孫祖河橡膠壩喀斯特塌陷特征與演化機制

劉猛 陸海玉 朱永峰 王帥

文章編號：1671-3559（2024）03-0306-06DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20230607.001

摘要： 為了避免喀斯特塌陷對孫祖河橡膠壩工程項目實施造成威脅，通過野外調查、 工程地質測繪、 鉆探、 現場試驗、 穩定性分析等手段，系統分析研究區喀斯特塌陷的特征，探討喀斯特塌陷的成因演化機制，查明喀斯特塌陷的誘發因素，并對研究區喀斯特塌陷的穩定性及其演化趨勢進行預測。結果表明，研究區目前處于土洞形成階段，外界水動力條件的改變是研究區喀斯特塌陷穩定性的主要影響因素，具備進一步發展形成喀斯特塌陷的空間條件、 物質條件和水動力條件，在進行地下水開采時應控制地下水位最大降深。

關鍵詞： 工程地質學； 喀斯特塌陷； 土洞； 水動力條件； 孫祖河

中圖分類號： P642

文獻標志碼： A

開放科學識別碼（OSID碼）：

Karst Collapse Characteristics and Evolution Mechanism of

the Sunzu River Rubber Dam

LIU Meng， LU Haiyu， ZHU Yongfeng， WANG Shuai

（Shandong Survey and Design Institute of Water Conservancy Co.， Ltd.， Jinan 250013， Shandong， China）

Abstract： To avoid threat of karst collapse to implementation of the Sunzu River rubber dam project， characteristics of karst collapse in the research area were systematically analyzed by means of field survey， engineering geological mapping， drilling， field test， and stability analysis， so as to explore genetic evolution mechanism of karst collapse and identify inducing factors of karst collapse. Stability and evolution trend of karst collapse in the research area were predicted. The results show that the research area is in the stage of soil cave formation at present， and the change of external hydrodynamic conditions is the main influencing factor of the stability of karst collapse in the research area. There are space， material， and hydrodynamic conditions for further development of karst ground collapses， and the maximum groundwater level depth should be controlled during groundwater exploitation.

Keywords： engineering geology; karst collapse; soil cave; hydrodynamic condition; the Sunzu River

喀斯特塌陷（土洞）是指在有覆蓋土層的喀斯特發育區， 在自重應力和地下水等動力因素影響下， 覆蓋層土體遭到流失遷移而形成土中洞穴并不斷向地面擴張， 最后土洞頂板失穩產生塌落或引發地面變形沉陷的一種不良地質現象［1］。 水利工程建設與地質環境的聯系非常密切， 特別是在喀斯特塌陷區， 喀斯特地質環境問題已經成為制約水利工程建設的關鍵， 嚴重影響水利工程建設進度， 制約社會經濟發展。

