岩溶塌陷

區域環境地質調查中對岩溶塌陷的調查內容主要有：①岩溶塌陷區調查，包括地貌成因類型與形態、可溶岩層巖性與岩溶發育特徵、上覆第四系鬆散覆蓋層的厚度、結構與工程地質特徵、岩溶地下水類型、水文地質結構和岩溶水的補徑排條件及其動態變化特徵；②岩溶塌陷特徵調查，包括分佈與規模、形態特徵、發育強度與頻度、發育過程與發育階段、塌陷的伴生現象、上覆土層中土洞的發育與分佈等；③岩溶塌陷成因調查，包括自然動力因素與人類工程經濟活動對岩溶塌陷發生與發展的影響、確定主要成因與類型；④岩溶塌陷危害調查和防治現狀及效果調查。

岩溶塌陷的災情評估及防治措施

岩溶地面塌陷是指覆蓋在溶蝕洞穴之上的鬆散土體，在外動力或人為因素作用下產生的突發性地面變形破壞，其結果多形成圓錐形塌陷坑。

岩溶地面塌陷是地面變形破壞的主要類型，多發生於碳酸鹽巖、鈣質碎屑岩和鹽巖等可溶性岩石分佈地區。激發塌陷活動的直接誘因除降雨、洪水、乾旱、地震等自然因素外，往往與抽水、排水、蓄水和其他工程活動等人為因素密切相關，而後者往往規模大、突發性強、危害也就大。岩溶地面塌陷發現於碳酸鹽巖分佈區，其形成受到環境和人類活動的雙重影響。

1. 可溶岩及岩溶發育程度

可溶岩是由岩溶地面塌陷形成的物質基礎，而岩溶洞穴的存在則為地面塌陷提供了必要的空間條件。大量塌陷事件表明，塌陷主要發生在覆蓋型岩溶和裸露型岩溶分佈區，部分發育在埋藏型岩溶分佈區。

溶穴的發育和分佈受岩溶發育條件的制約，一般主要沿構造斷裂破碎帶、褶皺軸部張裂隙發育帶、質純層厚的可溶岩分佈地段、與非可溶岩接觸地帶分佈。岩溶的發育程度和岩溶洞穴的開啓程度，是決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巖體結構的不完整，形成局部的不穩定；另一方面為容納陷落物質和地下水的強烈運動提供了充分的空間條件。一般情況下，岩溶越發育，溶穴的開啓性越好，洞穴的規模越大，則岩溶地面塌陷也越嚴重。

2. 覆蓋層厚度、結構和性質

鬆散破碎的蓋層是塌陷體的主要組成部分，由基岩構造成的塌陷體在重力作用下沿溶洞、管道頂板陷落而成的塌陷為基岩塌陷。塌陷體物質主要為第四系鬆散沉積物，所形成的塌陷叫土層塌陷。據南方十省區統計，土層塌陷佔其區域發生塌陷總數的96.7%。

3. 地下水運動

地下水運動是塌陷產生的主要動力。地下水的流動及其水動力條件的改變是岩溶塌陷形成的最重要動力因素，地下水徑流集中和強烈的地帶，最易產生塌陷，這些地帶有：

（1）岩溶地下水的主徑流帶；

（2）岩溶地下水的（集中）排泄帶；

（3）地下水位埋藏淺、變幅大的地帶（地段）；

（4）地下水位在基岩面上下頻繁波動的地段；

（5）雙層（上為孔隙、下為岩溶）含水介質分佈的地段，或地下水位急劇變化的地段；

（6）地下水與地表水轉移密切的地段。

地下水位急劇變化帶是塌陷產生的敏感區，水動力條件的改變是產生塌陷的主要觸發因素。

水動力條件發生急劇變化的原因主要有降雨、水庫蓄水、井下充水、灌溉滲漏、嚴重乾旱、礦井排水、強烈抽水等。

此外，地震、附加荷載、人為排放的酸鹼廢液對可溶岩的強烈溶蝕等均可誘發岩溶地面塌陷。

（一）勘查工作內容的一般要求

(1) 查明岩溶塌陷的發育現狀、歷史過程及其危害性。

(2) 確定岩溶塌陷的成因、類型、形成條件和地質模式，研究其分佈規律。

(3) 確定岩溶塌陷發育的動力因素，研究其動態特徵及其與塌陷的相關關係。

(4) 確定岩溶塌陷的機制及其臨界條件。

(5) 研究岩溶塌陷綜合評價預測和信息管理系統，評價其穩定性。

(6) 確定岩溶榻陷的前兆現象與監測預報方法，研究預警措施。

(7) 研究岩溶塌陷的防治工程方案和措施。

（二）勘查區岩溶環境調查研究目的是瞭解勘查區所處的岩溶工程地質環境的特徵及其組成要素的分佈規律，以保證勘查工作的質量。調查研究方法主要是綜合分析研究已有助各種資料，必要時進行補充的路線調查。調查研究範圍以達到上述目的為原則，一般應包括一個完整的水文地質單元。調查研究的主要內：

