桂中地区岩溶塌陷形成机制和易发程度分区研究

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(广西壮族自治区地质调查院，广西 南宁 530023)

桂中地区岩溶塌陷形成机制和易发程度分区研究

张勤军，覃选，石树静

(广西壮族自治区地质调查院，广西 南宁 530023)

查明了广西柳州西南部洛满镇和三都镇岩溶塌陷群的地质环境和分布特征；分析了塌陷形成的影响因素；综合基岩、土层、地下水和已有塌陷等因素，划分了岩溶塌陷易发区域。结果表明：区内岩溶塌陷多具有群发性，主要发生于3～9月份且有逐年增加的趋势；岩溶塌陷的形成受”水-土-岩”相互作用和人为活动影响，区内覆盖土层较薄，地下岩溶发育，地下水在基岩面附近波动，利于塌陷形成；抽排地下水、地下水水位波动是塌陷最主要的诱发因素。岩溶塌陷的高易发区主要分布于洛满镇、流山镇、社冲乡、成团镇、土博镇、三都镇等城镇附近，总面积101.41 km2；中等易发区(面积142.04 km2)和低易发区(面积29.16 km2)较为分散；不易发区为基岩裸露区，面积666.39 km2。

岩溶塌陷；形成机制；易发程度分区；广西

岩溶塌陷是指在岩溶发育地区，上覆土层或隐伏岩溶顶板在人为活动或天然因素作用特别是水动力条件改变引起的环境效应作用下，发生突然塌陷的现象[1]，是岩溶地区的主要地质灾害。因其具有突发性和隐蔽性特征[2]，危害大且在岩溶地区广泛发育，岩溶塌陷已成为国际社会共同关注的问题之一。我国岩溶面积约占国土面积的三分之一[3]，岩溶塌陷发生的范围极广，较严重的有广西、云南、贵州、湖北、湖南、四川、重庆和广东等省份[4]。

我国对岩溶塌陷的研究起步较早，已在其成因机理、调查评价、勘测技术、监测预警和数值模拟等方面取得了丰硕的成果。然而，岩溶塌陷涉及到气-液-固三相相互耦合作用、宏观(岩溶地下水流动)和微观(土颗粒移动)不同尺度相互影响，以及复杂的岩溶地下水系统，故岩溶塌陷的定量评价非常困难，大多采用定性-半定量的研究方法，研究重点在成因机理和调查评价方面[5]。在成因机理方面，出现了潜蚀论、真空吸蚀论、气爆论、共振论等多种成因观点。程星[6]从地质结构入手，总结了岩溶塌陷的致塌机制，并提出了几种典型的塌陷模式。在调查评价方面，通过钻探、物探、地下水调查和实验等多种手段分析岩溶塌陷的地质环境和影响因子，然后采用层次分析、模糊数学和人工神经网络等方法进行脆弱性评价[7-9]。

广西是岩溶塌陷最为发育的省份之一，也是岩溶塌陷研究程度最高的省份。比较典型的工作有：肖明贵[10]分析了桂林地区岩溶塌陷的致塌的基本模式，并评价其危险性；石树静[11]等分析了南宁市坛洛镇岩溶塌陷群的成因机制；Zhou[12]采用多因素权重叠加空间分析法评价了来宾岩溶塌陷的脆弱性。黄秀凤[13]分析了玉林市岩溶塌陷基本特征和形成条件，认为地下水活动是其主要诱发因素；李瑜[14]等基于层次分析法评价了黎塘镇岩溶塌陷脆弱性，并根据塌陷的临界条件对比确定了开发岩溶地下水的安全性。

1 塌陷群地质环境和分布特征

1.1 塌陷群地质环境

研究区位于广西中北部，柳州西部，地处亚热带季风气候区，雨量充沛，夏长冬短，多年平均气温20.7℃。雨季为每年的4～8月份，其降水量占全年总量的72%。研究区地形整体上西高东低，中部高、南北两侧低，峰丛谷地广泛分布。区内第四系松散堆积物分布较广泛，约占研究区的29%，厚度一般小于5 m。此外，石炭系分布最广，二叠系分布于北部龙江附近及沙塘向斜核部；泥盆系主要出露于研究区东部凤山-成团镇以东区域和三都背斜核部一带，各地层间均呈整合接触关系。区内岩性以纯碳酸盐岩岩组为主，约占总面积98.3%，溶洞、溶蚀裂隙等较为发育。境内构造发育，以北东向断层构造和南北向褶皱构造为主。

