某巖溶區災害發育特征及形成條件研究

何孝挺，杜 娟，陸本學，莊 偉

（1.貴州省有色金屬和核工業地質勘查局物化探總隊，貴州 都勻 558000；2.平塘縣自然資源局，貴州 平塘 558300）

碳酸鹽巖地區在潮濕多雨的條件下極易形成大規模的巖溶地貌，進而造成地面塌陷、崩塌、滑坡等地質災害，對擬建工程及公路、鐵路等的安全影響極大[1]。研究區屬于典型的巖溶區，自2014年以來多次出現地面塌陷地質災害，因地面塌陷形成多處塌陷坑和地裂縫，局部房屋基礎被掏空，房屋嚴重開裂，墻面整體錯位，房屋歪斜，嚴重影響當地村民的生產生活。該地面塌陷雖暫時未造成重大的經濟損失和人員傷亡，但給當地居民造成了巨大的精神負擔，嚴重影響了當地居民的生產生活。鑒于此，本文總結該巖溶區災害的發育特征及形成條件，為進一步確定治理方案提供參考。

1 巖溶災害發育特征

1.1 基本地質概況

研究區地層出露較簡單，主要為下石炭統大塘階測水段碳酸鹽巖，巖性主要為灰巖，為巖溶的發育提供了物質基礎。據調查資料可知，該區域是巖溶地面塌陷的高易發區，歷史上曾多次發生巖溶地面塌陷災害，已知的有9處，發生時間遠近不一，規模各異，但出現的塌陷坑在形態上多類似，皆為直筒型。

1.2 巖溶地面塌陷發育及分布特征

研究區地面塌陷屬巖溶地面塌陷，至目前為止，研究區發生3次塌陷，出現3個塌陷坑及多處地面裂縫等，致使多棟房屋出現墻面裂縫等變形。根據對全村24棟民房的變形情況進行了統計，發現發生變形的11處房屋主要分布在該村北西角至南東角一線上，與早期發現的塌陷坑分布規律一致。

1.3 巖溶地面塌陷形態及規模特征

2014年10月25日，研究區北側磚瓦房地面發生塌陷，塌陷后地面形成一處2.5m×5.0m的塌陷坑，地面下沉約0.1m。地面出現多處裂縫，裂縫寬1mm～3mm，上下錯落2mm～6mm；一處房屋墻面塌落。多棟房屋墻面出現橫向和縱向裂縫，橫向裂縫寬1mm～30mm，縱向裂縫寬1mm～10mm。2014年12月6日，該地質災害點再次發生巖溶地面塌陷，形成一處1.5m×2.0m的塌陷坑，地面下沉約1.0m，并在塌陷坑周邊形成了長約2.0m的地面裂縫，裂縫寬度為10mm，走向261°。該處地面塌陷位置在災害發生后進行了回填，該處居民也進行了搬遷，隨后兩年該處未繼續發生塌陷。

1.4 巖溶地面塌陷的危害性

研究區地面塌陷地質災害發生后，給當地村民造成較大的心理恐，并短時期內打亂了當地村民的正常生產和生活秩序。研究區受到地面變形和房屋開裂影響的民房有11間，受影響的房屋面積約720m2，但大部分民房出現的裂縫較輕微該地質災害點出現的地面變形和地面塌陷未造成人員傷亡事故，但受影響的民房經濟損失約280萬元，地質災害災情等級為小型，險情等級為中型。

2 地面塌陷的形成條件

2.1 隱伏巖溶發育與空間分布規律

研究區可溶巖為下石炭統大塘階測水段組碳酸鹽巖，巖性主要為灰巖，局部巖石節理裂隙方解石脈發育，裂隙面見褐紅色鐵質渲染或泥鐵質物充填。該區巖溶發育，鉆孔均揭露到溶洞，見洞率為64.29%。溶洞高多為2.70m～14.60m，洞高最小為0.50m，最大為14.60m，平均7.39m；洞頂埋深多大于23m，個別較淺者為17m。溶洞多發育于微風化石灰巖頂部，頂板為殘積層粉質黏土或全風化石灰巖，底板為微風化石灰巖，全填充流塑—軟塑狀細砂、淤泥質粉質黏土。發育形態多為獨立的圓球狀、橢球狀及透鏡體狀，在垂直方向上呈串珠式分布。發育于微風化石灰巖、上下頂板皆為基巖的溶洞僅在1個鉆孔中揭露到，溶洞全填充淤泥質粉質粘土，飽和，流塑，無搖振反應，局部夾雜巖塊。溶洞頂板為厚30cm的微風化灰巖。鉆探揭露顯示，基巖上部微風化段多發育有溶隙、溶孔等。溶隙疏密程度不一，分布不均，多呈空隙狀，部分開張性較好，與淺表部侵蝕溝槽或溶洞溝通者有粘土或巖石崩積碎巖快、角礫等充填。溶孔在鉆探巖心上，呈單孔狀或蜂巢狀，分布不均勻，孔徑一般2mm～15mm，充填褐紅色鐵質泥。溶隙及溶孔發育地段在鉆探過程中往往表現為少量漏水、漏漿段，在可溶巖淺部與溶溝、溶槽及溶洞共同發育區，則是巖溶發育的主要形式。根據鉆探資料，調查區內可溶巖出露條件屬覆蓋型可溶巖，隱伏于第四系沖洪積以下，未出露地表，其地面標高148.42m～106.27m，埋藏深度15.30m～55.80m。