1. 地形地貌

調查研究山川形態與走勢，地形切割起伏特徵，地表水文網的配置格局，夷平面和階地的發育特徵和分佈高程，地貌成因類型與形態特徵，各地貌單元的分佈，組成物質與形成時代等。着重調查岩溶地貌形態的成因類型和形態組合類型及其分佈。

2. 氣象與水文

(1) 氣象要素中着重調查降水特徵，包括多年長週期豐、貧水年變化特徵，多年平均降水量，年降水量分佈特徵，單次最大降水量及持續時間，最大降水強度(以小時計)等。

(2) 水文要素包括地表匯流面積，徑流特徵，河、湖及其它地表水體(包括季節性淹沒的窪地)的流量和水位動態，包括最高洪水位和最低估水位及出現日期和持續時間，汛期洪水頻率及變幅等。

3．地層

調查研究組成地質環境的地層層序及時代、成因類型、巖性巖相特徵與接觸關係及其工程地質特徵。其中，側重對碳酸鹽巖及其它可溶岩和第四系鬆散沉積物的調查研究。

(1) 對碳酸鹽巖及其它可溶岩，調查研究其岩石成分和結構構造，非可溶岩夾層的巖性、厚度與分佈，劃分岩溶層組類型。

(2) 對第四系鬆散沉積物，調查研究其巖性結構、沉積年代和成因類型及其厚度與分佈。注意調查紅粘土、軟土及其它特殊土類的巖性成分、結構、厚度及埋藏分佈條件、根據上述特徵劃分其巖性、結構類型，—般可作如下劃分：

① 均一結構：均一粘性土層或均一砂土層。由單一土層組成，其中夾層的單層厚度小於1m，累計厚度小於總厚度的10%。的兩種巖性土層或兩種不同時代、不同成因類型的土層組成。

②多層結構：雙層狀粘性土-砂礫石層或雙層狀砂礫石-粘性土層，由同一成因類型的兩種巖性土層或兩種不同時代、不同成因類型的土層組成。

③多層結構：多層狀粘性土夾砂礫石層或多層狀粘性土、砂礫石層。由同一成因類型的多種巖性土層或多種不同時代、不同成因類型的土層組成。

4．地質構造

調查研究區域構造骨架與構造線方向，主要構造的形態特徵、產狀、性質、規模與分佈，其形成時期與組合關係。着重調查斷裂構造、其規模、產狀、力學性質、組合與交切關係，以及破碎帶的性狀與特徵。對節理裂隙，要注意調查其在不同構造部位、不同巖性中的發育特徵與發育方向，着重調查裂隙密集帶的發育與分佈。

5．新構造運動與地震

(1) 調查研究新構造運動的性質與特徵。根據地震活動性、地形變特徵、地貌差異及水熱活動等跡象判定活動性斷裂，注意調查其產狀規模和破碎帶特徵，切割的最新地層及最新充填情況，判明其活動時期、活動特點及強度。着重調查構造現今活動跡象，根據地形變資料，分析現今活動特徵。

(2) 蒐集歷史地震資料，瞭解震中位置與震級，分析評價地震活動水平。蒐集附近地震台站測震資料，瞭解地震活動規模及其與區域構造的關係。着重調查歷史上破壞性地震所引起的各種地震效應，調查研究與塌陷有關的各種現象，如噴砂、冒水、地面開裂、塌陷、砂土液化、地下水位驟然升降的異常變化等、

6．岩溶發育特徵

(1) 調查研究岩溶的形態、規模、組合特徵及其分佈，統計分析不同條件下岩溶發育密度。分析研究岩溶發育與岩溶層組類型、構造、地貌及地下水動力條件的關係，瞭解岩溶發育與分佈規律。

(2) 以岩溶層組類型及岩溶地貌特徵為基礎，結合地表岩溶形態、岩溶率及蓄水性等指標，評價岩溶的發育程度，一般可劃分為強、中、弱三級。

(3) 對覆蓋岩溶區、着重調查研究淺層岩溶洞隙的發育特徵，包括其形態、規模、組合特徵、連通情況及充填狀況，分析研究強岩溶發育帶在平面上的分佈和剖面上的發育深度。注意調查研究隱伏於鬆散覆蓋層之下的岩溶形態及其分佈特徵，如漏斗、窪地、槽谷等，分析研究其與淺層岩溶發育的關係。