研究区分属龙江、柳江、红水河三个水文地质单元(图1)，分水岭自北向南贯穿整个研究区，东部为柳江流域、西北部为龙江流域、西南部为红水河流域。区内地下水均主要来自于大气降水补给，柳江流域以脉状隙流为主，总体由南西向北东方向径流，局部为管道状集中径流，以泉或少量地下河的形式排泄，最终向柳江排泄；龙江流域以管道状集中向北径流，以地下河出口的形式排出地表后排入龙江；红水河地下水系统以管道状集中径流为主，总体沿南西方向径流，以下降泉的形式出露并沿地表河沟排入区外的红水河。

图1 研究区塌陷分布示意图

1.2 塌陷群的时空分布特征

研究区内发现岩溶塌陷或塌陷群92处，岩溶塌陷坑210个(图1)。共有64处塌陷或塌陷群分布于洛满～流山～柳江谷地和三都～六道～成团谷地两个重点调查区内，占总数的69.6%，具有群发性。石炭系上统黄龙组(C2h)灰岩和石炭系上统大埔组(C2d)白云岩中塌陷最为发育。在有确切发生年份的175个塌陷坑中，发生于2001以来的有77个；区内94.3%以上的岩溶塌陷发生于3～9月份。此外，区内塌陷点多发生于农田中。

塌陷的平面形态以圆形和椭圆形为主，圆形直径一般为1～5 m，最大50 m，椭圆形的长轴一般为2～8 m，最大为120 m；剖面形态以坛形和碟形为主，深度一般为0.5～5 m，最大10 m。

图2 岩溶发育程度分区图

2 塌陷影响因素分析

2.1 岩溶发育程度

地下岩溶发育是岩溶塌陷产生的前提条件。区内碳酸盐岩分布广泛，地下岩溶较发育，且具有发育浅，洞隙连通性好的特点，这就为塌陷物质提供了必要的储集空间和运移通道。而土层下伏发育的开口型岩溶洞隙，则为土层提供了临空体，成为接受土层及塌陷物质的窗口，地下水通过连通的洞隙把土粒带走，如此反复，形成土洞，逐渐扩大并产生塌陷。

对本次施工和收集的共151个钻孔资料(洛满幅67个、三都幅84个)的统计发现：共有60个钻孔揭露了93个溶洞，总洞高208.01 m；遇洞率达39.74%，平均线岩溶率为2.24%；最小洞高0.08 m，最大洞高14.4 m，平均洞高2.23 m。

区内岩溶发育的垂向分带明显，按5 m高程分段统计，溶洞发育高程为50～375 m，130～135 m与170～175 m段的岩溶最为发育。洛满公社幅靠近区域排泄区，地势较低，谷地高程一般为100～160 m，主要岩溶发育高程段为50～125 m，岩溶发育深度为5～50 m；三都公社幅处于分水岭地区，地势较高，谷地高程为180～350 m，主要岩溶发育高程段为120～180 m，岩溶发育深度为10～75 m。

根据《1：5万岩溶塌陷调查规范》附录F中有关岩溶发育程度的标准，共划分出三处岩溶强发育区(图2)，一处位于洛满公社幅，两处位于三都公社幅，面积为200.63 km2，占岩溶区总面积的21.74%；中等发育区最为广泛，为纯白云岩层组及纯灰岩层组，面积共601.52 km2，占岩溶区总面积的65.16%；弱发育区位于研究区中东部，主要为碳酸盐岩夹碎屑岩层组，分布面积为120.72 km2，占岩溶区总面积的13.1%。

