基于物理模型试验的岩溶塌陷定量研究

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(1．长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2． 广州大学 广州大学-林雪平大学城市可持续发展研究中心，广州 510006)

1 研究背景

岩溶塌陷是指隐伏在覆盖层下的可溶岩中存在岩溶空洞，在自然或人为因素作用下，覆盖层物质沿岩溶通道进入岩溶空洞，引起覆盖土体发生漏失，导致地面出现塌陷的自然现象。岩溶塌陷是我国6大地质灾害之一，对我国人民的生命和财产安全造成重大损失。因此，国内外学者高度关注岩溶塌陷，并开展了大量的研究工作，取得了丰富的研究成果。

目前，国内外关于岩溶塌陷的研究主要集中于岩溶类型划分[1]、发育规律[2]、影响因素[3]、形成原因[4-6]、塌陷机理[7]、监测-勘测技术[8-9]以及防治措施[10]等方面。范士凯[2]根据近30 a的岩溶塌陷工作经验，认为“真空吸蚀论”[11]、“潜蚀论”[12]、“渗流液化论”[2]这3种机理是存在的，并指出不同地质条件下发生不同类型的塌陷有不同的塌陷机理。但因岩溶塌陷具有突发性、隐蔽性、多因素性与不确定性等特点，至今仍未形成系统的、统一的岩溶塌陷理论[13]。

传统的岩溶成因及其影响因素等研究工作几乎都是以岩溶塌陷的最终状态为研究对象展开的，难以了解岩溶塌陷过程，这导致对塌陷形成机制的认识不够全面与深入。因此，通过室内模型试验可动态观测岩溶塌陷的形成过程及其演化机理，同时，室内模型试验也是验证已提出的塌陷理论是否存在的有效方法之一。如孙金辉[14]对黏土覆盖的岩溶塌陷进行了物理模型试验，获得临界塌陷宽度为2～3 mm，但模型装置塌陷孔与大气接触，处于无压状态，与实际岩溶塌陷口或塌陷管道处于有压状态的情况不符；雷明堂等[15]以湖北省武汉市典型岩溶塌陷案例为原型建立了大型物理模型，主要针对单一结构(黏土)、二元结构(上层为黏土、下层为粉砂)进行系列试验，认为岩溶地下水位下降是诱发岩溶塌陷的主要原因，但不能量化塌陷形成过程；张鑫等[16]针对上覆粉质黏土的岩溶塌陷进行物理模型试验研究，认为抽水引起的水位下降幅度是导致岩溶塌陷的主要因素，并提出了临界水位降幅为23.2 mm。尽管采用岩溶物理模型试验已证实了部分塌陷理论的正确性，并再现了岩溶塌陷的过程，提升了对岩溶塌陷演化本质的理解，但在如何量化岩溶塌陷过程方面存在明显不足，特别是如何获得塌陷过程中岩溶覆盖层塌陷程度。同时，已有的岩溶塌陷模型试验主要集中考虑地下水下降与波动对岩溶塌陷的影响，急需开展其他类型岩溶塌陷的物理模型试验以提升对岩溶塌陷机理的认识水平。

因此，本文在前人研究的基础上，针对上述存在的问题，利用自主研发的恒压取样技术，定量研究岩溶塌陷过程，以验证“渗流液化论”塌陷机理，并研究黏土层对岩溶塌陷的阻隔作用。

2 材料与方法

2.1 物理模型

物理模型由模型主体、供水系统、砂土收集系统、水位监测系统与地面变形监测系统组成。物理模型结构见图1。其中开口直径10 mm，泥沙收集装置材料为透明有机玻璃，高度25 cm，直径12 cm，接口直径为5 cm。

(a)模型结构示意图

(b)模型结构实物图

图1物理模型装置

Fig.1Schematicdiagramandphotoofthephysicalmodelforlaboratorytest

2.1.1 模型主体

模型主体为长60 cm、宽30 cm、高40 cm的长方体，为岩溶基岩上覆地层模拟区域。主体模型左右两侧均为供水水槽。在主体模型的正中间预留一直径为10 mm的圆孔，模拟岩溶通道与上覆地层的岩溶开口。

