孙祖河橡胶坝喀斯特塌陷特征与演化机制

2024-05-21刘猛陆海玉朱永峰王帅

济南大学学报（自然科学版） 2024年3期

关键词：土洞

刘猛陆海玉朱永峰王帅

文章编号：1671-3559（2024）03-0306-06DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20230607.001

摘要：为了避免喀斯特塌陷对孙祖河橡胶坝工程项目实施造成威胁，通过野外调查、工程地质测绘、钻探、现场试验、稳定性分析等手段，系统分析研究区喀斯特塌陷的特征，探讨喀斯特塌陷的成因演化机制，查明喀斯特塌陷的诱发因素，并对研究区喀斯特塌陷的稳定性及其演化趋势进行预测。结果表明，研究区目前处于土洞形成阶段，外界水动力条件的改变是研究区喀斯特塌陷稳定性的主要影响因素，具备进一步发展形成喀斯特塌陷的空间条件、物质条件和水动力条件，在进行地下水开采时应控制地下水位最大降深。

关键词：工程地质学；喀斯特塌陷；土洞；水动力条件；孙祖河

中图分类号： P642

文献标志码： A

开放科学识别码（OSID码）：

Karst Collapse Characteristics and Evolution Mechanism of

the Sunzu River Rubber Dam

LIU Meng， LU Haiyu， ZHU Yongfeng， WANG Shuai

（Shandong Survey and Design Institute of Water Conservancy Co.， Ltd.， Jinan 250013， Shandong， China）

Abstract： To avoid threat of karst collapse to implementation of the Sunzu River rubber dam project， characteristics of karst collapse in the research area were systematically analyzed by means of field survey， engineering geological mapping， drilling， field test， and stability analysis， so as to explore genetic evolution mechanism of karst collapse and identify inducing factors of karst collapse. Stability and evolution trend of karst collapse in the research area were predicted. The results show that the research area is in the stage of soil cave formation at present， and the change of external hydrodynamic conditions is the main influencing factor of the stability of karst collapse in the research area. There are space， material， and hydrodynamic conditions for further development of karst ground collapses， and the maximum groundwater level depth should be controlled during groundwater exploitation.

Keywords： engineering geology; karst collapse; soil cave; hydrodynamic condition; the Sunzu River

喀斯特塌陷（土洞）是指在有覆蓋土层的喀斯特发育区，在自重应力和地下水等动力因素影响下，覆盖层土体遭到流失迁移而形成土中洞穴并不断向地面扩张，最后土洞顶板失稳产生塌落或引发地面变形沉陷的一种不良地质现象［1］。水利工程建设与地质环境的联系非常密切，特别是在喀斯特塌陷区，喀斯特地质环境问题已经成为制约水利工程建设的关键，严重影响水利工程建设进度，制约社会经济发展。

