吉林大学精品课>>专门水文地质学>>教材>>专门水文地质学  §13.2岩溶塌陷的灾情评估及防治措施 一、岩溶塌陷的概念及产生原因 岩溶地面塌陷是指覆盖在溶蚀洞穴之上的松散土体，在外动力或人为因素作用下产生的突发性地面变形破坏，其结果多形成圆锥形塌陷坑。 岩溶地面塌陷是地面变形破坏的主要类型，多发生于碳酸盐岩、钙质碎屑岩和盐岩等可溶性岩石分布地区。激发塌陷活动的直接诱因除降雨、洪水、干旱、地震等自然因素外，往往与抽水、排水、蓄水和其他工程活动等人为因素密切相关，而后者往往规模大、突发性强、危害也就大。岩溶地面塌陷发现于碳酸盐岩分布区，其形成受到环境和人类活动的双重影响。 1. 可溶岩及岩溶发育程度 可溶岩是由岩溶地面塌陷形成的物质基础，而岩溶洞穴的存在则为地面塌陷提供了必要的空间条件。大量塌陷事件表明，塌陷主要发生在覆盖型岩溶和裸露型岩溶分布区，部分发育在埋藏型岩溶分布区。 溶穴的发育和分布受岩溶发育条件的制约，一般主要沿构造断裂破碎带、褶皱轴部张裂隙发育带、质纯层厚的可溶岩分布地段、与非可溶岩接触地带分布。岩溶的发育程度和岩溶洞穴的开启程度，是决定岩溶地面塌陷的直接因素，可溶岩洞穴和裂隙一方面造成岩体结构的不完整，形成局部的不稳定；另一方面为容纳陷落物质和地下水的强烈运动提供了充分的空间条件。一般情况下，岩溶越发育，溶穴的开启性越好，洞穴的规模越大，则岩溶地面塌陷也越严重。 2. 覆盖层厚度、结构和性质 松散破碎的盖层是塌陷体的主要组成部分，由基岩构造成的塌陷体在重力作用下沿溶洞、管道顶板陷落而成的塌陷为基岩塌陷。塌陷体物质主要为第四系松散沉积物所形成的塌陷叫土层塌陷。据南方十省区统计，土层塌陷占塌陷总数的96.7%。 3. 地下水运动 地下水运动是塌陷产生的动力条件——主要动力。地下水的流动及其水动力条件的改变是岩溶塌陷形成的最重要动力因素，地下水径流集中和强烈的地带，最易产生塌陷，这些地带有： （1）岩溶地下水的主径流带； （2）岩溶地下水的（集中）排泄带； （3）地下水位埋藏浅、变幅大的地带（地段）； （4）地下水位在基岩面上下频繁波动的地段； （5）双层（上为孔隙、下为岩溶）含水介质分布的地段，或地下水位急剧变化的地段； （6）地下水与地表水转移密切的地段。 地下水位急剧变化带是塌陷产生的敏感区，水动力条件的改变是产生塌陷的主要触发因素。 水动力条件发生急剧变化的原因主要有降雨、水库蓄水、井下充水、灌溉渗漏、严重干旱、矿井排水、强烈抽水等。 此外，地震、附加荷载、人为排放的酸碱废液对可溶岩的强烈溶蚀等均可诱发岩溶地面塌陷。 二、岩溶塌陷勘查及预报 （一）勘查工作内容的一般要求 (1) 查明岩溶塌陷的发育现状、历史过程及其危害性。 (2) 确定岩溶塌陷的成因、类型、形成条件和地质模式，研究其分布规律。 (3) 确定岩溶塌陷发育的动力因素，研究其动态特征及其与塌陷的相关关系。 (4) 确定岩镕塌陷的机制及其临界条件。 (5) 研究岩溶塌陷综合评价预测和信息管理系统，评价其稳定性。 (6) 确定岩溶榻陷的前兆现象与监测预报方法，研究预警措施。 (7) 研究岩溶塌陷的防治工程方案和措施。 （二）勘查区岩溶环境调查研究 目的是了解勘查区所处的岩溶工程地质环境的特征及其组成要素的分布规律，以保证勘查工作的质量。调查研究方法主要是综合分析研究已有助各种资料，必要时进行补充的路线调查。调查研究范围以达到上述目的为原则，一般应包括一个完整的水文地质单元。调查研究的主要内： 1. 地形地貌 调查研究山川形态与走势，地形切割起伏特征，地表水文网的配置格局，夷平面和阶地的发育特征和分布高程，地貌成因类型与形态特征，各地貌单元的分布，组成物质与形成时代等。着重调查岩溶地貌形态的成因类型和形态组合类型及其分布。 