覆盖型岩溶塌陷的空间预测与评价

刘秀敏，陈从新，沈 强，陈建胜

（中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点试验室，武汉 430071）

1 引 言

岩溶塌陷是世界各地频发的地质灾害，中国岩溶面积达363×104km2，占国土面积的1/3以上[1]，每年岩溶灾害引起巨大的社会经济损失。岩溶塌陷在时间上具有突发性，在空间上具有隐蔽性[2]，岩溶塌陷危害性强，并且一旦发生塌陷将有严重的后续效应。因此，如何进行岩溶塌陷的时空预测预报已成为岩溶灾害防治研究中最突出的国际性前沿课题。

目前，岩溶塌陷的预测预报分为塌陷时间预测和空间预测两类。时间预测以统计学、运筹学、系统学等学科综合交叉的定量、半定量方法为代表[3];空间预测主要是以GIS技术为基础的岩溶危险区划方法[4－5]，这类方法主要是对岩溶塌陷的影响因子进行评价分析，赋予影响因子不同的权重，并应用GIS的叠加分析等功能实现岩溶危险等级的划分。该方法在宏观区域的岩溶塌陷的预报预测方面具有较好的效果，但在评价因子的选取、权重赋值等方面存在较大的主观性，并且不能对具体岩溶区的塌陷范围做出定量预测与评价，从而不能有效指导岩溶灾害的工程治理。

本文在总结国内外岩溶塌陷相关资料的基础上，提出典型覆盖型岩溶地质结构模型，并分析了其在地下水升降及雨水入渗作用下的塌陷机制；针对当前岩溶区划过于笼统，不能对具体岩溶危险区作出定量分析，在该典型岩溶地质结构的基础上，提出岩溶塌陷空间预测方法，并将其用于具体岩溶灾害区进行岩溶塌陷的预测与评价。

2 典型覆盖型岩溶地质模型及塌陷机制分析

岩溶类型的划分有多种原则，根据其埋藏条件可分为覆盖型和埋藏型两类。其中埋藏型的岩溶上部一般为风化程度较小的非可溶岩，工程性质好，不容易发生塌陷；覆盖型岩溶上部一般有厚度不等的土盖层。相关统计分析结果表明，在岩溶地区，地面塌陷分布的稀与密大体以第四系厚度大于或小于30 m为界限[6]。其中，厚度大于30 m的土盖层中即使发育有少量土洞，也因土拱效应而自身结构较稳定；土盖层厚度小于10 m的岩溶一般在工程建设初期就已经引起重视，施工过程中采取相应的处治措施排除其危害；而土盖层厚度介于10～30 m的岩溶土洞则具有隐蔽性，在地下水位升降及地表水入渗情况下容易诱发突然塌陷，最具危害性。

目前关于岩溶塌陷成因的探讨比较有代表性的有潜蚀论、真空吸蚀论、重力论、液化论等，岩溶塌陷机制的讨论多与岩溶顶板厚度[7]、溶洞土洞的形态、土盖层性质等有关，虽然取得了众多研究成果，但由于没有统一的地质模型作为参照，很难将研究成果系统化、归一化。

笔者在总结现有岩溶塌陷工程实例的基础上，针对危害性最大的覆盖型岩溶， 尝试建立有塌陷代表性的地质模型——“土盖层－岩溶体”地质结构，如图1所示。该地质模型的土盖层厚度在10～30 m之间，由第四系黏土或砂土组成，透水性较差；岩溶体为以石灰岩和白云岩为主的可溶性碳酸盐类岩石；地表水和地下水沿基岩的孔隙、裂隙和层面由高水头向低水头渗流，不断溶蚀碳酸岩形成溶洞溶槽，与此同时，也将土粒潜蚀搬运从而在土层中形成土洞，进而使该地质模型的土-岩交界面处溶洞及土洞发育。

诱发这类典型岩溶地质体突然塌陷的因素主要有以下3种：地下水位的快速下降、陡然上升和地表水的大量入渗。

图1 典型覆盖型岩溶地质结构模型示意图Fig.1 Typical covered karst geologic model

当地层中的地下水位快速下降时，地下水水力坡度增大，渗透力大小与水力坡度成正比，故增大的渗透力是水位下降时诱发地面塌陷的因素之一。此外，当土盖层为密实的黏土盖层时，水位快速下降容易在岩溶空腔中形成负压，导致溶洞顶板塌落。