2.2 降雨条件

研究区炎热多雨，雨量充沛，多年平均降雨量1 460.2 mm，年极端最大降雨量2 455.4 mm，年极端最低降雨量988.6 mm。区内雨季枯季交替，地下水水位波动频繁，导致土壤含水量等土体物理力学性质及水理性质的变化，有利于潜蚀、渗蚀、真空吸蚀等作用发生，促进土层崩解、土洞的形成和发展。

2.3 地下水动态特征

地下水位升降可改变土的含水量，从而增加土层的有效重量；改变土的塑性状态和力学强度，影响土体的稳定性；加快潜蚀作用。地下水水位下降对土层产生渗透潜蚀作用，带走土颗粒，破坏土体结构形成土洞。水位急剧下降造成洞隙中形成负压力腔，产生附加致塌力，增强的渗流潜蚀作用，带走洞隙充填物，加剧土洞壁体解体和剥蚀。水位下降可减弱土体中的浮托力，加速塌陷的产生。

图3 下龙塘钻孔(ZK73)水位动态曲线

区内岩溶塌陷均发生在纯碳酸盐岩地层中。灰岩地层的地下水动态多属气象型，受降雨及季节性影响明显，多呈剧齿状上下波动，在岩溶管道及地表岩溶水点发育区常具暴涨暴落的特点；其水位变幅一般小于10 m，大于10 m地区主要为洛满公社幅西部地下河中上游及三都公社幅西北部分水岭附近地区。白云岩地层的地下水动态属气象型，受降雨及季节影响，地下水位较为和缓地上下波动，水位变幅一般小于10 m。

为研究岩溶塌陷和地下水动力条件的相关性，本文对区内下龙塘钻孔(ZK73)进行了水压力自动监测。该孔位于三都镇白见村下龙塘屯南西400 m处的旱地中，处于三都谷地中的集中强径流带上。钻孔孔深50.57 m，揭露2.5 m厚的土层，为硬塑状粘土，下伏基岩为大埔组白云岩，未揭露溶洞。钻孔附近无地下水开采点，地下水为天然动态。监测期间水位在1.27～4.49 m间变化，水位变幅3.22 mm(图3)。监测期间井中水位上涨下降迅速，水位随季节变化不大，而与日降雨量呈明显正相关。2015年2月至4月间降雨较少、降雨量偏小，水位持续保持在4.0 m以下，2015年5月2015年9月间，降雨次数增多，降雨量加大，地下水位随降雨波动频繁。该点土层为粘土，弱透水且不含水，地下水为季节性承压，5月至9月间，地下水位随降雨在无压与承压间多次转换。

2.4 岩土力学性质

土层是土洞形成和塌陷发生的物质基础。据统计，区内塌陷点附近第四系厚度多小于5 m(占塌陷点总数的60%)，5～10 m次之(占31%)，只有少数大于10 m，说明区内第四系越薄越易发生塌陷。区内第四系普遍较薄，一般小于8 m，属于易塌陷厚度范围。除部分土层极薄，基岩近乎裸露地区以及水位埋深较大地区外，其它大部分地区岩溶地下水位随降雨、季节活或人为开采地下水等影响而在基岩面一带上下波动，土体含水量不断变化。

土体含水量与压缩模量、内聚力、内摩擦角密切相关(图4)。大气降雨和岩溶地下水从两个方面改变土体的力学特征：大气降雨入渗增加了土体上部的含水量，一方面大大降低了土体的内摩擦角，减小了土体的抗剪能力，另一方面直接增加了土体的自重，增加了下滑力；地下水从土体下部产生作用，一方面反复在基岩面上下来回波动侵蚀土体，使土洞得以扩展，另一方面也软化土体，使土体的力学性能降低。两个方向的作用相互叠加，当下滑力大于土体本身的抗滑力时，岩溶塌陷便发生。