7．岩溶水文地質條件

(1) 調查研究岩溶地下水的類型及其特徵

岩溶地下水總體上具有賦存狀態複雜(集中管道狀或分散網絡狀)，動態變化迅猛，徑流通暢，流態多變的特點。這些特徵在不同的地區，由於其補、徑、排條件的不同又有明顯的差異。影響補、徑、排條件的因素除了地質構造外，主要是受地貌，即碳酸鹽巖的出露條件、地形切割程度及水文網的配置格局所控制，不同的地貌類型具有不同岩溶地下水特徵。據此可將岩溶地下水劃分為三種類型：岩溶山地(裸露型岩溶)的岩溶地下水，岩溶平原、盆地、谷地(覆蓋型岩溶)的岩溶地下水和河湖近岸地帶的岩溶地下水。

(2) 調查研究岩溶水文地質結構

調查研究各岩溶含水層組的層位、巖性、含水介質類型、富水性及水化學特徵，其埋藏和分佈條件，其相互間的水力聯繫及與第四系孔隙水和地表水體的關係，分析研究岩溶水文地質結構的類型及特徵。

(3) 調查研究岩溶水系統的組成與分佈特徵

調查研究岩溶泉和地下河的發育與分佈特徵，結合岩溶水文地質結構，分析研究岩溶水系統的組成和分佈特徵，其補給、徑流、排泄的水動力條件及其水位、流量的動態變化持徵。

(4) 調查研究覆蓋岩溶區的地下水流場特證。

着重調查研究岩溶水的流場特徵和水位(水頭)埋深與基岩面的關係及其動態變化。岩溶水主徑流帶的分佈與水動力特徵。近河(湖)地段注意調查研究岩溶地下水、上覆土層水與地表水之間的補排關係、洪水漲落過程所引起的它們之間的水位(頭)差及水力坡降的變化，以及洪水倒灌的影響範圍。對於第四系覆蓋層包括粘性土層，注意調查其含水性及其分佈，以及與岩溶地下水的水力聯繫與水頭差。岩溶地區第四系粘性土常為坡、殘積成因，多含砂礫質、且垂直裂隙發育，因而具有不均一的含水性，往往組成弱含水層。許多塌陷區部發現有隱伏土洞，上洞最發育的部位有兩個，一是基岩面附近，一是地下水的季節變動帶。後一部位往往位於土層剖面的中部。土洞的形成從另一側面表明上層中有水流的滲透作用。因此第四系粘性土不能一概當作相對隔水層，而應具體瞭解其滲透性和含水性，它們對粘性土蓋層中土洞和塌陷的形成有着相當重要的意義。

（三）岩溶塌陷監測岩溶塌陷研究中，要監測地面、建築物的變形和井泉或水庫水量、水位變化，地下洞穴發展動態，及時發現塌陷前兆現象，對預防、減輕塌陷災害損失非常重要。在地面塌陷頻繁發生地區或潛在地面塌陷區內，可採取以下監測和預報措施：

(1) 在具備地面塌陷的三個基本條件(即塌陷動力、塌陷物質、儲運條件)與岩溶低窪地形地區，在抽排地下水的井孔附近，應對地面變形(開裂、沉降)進行監測。

(2) 進行宏觀水文監測，當出現地表積水或突然乾枯，放水灌溉及雨季前期降雨都可視為可能發生塌陷的前兆。

(3) 注意收集或及時發現具塌陷前兆的異常現象，如出現建築物開裂或作響、植物傾斜變態、井泉或水庫突然乾枯或冒水、逸氣，地下水位突升突降，地下有土層塌落聲及動物驚恐等異常現象，皆應警惕塌陷即將來臨。

(4) 監視井泉內、坑道與水庫滲漏點的地下水位降深是否超過設計允許值，地下水位升降速度有否驟然變化，滲漏水中泥沙含量是否高。另外可以在井孔內安裝伸縮性水準儀，中子探針計數器、鑽孔深部應變儀，及其他常規測量儀器等監測地下變形異常。

(5) 塌陷時地表會發生變形，地球物理場亦會發生一定的變化，利用這種特性，在洞穴上部埋設裝有聚氯乙烯銅線的混凝土管，當臨塌陷或大塌陷前，地表覆蓋層發生變形時，混凝土管就會被折斷從而發出警報；也可以監測重力的變化，將重力變化的信號轉換為音響的報警裝置進行報警。

