黃土落水洞及其發展之間規律的研究

張國明 董蘭鳳

【摘要】落水洞是地表水流入地下的進口，表面形態與漏斗相似，是地表及地下巖溶地貌的過渡類型。通過調研和查閱相關資料發現落水洞極易在黃土地區形成，并且在我校萃英山就分布著大量的落水洞。長久以來，與落水洞相關的工程事故時有發生且危害顯著。本項目組通過研究落水洞特征與其發展之間的規律關系從而有效的預測落水洞的孕育情況。統計分析大量的數據后建立起科學的模型，并且找到了傾角與深度的關系，描述了其規律關系，以此來預測落水洞的孕育及發展情況，并進一步提出防治建議。

【關鍵詞】落水洞；傾角；深度；面積

一、引言

對落水洞的研究學者不在少數。有關黃土落水洞的成因、形成機理等間題，前人已有不少論述。本文以甘肅省蘭州市榆中縣翠英山上的黃土落水洞為例，測量其特征參數，通過統計學的方法，分析其特征之間的規律關系，以及這些特征與其發展之間的關系，并且分析其成因。黃土落水洞，是黃土高原常見的一種常見的地貌，大小深淺各異，形態多樣。

二、實驗區域的選擇以及數據的獲取

2.1 實驗區域的選擇

本研究依托的倆個實驗區域分別分布在蘭州市榆中縣的翠英山的防空洞的南側和北側。這倆個區域的落水洞分布比較集中，類型較為豐富，特征較為明顯。

2.2 數據的測量

經過大量的前期工作，本研究針對落水洞的洞口的橫向長度以及縱向長度、深度、傾向、傾角、面積進行了測量。在測量的過程中較為創新的借助了CAD以及fortran，極大地提高了數據的準確性，客觀性，同時也提高了工作效率。測量長度的方法是在拍照的時候法放上直尺或者筆，將照片導入到CAD中，測得所放置的物體在圖片中的長度以及測得落水洞的長度，然后通過游標卡尺測得所放物體的實際長度，從而換算出比例尺，然后算出落水洞的實際長度。

測量面積時將洞口按實際形狀分成多邊形，并且將其細化的分成三角形，然后按照測量長度的方式測出每個三角形的每個邊的實際長度，通過fortran編寫程序計算出洞口面積。

三、數據分析

研究過程共采集數據80多組，經分析對比，選定25組實驗數據進行研究。

3.1 數據分析

在數據處理過程中，經過數據的比對，通過散點圖可以看看出，落水洞的傾角和洞深是有著極大的關系的。洞深除了傾角以外還受洞的年齡的影響。為了控制年齡，在實驗數據處理時特別找出六個分布距離較近，洞內植物類別以及長勢大致相同的洞的數據進行統計。

落水洞的深度和洞口的傾角關系是極大的，落水洞洞口的傾角受其所在地形的坡度的影響。并且坡度大的地形下形成的落水洞深度比較淺。

3.2 實驗數據的分類

為了研究的需要，將數據分成了五種類型，并統了計各個類型占總數據的比重。

可以看出在傾斜的地形下落水洞的分布密度比較大。

四、落水洞的分布及發展類型

在翠英山實地考察后，將落水洞的分布分成倆種情況。

4.1 落水洞分布在較為水平的地形上。

此時落水洞的洞口一般是水平的，洞的深度沿著垂直方向成長。一般在形成初期洞口較小，隨著不斷的積水，不斷的下陷，落水洞會向四周生長，從而造成內部的空虛，最后形成塌陷。具體的

塌陷和生長方向和地形式有關系。大致可以分為三種情況。

4.1.1 落水洞所在地局部水平

在此情況下，生長方向大致與相對整體的地形走勢相同。在相對整體地形較為連續的情況下，這時的落水洞深度相對較淺，反而會順著相對地形的走勢形成暗洞，最終在相對不連續的地形形成出口，也就是另一個伴生落水洞。在相對整體地形連續長度比較長時容易塌陷并形成較長的溝壑，溝壑深度往往會和局部水平地形相對相對整體地形的高度有關。

在此種情況下，當黃土的濕陷性連續的情況下，容易不斷的向四周發展，最終形成較大面積的塌陷，此時深度一般比較淺。圖五的洞口底部和上邊的植被類型基本相同，由于荒漠生態系統植被、土壤及其相關性特征必將會因立地類型、群落特征而存在差異，因此類比可以知道洞口底部和

上面的土壤環境相近，即黃土的濕陷性連續。

在黃土不連續的情況下，形成的落水洞洞口相對比較小，落水洞一般垂直生長，前期會有相對明顯的垂直剪理，在后期也會伴隨想著四周生長的趨勢，但是一般不明顯，最終形成的洞比較深，倘若在下層地層有傾角，會順著走勢形成暗洞，造成下層土壤液化，從而容易導致較大面積的滑坡的發生。