2. 气象与水文 (1) 气象要素中着重调查降水特征，包括多年长周期丰、贫水年变化特征，多年平均降水量，年降水量分布特征，单次最大降水量及持续时间，最大降水强度(以小时计)等。 (2) 水文要素包括地表汇流面积，径流特征，河、湖及其它地表水体(包括季节性淹没的洼地)的流量和水位动态，包括最高洪水位和最低估水位及出现日期和持续时间，汛期洪水频率及变幅等。 3．地层 调查研究组成地质环境的地层层序及时代、成因类型、岩性岩相特征与接触关系及其工程地质特征。其中，侧重对碳酸盐岩及其它可溶岩和第四系松散沉积物的调查研究， (1) 对碳酸盐岩及其它可溶岩，调杏研究其岩石成分和结构构造，非可溶岩夹层的岩性、厚度与分布，划分岩溶层组类型。 (2) 对第四系松散沉积物，调查研究其岩性结构、沉积年代和成因类型及其厚度与分布。注意调查红粘土、软土及其它特殊土类的岩性成分、结构、厚度及埋藏分布条件、根据上述特征划分其岩性、结构类型，—般可作如下划分： ① 均一结构：均一粘性土层或均—砂土层。由单一土层组成，其中夹层的单层厚度小于l m，累计厚度小于总厚度的10%。的两种岩性土层或两种不同时代、不同成因类型的土层组成。 ②多层结构：双层状粘性土-砂砾石层或双层状砂砾石-粘性土层，由同一成因类型的两种岩性土层或两种不同时代、不同成因类型的土层组成。 ③多层结构：多层状粘性土夹砂砾石层或多层状粘性土、砂砾石层。由同一成因类型的多种岩性土层或多种不同时代、不同成因类型的土层组成。 4．地质构造 调查研究区域构造骨架与构造线方向，主要构造的形态特征、产状、性质、规模与分布，其形成时期与组合关系。着重调查断裂构造、其规模、产状、力学性质、组合与交切关系，以及破碎带的性状与特征。对节理裂隙，要注意调查其在不同构造部位、不同岩性中的发育特征与发育方向，着重调查裂隙密集带的发育与分布。 5．新构造运动与地震 (1) 调查研究新构造运动的性质与特征。根据地震活动性、地形变特征、地貌差异及水热活动等迹象判定活动性断裂，注意调查其产状规模和破碎带特征，切割的最新地层及最新充填情况，判明其活动时期、活动特点及强度。着重调查构造现今活动迹象，根据地形变资料，分析现今活动特征。 (2) 搜集历史地震资料，了解震中位置与震级，分析评价地震活动水平。搜集附近地震台站测震资料，了解地震活动规模及其与区域构造的关系。着重调查历史上破坏性地震所引起的各种地震效应，调查研究与塌陷有关的各种现象，如喷砂、冒水、地面开裂、塌陷、砂土液化、地下水位骤然升降的异常变化等、 6．岩溶发育特征 (1) 调查研究岩溶的形态、规模、组合特征及其分布，统计分析不同条件下岩溶发育密度。分析研究岩溶发育与岩溶层组类型、构造、地貌及地下水动力条件的关系，了解岩溶发育与分布规律。 (2) 以岩溶层组类型及岩溶地貌特征为基础，结合地表岩溶形态、岩溶率及蓄水性等指标，评价岩溶的发育程度，一般可划分为强、中、弱三级。 (3) 对覆盖岩溶区、着重调查研究浅层岩溶洞隙的发育特征，包括其形态、规模、组合特征、连通情况及充填状况，分析研究强岩溶发育带在平面上的分布和剖面上的发育深度。注意调查研究隐伏于松散覆盖层之下的岩溶形态及其分布特征．如漏斗、洼地、槽谷等，分析研究其与浅层岩溶发育的关系 7．岩溶水文地质条件 (1) 调查研究岩溶地下水的类型及其特征 岩溶地下水总体上具有赋存状态复杂(集中管道状或分散网络状)，动态变化迅猛，径流通畅，流态多变的特点。这些特征在不同的地区，由于其补、径、排条件的不同又有明显的差异。影响补、径、排条件的因素除了地质构造外，主要是受地貌，即碳酸盐岩的出露条件、地形切割程度及水文网的配置格局所控制，不同的地貌类型具有不同岩溶地下水特征。