湖南临武某地岩溶地面塌陷特征及成因机理探讨

肖颖斌，霍然，李江林，陈庆峰，杨佳

湖南临武某地岩溶地面塌陷特征及成因机理探讨

肖颖斌1、2，霍然2，李江林2，陈庆峰2，杨佳2

（1.中国地质大学（北京），北京 10083；2.湖南省湘南地质勘察院，湖南 郴州 423000）

摘要：临武某地于2019年12月19日发生岩溶地面塌陷，塌陷前后有大量因地面变形所致建筑物损坏，利用地表调查、高密度电法、钻探等手段查明了岩溶地面塌陷所处的地质环境条件、地下水位变化情况、岩溶发育和分布特征、建构筑物变形特征、影响范围等。本文从上部覆盖层、淤泥质粘土层特征、下部灰岩的岩溶发育情况等结合岩溶地面塌陷形成条件的综合研究，提出本区覆盖型岩溶地面塌陷成因机理，并对岩溶地面塌陷进行了分析预判，提出了相应防治建议。

成因机理；地面塌陷；岩溶；

1 引言

我国国土面积的30％以上为岩溶区，岩溶地面塌陷已成重要地质灾害之一。国内外诸多学者对岩溶地面塌陷的成因机理、塌陷模型、探测方法、预测、评估方法等进行了大量的研究工作，并在学术领域展开了深入的探讨[1-16]。基于前人工作成果，结合临武县某地岩溶地面塌陷区的地质环境、地表变形特征、物探及钻探验证，对该岩溶地面塌陷成因机理进行初探。

2019年临武县地质灾害变更调查结果，临武县有岩溶地面塌陷隐患点9处。2019年12月19日，临武某地发生岩溶地面塌陷，出现一圆形塌陷坑，坑口规模8m2，坑深2.1m。塌陷坑出现前，2019年10月15日起，居民区发生房屋变形开裂现象，变形一直未稳定，呈增强趋势。

图1 变形区地貌照片

2 地质环境条件

2.1 气象、水文

临武县2009年~2018年历年平均年降雨量1 475mm，每年4、5、6月集中降雨总量的平均值为650.22mm，占全年降雨量44%。塌陷区发育一条溪沟，流向自南东至北西，坡比2%，常年有水，旱季水量小，雨季水量较大。沟道宽2~3m，深2~2.5m，2019年10月对溪沟两侧岸堤砌有浆砌石护岸，沟床采用混凝土硬化。调查期间正值旱季，实测流速0.5m/s，流量20L/s。居民区沿溪沟两侧而建，受灾区范围内有多处水井在变形期间干枯，井深一般2.5~4m，往年旱季期间可作为居民饮用水源。

2.2 地形地貌

地貌类型为构造剥蚀溶蚀低山-中山，冲沟不发育，地形起伏，最高海拔标高1200m，最低海拔标高位于西侧溪沟出口577.07m，相对高差623m，地形坡度10°～35°，局部裸露岩壁坡度达80°。

2.3 地层岩性

第四系(Q)：分布于沟谷两侧低洼地段，由浅灰褐色、黄褐色粉质粘土，灰黑色冲洪积淤泥质粘土组成，局部夹有少量碎石，钻探揭露厚度1.5~16.90m。

泥盆系中统棋梓桥组（D2q）：分布于变形区北东侧及变形区覆盖层之下。为深灰色中厚层状灰岩、白云质灰岩，岩石呈深灰色，中厚层状构造，单层厚10~40cm。表面见溶蚀沟槽及石芽，岩层倾向北东，倾角35°。

岩浆岩（γ52）：分布于变形区南西侧，为黑云母花岗岩体，绝对年龄经测定为155百万年，属燕山早期的酸性侵入体，与周边地层D2q呈侵入接触关系，岩体的侵入致使围岩变质和破碎。

图2 地质及岩溶分布图

1.泥盆系中统佘田桥组；2.泥盆系中统棋梓桥组；3.燕山期花岗岩；4.断层；5.地层界线；6.剖面线及编号；7.开裂房屋；8.推测岩溶分布区；9.物探解译岩溶发育范围.

