湖南省临武县乌云洞村岩溶地面塌陷特征及成灾机理探讨

霍然，陈庆峰，肖颖斌

（湖南省湘南地质勘察院，湖南 郴州 423000）

0 引言

湖南省临武县乌云洞自然村，于2018年3月至2020年4月左右村内及周边陆续发生数个塌坑，部分房屋发生变形开裂现象，且变形现象仍在加剧，严重影响到当地居民的正常生活，生命与财产安全受到威胁。本文作者通过收集已有资料并进行综合分析研究的基础上，通过地面水文地质、工程地质、环境地质调查测绘、地球物理探测、工程地质钻探、室内试验及综合研究等工作手段，基本查明区内地面塌陷的发育特征、灾害规模及危害程度。初步分析灾害成灾机理，并预测未来地质灾害的发展趋势，提出防治建议[1]。

1 地质环境条件

1.1 地形地貌

区内地貌类型为构造剥蚀溶蚀丘陵-低山地貌，地表冲沟发育，地形起伏，区内最高海拔标高位于北西侧自然山体，标高约750m，最低海拔标高位于区南侧农田附近，标高约472m，村庄分布标高为546.29~585.13m。区内原始地形坡度10°～35°。区内整体地形北西高南东低。

图1 地貌特征及地表岩溶分布照片

1.2 气象水文

区内多年年均降水1420.7mm，多年年均降水日159.3天，最长连续降雨日数19天，时间1998年4月3日止，年均蒸发1562.7mm，最高蒸发量238.6mm,最低蒸发量61.3mm，年均湿度79%，最高湿度82%，最低湿度77%,春夏两季降雨量占年总降雨量的77%，其中4～9月占年降雨量的68%。

1.3 地层岩性

1.3.1 第四系残坡积粘土(Qel+dl)

分布于自然斜坡及沟谷低洼地段，主要由浅灰褐色、黄褐色粘土组成，局部地段夹有少量碎石，局部地表见有基岩出露，该层厚约0~20m不等。

1.3.2 石炭系中上统壶天群（C2+3ht）

该地层主要分布于区内大部分地区，分布面积较大，北西侧以花岗岩为界，与北西侧花岗岩岩体呈侵入接触关系；该层系浅海相碳酸盐岩建造，厚度>310m，岩层总体走向近南北，小褶皱发育，局部变化较大，倾角一般40~60°，以40°左右居多，局部可达80°[2]。

1.4 地质构造与地震

区内及其周边处于区域性背斜北东段，北侧与花岗岩体呈侵入接触。总体呈向东倾斜为单斜，地层倾角35°~80°，自北向南逐渐变陡。区内断裂构造按其走向大致可以分为近南北向、南东东向。

区内属地震基本烈度Ⅵ度，地震动峰值加速度0.05g，地震动反应谱特征周期值为0.35s，属弱震区。

1.5 岩浆岩

勘查区内出露的岩浆岩主要有北东部的花岗岩岩体和南东部的一条花岗斑岩脉。花岗岩岩体位于北东部，与壶天群大理岩地层接触，其岩性主要为细粒斑状黑云母钾长花岗岩。花岗斑岩脉分布于区南东部，呈北东向展布，整体倾向南东。岩石呈灰白色，风化面为浅黄褐色，多斑状结构，块状构造。

1.6 岩土体类型

1.6.1 较硬中厚至巨厚层大理岩岩组

广泛分布于区内，由石炭系中上统壶天群白云石大理岩及方解石大理岩组成，岩石风化表面呈深灰色、灰黑色，岩石风化节理裂隙发育，局部较为破碎，岩石中岩溶发育强烈，多处发育有落水洞及溶洞。大理岩饱和抗压强度25~60MP。

1.6.2 坚硬花岗岩岩组

勘查区岩浆岩主要出露在北东侧。基质为长石石英、云母等矿物，斑晶有石英、长石，含团块状及细脉状石英。岩体较完整，中风化花岗岩饱和抗压强度60～100MPa[3]。

1.6.3 残坡积可塑-硬塑粉质粘土单层结构土体

该层为第四系残坡积成因，由粉质粘土组成，土体厚度变化较大，局部地表见有基岩出露，厚度0.0~20.0m不等。土体呈可塑-硬塑状态，局部软塑，以粘性土为主，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[4]。

1.7 水文地质条件

（1）第四系孔隙水：主要分布于第四系残坡积粘土内，因勘查区内第四系土层厚度差异较大，所以孔隙水含量不均，孔隙水与下部岩溶裂隙水呈互为补给关系，因孔隙水与岩溶裂隙水联通不均，局部岩溶发育地段与岩溶裂隙水直接接触。第四系孔隙水是大气降水汇集地，属于地下水下渗通道。