2.2 土洞發育及分布特征

地下土洞主要形成于巖溶發育地區，土洞的發育與上覆土層的性質和厚度、巖溶發育程度、地下水活動等因素密切相關。根據外業勘察資料：研究區共有3個鉆孔揭露到土洞，覆蓋于可溶性巖以上第四系土層，見洞率達10.71%。洞頂埋深在20.80m～49.9m之間，土洞高度規模約6.50m。所有土洞呈全充填狀態，充填物多以流塑狀、軟塑狀粘土和松散細砂為主。從以溶洞、土洞的發育、分布特征分析，研究區巖溶發育具有以下基本規律：①地下溶洞、土洞主要分布于粉質粘土層中；②土洞埋藏深度一般較大，一般在23m以上，個別埋深較淺也達17.0m，埋深大達49.9m，土洞的規模較大，洞高為0.5m～16.5m不等；③地下土洞呈全充填狀態，充填物以流塑狀、軟塑狀粉質粘土和松散細砂為主。

2.3 第四系土層厚度變化與巖溶發育分布特征

（1）土層厚度變化特征。根據鉆探資料顯示，研究區第四系土層整體上具有北、東部兩側薄中部厚的特點，靠近祠堂正門附近是該地段土層最厚的位置。研究區土層總體厚度為15.3m～55.8m，頂部為填土或耕土，厚度一般0.6m～4.0m，向下為沖洪積粉質粘土及中砂、殘積粉質粘土，厚度分別為3.90m～29.10m和1.80m～46.20m。

（2）土層厚度與巖溶發育分布特征。研究區已出現的地面塌陷及房屋變形跡象，主要分布在村東側一帶，與之對應的第四系土層厚度為22m～36m。由此可以推測，地面塌陷的發生與土層厚度有極為密切的關系：土層太薄則不利于土洞、溶洞的形成，致使地面塌陷的基本條件缺失；土層太厚則在土洞、溶洞“破頂”后，有足夠的砂土填充洞體空間，加之洞內原本就有充填物，坍塌造成的土體下沉逐步上傳到地面上，影響已降到極小，故鉆孔部分均揭露到有較厚的土洞、溶洞，但是地表建筑物均為見有墻體裂縫等變形跡象。所以，適宜的土層厚度是造地面塌陷的重要因素。

3 巖溶地面塌陷的機理

研究區內發生的塌陷主要是由于雨季旱季交替，地下水位陡降陡升加速了地下水的流動，并快速帶走巖溶土洞內的充填物，使巖溶土洞的內應力受到破壞，在某種外動力的刺激下發生塌陷的結果。巖溶土洞塌陷的形成主要包括以下幾個方面的作用。

（1）失托增重效應。地下水位的快速下降，消減了對覆蓋層或土洞頂板的浮托力，使覆蓋層或土洞失穩、坍塌[2]；同時，巖溶土洞內的充填物（流塑狀粉質粘土或砂土）被水流帶走，從而引起覆蓋層或土洞的破壞，導致巖溶地面塌陷。

（2）滲透溶蝕效應。研究區內巖溶地下水位的下降，使地下水的坡降和流速增大，動水壓力增強，從而對巖溶洞隙通道中的松散充填物和覆蓋層的潛蝕、沖刷和掏空作用增強，使巖溶洞隙內的充填物被搬運帶走，土體發生滲透變形破壞，地下水位下降速度、幅度越大，作用于土體的水力坡度越大，在覆蓋層中，水流的滲透壓力產生垂向的滲透潛蝕作用[3]。這種作用隨著巖溶地下水位的下降，水頭差的增大而增強，土洞不斷向上擴展而導致塌陷。

4 結語

綜上所述，研究區土體厚度大，巖溶發育，具有數量眾多、分布不規律的土洞、溶洞，滿足巖溶地面塌陷形成的基本條件；同時，第四系砂、卵石層結構松散，圧密度低，在土層厚度適宜的地段，下部土洞平衡狀態破壞后，極易沿通道填充土洞，造成上部坍塌，具備巖溶地面塌陷形成的物質基礎。此外，后期地下水位季節性漲跌和人類活動加劇了災害的發展?？傮w上，研究區巖溶地面塌陷的內在因素是區內土洞、溶洞發育程度高、第四系土層厚度變化大，具備塌陷的適宜厚度，且地下水豐富，外因為強烈抽排地下水改變土層應力狀態。