广东佛山市高明区李家村岩溶塌陷群成因机理分析

韩庆定，罗锡宜

（广东省佛山地质局，广东 佛山 528000）

0 引言

岩溶塌陷是指岩溶洞隙上的岩、土体在自然或人为因素作用下发生变形，并在地面形成塌陷坑（洞）的一种岩溶动力地质作用与现象[1]。岩溶塌陷形成需要具备岩溶空间、一定厚度的盖层和触发因素三个基本条件[2]。已有研究发现岩溶塌陷具有集中分布趋势[3−4]，如南宁市坛洛镇[5]、广州市夏茅、金沙洲和大坦沙[6]等均出现岩溶塌陷群迹象，因此，岩溶塌陷地质灾害除了具有突发性、隐蔽性等特点[7]外还具有群发性，也就是说岩溶塌陷地质灾害一般不会因为发生了就结束了，它将在未来某个时间还会再次发生，常常表现出周期性和重复产生的规律[1]，其发生的时间主要与诱发因素作用强度有关，针对岩溶塌陷这一特点需高度重视。

近年来人为诱发的岩溶塌陷群受到大家关注较多[5−10]，而自然诱发的岩溶塌陷群相关研究报道较少，比较著名的是广西玉林分界塌陷群和四川兴文小岩湾塌陷[1]。人为诱发的岩溶塌陷群预防相对较为简单且效果显著，只要控制好或切断人为诱发因素就能达到防止岩溶塌陷再次发生，实现主动防灾的目的。而自然诱发的岩溶塌陷群预防较为复杂，需查明其诱发因素并加以针对监测和精准预警方可避免受害，属于被动防灾，防灾难度大且效果难以保证，因此，自然诱发的岩溶塌陷群一旦发灾其破坏和影响程度要比人为诱发的岩溶塌陷群大得多，对此类成因的岩溶塌陷群更要加以关注。

本文依托“广东省城镇典型岩溶地面塌陷防治研究”项目，以佛山市高明区富湾镇李家村自然诱发的岩溶塌陷群作为研究对象，通过系统收集区域地质、构造、工程、水文、环境、气象、历史灾害等资料，结合钻探揭露结果，查明区域内地质环境条件和岩溶发育特征，分析形成过程，最后探讨其成因机理。为该地区岩溶塌陷的科学防灾减灾提供地质理论依据，从而保障当地人民群众生命财产安全和社会经济建设安全持续高质量发展。

1 地质环境条件

研究区位于广东省中部佛山市高明区荷城街道办富湾镇南侧约600 m 处，包括关家村、陈家村、李家村开田和余家村所在区域，面积约0.25 km2；地貌类型为珠江三角洲冲积平原区，属南亚热带季风型气候，日照充足，雨量充沛，多年平均气温为21.9 ℃，多年平均降雨量为1 674.9 mm，其中4—9月为雨季，降雨量约占全年的80%。地表水系较发育，有鱼塘、小河流等，东侧距离西江最近约800 m。地表植被发育，长有高大树木。区内主要有四个村庄，未见有抽排地下水现象和其他人类工程活动。

1.1 地层岩性

研究区为第四系所覆盖，第四系地层有第四系残坡积层（Qedl）、海陆交互相沉积层（Qmc）和人工填土（Qml），下伏基岩地层为早侏罗世金鸡组（J1j）基岩，各地层的岩性简要描述见表1 和图1。其中，第四系残坡积层（Qedl）为区内土洞发育的主要层位，早侏罗世金鸡组（J1j）岩层为区内溶洞发育层位。

表1 研究区主要地层岩性表Table 1 Lithology table of main strata in the study area

1.2 地质构造

研究区位于北西向西江断裂组（f2）和北东向大尧山断裂组（f1）交汇处附近。区内至少存在三组次级隐伏断裂（编号：f1～f3）交汇（图1），其主要特征见表2。由表2 可知，断裂作用导致岩石破碎、节理裂隙发育，对区内岩溶发育起到控制作用；此外，北东向断裂（f1）与西江断裂（f2）交汇为区内地下水形成强径流和频繁交换提供导水通道，对区内岩溶发育起到加速作用，在f1断裂沿线曾发生过3 处岩溶塌陷。

图1 李家村岩溶塌陷群所在区域地质与岩溶发育分布图Fig.1 Regional geology and karst development distribution map of Lijia Village karst collapse group

