自然因素、抽水因素与岩溶塌陷的关系

第１５卷第２期　２００２年６月　

广西地质　

Ｇｕａｎｇｘｉ　Ｇｅｏｌｏｇｙ　Ｖｌ０１．１５　Ｎｏ．２　

Ｊｕｎ．２００２　

自然因素、抽水因素与岩溶塌陷的关系　谭鉴益　，王年生　（１．广西国土资源信息中心，广西南宁５３００２３；２．衡阳铁路工程学校，湖南衡阳４２１００１）　［摘要］文章从岩溶发育、土层存在和地下水活动３个方面论述自然因素、抽水因素在岩溶塌陷的形成过程中所　起的作用，认为自然因素是决定岩溶塌陷的因素，抽水因素是加速岩溶塌陷的因素。　［关键词］自然因素；抽水因素；岩溶塌陷　［中图分类号］Ｐ　６９４　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１００３—７８６１（２００２）０２—００６５—０４　

岩溶塌陷是浅覆盖型岩溶区最突出的地质灾害。由于岩溶塌陷的突发性及其所造成的危害，已使人们　认识到岩溶塌陷防治的重要性。如何防治岩溶塌陷是摆在我们面前的一项重要任务。要防治岩溶塌陷，首　先要弄清岩溶塌陷的成因，对此前人曾进行过不少研究，归纳起来主要有２种论点。一种是“抽水塌陷论”，　认为抽水必塌，抽水引起塌陷，塌陷危及建筑物和人民生命财产的安全，为了保证建筑物和人民生命财产的　安全，主张禁止开采岩溶水。另一种是“自然塌陷论”，认为塌陷是自然因素作用的结果，并主张开发利用岩　溶水。由此看来，关于岩溶塌陷的成因问题不仅仅是学术问题，更重要的是应用问题。因此在当前全民普遍　重视地质灾害防治工作的情况下，有必要弄清自然因素、抽水因素与岩溶塌陷的关系，其关键是要研究自然　因素、抽水因素在岩溶塌陷的形成过程中所起的作用，是起“决定性”的作用还是起“加速”的作用？只有这　样，才能正确认识自然因素、抽水因素与岩溶塌陷的关系。　

１　自然因素、抽水因素的作用分析　我们知道，岩溶塌陷形成的主要条件是岩溶发育、土层存在及地下水活动。对此作适当分析就可以知道　自然因素、抽水因素在岩溶塌陷形成过程中所起的作用。　

１．１岩溶发育　岩溶发育是岩溶塌陷的前提条件。土层要塌陷，其下伏必须有能容纳塌陷土体的空间，亦即岩溶洞穴。　没有岩溶发育，没有与土层相连接的开放的岩溶洞穴，岩溶塌陷不会发生。这已被理论和大量的事实所证　实，如桂林市在水文地质工程地质勘查中发现有大量的溶洞、土洞和塌陷，统计发现，线溶洞率愈高，土洞和　塌陷愈多　，塌陷调查表明，塌陷处均存在着岩溶洞穴，无一例外。　显然，岩溶洞穴不可能在抽水这一短暂的时间内形成，它是自然因素长期作用的结果，是天然地下水流　对碳酸盐岩长期作用的产物，这是人所共知的事实。这就从根本上解决了是什么因素决定岩溶塌陷的这一　关键问题。　

１．２土层存在　土层是岩溶塌陷形成和发生的物质基础，没有土层就没有岩溶塌陷。岩溶洞穴之上的土层在地下水流　等的长期作用下，发生崩解剥落，形成土洞，随着土层崩解剥落的进行，土洞不断上扩和侧扩，并最终在地下　水流、重力等多种因素的作用下塌陷。　

［收稿日期］２００２—０１—１６；［修订日期］２００２—０３—０４　孝　，　译鉴益（１９５７一），男，汉族，高级工程师，现从事国土资源信息化工作，广西国土资源厅科技信息中心主任。　①广西壮族自治区地质矿产局

，桂林市２０００年地下水资源及环境地质问题预测研究报告。１９８６。　

维普资讯 http://www.cqvip.com 广西地质　２００２年第１５卷　影响土层崩解的因素很多。试验和研究结果表明：土的矿物成分、结构、颗粒大小、含水量、饱和度、孔隙　比、化学成分以及水的化学成分、地下水的动态等与土的崩解密切相关［　］［　］①。　

