清江高壩洲水電站巖溶發(fā)育規(guī)律及其對(duì)工程的影響

【學(xué)員問題】巖溶塌陷的發(fā)育規(guī)律？

【解答】一、巖溶塌陷的分布規(guī)律

巖溶塌陷主要分布于具備塌陷形成條件且有多種不利要素綜合作用的結(jié)果，對(duì)自然或人為誘塌因素的作用較為敏感的地段。歸納國內(nèi)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這些地段有：

（一）巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的純可溶巖分布地帶，或沿其與非可溶巖的接觸地帶。這些地帶中隱伏巖溶形態(tài)（漏斗、溶槽等）較發(fā)育，且其中多有較土分布；

（二）沿可溶巖中的斷裂帶或主要裂隙交匯破碎帶，巖層劇烈轉(zhuǎn)折、破碎的地帶；

（三）松散蓋層較薄縣以砂土為主，其底部粘性土層缺失或甚?。ㄒ话悴蛔?—2米）的“天窗”地段；

（四）巖溶地下水的主逕流或或巖溶管道上；

（五）具有潛水和巖溶水僅層含水層分布地帶；

（六）巖溶地下水的排泄區(qū)；

（七）巖溶地下水位在基巖面上下頻繁波動(dòng)的地帶，或受排水影響強(qiáng)烈的降落漏斗中心及近側(cè)地段；

（八）臨近河、湖、塘地表水體的近岸地帶；

（九）巖溶地下水位埋藏較淺的低洼地帶。

二、巖溶塌陷的散布規(guī)律

在自然條件下，由于誘塌因素的作用強(qiáng)度除地震外一般較弱，塌陷往往是零星單個(gè)產(chǎn)生。對(duì)于人為塌陷由于誘塌因素作用一般較強(qiáng)，塌陷往往成群出現(xiàn)。這些塌陷群在空間是有一定的散布規(guī)律，其散布特征主要受控于可溶巖的分布、巖溶發(fā)育的均一程度和塌陷的發(fā)育程度。其散布特征可分為三類：

（一）島狀散布：在塌陷群中數(shù)量最多，其原因一般與可溶巖呈島狀分布有關(guān)，如水口山礦區(qū)，塌陷主要集中出現(xiàn)于曾家橋、茶子園、僑頭、香花坪等地段。也多與巖溶發(fā)育的不均一性有關(guān)，如煤炭壩煤礦，塌陷主要集中發(fā)育于巖溶較強(qiáng)烈的上澤泉、大成橋泉等地段而呈島狀分布。此外，還與誘發(fā)源的分布有關(guān)，如水城水鋼供水源地，塌陷主要集中在14個(gè)抽水井周圍，形成島狀塌陷。

（二）帶狀散布：其原因主要與可溶巖或巖溶強(qiáng)烈發(fā)育帶呈條帶狀分布有關(guān)，其中以斷裂破碎帶、地下河通道帶的控制作用最為明顯。

（三）面狀散布：主要見于巖溶發(fā)育較均一、巖溶地下水呈分散網(wǎng)絡(luò)狀分布的地段，常見于巖溶谷地的河、湖近岸地帶、巖溶地下水的排泄地帶。

三、巖溶塌陷發(fā)育的時(shí)空動(dòng)態(tài)規(guī)律

（一）單個(gè)巖溶塌陷的發(fā)育過程及其動(dòng)態(tài)特征

對(duì)于絕大多數(shù)常見的土層塌陷來說，都具有由巖溶洞隙→土洞→塌陷的發(fā)育過程，土洞是塌陷的孕育階段，也是潛在的塌陷，土層塌陷的動(dòng)態(tài)規(guī)律受著土洞發(fā)育過程的控制，后者又因土層巖性結(jié)構(gòu)和厚度、巖溶地下水的狀態(tài)及引起塌陷的作用因素不同而異。