1.3 工程地质条件

研究区覆盖层厚度16.70～68.50 m[11]，土体类型属多层土体，岩石类型属碎屑岩类综合岩性组。根据沉积年代、成因、岩性和物理力学性质差异，将其自上而下共划分出17 个工程地质层，其中，（1）、（2）-1～（2）-11 和（3）为土层，（4）-1～（4）-4 为基岩，各工程地质层特征见表3。

由表3 可知，研究区覆盖层表现的特征总体为纵向上呈隔水层与透水层交替分层（即“隔−透”交替分层）、平面上存在漏水“天窗”，其中，（2）-1、（2）-3、（2）-5、（2）-8、（2）-11 和（3）等隔水层中粉质黏土、残坡积土等土体所含黏粒间黏聚力作用可为土洞洞壁形成提供框架支撑结构，而（2）-4、（2）-7、（2）-10 等透水层渗透系数大（1.3×10−2～2.77×10−2cm/s）[11]可为土层内细小颗粒流失形成土洞空洞提供通道。由于隔水层中存在“天窗”上下透水层之间形成沙漏效应，土体中细小颗粒（如细砂、粉砂等）在地下水潜蚀作用下通过“天窗”、透水层和导水通道自下往上逐步流失而留下黏性物质最终形成土洞，并会逐步扩大由小土洞发展为大土洞。钻探揭露发现土洞全部发育在土层最底层隔水层（3）和次底层隔水层（2）-8 中，分别为2 个和16 个，分别约占总揭露土洞数的11%和89%，也验证了上述结果。（2）-2、（2）-6 和（2）-9 等淤泥质土层起到一定隔水作用，由于其具有流塑特性无法为土洞洞壁形成提供支撑力，一旦土洞发展切穿该层底面容易引起较大范围垮塌甚至引发地面塌陷，因此该层内一般不会发育土洞。程星等[12]将珠三角洲盖层地质模型概化为阻−透−阻型和透−阻−透型，并指出地下水流易向“天窗”处汇集形成超水力坡降引发“流土”现象，总之，这种带“天窗”的“隔−透”交替型地质结构对土洞的形成和发展十分有利。

此外，基岩砾状灰岩中胶结物方解石含量高且质纯，受构造作用岩石裂隙发育，加上断裂导水通道叠加作用，十分有利于地下水径流和交换，进而溶蚀和带走细小颗粒形成溶洞，并不断扩大和发展。

表2 研究区主要断裂特征表Table 2 Characteristics of main faults in the study area

1.4 水文地质条件

研究区地下水类型主要有松散岩类孔隙水和覆盖型碳酸盐岩类裂隙溶洞水两种，其地下水特征见表4。由于研究区紧靠西江，处于地下水强迳流和强交换带上，地下水和地表水联系密切且含水层厚度大，雨季地下水排入西江，旱季西江补给地下水，迳流方向有水平向也有垂直向，为区内岩溶发育提供有利的动力条件，同时也会直接诱发岩溶塌陷。此外，区内溶洞水水位普遍比松散土层水位高[8]，说明区内溶洞水具有承压性，反映出该区域断裂导水性较好，是区内岩溶发育另一有利水文条件。

2 岩溶发育特征及岩溶塌陷概况

2.1 土洞发育特征

研究区内收集到74 个钻孔资料，其中有18 个钻孔揭露到土洞，钻孔见洞率约24%，所揭露的各土洞特征见表5 和图1。由图1 可知，土洞发育与断裂走向基本一致且在断裂交汇带处集中。由表5 可知，土洞洞顶土层厚度26.80～45.80 m，洞高0.70～9.53 m；约有48%的土洞呈半充填状态，约有39%的土洞呈充填状态，约有13%的土洞呈无充填状态；充填物质主要有流塑—软塑黏性土，含砂、砾石、碎石；部分土洞与土洞之间连通性较好，连结成大土洞。

表3 研究区岩土体特征表Table 3 Characteristics of rock and soil mass in the study area

表4 研究区地下水特征表Table 4 Groundwater characteristics in the study area

2.2 溶洞发育特征

所收集到的74 个钻孔中有23 个钻孔揭露到溶洞，钻孔见溶洞率约31%，所揭露的各溶洞特征见表6 和图1。由图1 可知，溶洞与土洞发育分布基本一致，受断裂和古河道控制[10]。由表6 可知，溶洞顶板埋深27.40～51.00 m，溶洞顶板砾状灰岩厚度0.20～6.20 m，溶洞以1～2 层为主，个别达5 层，单洞洞高0.30～11.00 m，单孔线岩溶率4.0%～89.0%；溶洞多呈充填或半充填状态，仅5 个溶洞无充填物，充填溶洞占溶洞总数的63%，半充填溶洞占20%；充填物为流塑−软塑黏性土的溶洞占47%，充填物为砂、砾石的占37%。其中，充填及半充填溶洞分布于砾状灰岩的上部，埋藏浅，与古河道连通性好；而无充填的溶洞分布部位稍深，规模小。