（2）岩溶裂隙水：主要地层为石炭系中上统壶天群。岩性主要为白云石大理岩及方解石大理岩；分布于勘查区大部分地区及其外围。大理岩中岩溶发育，洼地、漏斗、落水洞、暗河溶洞等广泛分布，富含岩溶构造水。

（3）风化裂隙水:由花岗岩组成，分布于勘查区北东侧花岗岩岩体处。由于受构造破坏及风化作用，岩体裂隙发育，含裂隙水。

1.8 岩溶发育特征

地表岩溶常见的为圆形岩溶洼地，其次是漏斗、落水洞、溶槽。主要分布在调查区中部，总体走向近南北向。区域内地下岩溶常见的为溶洞和地下暗河。本区岩溶发育，明显地受到岩性、构造和不同岩性接触层面三个主要因素控制[5]。

1.9 物探异常特征

高密度电法能通过电阻率差异探测地下溶洞、溶槽、土石分界面等地质体，能探测地下数十米内地质结构，包括土洞、浅部岩溶地质体、采空区、浅部地质构造、土石分界面等。为查明区内岩溶分布和发育特征，本次勘查开展了高密度电法工作。综合以往工作经验及相近地区岩石电性参数资料，主要物性参数如表1。

表1 电性参数表

通过高密度电法的工作收集数据，经整理剔除畸变及单点异常在勘查区范围内发现32处有效低阻异常。选定异常特征明显区域进行钻孔验证。钻探施工揭露有溶洞深度0.60~1.0m不等，规模大小不等，溶洞形态不规则，溶洞呈半充填-无充填状态，充填物主要为深灰色粘土夹碎石滚快，局部含有少量细砂，溶洞内粘土呈软塑-流塑状态。

图2 综合地质剖面图

2 岩溶地面塌陷特征

乌云洞村共发生塌陷13处，除TX09-TX12为老塌陷坑外，其余9个塌陷坑（TX01-TX08、TX13）均为2018年3月至2020年4月发生，其中年代久远塌陷4处，2018年发生2处，2019年发生5处，2020年发生2处，3处塌陷坑位于村内，10处塌陷坑位于村庄周边且距离村庄较近，2018年以后发生的塌陷现状均处于欠稳定—不稳定状态[6]。

表2 乌云洞塌陷坑统计表

从地面塌陷分布平面图上可以看出，塌陷分布具有明显的带状分布特征，总体走向呈南北向，与区内地层走向一致，塌陷坑的带状分布特征也代表着地下暗河所在位置[7]。

3 岩溶地面塌陷成灾机理分析

康彦仁在《论岩溶塌陷形成的致塌模式》中对岩溶地面塌陷的致塌模式进行了总结归纳，提出了八大致塌模式，分别为重力致塌式、潜蚀致塌式、真空吸蚀致塌式、冲爆致塌式、振动致塌式、荷载致塌式、溶蚀致塌式、根蚀致塌式。

图3 塌陷分布平面示意图

乌云洞岩溶地面塌陷的形成主要经过溶洞→土洞→塌陷的过程，在塌陷体陷落的过程中，往往要受到多种因素、多种作用力的影响和作用，当致塌力超过抗塌力时，便产生形成。一般情况下，致塌力主要包括岩土体自重力、地下水垂向渗透力和侧向渗透力，岩土体空隙中气体的正压力或负压力、振动力；抗塌力包括岩土体的内聚力、塌陷体周边摩阻力、地下水浮托力。

据分析，乌云洞岩溶地面塌陷属于潜蚀致塌模式，潜蚀致塌模式是指覆盖岩溶地区土层，在地下水流的渗流作用下，当其获得的实际水头值或水力坡度足够大，使土层产生机械潜蚀或流土等潜蚀作用，引起土层破坏，形成土洞，土洞发展变化从而导致塌陷。

潜蚀式塌陷主要是因地下水的垂向渗透力和集中渗透点的作用，因为垂向渗透力使土体获得实际水头值，在集中渗透点附近，水流集中，流速较大，潜蚀作用最强，有利于土洞塌陷的形成。土层可因地下水位的反复升降，受到多次潜蚀作用，而在土层中形成土洞发育带[8]。

图4 塌陷成灾机理分析

4 结语

区内地面沉降变形正处于变形阶段，部分房屋开裂变形仍在继续，地面塌陷处于不稳定状态。勘查区内工程地质条件差，水文地质条件复杂，岩溶极为发育，且该区具备了形成岩溶地面塌陷地质灾害的条件，在条件得不到改善的情况下，地表房屋开裂加剧、现有地面塌陷规模扩大及新发地面塌陷的可能性极大[9]。

（1）区内部分房屋变形开裂严重，应立即组织房屋变形严重村民撤离，并对已发生塌陷坑进行回填。

（2）应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，防止意外发生。

（3）根据以上结论，建议变形区内居民应尽快搬迁避让，确保人民群众生命财产安全。