根據(jù)我國的實(shí)際情況，按土洞發(fā)育的時(shí)期可區(qū)分為老土洞和新土洞兩類：老土洞是在已往地質(zhì)歷史時(shí)期中在自然因素的作用下形成的；新土洞形成于現(xiàn)代，絕大多數(shù)是在人為因素作用下形成。

對(duì)于老土洞，根據(jù)其活動(dòng)性概可分為兩類。一類是已停止活動(dòng)的“死”土洞，其特征主要是土洞充填較密實(shí)，無空洞存在，無地下水流強(qiáng)烈活動(dòng)的跡象。這類土洞是由于環(huán)境條件的改變而形成，如原來巖溶地下水運(yùn)移通道（包括巖溶洞隙）的充填堵塞，巖溶地下水位區(qū)域性下降并保持在基巖頂板以下，后者往往與地殼的升降活動(dòng)有關(guān)。除非有強(qiáng)烈作用的人為因素如大規(guī)模的抽排水或突水水作用的迭加而可能重新活動(dòng)外，一般不會(huì)復(fù)活，在工程活動(dòng)中可當(dāng)作一類具特殊性質(zhì)的工程巖土體來對(duì)待，可不采取防塌措施。另一類是具有微弱的或間歇性活動(dòng)性的老土洞，其形成時(shí)的條件和因素沒有基本的變化，僅作用因素的強(qiáng)度有所減弱，其發(fā)育和擴(kuò)展速度較緩慢，要達(dá)到塌陷產(chǎn)生的時(shí)間較為漫長，但在有人為因素的迭加作用下，其活動(dòng)性及其發(fā)育和擴(kuò)展的速度隨人為因素作用的強(qiáng)度而有不同程度的增加。使老土洞產(chǎn)生塌陷，其經(jīng)歷的時(shí)間一般為數(shù)月甚至數(shù)年。我國南方是有這中緩塌型動(dòng)態(tài)的塌陷為數(shù)甚多。緩塌型老土洞的特征是土洞充填物較疏松軟弱，一般呈軟型狀，具有地下流動(dòng)的痕跡，但其上部空洞少見。

新土洞主要是在人為因素作用下形成，其發(fā)展速度一般較老土洞要快得多，其經(jīng)歷的時(shí)間短至數(shù)小時(shí)，長的數(shù)日至數(shù)月，可稱之為速塌型。新土洞的特征是土洞充填物較新，結(jié)構(gòu)很疏松，含水量高，一般處于流動(dòng)狀態(tài)，其上部往往有空洞存在。

（二）巖溶塌陷群發(fā)育的時(shí)空動(dòng)態(tài)

人為塌陷多成群產(chǎn)生，形成塌陷群，其時(shí)空動(dòng)態(tài)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.塌陷的持續(xù)性：巖溶塌陷在其誘發(fā)因素消失之前將持續(xù)發(fā)展，直到達(dá)到新的穩(wěn)定平衡為止。如銅錄山，水口山等礦區(qū)從1964年以來塌陷持續(xù)發(fā)展達(dá)20年之外，至今仍在繼續(xù)。其他礦區(qū)也有類似的情況，這種現(xiàn)象主要與礦坑排水降深不斷加深有關(guān)。對(duì)于抽水塌陷來說，如果降深較穩(wěn)定，其持續(xù)時(shí)間將要短得多，但有的也可延長至10年以上（如水城）。

2.塌陷的階段性：單個(gè)塌陷的發(fā)育過程可分為孕育階段（土洞形成和擴(kuò)展），塌陷階段（塌陷形成），調(diào)整階段（塌陷坑壁不穩(wěn)定土體的坍塌以達(dá)到新的平衡狀態(tài)及后期發(fā)行和充填堆積的休止階段）。對(duì)于在一定誘發(fā)源（如一定降深的礦坑排水）作用下整個(gè)地區(qū)的塌陷發(fā)展過程可分為以下幾個(gè)階段。這幾個(gè)階段組成一個(gè)塌陷輪回。