据此可将岩溶地下水划分为三种类型：岩溶山地(棵露型岩溶)的岩溶地下水，岩溶平原、盆地、谷地(覆盖型岩溶)的岩溶地下水和河湖近岸地带的岩溶地下水。 (2) 调查研究岩溶水文地质结构 调查研究各岩溶含水层组的层位、岩性、含水介质类型、富水性及水化学特征，其埋藏和分布条件，其相互间的水力联系及与第四系孔隙水和地表水体的关系，分析研究岩溶水文地质结构的类型及特征。 (2) 调查研究岩溶水系统的组成与分布特征 调查研究岩溶泉和地下河的发育与分布特征，结合岩溶水文地质结构，分析研究岩溶水系统的组成和分布特征，其补给、径流、排泄的水动力条件及其水位、流量的动态变化持征。 (4) 调查研究覆盖岩溶区的地下水流场特证。 着重调查研究岩溶水的流场特征和水位(水头)埋深与基岩面的关系及其动态变化。岩溶水主径流带的分布与水动力特征。近河(湖)地段注意调查研究岩溶地下水、上覆土层水与地表水之间的补排关系、洪水涨落过程所引起的它们之间的水位(头)差及水力坡降的变化，以及洪水倒灌的影响范围。对于第四系覆盖层包括粘性土层，注意调查其含水性及其分布，以及与岩溶地下水的水力联系与水头差。岩溶地区第四系粘性土常为坡、残积成因，多含砂砾质、且垂直裂隙发育，因而具有不均一的含水性，往往组成弱含水层。许多塌陷区部发现有隐伏土洞，上洞最发育的部位有两个，一是基岩面附近，一是地下水的季节变动带。后一部位往往位于土层剖面的中部。土洞的形成从另一侧面表明上层中有水流的渗透作用。因此第四系粘性土不能一概当作相对隔水层，而应具体了解其渗透性和含水性，它们对粘性土盖层中土洞和塌陷的形成有着相当重要的意义。 （三）岩溶塌陷监测 岩溶塌陷研究中，要监测地面、建筑物的变形和井泉或水库水量、水位变化，地下洞穴发展动态，及时发现塌陷前兆现象，对预防、减轻塌陷灾害损失非常重要。在地面塌陷频繁发生地区或潜在地面塌陷区内，可采取以下监测和预报措施： (1) 在具备地面塌陷的三个基本条件(即塌陷动力、塌陷物质、储运条件)与岩溶低洼地形地区，在抽排地下水的井孔附近，应对地面变形(开裂、沉降)进行监测。 (2) 进行宏观水文监测，当出现地表积水或突然干枯，放水灌溉及雨季前期降雨都可视为可能发生塌陷的前兆。 (3) 注意收集或及时发现具塌陷前兆的异常现象，如出现建筑物开裂或作响、植物倾斜变态、井泉或水库突然干枯或冒水、逸气，地下水位突升突降，地下有土层塌落声及动物惊恐等异常现象，皆应警惕塌陷即将来临。 (4) 监视井泉内、坑道与水库渗漏点的地下水位降深是否超过设计允许值，地下水位升降速度有否骤然变化，渗漏水中泥沙含量是否高。另外可以在井孔内安装伸缩性水准仪，中子探针计数器、钻孔深部应变仪，及其他常规测量仪器等监测地下变形异常。 (5) 塌陷时地表会发生变形，地球物理场亦会发生一定的变化，利用这种特性，在洞穴上部埋设装有聚氯乙烯铜线的混凝土管，当临塌陷或大塌陷前，地表覆盖层发生变形时，混凝土管就会被折断从而发出警报；也可以监测重力的变化，将重力变化的信号转换为音响的报警装置进行报警。 三、岩溶塌陷的灾情评估 （一）岩溶塌陷等级划分 岩溶塌陷应查明：塌陷的位置、范围及面积；塌陷量；塌陷区的环境水文地质条件；塌陷原因以及发展趋势。依据塌陷面积进行等级划分（表13-3）。 表13-3 岩溶塌陷灾变等级划分表 种类 指 标 特大型 大型 中型 小型  地面塌陷 岩溶塌陷面积（km2） >20 20~10 10~1.0 <1.0   采空塌陷面积（km2） >5 5~1.0 1.0~0.1 <0.1   （据张梁等著《地质灾害灾情评估理论与实践》1998， P28） （二）岩溶塌陷的灾情预测 预测步骤包括以下三个： 1. 查明研究区的地质、水文地质条件。 2. 