2.1.2 供水系统

主体模型两侧的水槽为上覆地层(如粉细砂层)提供稳定水头，在整个试验过程中上游水位维持不变(供水系统1)。岩溶管道供水系统(供水系统2)为岩溶通道提供设计水位，在整个试验过程中可按要求变化。两供水系统相互独立，互不影响。

2.1.3 砂土收集系统

收集系统由2个漏斗状收集容器串联组成。容器1和容器2分别和供水系统2连接。在整个试验过程中，容器1供水系统均处于开启状态。但取砂土样时，将容器1和容器2之间的连接阀关闭，阻断其水力联系。待取样结束，恢复容器2中水压后，打开连接阀。每次取砂过程中，保证容器1中水压力不变，但又不影响沙漏发生过程。每隔10～20 min取样一次。

2.1.4 水位控制系统

采用长江科学院研制的静水位控制系统，可分别对砂层孔隙介质和岩溶地层提供独立的稳定水头。控制精度1 mm，量程0～15 m(静水头)。

2.1.5 砂层孔隙水位监测

在岩溶开口上方(模型的正中心)，离砂层底部距离分别为21，16，6 cm位置埋设孔隙水测压管(水头分别记为H上，H中,H下)，采用HX601精密数字压力表监测岩溶管道持续下降过程中模型中心剖面水位动态变化情况。压力监测精度为0.1 mm。

2.1.6 岩溶塌陷监测

利用摄像机录制岩溶塌陷全过程，重点捕获砂层中水位降落漏斗以及岩溶塌陷的启动—发生—结束全过程。

2.2 土样

采用武汉市古田二路粉质黏土和新世纪粉细砂作为岩溶物理模型试验土。粉细砂和粉质黏土干密度分别为1.40 g/cm3和1.60 g/cm3，初始质量含水量均为10%。土壤颗粒组成及其物理参数见表1。

2.3 试验方案

本文开展2个方案的物理模型研究，即定量研究沙漏型岩溶地面塌陷过程(方案1)；揭示黏土层对岩溶塌陷的阻隔作用(方案2)。岩溶塌陷物理模拟试验方案见表2。

表1 土壤颗粒组成及其物理参数

表2 岩溶塌陷物理模拟试验方案

2.4 模型填筑

按设计干密度与初始含水量配置粉砂和粉质黏土，然后分别填筑土样。由于方案1和方案2土层结构不一样，填筑方案也有所区别。方案1：每2.5 cm填一层粉细砂，粉细砂填筑厚度为27.5 cm；方案2：从下至上分别填筑粉质黏土和粉细砂，其中粉质黏土厚度为3.0 cm，一次击实填筑，而粉细砂厚度为25 cm，每2.5 cm击实一次。另外，由于方案1和方案2的砂层分别模拟潜水和承压含水层，则方案1模型上方不封口，为自然边界，可直接观测地面塌陷过程。而方案2上边界需要密封处理，即在整个试样填筑完(表面预留2.5 cm空间)后，用玻璃胶将模型顶板覆盖与模型主体密封，并拧紧螺丝。最后用导管将泡沫胶导入土样顶部(2.5 cm空间)，待完成充填后，放置12 h，让其充分固化后，再进行饱水试验。

2.5 水位控制

方案1：模型充分饱水后，砂层与岩溶管道水位设置分别为27.5 cm 和32.5 cm。岩溶管道水位略超过砂层5 cm，以保证试验开始前不发生砂土漏失现象。待模型渗流场完全稳定后，开始缓慢降低岩溶管道水位，即每隔2 cm下降一次。通过取样容器的透明观测部分判断是否发生漏砂现象。每一个控制水位观测时间为20 min，如没有漏砂现象，则进一步下降水位。如出现漏失现象，则间隔10，20，30 min等不同时间段采集砂土漏失量，直到漏砂停止；然后，继续下降水位，直到下降至砂土层顶板以上2.5 cm为止。

方案2：考虑到物理模型尺寸限制，在岩溶水位下降过程中需提供足够压力差，才能确保黏土阻隔层发生破坏，形成岩溶塌陷。因此，根据实验室供水系统情况，将砂层和岩溶含水层初始水头分别设置为270，275 cm。在砂层和岩溶含水层水位上升至初始水位过程中，始终保持岩溶水位高于砂层水位5～10 cm，且保持同步上升。

