某岩溶区灾害发育特征及形成条件研究

何孝挺，杜 娟，陆本学，庄 伟

（1.贵州省有色金属和核工业地质勘查局物化探总队，贵州 都匀 558000；2.平塘县自然资源局，贵州 平塘 558300）

碳酸盐岩地区在潮湿多雨的条件下极易形成大规模的岩溶地貌，进而造成地面塌陷、崩塌、滑坡等地质灾害，对拟建工程及公路、铁路等的安全影响极大[1]。研究区属于典型的岩溶区，自2014年以来多次出现地面塌陷地质灾害，因地面塌陷形成多处塌陷坑和地裂缝，局部房屋基础被掏空，房屋严重开裂，墙面整体错位，房屋歪斜，严重影响当地村民的生产生活。该地面塌陷虽暂时未造成重大的经济损失和人员伤亡，但给当地居民造成了巨大的精神负担，严重影响了当地居民的生产生活。鉴于此，本文总结该岩溶区灾害的发育特征及形成条件，为进一步确定治理方案提供参考。

1 岩溶灾害发育特征

1.1 基本地质概况

研究区地层出露较简单，主要为下石炭统大塘阶测水段碳酸盐岩，岩性主要为灰岩，为岩溶的发育提供了物质基础。据调查资料可知，该区域是岩溶地面塌陷的高易发区，历史上曾多次发生岩溶地面塌陷灾害，已知的有9处，发生时间远近不一，规模各异，但出现的塌陷坑在形态上多类似，皆为直筒型。

1.2 岩溶地面塌陷发育及分布特征

研究区地面塌陷属岩溶地面塌陷，至目前为止，研究区发生3次塌陷，出现3个塌陷坑及多处地面裂缝等，致使多栋房屋出现墙面裂缝等变形。根据对全村24栋民房的变形情况进行了统计，发现发生变形的11处房屋主要分布在该村北西角至南东角一线上，与早期发现的塌陷坑分布规律一致。

1.3 岩溶地面塌陷形态及规模特征

2014年10月25日，研究区北侧砖瓦房地面发生塌陷，塌陷后地面形成一处2.5m×5.0m的塌陷坑，地面下沉约0.1m。地面出现多处裂缝，裂缝宽1mm～3mm，上下错落2mm～6mm；一处房屋墙面塌落。多栋房屋墙面出现横向和纵向裂缝，横向裂缝宽1mm～30mm，纵向裂缝宽1mm～10mm。2014年12月6日，该地质灾害点再次发生岩溶地面塌陷，形成一处1.5m×2.0m的塌陷坑，地面下沉约1.0m，并在塌陷坑周边形成了长约2.0m的地面裂缝，裂缝宽度为10mm，走向261°。该处地面塌陷位置在灾害发生后进行了回填，该处居民也进行了搬迁，随后两年该处未继续发生塌陷。

1.4 岩溶地面塌陷的危害性

研究区地面塌陷地质灾害发生后，给当地村民造成较大的心理恐，并短时期内打乱了当地村民的正常生产和生活秩序。研究区受到地面变形和房屋开裂影响的民房有11间，受影响的房屋面积约720m2，但大部分民房出现的裂缝较轻微该地质灾害点出现的地面变形和地面塌陷未造成人员伤亡事故，但受影响的民房经济损失约280万元，地质灾害灾情等级为小型，险情等级为中型。

2 地面塌陷的形成条件

2.1 隐伏岩溶发育与空间分布规律

研究区可溶岩为下石炭统大塘阶测水段组碳酸盐岩，岩性主要为灰岩，局部岩石节理裂隙方解石脉发育，裂隙面见褐红色铁质渲染或泥铁质物充填。该区岩溶发育，钻孔均揭露到溶洞，见洞率为64.29%。溶洞高多为2.70m～14.60m，洞高最小为0.50m，最大为14.60m，平均7.39m；洞顶埋深多大于23m，个别较浅者为17m。溶洞多发育于微风化石灰岩顶部，顶板为残积层粉质黏土或全风化石灰岩，底板为微风化石灰岩，全填充流塑—软塑状细砂、淤泥质粉质黏土。发育形态多为独立的圆球状、椭球状及透镜体状，在垂直方向上呈串珠式分布。发育于微风化石灰岩、上下顶板皆为基岩的溶洞仅在1个钻孔中揭露到，溶洞全填充淤泥质粉质粘土，饱和，流塑，无摇振反应，局部夹杂岩块。溶洞顶板为厚30cm的微风化灰岩。钻探揭露显示，基岩上部微风化段多发育有溶隙、溶孔等。溶隙疏密程度不一，分布不均，多呈空隙状，部分开张性较好，与浅表部侵蚀沟槽或溶洞沟通者有粘土或岩石崩积碎岩快、角砾等充填。溶孔在钻探岩心上，呈单孔状或蜂巢状，分布不均匀，孔径一般2mm～15mm，充填褐红色铁质泥。溶隙及溶孔发育地段在钻探过程中往往表现为少量漏水、漏浆段，在可溶岩浅部与溶沟、溶槽及溶洞共同发育区，则是岩溶发育的主要形式。根据钻探资料，调查区内可溶岩出露条件属覆盖型可溶岩，隐伏于第四系冲洪积以下，未出露地表，其地面标高148.42m～106.27m，埋藏深度15.30m～55.80m。