2.4 地质构造

位于香花岭短轴背斜北东倾伏端，背斜轴向北北东，断裂构造是香花岭短轴背斜两翼挤压断层。

变形区北侧以陡峭灰岩岩壁为天然边界，岩壁底部往南稍有倾斜，倾角80°。初步分析，该岩壁由断层所致，断层发育于泥盆系中统棋梓桥组灰岩中，所见岩壁为断层下盘，断层面倾向南，倾角约80°，上盘灰岩破碎，岩溶发育，溶洞广泛分布于断层以南至花岗岩之间，局部形成地下暗河。在香花岭矿区生产矿井内曾多次在断层带遇到较大溶洞。

2.5 岩、土体工程地质条件

1）较硬中厚至巨厚层石灰岩、白云质灰岩岩组，完整岩石抗压强度35～60MPa。

2）较硬-坚硬花岗岩岩组，中风化花岗岩抗压强度60～100MPa。

3）冲洪积淤泥质粘土夹少量碎石：分布于河流谷地两侧，厚度变化较大。由灰黑色、黑色淤泥质粘土组成，可塑-软塑状态，地下水位以下呈软-流塑状态，含强风化岩碎块，土质不均匀，干强度中等，韧性中等，摇振无反应，土质松散，可压缩性强，工程性质差。

表1 验证钻孔揭露溶洞情况

2.6 水文地质条件

本区无大型地表水体，地下水可划分为岩溶裂隙水和风化裂隙水。接受大气降水垂直入渗补给和外围基岩风化裂隙、碳酸盐岩岩溶裂隙、落水洞等入渗补给。地下水流向与地表溪沟流大体一致，流经地下岩溶通道及地下暗河，最终汇入甘溪河。通过邻近民井与钻孔静止水位进行对比，变形期间水位下降5.80m。

2.7 岩溶发育特征

地表常见圆形岩溶洼地，其次是漏斗、落水洞、溶槽、石芽。地下常见溶洞和多层地下暗河。溶洞的规模大小不一，一般溶洞高度为2~5m，最大者达50余米，多未被充填，地下暗河多沿层面和构造发育。

2.8 物探异常特征

从高密度电法电阻率等值线断面图解译出2处较明显的物探异常（图3），推测为岩溶发育地段，具体表现特征为相关测段电阻率在横向上不连续，呈现为凹陷特征，可能为溶槽，异常从地表以下约10~30m。与瞬变电磁法显示的地表以下10～30m存在连续低阻异常吻合较好。对推断的2处岩溶发育部位进行钻孔验证，通过钻探揭露，2孔均揭露到了岩溶，具体情况见表1。

图3 地质物探综合异常剖面图

1.第四系；2.泥盆系中统棋梓桥组；3.燕山期花岗岩；4.杂填土；5.粉质粘土；6.淤泥；7.灰岩；8.花岗岩；9.推测断层；10.变形房屋；11.浆砌石护岸；12.地下水位线；13.溶洞；14.钻孔位置及编号

3 岩溶地面塌陷引发的变形特征

该区岩溶地面塌陷引发地面变形所致房屋开裂、地面裂缝等。房屋裂缝有斜裂缝、竖向裂缝以及水平裂缝等，选择5处裂缝进行了监测。

3.1 斜裂缝

斜裂缝最为普遍，发育于整个变形区各种房屋结构中，发育数量最多，分布无明显规律，对建筑物破坏程度大，一般位于墙体中部、门窗角或墙角，有时斜裂缝与水平或竖向裂缝联通，形成倾斜环状组合裂缝，对建筑破坏严重，斜裂缝宽度一般3~32mm，裂缝倾角15°~40°不等，长度1~6.5m不等，整体形态呈弯曲波浪形，局部裂缝错动位移现象明显，墙面脱落，见图4左图。