国内外学者对于喀斯特塌陷成因演化机制进行了广泛的研究，提出了多种喀斯特塌陷理论机制。20世纪90年代以前主要是系统理论研究阶段，主要

收稿日期： 2023-02-28 网络首发时间：2023-06-08T15：33：26

基金项目：国家自然科学基金项目（42002257）

第一作者简介：刘猛（1982—），男，山东菏泽人。高级工程师，研究方向为岩土工程勘测。E-mail： 809402205@qq.com。

通信作者简介：陆海玉（1978—），男，山东汶上人。高级工程师，硕士，研究方向为工程地质。E-mail： 631700378@qq.com。

网络首发地址： https：//kns.cnki.net/kcms2/detail/37.1378.N.20230607.1737.002.html

是对喀斯特塌陷的特征及其形成机制进行分析，对不同喀斯特塌陷间联系与区别进行甄别归纳分类，从而形成系统理论。徐卫国等［2］针对采矿排水、矿井突水、水资源开发等导致的喀斯特塌陷问题提出了真空吸蚀论。康彦仁［3］按塌陷产生的主导因素和受力状态，将喀斯特地面塌陷划分为重力塌陷、潜蚀塌陷、冲爆塌陷、真空吸蚀塌陷、振动塌陷、荷载塌陷、溶蚀塌陷和根蚀塌陷8种类型。程星等［4］以工程实例为基础将喀斯特塌陷概化为单一阻水型盖层地质概化模型、单一透水型盖层地质概化模型、无盖层地质概化模型、阻-透型盖层地质概化模型、透-阻型盖层地质概化模型、阻-透-阻型盖层地质概化模型与透-阻-透盖层地质概化模型等6种概化模型。罗小杰等［5-6］从土体塌陷方式着手提出了土洞型塌陷、沙漏型塌陷和泥流型塌陷的3种喀斯特塌陷理论。上述研究极大地促进了喀斯特塌陷的理论的发展。20世纪90年代以后，国内学者对于喀斯特塌陷的特征、形成机制及发育规律等已经有了较系统的认识，加上国家的大力支持，各种新技术、新方法得到应用，对于喀斯特塌陷的研究转入试验、模拟、监测及防治等方向。陶小虎等［7］从一维地下水运动和渗透力学的角度，分析比较潜水位上升与承压水位下降对喀斯特地区透-阻型盖层中阻水层渗透稳定性的影响，认为潜水位上升或者承压水位下降均不利于喀斯特的稳定。熊启华等［8］通过物理模型试验探索负压作用下喀斯特塌陷几何形貌演化过程，认为负压增大或土体强度参数弱化，都将降低土拱稳定性。张艺凡等［9］对钻孔诱发二元结构覆盖型喀斯特塌陷稳定性进行预测，结果表明，上覆盖层越薄、覆盖层中砂土层厚度与黏性土层厚度的比值（砂黏比）越大、黏土抗剪强度越小，喀斯特的稳定性越差。高宗军等［10］提出基于喀斯特水动态监测的设想，通过对喀斯特水位、水量、浊度以及主要化学组分等指标进行动态监测以实现对喀斯特塌陷的预测预报工作。孙金辉［11］通过模拟地下水波动、降雨入渗以及真空吸蚀等不同影响因素的组合作用下黏土路基的变形响应情况，得出覆盖型喀斯特塌陷产生的先决因素是喀斯特底部裂隙宽度达到了临界裂隙宽度。

学者们从多个方面对喀斯特塌陷进行研究，在致塌模式、致塌作用力及塌陷演化规律等方面取得了一系列成果，提出了喀斯特塌陷的形成机制和影响方式，极大地丰富了喀斯特塌陷理论研究。由于喀斯特塌陷地质条件的复杂性和喀斯特塌陷的突发性，在喀斯特塌陷发育地段，如何评判当前喀斯特塌陷所处的阶段，如何对其诱发因素进行控制，并对其下一步的发展趋势进行预测、预报及防治，相关研究涉猎较少。本文中以山东省沂南县孙祖河喀斯特塌陷为例，通过野外调查、工程地质测绘、钻探、现场试验、稳定性分析等手段，对孙祖河橡胶坝工程区可能形成的喀斯特塌陷的空间条件、物质条件和水动力条件3个方面进行联合系统分析，判断了孙祖橡胶坝工程区喀斯特塌陷的当前所处的发展阶段，得出了其诱发因素，预测了其下一步演化趋势，进一步完善喀斯特塌陷研究理论体系，为喀斯特塌陷工程实践及监测预警工作提供参考。

1 研究区概况

孙祖河是东汶河流域下游的支流河道，发源于山东省沂南县孙祖镇西北丘陵区，在张庄镇前汉沿村汇入东汶河，河道全长20 km，流域面积为120 km2，河道平均比降为1.7‰，属典型山区型河流。

研究区地貌属于鲁中南强—弱切割构造剥蚀中低山丘陵亚区，主要包括丘陵地貌以及河谷地貌，总体地势为西北高、东南低，两侧山脊高、中间河谷低。河道两岸沿线地貌形态主要为侵蚀剥蚀型丘陵，以构造剥蚀为主，长期受强—弱度剥蚀切割，切割深度为30～80 m。丘陵大多山势低缓，丘顶浑圆呈馒头状，岩石直接出露。孙祖河河谷呈不对称的U型，河漫滩较发育，河谷及漫滩地层岩性主要以淤泥、砾质粗砂为主，局部沉积有少量壤土，第四系覆盖层厚度为7～11 m。