试验开始后，始终保持砂层水位不变。逐渐降低岩溶管道水位。每次降低5 cm，维持10 min，如果没有出现漏砂、漏泥情况，则继续下降水位。

3 试验结果

3.1 沙漏塌陷基本规律(方案1)

3.1.1 岩溶塌陷动态过程

随岩溶水位持续下降，整个岩溶塌陷过程可划分为以下几个阶段：①初始阶段，砂层中水位降落漏斗出现；②临界破坏阶段，水力梯度达到临界值时，流土-漏失发生；③最后阶段，塌陷形成。图2为方案1岩溶塌陷过程中观测孔水位随岩溶水位下降的变化关系。

图2 方案1垂直剖面各测压水头随岩溶水位动态变化关系曲线Fig.2 Dynamic change of pressure water head of vertical section against karst water level for test 1

在初始稳定阶段，岩溶水位由32.5 cm下降至24.5 cm时，无沙漏发生，且中心剖面各压力监测孔水位均为27.5 cm，表明垂向无明显渗流发生(或流量很小)。

在临界破坏阶段，从图2可知，当基岩水头下降至22.5 cm时，开始漏失。由此可判断，本模型第1次发生沙漏塌陷的临界水头为(24.5+22.5)/2=23.5 cm。发生塌陷时，岩溶口水平的临界水力坡降为(27.5-23.5)/30=0.13；H下为(25.8+27.5)/2=26.65 cm，与岩溶水位之差为沙漏渗流垂向渗流水力梯度，则临界水力梯度为(26.65-23.50)/6=0.525。

整个试验过程中，岩溶水位从32.5 cm逐渐下降至0.5 cm，共发生了3次岩溶塌陷，其岩溶水位分别为22.5，10.5，4.5 cm。

(1)第1次沙漏塌陷：岩溶水位下降至22.5 cm时，开始出现沙漏。通过透明恒压取样器观测窗(水体浑浊程度以及砂土下落量)、剖面压力监测数据(塌陷发生时，垂向渗流量和渗透比降增加，砂层水位降低，沙漏塌陷更严重)以及地面塌陷影像等资料分析，认为岩溶塌陷速率呈先增加后减弱的变化规律，即在岩溶开始后0～40 min内，岩溶塌陷速率逐渐增加并达到最大;40～100 min内逐渐降低，且在165 min时刻，塌陷速率突然增加，但明显小于最大值。第1次沙漏结束时，塌陷基本稳定，岩溶口重新被塌陷的松散砂层淤堵，水力梯度为0.2/6≈0.03，岩溶口下渗流量很微弱。本次沙漏持续时间为100 min，塌陷为近圆形，直径17 cm。

(2)第2次沙漏塌陷：第1次塌陷完成后，持续降低岩溶水位。当水位下降至10.5 cm时，再次发生岩溶塌陷。与第1次岩溶塌陷相比，监测点压力值与变幅程度均明显偏低，这表明本次塌陷速率明显弱于第1次。塌陷发生后0～17 min内，塌陷速率逐渐增加;17～95 min内逐渐减小，但未出现波动情况。第2次塌陷时，临界水力坡度为2.5，持续时间为95 min。

(3)第3次沙漏塌陷：在第2次塌陷发生后，继续下降岩溶水位。当水位下降至4.5 cm时，发生第3次塌陷。与第2次塌陷情况类似，第3次塌陷的临界水力坡度为3.4，持续时间为140 min。呈椭圆形，塌陷范围沿水流方向37 cm，垂直水流方向28 cm。

从以上分析可知，随岩溶水位持续下降，共发生了3次岩溶塌陷现象，且最大岩溶塌陷速率随塌陷次数明显减弱，塌陷过程变得更加平稳。

在第3次沙漏塌陷后，再降低水位至0.5 cm，尚未观测到明显的沙漏现象，岩溶塌陷结束。试验结束后，对塌陷形态进行了精确的测量，见图3所示。根据实际测量结果，计算获得此方案条件下岩溶塌陷角为40°。