蒙脱石含量高的土样，崩解最快，见表１。　表１矿物主要成分与崩解率统计表　在蜂窝状、支架状、基质状和紊流状等几　种土的结构中，崩解最快的是蜂窝状，其次是　支架状，最慢是紊流状。　粗颗粒崩解快，细颗粒崩解慢。在以细　颗粒为主的土层中，粘粒含量愈高，崩解愈　慢。　土层含水量愈大，饱和度、孔隙比、密度愈小，土层崩解愈快。当土层出现干湿交替变化时，土层含水状　态（含水量、饱和度等）发生剧烈或较大的改变，土层更容易崩解。如由饱水状态变为风干失水状态，再变为　饱水状态，此时土样崩解最快。　土中含有易溶于水的化学成分（如Ｎａ２０）和可发生化学反应的成分（如ＣａＯ）愈多，土层崩解愈快。这些　成分与地下水发生一系列物理化学作用，土中一部分物质转移到水中，结果引起土层的疏松和崩解。长期反　复作用的结果，对土层的崩解就会产生显著的影响。　地下水动态变化对土层的崩解有重要的影响，是土层崩解乃至塌陷的最活泼因素。试验表明，在水位　变幅不大的情况下，除了个别土样外，绝大部分土样均发生崩解，而且崩解量总体上随着水位变幅的增大而　增大（见表２）。　在上述诸多因素中，除了地下水动态有抽水　因素影响外，其余均为自然因素。Ｒ型因子分析　结果表明，在有地下水作用及其动态变化不大的　情况下，土层的崩解与蒙脱石的关系最为密切。　由此可见，影响土层崩解的因素主要是自然因素。　

１．３地下水活动　

表２水位变幅与原状土样崩解率统计表①　

地下水活动分为天然地下水活动和人为地下水活动。　天然地下水活动是岩溶塌陷形成和发生的最活泼的因素。它不仅塑造了大量的岩溶洞穴，而且对土层　的崩解剥落、土洞的形成、发展乃至塌陷的发生都产生显著的影响。　．　天然地下水主要来源于大气降水。这种地下水因其方解石饱和指数为负值而具溶蚀性。天然地下水因　气候和水文因素的影响，经常处于交替变化之中，不仅有年际和季节的变化，而且也有短暂的变化。丰水年　份和季节地下水位高，枯水年份和季节地下水位低；大暴雨时地下水位迅速上升，雨后不久地下水位迅速下　降。江河沿岸的岩溶地下水动态除了受气候因素影响外，还受水文因素的影响，主要表现在河水位上升时，　地下水位随之上升，河水位下降时，地下水位随之下降。　正是这种频繁交替变化的具有侵蚀性的天然地下水的活动，才塑造大量的岩溶洞穴，对土层产生潜蚀、　渗蚀、真空吸蚀、气暴冲蚀和失托增荷等的作用，从而对土层崩解和塌陷产生显著的影响，而且这种作用和影　响是长期的、大范围的。大量的塌陷产生于枯季、雨季和江河沿岸以及无人类活动影响的地区，大量的土洞　分布于季节变动带，就是天然地下水作用的最好例证。　强调天然地下水的作用，并不否认抽水对塌陷的影响。我们知道，抽水时地下水位迅速下降，停抽后地　下水位迅速回升。抽水所引起的水位降幅使天然条件下水位变幅进一步加大，使局部地下水流速加快，这样　在短时间内加速了天然条件下的潜蚀、渗蚀、真空吸蚀、失托增荷等的作用，从而使岩溶洞穴之上的土层由稳　定状态变为不稳定状态（即塌陷）的趋势加快，亦即塌陷所需的时间更短。这样在抽水的影响下，那些处于或　接近临界状态的土层在抽水这一短暂时间内发生塌陷，从而显示出“抽水必塌”之势。　

①广西壮族自治区地质矿产局．广西典型岩溶塌陷区塌陷形成机理及预测研究报告，１９９１。　

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期　谭鉴益等：自然因素、抽水因素与岩溶塌陷的关系　但是抽水对塌陷的影响不管有多大，也仅仅起到加速或加剧的作用。因为在人们所说的抽水塌陷处，即　使不抽水，也会在自然因素的作用下塌陷。室内的崩解试验已经证明了这一点（见前述），塌陷的预测分析也　证明这一点。　例如桂林某地一土洞，其土层厚度（Ｙ）＝３．４０　ｍ、水头（Ｈ）＝０．１９　ｍ、水位变幅（△Ｈ）＝４．０４　ｍ、土的密　度ｐ＝１．７７　ｇ／ｃｍ３、内聚力（Ｃ）＝４２　ｋＰａ、内摩擦角（　）＝７。、孔隙比（８）：１．２９１、土粒密度（ＩＤ　）：２．７５　ｇ／ｃｍ３、土层崩解率（Ｖ）＝０．０１５７　ｍ／ａ（试验结果统计而得）、预计塌陷直径（Ｄ）＝２．５　ｍ（根据统计结果比拟　