國內外學者對于喀斯特塌陷成因演化機制進行了廣泛的研究，提出了多種喀斯特塌陷理論機制。20世紀90年代以前主要是系統理論研究階段，主要

收稿日期： 2023-02-28????????? 網絡首發時間：2023-06-08T15：33：26

基金項目： 國家自然科學基金項目（42002257）

第一作者簡介： 劉猛（1982—），男，山東菏澤人。高級工程師，研究方向為巖土工程勘測。E-mail： 809402205@qq.com。

通信作者簡介： 陸海玉（1978—），男，山東汶上人。高級工程師，碩士，研究方向為工程地質。E-mail： 631700378@qq.com。

網絡首發地址： https：//kns.cnki.net/kcms2/detail/37.1378.N.20230607.1737.002.html

是對喀斯特塌陷的特征及其形成機制進行分析，對不同喀斯特塌陷間聯系與區別進行甄別歸納分類，從而形成系統理論。徐衛國等［2］針對采礦排水、 礦井突水、 水資源開發等導致的喀斯特塌陷問題提出了真空吸蝕論?？祻┤剩?］按塌陷產生的主導因素和受力狀態，將喀斯特地面塌陷劃分為重力塌陷、 潛蝕塌陷、 沖爆塌陷、 真空吸蝕塌陷、 振動塌陷、 荷載塌陷、 溶蝕塌陷和根蝕塌陷8種類型。程星等［4］以工程實例為基礎將喀斯特塌陷概化為單一阻水型蓋層地質概化模型、 單一透水型蓋層地質概化模型、 無蓋層地質概化模型、 阻-透型蓋層地質概化模型、透-阻型蓋層地質概化模型、 阻-透-阻型蓋層地質概化模型與透-阻-透蓋層地質概化模型等6種概化模型。羅小杰等［5-6］從土體塌陷方式著手提出了土洞型塌陷、 沙漏型塌陷和泥流型塌陷的3種喀斯特塌陷理論。上述研究極大地促進了喀斯特塌陷的理論的發展。20世紀90年代以后，國內學者對于喀斯特塌陷的特征、 形成機制及發育規律等已經有了較系統的認識，加上國家的大力支持，各種新技術、 新方法得到應用，對于喀斯特塌陷的研究轉入試驗、 模擬、 監測及防治等方向。陶小虎等［7］從一維地下水運動和滲透力學的角度，分析比較潛水位上升與承壓水位下降對喀斯特地區透-阻型蓋層中阻水層滲透穩定性的影響，認為潛水位上升或者承壓水位下降均不利于喀斯特的穩定。熊啟華等［8］通過物理模型試驗探索負壓作用下喀斯特塌陷幾何形貌演化過程，認為負壓增大或土體強度參數弱化，都將降低土拱穩定性。張藝凡等［9］對鉆孔誘發二元結構覆蓋型喀斯特塌陷穩定性進行預測，結果表明，上覆蓋層越薄、 覆蓋層中砂土層厚度與黏性土層厚度的比值（砂黏比）越大、 黏土抗剪強度越小，喀斯特的穩定性越差。高宗軍等［10］提出基于喀斯特水動態監測的設想，通過對喀斯特水位、 水量、 濁度以及主要化學組分等指標進行動態監測以實現對喀斯特塌陷的預測預報工作。孫金輝［11］通過模擬地下水波動、 降雨入滲以及真空吸蝕等不同影響因素的組合作用下黏土路基的變形響應情況，得出覆蓋型喀斯特塌陷產生的先決因素是喀斯特底部裂隙寬度達到了臨界裂隙寬度。

學者們從多個方面對喀斯特塌陷進行研究，在致塌模式、 致塌作用力及塌陷演化規律等方面取得了一系列成果，提出了喀斯特塌陷的形成機制和影響方式，極大地豐富了喀斯特塌陷理論研究。由于喀斯特塌陷地質條件的復雜性和喀斯特塌陷的突發性，在喀斯特塌陷發育地段，如何評判當前喀斯特塌陷所處的階段，如何對其誘發因素進行控制，并對其下一步的發展趨勢進行預測、 預報及防治，相關研究涉獵較少。本文中以山東省沂南縣孫祖河喀斯特塌陷為例，通過野外調查、 工程地質測繪、 鉆探、 現場試驗、 穩定性分析等手段，對孫祖河橡膠壩工程區可能形成的喀斯特塌陷的空間條件、 物質條件和水動力條件3個方面進行聯合系統分析，判斷了孫祖橡膠壩工程區喀斯特塌陷的當前所處的發展階段，得出了其誘發因素，預測了其下一步演化趨勢，進一步完善喀斯特塌陷研究理論體系，為喀斯特塌陷工程實踐及監測預警工作提供參考。

1? 研究區概況

孫祖河是東汶河流域下游的支流河道， 發源于山東省沂南縣孫祖鎮西北丘陵區， 在張莊鎮前漢沿村匯入東汶河， 河道全長20 km，流域面積為120 km2，河道平均比降為1.7‰，屬典型山區型河流。

研究區地貌屬于魯中南強—弱切割構造剝蝕中低山丘陵亞區，主要包括丘陵地貌以及河谷地貌，總體地勢為西北高、 東南低，兩側山脊高、 中間河谷低。河道兩岸沿線地貌形態主要為侵蝕剝蝕型丘陵，以構造剝蝕為主，長期受強—弱度剝蝕切割，切割深度為30～80 m。丘陵大多山勢低緩，丘頂渾圓呈饅頭狀，巖石直接出露。孫祖河河谷呈不對稱的U型，河漫灘較發育，河谷及漫灘地層巖性主要以淤泥、 礫質粗砂為主，局部沉積有少量壤土，第四系覆蓋層厚度為7～11 m。