(a)俯视图

(b)塌陷实物图

图3方案1岩溶塌陷最终结果

Fig.3Resultsofkarstcollapseintest1

3.1.2 沙漏塌陷演化定量分析

本试验通过自主研发的漏砂采集装置，对不同时期的漏砂量进行了采集，并风干称重。根据砂层干密度换算，可得对应时间内发生塌陷区域的体积，可定量分析岩溶塌陷过程。

图4为方案1塌陷过程中砂土漏失累积量随时间和岩溶水位的动态变化过程。总体上，漏砂累积量随岩溶水位持续下降而增加，但只在岩溶水位为22.5，10.5，4.5 cm 时才会发生岩溶塌陷现象。在单次岩溶塌陷过程中，漏砂速率呈先增加后减小的趋势，表明岩溶塌陷发育呈现先快速后缓慢塌陷的规律。

图4方案1岩溶塌陷累积量与岩溶水位相互关系

Fig.4Curvesofsandaccumulationduringthekarstcollapsevs.karstwaterlevelofrockfortest1

第1次岩溶塌陷时，岩溶塌陷速率波动较大，随时间变化呈显著的非线性，说明岩溶塌陷开始发育阶段，上覆地层发生塌陷的情况比较复杂。

第2次岩溶塌陷开始后，0～30 min内，漏沙累积量与时间呈线性关系，相关系数为1；30～100 min内，相关系数为0.90，说明岩溶塌陷匀速发育，总体平稳，但存在微弱波动。

与第2次塌陷相比，第3次塌陷表现出更为明显的规律，即在0～75 min和75～120 min内，漏砂累积量与累积时间呈线性关系，相关系数分别为0.998和1，说明在这2段时间内，岩溶塌陷匀速发育，但前者塌陷速率明显高于后者。在120～800 min内，岩溶塌陷速率缓慢降低，最后降为0，岩溶塌陷停止。

第1次、第2次和第3次塌陷漏失量分别为1 094.05 g，1 623.84 g，2 674.96 g。尽管第1次塌陷的速率最大，但持续较短，导致了第1次塌陷总量明显偏低。这也说明了塌陷漏失量随基岩水位降低而明显增加。

3.1.3 水位上升下降波动对塌陷形成的影响

上述试验结束后，将砂层中水排尽，放置4 d，然后再持续饱水。在充分饱水后，持续降低岩溶基岩水位，当水位下降至19.5 cm时出现漏砂，持续5 min后停止，漏砂量不大，<100 g。临界破坏比降为1.0，明显高于第1次岩溶塌陷的临界比降0.525。当水位继续下降2.5 cm(水头17.0 cm)时，第2次漏砂发生，但漏砂量明显增大，岩溶塌陷区迅速扩大，在20 min内延伸到进水边界，使供水箱水头直接进入岩溶塌陷区域，试验停止。最终岩溶塌陷渗流破坏比降为1.33，明显低于方案1的第3次岩溶塌陷渗流破坏比降3.40，这说明地下水位上下波动会降低岩溶塌陷渗流破坏比降，加剧岩溶塌陷发育。

3.2 “渗流液化论”塌陷机理验证

“渗流液化论”塌陷机理是指当覆盖层饱和粉土或砂层直接盖在可溶岩岩面之上时，在粉土或砂层中的孔隙水与可溶岩中的岩溶裂隙、管道水发生直接联系，形成统一运动情况，由于水位不断升降变化，尤其是岩溶地下水位或承压水头低于孔隙水位时，发生垂直向下渗流。当水力坡度加大，且超过临界水力坡度时发生流土，即砂土呈流动状态漏入岩溶空洞(俗称“沙漏”)，地面出现塌陷坑。

根据方案1的沙漏塌陷基本规律分析结果可知，当岩溶水位高于孔隙水位时，无漏砂现象发生；但当岩溶水位持续下降时，孔隙地下水向下渗流的初始阶段先发生潜蚀，即土中细颗粒被带走，形成“漏斗状疏松体”，进而渗流加剧，局部水力坡度加大，当向下渗流的水力坡度大于孔隙含水层的流土临界水力坡度(0.525) 时饱和砂土呈液态，发生流土，向溶洞(隙)中漏失，形成地面塌陷。并且，塌陷发生至一定程度后停止，再继续降低岩溶水位，即当水力坡度持续增加至2.5和3.4时，新一轮砂土液化-漏失发生，岩溶塌陷继续发展。