调查已有塌陷点的塌陷特征、分布规律及形成条件（环境及触发因素），确定出现塌陷的综合判断指标。 3. 考虑塌陷发展趋势和对环境的影响程度，对研究区进行塌陷预测分区，提出地表各种重要设施的保护方案和预防措施。 通常，采排地下水或矿坑突水时，在水位降落漏斗内，容易产生岩溶塌陷的地段如下： 1. 浅部岩溶发育强烈，可溶岩顶板起伏较大，并有洞口和裂口，洞穴无充填物或充填物少，且充填物多为砂、碎石、粉质粘土的地段。 2. 采排地下水点附近或地下水位降落漏斗范围中心（特别是地下水的主要补给径流方向上）地段。 3. 构造断裂带（特别是新构造断裂带）背、向斜轴部，可溶岩与非可溶岩的接触部位。 4. 溶蚀洼地、积水低地和池塘、冲沟地段。 5. 第四系土层为砂、粉质粘土，且厚度小于10m地段。 6.河床及其两侧附近。 地面塌陷预测可考虑的影响因子： 1. 排水量（Q） 2. 水位降低值（S） 3. 盖层物理、力学性质的指标（ηi） 4. 盖层厚度（M） 5. 岩溶发育程度的指标（K） 6. 表征构造破坏程度的参数（G） 7. 预测扩展半径时要考虑时间 8. 预测时间、强度时，要考虑到抽水中心的距离 地面塌陷在时间上具有突发性，空间上具有隐蔽性，其预报为当前的前沿课题。可用于岩溶地面塌陷的探测方法和仪器有地质雷达（探溶洞）、浅层地震、电磁波、声波透视（CT）等。近年来，用GIS技术中的空间数据管理、分析处理和建模技术对潜在塌陷危险性进行预测，效果良好。 目前国内岩溶塌陷灾情评估的方法，主要采用经验公式法、多元统计分析法，也可根据岩溶类型、岩溶发育程度、覆盖层厚度和覆盖层结构，进行岩溶塌陷活动程度判定（表13-4）。 表13-4 岩溶塌陷活动程度判定表  （据张梁等著《地质灾害灾情评估理论与实践》1998， P67） 四、岩溶塌陷的防治措施 我国对岩溶塌陷的防治工作开始于60年代，目前已有一套比较宪整和成熟的方法、防治的关键是在掌握矿区和区域塌陷规律的前提下，对塌陷做出科学的评价和预测，即采取以早期预测、预防为主，治理为辅、防治相结合的办法。 塌陷前的预防措施主要有：合理安排厂矿企业建设总体布局；河流改道引流，避开塌陷区；修筑特厚防洪堤；控制地下水位下降速度和防止突然涌水，以减少塌陷的发生；建造防渗帷幕，避免或减少预测塌陷区的地下水位下降，防止产生地面塌陷；建立地面塌陷监测网。 塌陷后的治理措施主要有：塌洞回填；河流局部改道与河槽防渗；综合治理。 一般来说，岩溶塌陷的防治措施包括控水措施、工程加固措施和非工程性的防治措施。 （一）控水措施 1. 地表水防水措施：防地表水进入塌陷区，可以： （1）清理疏通河道，加速泄流，减少渗漏； （2）对漏水的河、库、塘铺底防漏或人工改道； （3）严重漏水的洞穴用粘土、水泥灌注填实。 2. 地下水控水措施 根据水资源条件，规划地下水开采层位、开采强度、开采时间，合理开采地下水，加强动态监测。危险地段对岩溶通道进行局部注浆或帷幕灌浆处理。 （二）工程加固措施 1. 清除填堵法：用于相对较浅的塌坑、土洞。 2. 跨越法：用于较深大的塌坑、土洞。 3. 强夯法：用于消除土体厚度小，地形平坦的土洞； 4. 钻孔充气法：设置通风调压装置，破坏岩溶封闭条件，减小冲爆塌陷发生的机会。 5. 灌注填充法：用于埋深较深的溶洞。 6. 深基础法：用于深度较大，不易跨越的土洞，常用桩基工程。 7. 旋喷加固法：浅部用旋喷桩形成一“硬壳层”，（厚10～20m即可），其上再设筏板基础。 （三）非工程性的防治措施 1. 开展岩溶地面塌陷的风险评价。 2. 开展岩溶地面塌陷的试验研究，找出临界条件。 3. 增强防灾意见，建立防灾体系。 岩镕塌陷的防治尽管难度较大，但只要因地制宜地采取综合的措施，岩溶塌陷灾害是完全可以防治的。