流域内出露的主要地层单元为寒武系中统馒头组C-2-3 m、寒武系中统朱砂洞组C-2z^，地层岩性以灰岩为主，局部夹砂岩及页岩，岩层产状为59°∠10°。

研究区在地质构造上位于鲁西隆起区（Ⅱ）—鲁中隆起（Ⅱa）—马牧池—沂源断隆（Ⅱa7）—马牧池凸起（Ⅱ3a7），主要断裂有新泰—蒙阴断裂、铜冶店—孙祖断裂、鄌郚—葛沟断裂。

区内年均降水差异较大，年内分布极不均匀，随季度变化明显，74.7%的降水集中在每年汛期6—9月份。主要含水层为砾质粗砂及灰岩，区内喀斯特水径流通畅，受降水和开采影响，动态变化较大。

2 喀斯特塌陷特征分析

在对山东省沂南县孙祖水源工程孙祖河橡胶坝勘察时，在距橡胶坝上游5.0 km处发现有一喀斯特地面塌陷坑（见图1），该塌陷坑直径12 m，坑深4 m，坑底见水。钻探揭示坝址区下部基岩喀斯特强发育，存在半径5.0～7.0 m的喀斯特溶洞。

对于喀斯特塌陷的特征需要从多方面进行分

析，一般认为空间条件、物质条件和水动力条件是喀斯特地面塌陷发生的3个先决条件［12］。喀斯特塌

陷发育的空间条件主要是指可溶岩裂隙发育，即基岩面存在溶洞、溶沟、裂隙等，是喀斯特塌陷产生的必要条件。喀斯特塌陷的物质条件主要是指盖层结构，决定了喀斯特塌陷的类型，对喀斯特塌陷盖层结构的深入了解是正确认识喀斯特塌陷灾害成因及机制的前提。喀斯特塌陷的水动力条件主要是指喀斯特水对盖层的渗透、冲刷和软化作用等，是喀斯特塌陷产生的原动力。要想分析喀斯特塌陷的形成、演化机制对塌陷区基岩喀斯特及裂隙的发育程度的影响，盖层结构及其水动力条件的研究必不可少。

2.1 下伏可溶岩发育特征

研究区下伏基岩主要为寒武系中统馒头组C-2-3 m以及寒武系中统朱砂洞组C-2z^地层，地层岩性以灰岩为主，局部夹砂岩及页岩，钻探、物探及现场工程地质测绘均显示，研究区喀斯特现象发育，能够为喀斯特塌陷提供空间条件。研究区可溶岩喀斯特发育特征见表1。

2.2 盖层结构

研究区地层岩性特征如图2所示。钻探资料显示，孙祖河橡胶坝处河床及漫滩内第四系地层主要为冲积堆积的砾质粗砂，局部表层为薄层黏性土，整体厚度为7～11 m，在砾质粗砂和可溶巖间无隔水层，第四系孔隙水与喀斯特水联系密切。砂层与下伏可溶岩直接接触，可溶岩顶板较薄，钻探揭示溶洞发育部位，顶板厚度为0.2 m，可见研究区喀斯特顶板极薄，为单一透水性盖层结构，该盖层结构易发沙漏型喀斯特地面塌陷。

2.3 水动力条件

研究区水文地质特征如图3所示。孙祖河为山溪雨源型河流，位于孙祖断块水文地质单元内，汛期水量大，非汛期水量小，主要的地下水类型有松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、碳酸盐岩岩溶裂隙水、块状岩类裂隙水4类［13］。碳酸盐岩岩溶裂隙水与松散岩类孔隙水间联系密切，无隔水层，受降水影响明显，地下水由两岸向孙祖河河谷汇流。调查发现，研究区内喀斯特水长期被周边采砂场的过量开采，喀斯特水的开采不利于喀斯特地区的稳定，利于喀斯特塌陷的形成。在枯水期当补给量达不到开采量时，地下水位急剧下降，此时承压水会接受松散岩类孔隙水的补给，松散岩类孔隙水沿裂隙或喀斯特通道下渗，对灰岩产生溶蚀、水解、软化等多种作用，破坏喀斯特顶板，加剧喀斯特现象的发育。汛期降水量增大，喀斯特地下水位上升，当水位上升至喀斯特顶板时，喀斯特水会对上覆岩土产生渗压效应。渗压效应是降雨或地表水等上部水体补给喀