与水位骤降相比，水位快速上升时将在岩溶空腔产生更大的附加力[8]。在岩溶层中水的渗透性好，水位恢复快，从而导致土洞中压力急速增高，在土洞顶部的土层中形成较大的向上力，这个力正好与土层重力的方向相反，并很快与重力达成瞬间平衡。随着水位的继续上升，正压不断增大，当其大于土层自重和土层抗剪强度及外界大气压力时，土层便发生破坏，甚至出现“气爆”现象。

此外，土盖层的物理力学性质受含水率的控制。长时间降雨条件下，地表水的入渗以及水－土间的相互物理化学作用，容易造成土层抗变形能力和强度降低，即所谓“软化”，同时土层重力增加，这种情况往往引起岩溶土洞塌陷。

3 岩溶塌陷的空间预测方法

岩溶塌陷空间预测首先应探明溶洞及土洞的埋藏情况。自20世纪70年代初以来，地球物理勘探工作者尝试应用物探方法解决岩溶地区探测问题。经过40年的发展，物探方法和技术取得很大进步，高密度地震映像法、陆地声纳法、高密度电法、探地雷达、电磁波吸收 CT、管波探测法等在地质灾害隐患、隐伏岩溶、工程结构体完整性探测等方面都取得了很大的成效[9]。目前工程中常用的岩溶地面探测主要是地震映像法、高密度电阻率法和探地雷达。

岩溶是在具体的工程地质和水文地质条件下形成的，在物理探测的同时应开展工程勘察，从宏观上把握岩溶区的地层结构。通过地质钻孔可对物探发现的岩溶异常带进行进一步的印证和确定，以准确了解岩溶的空间形态和发育规律。同时进行岩、土体的物理力学现场试验和室内试验，准确掌握岩、土体的物理力学性质是岩溶塌陷空间预测的基础。

由于影响岩溶塌陷的因素众多，针对具体岩溶区进行室内模型试验或现场塌陷试验困难较大。而数值模拟可以便捷地进行地层三维建模，可以模拟多个溶洞分布的溶洞群，且能兼顾考虑众多岩溶致塌因素的影响，这使得数值模拟在岩溶塌陷的预测预报及可视化研究方面有很大的发展前景[8]。

数值模拟研究作为岩溶区物理探测与工程勘察工作的延伸，是将岩溶塌陷空间定性预测过渡到定量预测的重要手段，能对岩溶区在地表水入渗、地下水位变化和静荷载、动荷载作用等诸多塌陷敏感因素影响下，地表变形的发展趋势以及最有可能发生岩溶塌陷的危险区作出定量预测。

笔者提出的岩溶塌陷空间预测方法是：将地球物理探测与工程勘察相结合，探明研究区地层结构与岩溶洞穴分布情况，进而在岩、土体物理力学试验的基础上，运用数值模拟分析诸多塌陷因素影响下的地层变形情况，最后结合现场监测数据予以综合预测评价。其具体操作流程如图2所示。相对大范围的岩溶区划[4－5]方法，该方法主要针对生活生产区所遭受的局部岩溶灾害进行塌陷测评，为具体岩溶灾害的工程处治提供依据。

4 工程实例

4.1 工程概况

研究区位于湖北黄石市铁山区，该区在20世纪80年代因采矿而地下水位大幅下降，此后在1992～2009年间，陆续发生地面塌陷十几处。目前，该区塌陷仍在发展中，属岩溶灾害高危区。

铁山区地处低山丘陵山间地带。地势东高西低，山脉走向近东西向。地面高程多在51～55 m间。研究区属亚热带大陆季风气候，区内雨量充沛，多集中在4～7月份，占全年的60%，每年5～11月为洪水期，年平均降雨量为1 407 mm。根据钻探揭露的地质情况，塌陷区范围内无湖泊、河流、水塘等大的地表水体，主要含水类型为赋存于上部土层中的上层滞水及赋存于底部岩石中的岩溶裂隙水；岩溶水水位低于土-岩结合面，水位在-25 m左右。

4.2 岩溶探测

根据工程勘察钻孔分析，在勘探深度范围内，研究区主要分为4种地层：第1层为人工填土，层厚0.70～10.60 m；第2层为黏土，层厚10～15 m，水稳定性试验显示，15组黏土试样的崩解量均大于63%；第3层为大理岩，岩芯表面可见大量的溶蚀孔洞、沟槽，溶洞多为空洞；第4层为强风化闪长岩，多成砂土状。

采用高密度电阻率法及地震 COD反射法进行研究区地下50 m的物探，同时采用地质雷达探测研究区房屋下的岩溶分布情况，探测结果表明，该区土洞和溶洞分布广泛，如图3所示。在工程勘察的48个钻孔中，12个钻孔发现有溶洞或土洞，均在物探异常区，证明物探结果可靠。