图4 洛满公社幅和三都公社幅的土体含水量与压缩模量、内聚力和内摩擦角间的关系图

2.5 水动力条件

区内地下水的开发利用程度较高，但强度不大；但近年来，机民井逐渐成为生活饮用水源，天然水点的开发则以灌溉为主。区内对机民井、天然水点的开采，一般为较大泵量间断式开采或枯季短时间集中开采，水位降深大，地下水对上覆土体的渗透潜蚀作用强烈；间断式开采造成地下水位频繁波动，加强对土体的潜蚀破坏，加速塌陷的形成和产生。区内共有26个塌陷坑位于水田中，其第四系地层要经历数次干旱变化，灌溉引起短时间内土体结构和物理力学性质破坏，加速土体潜蚀渗透，引起土洞崩解。

综上所述，地下岩溶，覆盖土层和地下水活动是塌陷形成的三个必要条件。研究区由上部覆盖层(一元结构)及下部岩溶发育的岩溶块体组成，地下岩溶和覆盖土层是地质营力形成的产物，其对塌陷形成的控制和影响相对稳定。区内地下水活动较频繁，交替较强烈，在天然条件下，地下水一般在基岩面附近或随季节性在基岩面附近波动，有利于地下水对土体的长期潜蚀崩解作用，使之形成土洞并产生地面塌陷。抽取地下水、天然地下水水位波动是影响区内塌陷产生的诱发因素。

3 易发程度分区

本节先根据岩溶发育现状，划分岩溶塌陷发育强度；进而分析地质结构、地下水和已有塌陷对塌陷易发性的影响程度，最后综合划分岩溶塌陷易发区域。

3.1 岩溶塌陷发育强度分区

本文选取定量指标(表1)可将研究区分为岩溶塌陷强发育区、岩溶塌陷中等发育区和岩溶塌陷弱发育区(表2)。岩溶塌陷强发育区总面积133.96 km2，发育塌陷坑202个，塌陷坑分布平均密度15.08个/10 km2，分为6个块段；岩溶塌陷中等发育区总面积23.45 km2，发育塌陷坑8个，塌陷坑分布平均密度3.41个/10 km2，分为4个块段；岩溶塌陷弱发育区在研究区大范围分布，主要为岩溶峰丛、峰林、溶岭等基岩裸露区或塌陷现状不发育的岩溶洼地谷地，总面积781.59 km2，占整个研究区面积的83.2%。

表2 工作区岩溶塌陷强度分区统计表

3.2 岩溶塌陷易发程度评价

3.2.1 评价依据

岩溶塌陷是“岩溶-盖层-水”构成的系统在各种因素综合影响下失稳的过程。塌陷的影响因素众多，且往往是多种效应叠加的结果；各因素的影响程度不同，且具有很强的不确定性。在岩溶塌陷预测时应抓住主要的控制因素，统筹考虑次要因素；此外，还应分析已有塌陷的控制机制和因子，对未来塌陷发生的可能性作出预测。

根据中国地质调查局调查规范《1:50000岩溶塌陷调查规范》，综合前人成果和本次调查认识，可先从地质结构(基岩和土体)、地下水、已有塌陷(土洞)几个方面进行岩溶塌陷单因素影响评价，分为强、中、弱三个等级。

3.2.2 地质结构对塌陷易发性的影响程度

基岩岩溶发育程度和上覆土体特征是决定了岩溶塌陷易发程度的内在因素。区内大部分第四系为残坡积粘土，岩性和工程性质没有明显的差异，故土层对易发性的评价仅从土层厚度和土层结构两个方面考虑。地质结构对易发性的影响是根据规范并结合表3进行评价的。

表3 地质结构对易发性的影响

第四系覆盖层是产生地面岩溶塌陷的必要因素，因此地质结构的影响仅对有第四系覆盖层的区域进行评价，评价结果见图5。区内大部分第四系土层覆盖区由于土层厚度小于15m，故地质结构对岩溶塌陷的易发性影响程度强。

图5 地质结构对塌陷易发性的影响程度图

图6 地下水对塌陷易发性的影响程度图

图7 已有塌陷对塌陷易发性的影响程度图

图8 研究区岩溶塌陷易发性分区图

3.2.3 地下水对塌陷易发性的影响程度

地下水的影响主要从年变化幅度和开采强度两个方面按照就高原则进行评价(图6)。洛满镇、三都镇附近由于地下水开采强度大而对岩溶塌陷易发性影响程度大；而区内西部建能-热水-新龙道-土博-佳偶-拉庙和香炉村一带的地下水年变化幅度大，故地下水对岩溶塌陷易发性影响强。