斯特水时对上覆岩土产生的综合作用［14］，可为喀斯特地面塌陷提供充分的水动力条件。

伴随着汛期、枯水期的交替，研究区岩土体常年受干湿循环条件的影响。有研究表明，随着干湿循环次数的增加，土体强度逐渐减小，且在第1次干湿循环过程中土体强度减小尤为显著［15］。若喀斯特顶板被击穿，上覆松散细颗粒即会在地下水的渗流、软化等作用下不断流失，当上覆土体所受致塌力大于抗塌力时，盖层失稳，喀斯特塌陷发生。

3 喀斯特塌陷成因及演化机制

根据研究区的空间条件、物质条件和水动力条件，引起土体坍塌的原因主要有水动力作用效应、土力学作用效应和气动作用效应［16］。研究区喀斯特塌陷主要经历潜蚀软化、土拱形成、地面塌陷3个阶段，如图4。

1）潜蚀软化阶段。研究区下部基岩喀斯特发育程度高，溶孔、溶洞发育，为地下水及砂性土提供了良好的空间条件和运移通道。区内孔隙潜水和喀斯特水水力联系密切，不存在相对隔水层，喀斯特水与孔隙潜水间补给、排泄顺畅。喀斯特水受到过量开采及降水的影响，喀斯特水上下波动及水平流动，不断冲刷上覆岩土体，岩土体强度逐渐降低，此时土体受到喀斯特水的浮力和土体自身抗滑力的作用，土体处于稳定状态。

2）土洞形成阶段。当上覆喀斯特顶板被击穿时，砂性土直接邻水，砂性土中的松散细颗粒随着地下水的快速流动而不断流失，随着喀斯特水水位下

降，潜水渗透产生破坏作用，土洞逐渐形成。

3）地面塌陷阶段。随着土洞的逐渐发展，当上覆土层逐渐失去支撑时，在土体自重、真空吸力、潜水渗透力和喀斯特水浮力减小等因素的作用下，致塌力大于抗塌力，土体失稳，喀斯特地面塌陷发生。

4 喀斯特塌陷稳定性分析

4.1 荷载分析

根据极限平衡理论，喀斯特塌陷土体主要受到向下的致塌力和向上的抗塌力作用。其中致塌力包括塌陷土体的自重G、雨水下渗渗透力Fs、真空负压力Fp、抽取地下水引起地下水浮力增量Fw以及地表外力等；抗塌力主要是指塌落体的侧摩阻力f。当土体的抗塌力小于作用于土洞的致塌力时，溶洞出现塌陷，具体土体受力分析如图5所示。