流域內出露的主要地層單元為寒武系中統饅頭組C-2-3 m、 寒武系中統朱砂洞組C-2z^，地層巖性以灰巖為主，局部夾砂巖及頁巖，巖層產狀為59°∠10°。

研究區在地質構造上位于魯西隆起區（Ⅱ）—魯中隆起（Ⅱa）—馬牧池—沂源斷?。á騛7）—馬牧池凸起（Ⅱ3a7），主要斷裂有新泰—蒙陰斷裂、 銅冶店—孫祖斷裂、 鄌郚—葛溝斷裂。

區內年均降水差異較大，年內分布極不均勻，隨季度變化明顯，74.7%的降水集中在每年汛期6—9月份。主要含水層為礫質粗砂及灰巖，區內喀斯特水徑流通暢，受降水和開采影響，動態變化較大。

2? 喀斯特塌陷特征分析

在對山東省沂南縣孫祖水源工程孫祖河橡膠壩勘察時， 在距橡膠壩上游5.0 km處發現有一喀斯特地面塌陷坑（見圖1）， 該塌陷坑直徑12 m， 坑深4 m，坑底見水。 鉆探揭示壩址區下部基巖喀斯特強發育， 存在半徑5.0～7.0 m的喀斯特溶洞。

對于喀斯特塌陷的特征需要從多方面進行分

析，一般認為空間條件、 物質條件和水動力條件是喀斯特地面塌陷發生的3個先決條件［12］?？λ固厮?/p>

陷發育的空間條件主要是指可溶巖裂隙發育， 即基巖面存在溶洞、? 溶溝、 裂隙等， 是喀斯特塌陷產生的必要條件。 喀斯特塌陷的物質條件主要是指蓋層結構， 決定了喀斯特塌陷的類型， 對喀斯特塌陷蓋層結構的深入了解是正確認識喀斯特塌陷災害成因及機制的前提。 喀斯特塌陷的水動力條件主要是指喀斯特水對蓋層的滲透、 沖刷和軟化作用等，是喀斯特塌陷產生的原動力。要想分析喀斯特塌陷的形成、 演化機制對塌陷區基巖喀斯特及裂隙的發育程度的影響，蓋層結構及其水動力條件的研究必不可少。

2.1? 下伏可溶巖發育特征

研究區下伏基巖主要為寒武系中統饅頭組C-2-3 m以及寒武系中統朱砂洞組C-2z^地層， 地層巖性以灰巖為主， 局部夾砂巖及頁巖， 鉆探、 物探及現場工程地質測繪均顯示， 研究區喀斯特現象發育， 能夠為喀斯特塌陷提供空間條件。 研究區可溶巖喀斯特發育特征見表1。

2.2? 蓋層結構

研究區地層巖性特征如圖2所示。 鉆探資料顯示， 孫祖河橡膠壩處河床及漫灘內第四系地層主要為沖積堆積的礫質粗砂， 局部表層為薄層黏性土， 整體厚度為7～11 m， 在礫質粗砂和可溶巖間無隔水層， 第四系孔隙水與喀斯特水聯系密切。 砂層與下伏可溶巖直接接觸， 可溶巖頂板較薄， 鉆探揭示溶洞發育部位， 頂板厚度為0.2 m， 可見研究區喀斯特頂板極薄， 為單一透水性蓋層結構， 該蓋層結構易發沙漏型喀斯特地面塌陷。

2.3? 水動力條件

研究區水文地質特征如圖3所示。孫祖河為山溪雨源型河流，位于孫祖斷塊水文地質單元內，汛期水量大，非汛期水量小，主要的地下水類型有松散巖類孔隙水、 碎屑巖類孔隙裂隙水、 碳酸鹽巖巖溶裂隙水、 塊狀巖類裂隙水4類［13］。碳酸鹽巖巖溶裂隙水與松散巖類孔隙水間聯系密切，無隔水層，受降水影響明顯，地下水由兩岸向孫祖河河谷匯流。調查發現，研究區內喀斯特水長期被周邊采砂場的過量開采，喀斯特水的開采不利于喀斯特地區的穩定，利于喀斯特塌陷的形成。在枯水期當補給量達不到開采量時，地下水位急劇下降，此時承壓水會接受松散巖類孔隙水的補給，松散巖類孔隙水沿裂隙或喀斯特通道下滲，對灰巖產生溶蝕、 水解、 軟化等多種作用，破壞喀斯特頂板，加劇喀斯特現象的發育。汛期降水量增大，喀斯特地下水位上升，當水位上升至喀斯特頂板時，喀斯特水會對上覆巖土產生滲壓效應。滲壓效應是降雨或地表水等上部水體補給喀