而得）、土洞直径（ｄ）：１．２　Ｄ（根据调查结果统计和理论计算比拟而得），起始水力梯度（，ｏ）：０．５（根据第二　造纸厂钻孔资料比拟而得），侧压系数（Ｉ＜０）＝０．５３（取粘土可塑状态侧压系数值），抗拉强度（ａｔ）￣ｃ／３（试验　统计而得），　＝（　＋８）／（１＋８），令时间（ｔ）＝０、外力（Ｐ）＝０、水的密度（ＩＤ　）＝１，把上述数值代入承压条　件下塌陷预测模型（１）［３Ｊ：　

４８０＂　（１一　）　－ｔ－１２Ｋｏｐｇｔｇ￣ｏ（Ｙ—Ｖｔ一　）　＋２４Ｃ（Ｙ—ｖｔ）　“２ｐｇ（ｄ２一　）＋６ｄｐｇ（Ｙ—Ｖｔ一　一　厕）＋６ｄｐ￣ｇ　

二　！　二望　二望　…　＋６ｄｇｐ　（ｚＸＨ＋Ｖｔ—Ｈ）＋　得Ｋ＝１．８，因Ｋ＞１，土层处于稳定状态（当Ｋ＞１时，土层处于稳定状态；当Ｋ＝１时，土层处于临界状　态；当Ｋ＜１时，土层处于不稳定状态——塌陷）。　天然条件下，随着土层的崩解，土层由厚变薄，当土层由承压状态变为负压状态时，由模型（１）计算得Ｋ　＝１．７，表明土层仍然处于稳定状态。土层由承压状态变为负压状态所需要的时间为：　ｔｌ：Ｈ／　＝０．１９／０．０９１５≈１３（ａ）　土层由承压状态变为负压状态的厚度为Ｙ＝３．４—０．１９：３．２１（ｍ），初始真空吸引力Ｕ０＝０，把上述各　值代入负压条件下的塌陷预测模型（２）【３】，并令Ｋ＝１，计算负压条件下塌陷所需的时间为ｔ２＝９４（ａ）。　

４８ａ￡（１一　／＿３）￣／ｄ　一Ｄ　＋１２Ｋｏｐｇｔｇｑ￣（Ｙ—Ｖｔ）　＋２４Ｃ（Ｙ—Ｖｔ）　Ｋ＝—————　————　————————————＿－—————————一　２ｐｇ（ｄ　一　）＋６ｄｐｇ（Ｙ—Ｖｔ一　１￣／ｄ　一Ｄ　）　

一３ＫｏｐｇｔｇＴ（ｄ　一Ｄ　）一１２Ｃ￣／　一Ｄ　＋　＋６ｄｇｐ￣Ｘ／－／＋　该土洞发生塌陷所需的时间预测为：　ｔ＝ｔｌ＋ｔ２＝１３＋９４＝１０７（ａ）　这说明：在天然条件下，随着时间的推移和土层的崩解，该土洞经过１０７年后发生塌陷。　在人为抽水的条件下，如果抽水降深超过极限水位变幅，则土层塌陷，从而显示出“抽水必塌”之势。　极限水位变幅值可由模型（１）求得：令模型（１）中的Ｋ＝１，Ｐ：０，ｔ＝０，反求△Ｈ即可。把数据代入得：　ＡＨ＝１１．３９（ｍ），即当抽水水位降深＞１１．３９　ｍ时，土层塌陷。也就是说，如果现在抽水的降深＞１１．３９　ｍ。　土层发生塌陷，如果不抽水，土层也会在自然因素的作用下于１０７年后塌陷。　

２　结　语　综上所述可知，自然因素是决定岩溶塌陷的因素，只要存在着岩溶洞穴和天然地下水的活动，岩溶洞穴　之上的土层发生塌陷是不可避免的，只不过在自然因素的作用下，土层塌陷所需的时间长一些。抽水只是加　

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