝕為主，黏性土以流土破壞為主。（5）地質構造。構造對巖溶發育的控制性是地質構造對巖溶塌影響的主要表現，能為巖溶地下水的活動及其對覆蓋層土體的潛蝕提供較好的活動場所和儲運空間。（6）人類活動。人類工程、經濟活動的性質和強度對人為塌陷的規模和強度影響很大，對巖溶塌陷的過程起著誘發或加速的作用[4]。

1.2 巖溶塌陷的破壞形態

巖溶洞穴蓋層發生塌陷后從外觀上主要表現為直桶形、壇形和漏斗形等破壞形態，如圖1所示[5]。

直桶形破壞：主要發生于塌落覆蓋體構造裂隙不發育、粘性土相對完整及巖性接近、結構較緊密的砂卵礫石層中，為直桶狀塌落體的整體剪切破壞。該類巖溶洞穴通常埋深較大，洞腔中透氣性較差，當遇到地下水位快速下降時，在洞腔中產生真空負壓，同時在覆蓋層表面產生大氣壓差場，致使洞穴產生直桶形地表塌陷。

壇形破壞：主要發生于構造裂隙發育，粘性土風化嚴重，土顆粒細，壓實密度不一的多層結構地層中。由于平衡拱在地下水滲流作用下發生潛蝕破壞，逐漸發展，當上覆土層的自重應力接到臨界埋深時，受到周期性水位升降作用影響，薄層土體產生的自重塌陷、氣爆或疲勞崩解破壞，形成壇伏形破環面。

漏斗形破壞：主要發生于巖性單一，結溝較松散的砂層，以及含卵礫石的砂層中。是一種連續性破壞所形成的剖面形態[5，6]。

2 巖溶洞穴力學穩定性分析模型

（1）塌坑形狀為半徑為R直桶狀塌陷坑，塌落體沿鉛直的破裂面發生剪切破壞，如圖2所示；（2）地下水位處于基巖面以下；（3）致塌力：塌落體重力G土、降雨雨水自重荷載G雨、滲透力F滲、真空負壓差△P方向均垂直向下，抗塌力：側壁摩阻力方向垂直向上；（4）按照普氏平衡拱理論，洞穴空腔形態為二次拋物線；（5）覆蓋層土體均質，各向同性。

根據以往對巖溶地面塌陷的成因理論及形成條件等方面的研究[4-7]，對尚未發生塌陷的巖溶洞穴覆蓋層，沿洞穴豎直中心線取半徑為R的圓柱狀塌落體進行受力分析如圖3所示。

根據極限平衡理論，土柱塌陷的極限平衡方程：

3 結論

（1）巖溶塌陷的形成受到多種致塌因子共同作用，當塌落體的致塌力超過抗塌力時，塌落體失穩破壞。由于所處的地質環境和引起塌陷的作用不同，其力學破壞面可由剖面形態分為：直桶形、壇形、漏斗形、碟形、藕節形等。

（2）利用極限平衡理論，提出合理的假設并對巖溶洞穴的塌落體進行受力分析，致塌力：塌陷土柱受土柱自重G土、降雨雨水自重荷載G雨、滲透力F滲及真空負壓差△P和抗塌力：側壁摩阻力共同作用，建立巖溶洞穴力學穩定性分析模型。當安全系數時，塌落坑失穩塌陷；=1時，塌陷體處于極限平衡狀態；=1時，塌落坑穩定。

（3）該文中在受力分析時未考慮基質吸力和地下水的浮托力對塌落體的影響，在后面的工作中可從該方面做進一步研究。

參考文獻

[1] 康彥仁.論巖溶塌陷形成的致塌模式[J].水文地質工程地質，1992，19（4）：32-34.

[2] 李前銀.再論巖溶塌陷的形成機制[J].中國地質災害與防治學報.2009，20（3）：52-55.

[3] 陳國亮，陳裕昌，譚鴻增，等.巖溶地面塌陷機制、刪及整治研究[J].地質災害與防治，1990，1（3）：39-48.

[4] 趙博超，朱蓓王，弘元，等.淺談巖溶塌陷的影響因素與模型研究[J].中國巖溶，2015，34（5）：515-521.

[5] 楊立中，王建秀.國外巖溶塌陷研究的發展及我國的研究現狀[J].中國地質災害與防治學報，1997（8）：6-9.

[6] 陳洪凱，梁丹，董平，等.巖溶洞穴土質蓋層穩定性分析方法及應用[J].地下空間與工程學報，2016，12（2）：546-551.

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[8] 王濱，賀可強，姜先橋，等.巖溶塌陷滲壓效應致塌機理研究——以山東省棗莊市巖溶塌陷為例[J].中國地質災害與防治學報，2005，16（1）：18-22.

[9] 賀可強，王濱，萬繼濤.棗莊巖溶塌陷形成機理與致塌模型的研究[J].巖土力學，2002（5）：564-569.