研究区处于岩溶谷地，地下水的水平流动带中。根据该区的水动力特性，地下溶洞一般发育为近水平的椭圆形管道，其埋藏深度分布在-10.8～-28.2 m之间，其大理岩中溶洞发育严重，土层中土洞广泛分布。该研究区属于典型覆盖型岩溶地质结构。

研究区自20世纪90年代至今的塌陷都发生在4～8月份之间，正值该区雨季，2009年7月份的塌陷发生在大暴雨后，充分说明地表雨水下渗和地下水的垂直运动是导致该区岩溶灾害的直接原因。

图3 研究区物探测线布置及物探异常分布Fig.3 Line layout of geophysical prospecting and anomalous zone in the research area

4.3 数值模拟

（1）数值分析模型

采用有限差分软件 FLAC3D作为主要的计算工具开展研究工作。以居民生活区为中心，建立三维地质力学模型。实际模拟平面面积为 300 m×190 m，模型底部边界位于-50 m，高程为0处定为坐标零点，Z轴铅直向上。模型地面采用自由边界，底面采用x向与y向双向节点速度约束，4个侧面约束垂直于边界面的节点速度。

模型由杂填土、黏土、大理岩、强风化闪长岩4组地层组成。网格剖分选择适应性较强的四面体单元，模型共建有30 587个单元，6 289个节点，如4图所示。依据物探和工勘资料，采用FLAC3D特有的空模型（null）在土-岩交界处建有不同深度、不同大小的溶洞和土洞一共16个。图5的典型剖面图显示了该区地层结构和部分溶洞及土洞位置。

（2）参数取值

计算的材料模型采用弹塑性本构关系，力学模型采用Mohr-Coulomb模型。表1为进行现场钻孔注水试验获取的岩土体的渗透系数。表2为对钻孔取样的黏土试样进行天然和饱水状态快剪试验获取的抗剪强度指标。进行室内岩、土物理力学试验并结合工程岩体分级标准（GB50218-94）推荐的指标值确定数值计算所需的参数，见表3。

（3）工况设置及计算结果

本次计算主要考虑了地下水位升降和长时间降雨对研究区地表稳定性的影响，涵盖了水位下降致塌、水位恢复致塌和大气降雨导致土盖层软化塌陷这3种典型覆盖型岩溶的主要致塌机制。

图4 研究区有限差分网格模型Fig.4 Finite difference grid model of the research area

图5 典型剖面网格图Fig.5 Grid chart of typical section

表1 岩、土层渗透系数Table 1 Permeability coefficients of rocks and soils

表2 黏土抗剪强度指标Table 2 Shearing strength indices of clay

表3 岩、土体的Mohr-Coulomb力学参数Table 3 Rocks’ and soils’ Mohr-Coulomb mechanical parameters

其中在水位陡降工况中，通过fluid与mech开关的转换，考虑了流-固耦合作用；模拟长时间降雨时，主要考虑入渗的地表水对土层物理力学性质的弱化，黏土盖层的计算参数采用饱和状态下的黏土抗剪强度指标，其黏聚力 c =45 kPa和内摩擦角ϕ=16°（见表2），以达到对土盖层软化效应的模拟。计算的地面沉降等值线图如图6～8所示。图6显示地下水位上升时，引起研究区左下侧地面抬升，最大值为2.8 mm；图7显示地下水位骤降时，在居民区中心引起的地面沉降，最大值为-20 mm；观察图8，黏土盖层软化时，在研究区左下侧及居民区中心引起较大地表沉降，最大值为-100 mm。

（4）岩溶塌陷预测与评价

根据本次数值模拟结果可以得出相对于地下水位陡升与骤降这两种情况，长时间降雨使溶洞上方土盖层软化而导致的地表沉降的程度最严重。结合该地的气候条件，研究区在雨季因土盖层软化而发生岩溶塌陷的可能性最大。图9～11显示了3种工况下研究区的地表不稳定范围。

图6 水位陡升时地面隆起等值线图Fig.6 Isoline map of land deformation when ground water skyrocketed

图7 水位骤降时地面沉降等值线图Fig.7 Isoline map of land subsidence when ground water steep descent

图8 土层软化时地面沉降等值线图Fig.8 Isoline map of land subsidence when clay softened

图9 水位陡升时地表危险区示意图Fig.9 Risk range when ground water skyrocketed

图10 水位骤降时地表危险区示意图Fig.10 Risk range when ground water ground water steep descent

图11 长时间降雨时地表危险区示意图Fig.11 Risk range after longtime rainfall

对该研究区而言，溶洞及其上部土洞是在一定的气候和水文地质条件下经岩溶水的溶蚀搬运缓慢形成的，溶洞和土洞的存在是导致地面塌陷的潜在危险因素，而降雨是诱发突然塌陷的直接因素。