2.2 土洞发育及分布特征

地下土洞主要形成于岩溶发育地区，土洞的发育与上覆土层的性质和厚度、岩溶发育程度、地下水活动等因素密切相关。根据外业勘察资料：研究区共有3个钻孔揭露到土洞，覆盖于可溶性岩以上第四系土层，见洞率达10.71%。洞顶埋深在20.80m～49.9m之间，土洞高度规模约6.50m。所有土洞呈全充填状态，充填物多以流塑状、软塑状粘土和松散细砂为主。从以溶洞、土洞的发育、分布特征分析，研究区岩溶发育具有以下基本规律：①地下溶洞、土洞主要分布于粉质粘土层中；②土洞埋藏深度一般较大，一般在23m以上，个别埋深较浅也达17.0m，埋深大达49.9m，土洞的规模较大，洞高为0.5m～16.5m不等；③地下土洞呈全充填状态，充填物以流塑状、软塑状粉质粘土和松散细砂为主。

2.3 第四系土层厚度变化与岩溶发育分布特征

（1）土层厚度变化特征。根据钻探资料显示，研究区第四系土层整体上具有北、东部两侧薄中部厚的特点，靠近祠堂正门附近是该地段土层最厚的位置。研究区土层总体厚度为15.3m～55.8m，顶部为填土或耕土，厚度一般0.6m～4.0m，向下为冲洪积粉质粘土及中砂、残积粉质粘土，厚度分别为3.90m～29.10m和1.80m～46.20m。

（2）土层厚度与岩溶发育分布特征。研究区已出现的地面塌陷及房屋变形迹象，主要分布在村东侧一带，与之对应的第四系土层厚度为22m～36m。由此可以推测，地面塌陷的发生与土层厚度有极为密切的关系：土层太薄则不利于土洞、溶洞的形成，致使地面塌陷的基本条件缺失；土层太厚则在土洞、溶洞“破顶”后，有足够的砂土填充洞体空间，加之洞内原本就有充填物，坍塌造成的土体下沉逐步上传到地面上，影响已降到极小，故钻孔部分均揭露到有较厚的土洞、溶洞，但是地表建筑物均为见有墙体裂缝等变形迹象。所以，适宜的土层厚度是造地面塌陷的重要因素。

3 岩溶地面塌陷的机理

研究区内发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动，并快速带走岩溶土洞内的充填物，使岩溶土洞的内应力受到破坏，在某种外动力的刺激下发生塌陷的结果。岩溶土洞塌陷的形成主要包括以下几个方面的作用。

（1）失托增重效应。地下水位的快速下降，消减了对覆盖层或土洞顶板的浮托力，使覆盖层或土洞失稳、坍塌[2]；同时，岩溶土洞内的充填物（流塑状粉质粘土或砂土）被水流带走，从而引起覆盖层或土洞的破坏，导致岩溶地面塌陷。

（2）渗透溶蚀效应。研究区内岩溶地下水位的下降，使地下水的坡降和流速增大，动水压力增强，从而对岩溶洞隙通道中的松散充填物和覆盖层的潜蚀、冲刷和掏空作用增强，使岩溶洞隙内的充填物被搬运带走，土体发生渗透变形破坏，地下水位下降速度、幅度越大，作用于土体的水力坡度越大，在覆盖层中，水流的渗透压力产生垂向的渗透潜蚀作用[3]。这种作用随着岩溶地下水位的下降，水头差的增大而增强，土洞不断向上扩展而导致塌陷。

4 结语

综上所述，研究区土体厚度大，岩溶发育，具有数量众多、分布不规律的土洞、溶洞，满足岩溶地面塌陷形成的基本条件；同时，第四系砂、卵石层结构松散，圧密度低，在土层厚度适宜的地段，下部土洞平衡状态破坏后，极易沿通道填充土洞，造成上部坍塌，具备岩溶地面塌陷形成的物质基础。此外，后期地下水位季节性涨跌和人类活动加剧了灾害的发展。总体上，研究区岩溶地面塌陷的内在因素是区内土洞、溶洞发育程度高、第四系土层厚度变化大，具备塌陷的适宜厚度，且地下水丰富，外因为强烈抽排地下水改变土层应力状态。