4.2 洞口所在地形傾斜

這時洞口一般是傾斜的，生長方向和地形傾斜的角度基本一致，落水洞一般深度比較淺，多分布在山坡上，成珠串狀分布，塌陷后會形成溝壑。

4.3 洞口傾斜與洞口水平一起出現

上一個落水洞的出水的口很可能會出現在洞口水平的落水洞內壁，從而會使水平落水洞的深度持續加深。

4.4 落水洞的生長

在水的作用下，落水洞會形成二次發育，這種類型的落水洞，一般位于較為傾斜的地方，且在匯水面較容易出現，水流順勢而下，流入到落水洞，在流水的一側一般會加深。特征為，有著流水明顯沖刷的痕跡，且在痕跡的一側有著明顯的深度生長，位于水平面上的落水洞生長則一般較為均勻。

五、成因分析

5.1 濕陷性黃土

5.1.1 對萃英山黃土類型的判定

在一定壓力下受水浸濕，土的結構迅速破壞并產生顯著附加下沉的黃土叫濕陷性。濕陷性黃土的主要特征，可歸納為：黃色是基本色調，通常為黃褐、褐黃、灰黃、棕黃等顏色；含鹽量較大，特別是碳酸鹽含量尤為突出，另外硫酸鹽、氯化物等含量也都比較高；礦物組成主要為石英、粘土礦物等；一般具有大孔性，大孔隙常常肉眼可見。孔隙比常在1.0左右，呈松散結構狀態；在天然剖面上，具有垂直節理；具有濕陷性。濕陷性黃土由于它的特定生成環境、發生原因，地質歷史、埋萃產狀、地理地貌位置、氣候條件、物質成分，尤其是它的特殊的結構，特殊的組成情況等等，致使壓力和水的作用下發生濕陷班象，產生濕陷變形。經過特征對比，可以確認實驗區萃英山包含濕陷性質黃土和非濕陷性質黃土。

5.1.2 對萃英山黃土的分析

濕陷程度強弱不一的黃土體在浸水以后，濕陷性強的土單元會因濕陷產生松弛，作用在其上的應力將部分分擔給周邊濕陷性弱的土單元，也即濕陷時會產生應力重新分布，濕陷性弱的土單元最終將承擔更大的上覆應力，濕陷性強的土單元承擔更少的上覆應力。吸水后黃土顆粒結構會迅速變化，由粗顆粒變成細顆粒，由質地疏松進而變化為質地緊密，因此體積會變小，與此同時位于水平地形的濕陷性黃土吸水后濕陷性降低，從而會承擔更大的應力，因此這部分黃土會下沉，從而形成落水洞，在后續水的作用下，這部分黃土的濕陷性程度逐漸降低，承受的應力不斷變大，于是洞會越來越深。

洞壁上部由濕陷性黃土組成時，濕陷性黃土是一種土質疏松孔隙、裂隙發育，主要由粉粒組成的特殊土，其細微顆粒遇水極易崩解并遭受潛蝕被水流帶走。黃土中含大量的可溶鹽，如CaC03當遇到含有CO2的水時，就會變成可溶性的Ca（HCO3）2從而發生溶蝕作用，破壞黃土的內部結構，使之變得更加松散，加大對地表水的滲透，增強滲流作用的能力和機械潛蝕。這時的落水洞會向四周生長，最終造成大面積的塌陷。

5.2 水動力作用

萃英山地勢陡峭，因此當降水后產生的流水具有可觀的動能。大雨、高強度暴雨及持續性降雨對洞穴的發育有很大影響，高強度和短歷時的雨、暴雨，有利于地表徑流匯集和沖刷，因而有利于溝蝕和洞穴的發育；在山坡上可以沖刷形成串珠狀的落水洞。長歷時的持續性降雨，有利于徑流下滲，尤其是沿黃土裂隙或裂縫中和不同土層間水分增多時，很容易形成陷穴侵蝕和坡、崩塌等重力侵蝕。在這時流水會在較為水平的匯水面聚集，進而造成落水洞水平落水洞的垂直形成。當平面是局部水平的時候，在水的滲流作用下，一般會形成暗洞，或者在薄弱的環節，形成出水洞。

黃土的濕陷性在水的作用下才能表現出來，二者在落水洞的成型過程中缺一不可。

5.3 地形的作用

地形在黃土的成型過程中，對其形態發育方向有著極大的影響。在水平地下一般落水洞會垂直發展，在坡度較大的地形時一般會形成串珠狀落水洞。地形主要通過改變水的徑流方向來影響落水洞的成型。

六、結論

6.1 落水洞所在地局部水平

當相對整體地形較為連續，一般會順著相對整體地形的坡度形成較長的暗洞。最終造成另一地方的沉降。洞的深淺往往受局部水平地形的相對高度制約。

當相對整體地形不連續時，極易在端口出形成出水洞口。

6.2 當落水洞所在地相對水平

黃土濕陷性連續時，這時洞會向四周擴散，一般較淺，最后形成大面積的塌陷。洞較淺

當黃土濕陷性不連續的時，一般會垂直向下發育，洞口較小，洞深較深。

6.3 落水洞所在地傾斜的時候

這時一般會形成珠串狀落水洞，洞較淺。

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作者簡介：張國明，男，1996-，本科，蘭州大學地質工程專業。