对研究区主要房屋裂缝数量进行不间断统计，发现2009年8～11月间，8号、22号和29号房屋有较多新增裂缝出现，主要为窗台上的倒“八”字型斜向裂缝和窗台下及纵墙墙体上的竖向裂缝；此外，22号房屋附近有新增地面裂缝出现（图12所示）。综合数值计算结果与现场监测巡视情况，对岩溶塌陷高危区作出预测，其具体空间范围如图13所示。

图12 22号房屋附近的新增地表裂缝Fig.12 Newly increased ground cracks around 22nd house

图13 研究区岩溶塌陷空间预测图Fig.13 Spatial prediction of karst collapse for the research area

根据研究结果提出该研究区的岩溶灾害防治措施如下：岩溶塌陷高危区的房屋应搬迁，住户撤离；对物探揭露的埋藏较浅土洞的应开挖换填，埋藏较深的土洞及溶洞可进行钻孔注浆处理；完善研究区的地表排水系统，从源头上防止形成新的土洞。

5 结 论

（1）提出“土盖层－岩溶体”典型岩溶地质模型，将致灾率较高的覆盖型岩溶进行抽象概括，明确了土盖层的厚度和岩、土体的类型，这种尝试有利于岩溶塌陷机制研究的系统化规范化，增强了岩溶理论研究的针对性。

（2）运用数值模拟方法对岩溶区地表变形进行分析，考虑了地表水入渗和地下水位升降3种致塌因素，成功地模拟出了土-岩交界处的溶洞群效应。

（3）提出“物理探测－工程勘察－岩、土体物理力学试验－数值模拟－监测评价”的岩溶塌陷空间预测方法，并应用于典型岩溶工程问题的定量分析中，划分出研究区的岩溶塌陷空间范围。该方法主要以具体的工程数据为依据，具有较强的操作性，预测结果客观可靠，可在类似工程问题中予以推广。

[1]康厚荣, 罗强, 凌建明, 等. 岩溶地区公路修筑理论与实践[M]. 北京: 人民交通出版社, 2008.

[2]雷明堂, 蒋小珍. 岩溶塌陷研究现状、发展趋势及其支撑技术方法[J]. 中国地质灾害与防治学报, 1998, 9(3):1－6.LEI Ming-tang, JIANG Xiao-zhen. Research on the present situation and developing tendency of karst collapse and techniques for its supporting[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,1998, 9(3): 1－6.

[3]赖永标, 乔春生. 基于支持向量机岩溶塌陷的智能预测模型[J]. 北京交通大学学报, 2008, 32(1): 36－39.LAI Yong-biao, QIAO Chun-sheng. Intelligent model of karstic collapse prediction based on SVM[J]. Journal of Beijing Jiaotong University, 2008, 32(1): 36－39.

[4]蒋小珍. 基于 GIS技术的全国地面塌陷灾害危险性评价[J]. 地球学报, 2003, 24(5): 469－474.JIANG Xiao-zhen. Application of GIS to the assessment of surfaces collapse hazards in China[J]. Acta Geosicientia Sinica, 2003, 24(5): 469－474.

[5]康厚荣, 雷明堂, 张谢东, 等. 贵州省公路工程岩溶环境区划[J]. 岩土力学, 2009, 30(10): 3032－3036.KANG Hou-rong, LEI Ming-tang, ZHANG Xie-dong,et al. Karst environment zoning for highway engineering of Guizhou Province[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009,30(10): 3032－3036.

[6]白日升. 岩溶地区地面塌陷的发生规律及治理[J]. 土工基础, 2001, 15(4): 34－38.BAI Ri-sheng. Rules and remedies of surface subsidece in karst area[J]. Soil Engineering and Foundation, 2001,15(4): 34－38.

[7]王滨, 贺可强. 岩溶塌陷临界土洞的极限平衡高度公式[J]. 岩土力学, 2006, 27(3): 458－462.WANG Bin, HE Ke-qiang. Study on limit equilibrium height expression of critical soil cave of karst collapse[J].Rock and Soil Mechanics, 2006, 27(3): 458－462.

[8]程星. 岩溶塌陷机理及其预测与评价研究[M]. 北京:地质出版社, 2006.

[9]覃政教, 钟晓群, 陈滋康, 等. 岩溶地区浅层地震反射波法[M]. 北京: 地质出版社, 1993.