3.2.4 已有塌陷对塌陷易发性的影响程度

已有塌陷(土洞)对易发性的影响综合考虑岩溶塌陷强度分区(表2)和第四系土层连续分布特征两方面。从图7看出，对易发性影响程度高的区域位于洛满镇、流山镇、成团镇、三都镇和土博镇一带。

3.3 岩溶塌陷易发性分区

综合地质结构、地下水和已有塌陷(土洞)三者的影响，采用表4进行综合评价，评价采用MAPGIS平台空间分析，进行易发性分区。

表4 岩溶塌陷易发性评价表

根据分区评价结果(图8)，研究区被分为高易发区、中等易发区、低易发区和不易发区。其中，高易发区主要分布于洛满镇、流山镇、社冲乡、成团镇、土博镇、三都镇等城镇附近，总面积101.41 km2，含9个亚区；中等易发区和低易发区分散分布，中等易发区面积142.04 km2，低易发区面积29.16 km2；不易发区为基岩裸露区，面积666.39 km2。

4 结语

(1) 区内岩溶塌陷和塌陷坑均为土洞型塌陷，主要分布于逢吉地下河流域、洛满～流山～柳江谷地和三都～六道～成团谷地，且多具有群发性，主要发生于3～9月份且有逐年增加的趋势；

(2) 地下岩溶发育是塌陷发生的前提条件；区内地下水活动较频繁，交替较强烈，在天然条件下，地下水一般在基岩面附近或随季节性在基岩面附近波动，有利于地下水对土体的长期潜蚀崩解作用，使之形成土洞并产生地面塌陷。抽取地下水、天然地下水水位波动是影响区内塌陷产生的诱发因素。

(3) 经对地质结构(基岩、土体)、地下水和已有塌陷(土洞)对岩溶塌陷影响的单因素和综合分析，将研究区划分为高易发区、中等易发区、低易发区和不易发区。其中，高易发区主要分布于洛满镇、流山镇、社冲乡、成团镇、土博镇、三都镇等城镇附近，总面积101.41 km2，含9个亚区；中等易发区和低易发区分散分布，中等易发区面积142.04 km2，低易发区面积29.16 km2；不易发区为基岩裸露区，面积666.39 km2。

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FormationMechanismandSusceptibilityofKarstCollapseinCentralGuangxi

ZHANGQin-jun，QINXuan，SHIShu-jing

(Guangxi geological survey institute, Guangxi Nanning, 530023)

The geological conditions and distribution characteristics of karst collapse in the Luoman and Sandu town, in Southwest Liuzhou of Guangxi province, were investigated. The factors influencing the formation of karst collapse were then analyzed. The susceptibility region of karst collapse was zoned by the comprehensive analysis of bedrock-soil-groundwater interaction and existing karst collapses. Results show that the karst collapses are close to a form of clustering and mainly occurs between March to September with an increasing trend year by year. The formation of karst collapse is controlled by the specific water-soil-rock interaction and human activities. The thickness of soil layer is thin and the underground karst is well developed. The groundwater level fluctuates in close to the bedrock surface, which is conductive to the formation of karst collapse. The groundwater extraction and the fluctuations of groundwater are the main inducing factor of karst collapse. The high susceptibility zone distributes in the regions of Luoamn, LiuShan, Shechong, Chengtuan, Tubo and Sandu town, the total area is 101.41km2. The medium (142.04 km2) and low susceptibility zone (29.16 km2) is disseminative in study area. Karst collapse hardly happens in the exposed area of bedrock with an area of 666.39 km2.

karst collapse；formation mechanism；partition of susceptibility zone；Guangxi

P641.134

A

1004-1184(2017)06-0009-05

2017-07-24

中国地调局项目(项目编号：12120115047401、12120114022101、DD20160301)

张勤军(1984-)，男，山东高密人，工程师，主要从事岩溶水文地质研究工作。