斯特水時對上覆巖土產生的綜合作用［14］，可為喀斯特地面塌陷提供充分的水動力條件。

伴隨著汛期、 枯水期的交替， 研究區巖土體常年受干濕循環條件的影響。 有研究表明， 隨著干濕循環次數的增加， 土體強度逐漸減小， 且在第1次干濕循環過程中土體強度減小尤為顯著［15］。 若喀斯特頂板被擊穿， 上覆松散細顆粒即會在地下水的滲流、 軟化等作用下不斷流失， 當上覆土體所受致塌力大于抗塌力時， 蓋層失穩， 喀斯特塌陷發生。

3? 喀斯特塌陷成因及演化機制

根據研究區的空間條件、物質條件和水動力條件，引起土體坍塌的原因主要有水動力作用效應、 土力學作用效應和氣動作用效應［16］。研究區喀斯特塌陷主要經歷潛蝕軟化、 土拱形成、 地面塌陷3個階段，如圖4。

1）潛蝕軟化階段。研究區下部基巖喀斯特發育程度高，溶孔、 溶洞發育，為地下水及砂性土提供了良好的空間條件和運移通道。區內孔隙潛水和喀斯特水水力聯系密切，不存在相對隔水層，喀斯特水與孔隙潛水間補給、排泄順暢?？λ固厮艿竭^量開采及降水的影響，喀斯特水上下波動及水平流動，不斷沖刷上覆巖土體，巖土體強度逐漸降低，此時土體受到喀斯特水的浮力和土體自身抗滑力的作用，土體處于穩定狀態。

2）土洞形成階段。當上覆喀斯特頂板被擊穿時，砂性土直接鄰水，砂性土中的松散細顆粒隨著地下水的快速流動而不斷流失， 隨著喀斯特水水位下

降，潛水滲透產生破壞作用，土洞逐漸形成。

3）地面塌陷階段。 隨著土洞的逐漸發展， 當上覆土層逐漸失去支撐時， 在土體自重、 真空吸力、 潛水滲透力和喀斯特水浮力減小等因素的作用下， 致塌力大于抗塌力， 土體失穩， 喀斯特地面塌陷發生。

4? 喀斯特塌陷穩定性分析

4.1? 荷載分析

根據極限平衡理論，喀斯特塌陷土體主要受到向下的致塌力和向上的抗塌力作用。其中致塌力包括塌陷土體的自重G、 雨水下滲滲透力Fs、 真空負壓力Fp、 抽取地下水引起地下水浮力增量Fw以及地表外力等； 抗塌力主要是指塌落體的側摩阻力f。當土體的抗塌力小于作用于土洞的致塌力時，溶洞出現塌陷，具體土體受力分析如圖5所示。