2.3 以往岩溶塌陷概况

研究区内曾发生过10 处岩溶塌陷地质灾害[11]，其特征见表7 和图1。由表7 可知，2005年4月25日—5月14日期间在树林内、鱼塘边和河涌边陆续发生过4 处（编号：TX1～TX4），10月8日在干鱼塘内发现1 处（编号：TX5），10月25日在西安河（干鱼塘底）内发现3 处（编号：TX6～TX8），之后2006年3月10日又在西安河（干鱼塘底）内发现2 处（编号：TX9～TX10）。塌陷坑直径0.6～5 m，个别达22.5 m，深度0.8～7 m，形态以圆形−近圆形为主，个别为长条形，按照塌陷坑数量个数分类标准[13]，可知李家村岩溶塌陷群规模属中型。

表5 研究区土洞特征表Table 5 Characteristics of soil caves in the study area

3 岩溶塌陷群成因机理分析

3.1 岩溶塌陷群形成的发生过程分析

根据李家村岩溶塌陷群所记录的发灾经过[11]（编号为TX1～TX4），结合塌陷发生先后位置的地形地貌、岩土体结构、岩溶发育和降雨情况等特点，将其发生过程划分为三个阶段：前期水渗气压阶段→中期软化塌陷阶段→后期振动群塌阶段，致塌模式属渗压−重力−软化型（图2）。各阶段特点简述如下：

（1）前期水渗气压阶段

因该区域长期受干旱少雨所影响，地下水位处于低位，在大暴雨作用时，雨水除一部分地表迳流流失外另一部分通过土体孔隙渗入土中，尤其是通过植物根系（如茂密树林）入渗至更深部，此时形成土层上部入渗水峰面，与地下水位面构成一个封闭区域，将土体孔隙中填充的气体包围其中，并随着入渗水峰面下降与地下水位面上升，包围在其中的气体体积被压缩产生反作用力，作用于土洞顶部土体中，并随着两个面的靠近被压缩气体的反作用力亦逐渐变大。

（2）中期软化塌陷阶段

雨水入渗水峰面的下降和地下水位面的上升所经过的区域土体发生软化，同时土洞上覆土体由非饱和状态变为饱和状态从而导致其上覆土体重力增加，入渗水峰面与地下水位面之间形成的气压冲击作用[14−18]、上覆土体饱和后增加荷载作用和土体软化作用共同导致土洞顶部土体发生垮塌，形成塌陷（TX1）。

（3）后期振动群塌阶段

TX1 岩溶塌陷发生后，瞬间导致大量上部土体和地表水充填原有土洞空间并涌入溶洞内，有部分通过岩溶管道运移到其他地方，水土瞬间的垮塌产生强烈的岩土体振动作用和水体波动作用，通过“岩−土−水”媒介向四周传递，破坏四周区域岩土体的原有结构性能，改变原有“岩−土−水−气”系统的力学平衡极限，直接引发岩溶塌陷（TX2），或导致岩土体中抗垮塌力学平衡极限降低，并在其他外界因素（如降雨）的再次作用下，间接诱发岩溶塌陷（TX3），如此继续影响作用，不断四周外围扩展直接或间接引发塌陷（TX4～TX10），最终形成了塌陷群。

3.2 岩溶塌陷群形成的成因分析

通过对研究区地质环境条件及岩溶塌陷形成的演化过程综合分析，认为李家村岩溶塌陷群的致塌因素包括特殊的“岩−土−水−气”组合、断裂构造、植物根系和极端天气等。

3.2.1 内因与特殊的“岩−土−水−气”组合有关

（1）基岩：可溶岩基岩为早侏罗世金鸡组（J1j）砾状灰岩，砾石成分以灰岩为主，约占砾石的50%，钙质胶结，滴酸强烈起泡，CaCO3含量大于95%[11]，属纯度较高的碳酸盐岩，极易溶蚀，为溶土洞发育和岩溶塌陷群的发生奠定了物质基底。