图4 变形区房屋典型斜裂缝及竖向裂缝

3.2 竖向裂缝

竖向裂缝在变形区较为常见，发育数量较斜裂缝少，但其破坏程度较大，一般分布于墙体中部，裂缝宽度10~30mm，长度2~4m，局部裂缝贯穿整个房屋，裂缝呈张开状态。根据监测数据显示，竖向裂缝的发展变化迅速，破坏程度大，危险性高，见图4右图。

3.3 水平裂缝

水平裂缝位于横梁与砌体交接处及混凝土楼板附近，裂缝均匀且平直，缝宽多为1.5～4.0mm，长度与墙同长，外墙比内墙裂缝稍宽（图5）。相对于竖向裂缝和斜裂缝该类裂缝发育较少。

3.4 地面裂缝

地面裂缝分布于变形区水泥硬化地面、地与墙体连接部位、土层与岩壁交接部位等，地面裂缝总体走向与河流走向基本一致，局部地段走向与河流呈小角度斜交，平面形态主要为直线型及弧型，缝宽5~35mm，最宽达40mm，延伸长度一般5~8m，可视最大延伸长40m，深度5~10cm，最大深度40cm。

3.5 变形监测情况

对整个变形区选出5处有代表性变形点进行简易监测，采用裂缝相对位移监测法及目视检查法，变化趋势见图6。

4 成因机理

按地质特征确定本区属覆盖型岩溶地面塌陷。

从钻孔揭露情况，沿河地段可溶岩上方覆盖层基本可分为二层，底部为0.4-15.11m的淤泥质粘土层，其上方为厚1.5-16.90m的粉质粘土层夹少量碎石。覆盖层底部淤泥质粘土在地下水位以下呈流塑状，具备形成泥流型岩溶地面塌陷条件，上部粉质粘土易形成土洞，同时具备土洞型岩溶地面塌陷的土层条件。

图6 变形区裂缝趋势

5 结论及建议

该区地貌类型为构造剥蚀溶蚀低山-中山地貌，变形区位于山间沟谷，为泥盆系中统棋梓桥组与花岗岩体接触部位，花岗岩面以上地下水径流相对较快；另有近平行溪沟的隐伏断层发育，岩溶区位于隐伏断层上盘，岩石破碎程度比周边稍强，且地表溪流常年不枯，按尹若君等[1]总结的岩溶地面塌陷的分布规律，该区属岩溶发育有利部位。

浅部溶洞规模大，分布复杂，地下暗河交错联通，水文地质条件较差。第四系土层厚度、性状和强度差异较大，地下水位的变化加速淤泥的流失，形成土洞，土洞不断发育直至形成塌陷坑。截至工作结束，变形尚未停止，再次发生塌陷的可能性仍然较大。

由于岩溶地面塌陷特有的突发性及隐蔽性，当岩溶塌陷地质灾害发生时受灾往往比较严重，区内地面沉降变形正处于加剧变形阶段，建议对变形区内地面以及建构筑物采取专业监测，及时掌握变形的发展变化情况并采取有效措施，防治意外发生；该区水文地质条件复杂，浅部岩溶极为发育，今后生活及生产过程中，严禁在变形区及周边过量抽排地下水破坏水力平衡；建议尽快撤离，整体搬迁避让；确需就地重建应进行详细的工程勘查，评价场地建设的稳定性和适宜性。

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Characteristics and Genetic Mechanism of Karst Ground Collapse in Linwu County, Hunan Province

XIAO Yin-bin1,2HUO Ran2LI Jiang-lin2CHEN Qing-feng2YANG Jia2

(1-China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083; 2-South Hunan Institute of Geological Survey, Chenzhou, Hunan 423000)

A karst collapse occurred at a certain place, Linwu County on December 19,2019 which caused extensive damage to buildings. Surface survey, high-density electrical method, drilling and other means are used to find out the geological environment condition, the change of groundwater level and the karstification development and distribution for the karst ground collapse. This paper has a discussion on causes of the karst ground collapse and makes some suggestions on control measures.

genetic mechanism; ground collapse; karstification; Linwu, Hunan

2020-06-10

肖颖斌（1987-），男，湖南桃江人，水工环地质工程师，从事水工环地质工作

P642.25

A

1006-0995（2020）04-0651-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.04.026