圖中箭頭表示受力方向； f為側摩阻力；

G為土體自重力； Fs為滲透力； Fp真空負壓力；

Fw為抽取地下水引起地下水浮力增量。

塌陷土體的自重力計算公式為

Ｇ=πD2 hγ4 ，（1）

式中： γ為土體的容重，地下水位以上使用飽和容重，地下水位以下使用天然容重； h為覆蓋土體厚度； D為塌落拱或漏斗直徑。

由降水入滲引起的滲透力計算公式為

Fs=πD2v2γ08g ，（2）

式中： γ0為水的容重； v為地下水流動速度； g為重力加速度。

真空負壓力計算公式為

Fp=pA=πpD24 ，（3）

式中： p為落水洞與漏斗內的真空負壓差，取值為0～50 kPa［17］； A為真空負壓作用于塌陷土體的面積。

抽取地下水引起地下水浮力增量計算公式為

Fw=πD2γ0Δhw4 ，（4）

式中Δhw為地下水下降幅度。

地表外力主要為新建橡膠壩壩體荷載，當前地表外力為0。

土洞上方圓柱形塌落體的側摩阻力計算公式［18］為

f=πDk0γh22 tan φ+ch ，（5）

式中： k0為靜止側壓力系數， 取為0.6； φ為礫質粗砂內摩擦角； c為礫質粗砂的黏聚力。

4.2? 穩定性分析

將塌陷土體視為剛體，則在極限平衡條件下，塌陷土體的穩定系數計算公式為

k=2k0 γh2 tan φ+4chD（hγ+v2γ0/2g+Δhwγ0+p）+Fl ，（6）

式中Fl為塌陷土體承受的外部荷載。

塌落拱直徑D計算公式為

D=d+2R tan（45°-φr/2），（7）

式中： d為鉆孔直徑； R為溶洞頂、 底板高度差； φr為灰巖內摩擦角。

礫質粗砂物理力學參數見表2?？辈炱陂g正直汛期，潛水位距離現狀地面以下1.8 m，礫質粗砂的加權容重γ取20.0 kN/m3，根據實際鉆探及物探資料，研究區礫質粗砂覆蓋層厚度為8.8 m，區內喀斯特覆蓋層頂板已被鉆孔揭穿，鉆孔直徑為0.091 m。鉆孔揭示灰喀斯特洞頂、 底板高度差為5.0～7.0 m，灰巖內摩擦角φr取60°，地下水流動速度為3 m/s。

表2? 礫質粗砂物理力學參數

容重/（kN/m3）天然容重飽和容重

抗剪性能

天然黏聚力/kPa天然內摩擦角/（°）

16.820.8030

由此計算得塌落拱最大直徑D為3.84 m。 若不考慮外界因素， 僅考慮土體自重條件下， 穩定性系數為1.58， 此時研究區處于穩定狀態， 因此， 外界水動力條件的改變是影響該喀斯特塌陷穩定性的主要影響因素。 外界水動力條件的改變主要受地下水開采的影響， 因此， 真空負壓分別取0、 25、 50 kPa時，該喀斯特塌陷穩定性系數隨地下水位降深關系見圖6。 由圖可知， 在真空負壓取50 kPa的最不利條件下， 此時地下水位降深為4.88 m， 該喀斯特塌陷達到極限平衡狀態， 當地下水開采降深超過4.88 m時， 塌陷土體即會失穩， 因此在抽取地下水時， 為了減緩或避免覆蓋型塌陷的發生，應控制好地下水位最大降深。

4.3? 塌陷預測

研究區現狀地下水位降深小于4.88 m，經喀斯特塌陷穩定性計算，該塌陷點尚處于穩定狀態，但現場調查發現，研究區周邊村民自家打井抽取的承壓水每年都會一段時間出現渾濁的現象，推測為在喀斯特水的作用下砂性土產生的小規模塌陷。由此可推斷，孫祖河橡膠壩工程區當前處于土洞形成階段。

根據普氏地壓理論，在任何深度的巖層中形成土洞，土洞上部會形成壓力拱，以承受拱上部的覆蓋巖層重量而不致于坍塌，土拱高度計算公式［19］為

h0=0.828D2fk ，（8）

式中fk為覆蓋層土體的堅固性系數， 礫質粗砂取0.7。

經推算，研究區可形成的塌陷土拱最大高度為2.27 m。

5? 結論

本文中對孫祖河橡膠壩工程區可能形成的喀斯特塌陷的空間條件、 物質條件和水動力條件等3個方面進行聯合系統分析，得到以下主要結論：

1）根據研究區喀斯特塌陷的空間條件、 物質條件和水動力條件，認為研究區喀斯特塌陷主要經歷潛蝕軟化、 土洞形成、 地面塌陷3個階段，且該塌陷點當前處于土洞正在形成階段，并具備進一步發展的趨勢。

2）研究區土體穩定性分析結果表明，外界水動力條件的改變是影響研究區喀斯特塌陷的誘發因

素，在最不利條件下，研究區地下水最大開采降深為4.88 m，為了減緩或避免喀斯特塌陷的發生，應控制

好地下水開采最大降深。

3）研究區若發生喀斯特塌陷，其塌陷類型為沙漏型，形成的塌陷土拱最大高度為2.27 m。

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（責任編輯：于海琴）