综上所述，方案1的试验结果完全再现了“渗流液化论”岩溶塌陷过程，验证了岩溶塌陷机理的正确性。

3.3 黏土层阻隔效果(方案2)

3.3.1 临界塌陷比降

维持砂层水位270 cm不变的情况下，缓慢降低岩溶基岩承压水水位，观测水位下降过程中岩溶塌陷发育情况。当岩溶水位下降至125 cm时，黏土层发生了渗流破坏，岩溶塌陷形成。随后1 min内，大量砂土漏失，发生严重塌陷。塌陷持续1 h后关闭供水水头，以保证塌陷形态的完整性。

塌陷未发生时，黏土渗透能力很弱，从进水槽到岩溶开口上方(黏土层未破坏时)的渗流水头损失忽略不计，即发生岩溶塌陷前，岩溶开口上方水位为125 cm，则临界水头差为145 cm，黏土层厚度为3.0 cm，岩溶塌陷时黏土层发生渗流破坏的临界比降为48.3。当黏土层发生渗流破坏后，瞬间将压力传递给砂土层，此时砂土层瞬间水平渗流比降为5.0，垂向渗流比降更大。该比降大大超过了砂土层发生渗流破坏的临界比降，因此，当黏土层发生破坏后，砂土层瞬间发生渗流破坏。在高水力梯度下，砂土层将发生严重漏失。

3.3.2 塌陷形态

塌陷发生后1 h，塌陷仍然还在发育，直到岩溶开口全部露出为止。由于模型尺寸的限制，塌陷发生后1 h，岩溶塌陷发育至模型边界，供水箱的水将直接进入岩溶塌陷区。因此，为了保持完整的岩溶塌陷形态，关闭了砂层供水水头，试验停止。

图5为方案2岩溶塌陷形态，岩溶塌陷坡角为28°，明显低于方案1的40°。

图5黏土层对岩溶塌陷阻隔效果

Fig.5Barriereffectofclaylayeronkarstcollapse

3.3.3 黏土层对沙漏型岩溶塌陷的影响

与方案1相比，方案2在岩溶开口上方增加了3 cm厚黏土阻隔层，其发生岩溶塌陷时所需要的水力梯度显著增加。方案1发生岩溶塌陷时，砂层与岩溶管道水位之差为5.0 cm，砂层的临界渗透破坏比降为0.525，而有黏土阻隔层时，砂层与岩溶管道水位之差为145 cm时，才发生渗流破坏，形成岩溶塌陷，此时岩溶塌陷时黏土层发生渗流破坏的临界比降为48.3，显著高于方案1的砂层临界塌陷比降。这表明黏土阻隔层在一定程度上能抑制砂层岩溶塌陷，增加岩溶塌陷临界渗透比降。

4 结 论

本文采用物理模型试验定量研究了岩溶塌陷过程，并评估了黏土阻隔层对岩溶塌陷形成的影响，主要取得了如下成果。

(1)验证了砂土覆盖岩溶管道的塌陷机理为 “渗流液化论”的正确性。

(2)岩溶塌陷是分阶段形成的，即在岩溶水位下降过程中共发生了3次岩溶塌陷，每一次的岩溶塌陷特征均不一样：3次岩溶塌陷的临界渗透破坏比降分别为0.525，2.500，3.400；岩溶塌陷最大塌陷速率随渗透破坏比降增加而降低，但其持续时间和塌陷漏失量则增加；初始岩溶塌陷过程明显比第2次和第3次岩溶塌陷过程复杂。

(3)在岩溶塌陷发生的基础上，再经过同样的水位上升—下降过程时，仍发生了岩溶塌陷。这说明地下水位波动能加剧岩溶塌陷的形成。

(4)岩溶口被黏土直接覆盖后，发生岩溶塌陷的临界渗透比降显著增加至48.3，明显高于无黏土层覆盖的情况(0.525)。因此，黏土层能显著提高岩溶覆盖层的安全性，可有效抑制岩溶塌陷发生。

建议在以后的工作中，需进一步考虑更大模型尺度的岩溶塌陷机理、不同岩溶塌陷类型(包括地层组合类型等)、水动力条件以及岩溶开口尺寸与岩溶通道充填程度等方面的研究。

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