图中箭头表示受力方向； f为侧摩阻力；

G为土体自重力； Fs为渗透力； Fp真空负压力；

Fw为抽取地下水引起地下水浮力增量。

塌陷土体的自重力计算公式为

Ｇ=πD2 hγ4 ，（1）

式中： γ为土体的容重，地下水位以上使用饱和容重，地下水位以下使用天然容重； h为覆盖土体厚度； D为塌落拱或漏斗直径。

由降水入渗引起的渗透力计算公式为

Fs=πD2v2γ08g ，（2）

式中： γ0为水的容重； v为地下水流动速度； g为重力加速度。

真空负压力计算公式为

Fp=pA=πpD24 ，（3）

式中： p为落水洞与漏斗内的真空负压差，取值为0～50 kPa［17］； A为真空负压作用于塌陷土体的面积。

抽取地下水引起地下水浮力增量计算公式为

Fw=πD2γ0Δhw4 ，（4）

式中Δhw为地下水下降幅度。

地表外力主要为新建橡胶坝坝体荷载，当前地表外力为0。

土洞上方圆柱形塌落体的侧摩阻力计算公式［18］为

f=πDk0γh22 tan φ+ch ，（5）

式中： k0为静止侧压力系数，取为0.6； φ为砾质粗砂内摩擦角； c为砾质粗砂的黏聚力。

4.2 稳定性分析

将塌陷土体视为刚体，则在极限平衡条件下，塌陷土体的稳定系数计算公式为

k=2k0 γh2 tan φ+4chD（hγ+v2γ0/2g+Δhwγ0+p）+Fl ，（6）

式中Fl为塌陷土体承受的外部荷载。

塌落拱直径D计算公式为

D=d+2R tan（45°-φr/2），（7）

式中： d为钻孔直径； R为溶洞顶、底板高度差； φr为灰岩内摩擦角。

砾质粗砂物理力学参数见表2。勘察期间正直汛期，潜水位距离现状地面以下1.8 m，砾质粗砂的加权容重γ取20.0 kN/m3，根据实际钻探及物探资料，研究区砾质粗砂覆盖层厚度为8.8 m，区内喀斯特覆盖层顶板已被钻孔揭穿，鉆孔直径为0.091 m。钻孔揭示灰喀斯特洞顶、底板高度差为5.0～7.0 m，灰岩内摩擦角φr取60°，地下水流动速度为3 m/s。

表2 砾质粗砂物理力学参数

容重/（kN/m3）天然容重饱和容重

抗剪性能

天然黏聚力/kPa天然内摩擦角/（°）

16.820.8030

由此计算得塌落拱最大直径D为3.84 m。若不考虑外界因素，仅考虑土体自重条件下，稳定性系数为1.58，此时研究区处于稳定状态，因此，外界水动力条件的改变是影响该喀斯特塌陷稳定性的主要影响因素。外界水动力条件的改变主要受地下水开采的影响，因此，真空负压分别取0、 25、 50 kPa时，该喀斯特塌陷稳定性系数随地下水位降深关系见图6。由图可知，在真空负压取50 kPa的最不利条件下，此时地下水位降深为4.88 m，该喀斯特塌陷达到极限平衡状态，当地下水开采降深超过4.88 m时，塌陷土体即会失稳，因此在抽取地下水时，为了减缓或避免覆盖型塌陷的发生，应控制好地下水位最大降深。

4.3 塌陷预测

研究区现状地下水位降深小于4.88 m，经喀斯特塌陷稳定性计算，该塌陷点尚处于稳定状态，但现场调查发现，研究区周边村民自家打井抽取的承压水每年都会一段时间出现浑浊的现象，推测为在喀斯特水的作用下砂性土产生的小规模塌陷。由此可推断，孙祖河橡胶坝工程区当前处于土洞形成阶段。

根据普氏地压理论，在任何深度的岩层中形成土洞，土洞上部会形成压力拱，以承受拱上部的覆盖岩层重量而不致于坍塌，土拱高度计算公式［19］为

h0=0.828D2fk ，（8）

式中fk为覆盖层土体的坚固性系数，砾质粗砂取0.7。

经推算，研究区可形成的塌陷土拱最大高度为2.27 m。

5 结论

本文中对孙祖河橡胶坝工程区可能形成的喀斯特塌陷的空间条件、物质条件和水动力条件等3个方面进行联合系统分析，得到以下主要结论：

1）根据研究区喀斯特塌陷的空间条件、物质条件和水动力条件，认为研究区喀斯特塌陷主要经历潜蚀软化、土洞形成、地面塌陷3个阶段，且该塌陷点当前处于土洞正在形成阶段，并具备进一步发展的趋势。

2）研究区土体稳定性分析结果表明，外界水动力条件的改变是影响研究区喀斯特塌陷的诱发因

素，在最不利条件下，研究区地下水最大开采降深为4.88 m，为了减缓或避免喀斯特塌陷的发生，应控制

好地下水开采最大降深。