（一）岩溶塌陷等級劃分岩溶塌陷應查明：塌陷的位置、範圍及面積；塌陷量；塌陷區的環境水文地質條件；塌陷原因以及發展趨勢。依據塌陷面積進行等級劃分（表13-3）。

表13-3 岩溶塌陷災變等級劃分表

（據張梁等著《地質災害災情評估理論與實踐》1998， P28）

（二）岩溶塌陷的災情預測預測步驟包括以下三個：

1. 查明研究區的地質、水文地質條件。

2. 調查已有塌陷點的塌陷特徵、分佈規律及形成條件（環境及觸發因素），確定出現塌陷的綜合判斷指標。

3. 考慮塌陷發展趨勢和對環境的影響程度，對研究區進行塌陷預測分區，提出地表各種重要設施的保護方案和預防措施。

通常，採排地下水或礦坑突水時，在水位降落漏斗內，容易產生岩溶塌陷的地段如下：

1. 淺部岩溶發育強烈，可溶岩頂板起伏較大，並有洞口和裂口，洞穴無充填物或充填物少，且充填物多為砂、碎石、粉質粘土的地段。

2. 採排地下水點附近或地下水位降落漏斗範圍中心（特別是地下水的主要補給徑流方向上）地段。

3. 構造斷裂帶（特別是新構造斷裂帶）背、向斜軸部，可溶岩與非可溶岩的接觸部位。

4. 溶蝕窪地、積水低地和池塘、沖溝地段。

5. 第四系土層為砂、粉質粘土，且厚度小於10m地段。

6.河牀及其兩側附近。

地面塌陷預測可考慮的影響因子：

1. 排水量（Q）

2. 水位降低值（S）

3. 蓋層物理、力學性質的指標（ηi）

4. 蓋層厚度（M）

5. 岩溶發育程度的指標（K）

6. 表徵構造破壞程度的參數（G）

7. 預測擴展半徑時要考慮時間

8. 預測時間、強度時，要考慮到抽水中心的距離

地面塌陷在時間上具有突發性，空間上具有隱蔽性，其預報為當前的前沿課題。可用於岩溶地面塌陷的探測方法和儀器有地質雷達（探溶洞）、淺層地震、電磁波、聲波透視（CT）等。近年來，用GIS技術中的空間數據管理、分析處理和建模技術對潛在塌陷危險性進行預測，效果良好。

目前國內岩溶塌陷災情評估的方法，主要採用經驗公式法、多元統計分析法，也可根據岩溶類型、岩溶發育程度、覆蓋層厚度和覆蓋層結構，進行岩溶塌陷活動程度判定（表13-4）。

表13-4 岩溶塌陷活動程度判定表

（據張梁等著《地質災害災情評估理論與實踐》1998， P67）

我國對岩溶塌陷的防治工作開始於60年代，目前已有一套比較完整和成熟的方法、防治的關鍵是在掌握礦區和區域塌陷規律的前提下，對塌陷做出科學的評價和預測，即採取以早期預測、預防為主，治理為輔、防治相結合的辦法。

塌陷前的預防措施主要有：合理安排廠礦企業建設總體佈局；河流改道引流，避開塌陷區；修築特厚防洪堤；控制地下水位下降速度和防止突然湧水，以減少塌陷的發生；建造防滲帷幕，避免或減少預測塌陷區的地下水位下降，防止產生地面塌陷；建立地面塌陷監測網。

塌陷後的治理措施主要有：塌洞回填；河流局部改道與河槽防滲；綜合治理。

一般來説，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

防地表水進入塌陷區，可以：

（1）清理疏通河道，加速泄流，減少滲漏；

（2）對漏水的河、庫、塘鋪底防漏或人工改道；

（3）嚴重漏水的洞穴用粘土、水泥灌注填實。

2. 地下水控水措施

根據水資源條件，規劃地下水開採層位、開採強度、開採時間，合理開採地下水，加強動態監測。危險地段對岩溶通道進行局部注漿或帷幕灌漿處理。

（二）工程加固措施

1. 清除填堵法：用於相對較淺的塌坑、土洞。

2. 跨越法：用於較深大的塌坑、土洞。

3. 強夯法：用於消除土體厚度小，地形平坦的土洞。

4. 鑽孔充氣法：設置通風調壓裝置，破壞岩溶封閉條件，減小衝爆塌陷發生的機會。

5. 灌注填充法：用於埋深較深的溶洞。

6. 深基礎法：用於深度較大，不易跨越的土洞，常用樁基工程。

7. 旋噴加固法：淺部用旋噴樁形成一“硬殼層”，（厚10～20m即可），其上再設筏板基礎。

（三）非工程性的防治措施

1. 開展岩溶地面塌陷的風險評價。

2. 開展岩溶地面塌陷的試驗研究，找出臨界條件。

3. 增強防災意見，建立防災體系。

巖鎔塌陷的防治儘管難度較大，但只要因地制宜地採取綜合的措施，岩溶塌陷災害是完全可以防治的。