表6 研究区溶洞特征表Table 6 Characteristics of karst caves in the study area

表7 研究区岩溶塌陷地质灾害特征表Table 7 Geological hazard characteristics of karst collapse in the study area

（2）土体：第四系海陆交互相沉积层（Qmc）广泛发育着这种带“天窗”的“隔−透”交替型地质结构，十分有利于地下水的跃层交换潜蚀和细小颗粒的运移流失，为土洞发育和地下水强迳流潜蚀作用创造了条件。第四系底部由砾状灰岩风化而成的残坡积层（Qedl）物质组成主要有残积黏性土并含灰岩碎石，具有一定的黏结力和透水性，十分有利于地下水潜蚀作用发育土洞，为区内孕育土洞的主要地质体[10]。

图2 李家村岩溶塌陷群的发生过程示意图Fig.2 Schematic diagram of occurrence process of Lijia Village karst collapse group

（3）水体：地表水（鱼塘、小河流、西江等）资源丰富，加之地下水位埋深浅，导致地下水与地表水水力联系密切；其次，第四系海陆交互相沉积层（Qmc）中透水砂层较厚，地下水可通过砂层迳流至西江，同时当西江水位上升时亦可接受西江水的渗流，常年反复作用形成地下水的强交换带；再者，地下水富水性中等−丰富且具有承压性，有利于可溶岩的溶蚀作用。总之，地下水丰富及其强迳流和强交换作用为溶土洞的形成和发展提供了有利的动力条件。

（4）气体：由表3 可知上部土层以松散−稍密为主，土颗粒间存在较大空隙，充填着较多气体，一旦雨水入渗密封顶板后，土间气体将起到压力传递介质间接诱发岩溶塌陷作用。

3.2.2 趋势由断裂构造控制

区内多期次断裂构造作用一方面导致岩石破碎增加可溶岩石被溶蚀表面积和加速其风化速度，另一方面大尧山断裂组次级断裂（f1）与西江断裂（f2）的交汇沟通了地表水（西江）和地下水的联系，为区内形成地下水强迳流和强交换带提供了前提，从而控制着岩溶的发育。

3.2.3 过程受植物根系影响

高大树木根系可延伸进土中深处，从塌坑内观察可见较多树根延伸超过1.5 m，加上区内地下水位埋深浅（1.05～3.08 m），因此，植物根系作用可构成地下水与地表水的有利迳流通道。

3.2.4 诱因与极端天气有关

李家村岩溶塌陷群是在一场大暴雨后开始暴发的，当日降雨量高达151.20 mm。由图3 可知，在岩溶塌陷群发生前两年（即2003年和2004年）年降雨量均小于1 000 mm，日降雨量0～40 mm，平均日降雨量约10 mm，最大日降雨量约60 mm，两年间多达200 d 为无雨日，导致该区域地下水水位持续下降，直至2005年4月25日发生塌陷前地下水位接近近年来历史最低位（埋深约7.50 m），出现大暴雨后，在“岩−土−水−气”等综合作用下产生较大的气压差从而诱发了岩溶塌陷。

图3 研究区2002—2019年年降雨量分布图Fig.3 Annual rainfall distribution chart of the study area from 2002 to 2019

综上所述，李家村岩溶塌陷群是在特殊的“岩−土−水−气”组合地质环境条件下，由强降雨作用诱发导致土洞垮塌引发一连串自然塌陷所形成的。

4 结论

（1）李家村岩溶塌陷群的发生过程包括前期水渗气压、中期软化塌陷、后期振动群塌等三个阶段，其致塌模式为渗压−重力−软化型。

（2）李家村岩溶塌陷群是由强降雨诱发导致土洞垮塌引发一连串自然塌陷所形成的，其致塌因素主要包括特殊的“岩−土−水−气”组合、断裂构造、植物根系和极端天气等。基岩方解石含量高易溶蚀、带“天窗”的“隔−透”交替型地质结构、地下水的强迳流与频繁交换潜蚀作用和土体饱气的特殊“岩−土−水−气”组合为土洞和溶洞形成和发展起到决定性作用，北东向和北西向断裂交叉叠加作用对岩溶发育起到控制作用，植物根系增加地表水和地下水连通性，强降雨极端天气作用是主要诱因。

致谢：本文初稿完成后由本单位刘建雄教授级高级工程师进行审查，并给出了宝贵的修改意见，在此表示感谢！另外，感谢广东省城镇典型岩溶地面塌陷防治研究项目组全体成员，为本文的完成提供了重要帮助。