3.塌陷的周期性：在誘發(fā)源穩(wěn)定不變（如排水降深穩(wěn)定）的情況下，受氣象水文因素的影響。塌陷作用隨其周期性變化而作強(qiáng)弱波動(dòng)，如一年中的雨季春耕泡田季節(jié)，塌陷作用強(qiáng)烈，塌陷數(shù)量多而集中，其它季節(jié)塌陷作用減弱，數(shù)量減少。在一個(gè)輪回中這種波動(dòng)隨著塌陷發(fā)展逐漸向外圍擴(kuò)展，其幅度逐漸減弱以至消失。在誘發(fā)源發(fā)生變化（如排水降深加大）。塌陷作用將再次復(fù)活并向外圍擴(kuò)展，開始一個(gè)新的輪回，再次出現(xiàn)新的周期性波動(dòng)，但其波動(dòng)幅度較前一輪回減弱，呈螺旋式發(fā)展。

4.塌陷的重復(fù)性：對(duì)于一個(gè)特定的塌陷區(qū)來說，由于誘發(fā)源不斷變化，可經(jīng)歷多次輪回的重復(fù)塌陷，表現(xiàn)為產(chǎn)生新的塌陷或者是原先塌陷的復(fù)活。

四、巖溶塌陷的伴生與共生現(xiàn)象

（一）巖溶塌陷的伴生現(xiàn)象。主要有地面下沉、地面開裂和塌陷地震，它們隨塌陷而產(chǎn)生，有時(shí)成為塌陷的前兆現(xiàn)象。

1.地面下沉：在巖溶洞隙上復(fù)蓋層與厚度較大但性質(zhì)松軟的土層組成時(shí)，土洞的擴(kuò)展將引起地面的局部下沉，其發(fā)展的結(jié)果最終將形成緩發(fā)性塌陷。位于建筑物下方的土洞，在其擴(kuò)展過程中將引起建筑物的不均勻沉降，地面亦將出現(xiàn)局部下沉。

2.地面開裂：在土洞擴(kuò)展到一定程度而尚未塌陷前，往往首先在地面出現(xiàn)裂縫，這些裂縫大都是弧形斷續(xù)展布，具拉張?zhí)卣?，有時(shí)有多條裂縫是平行交錯(cuò)分布。裂縫進(jìn)一步發(fā)展形成環(huán)狀裂縫，且寬度加大，有時(shí)內(nèi)側(cè)下錯(cuò)形成小的錯(cuò)臺(tái)，但一般不具有水平的相對(duì)位移。這些環(huán)狀裂縫往往是塌陷坑口位置的表征。此外，在塌陷坑外側(cè)周邊還可出現(xiàn)弧形的牽引裂縫。在塌陷坑形成后引起坑壁的坍塌。

3.塌陷地震：大規(guī)模的塌陷可引起地震效應(yīng)，由于其產(chǎn)生地震的能量有限，震源深度很淺，因此強(qiáng)度低，震級(jí)小，但烈度偏高。如水口山礦區(qū)，在排水初期塌陷大量產(chǎn)生，同時(shí)出現(xiàn)烈度5度地震，影響范圍直徑5公里。烏江渡六廠1945一1946在灰?guī)r中產(chǎn)生3級(jí)地震。烈度在5—6°，貴州開陽縣城東南，1957一1958年在灰?guī)r，白云巖中出現(xiàn)塌陷地震，震級(jí)3級(jí)。湖北恩施沐撫區(qū)大山頂一帶1975年1月27日，當(dāng)?shù)厝罕娐牭降叵掠袗灷茁暎孛嬉娪辛芽p，寬1—2厘米，長數(shù)十至數(shù)百米，裂縫附近常見有漏斗或新近塌陷的坑洞，多屬基巖塌陷，塌陷地震震級(jí)0.5—0.7級(jí)，影響范圍南北長15—20公里，東西寬2一10公里。

（二）巖溶塌陷的共生現(xiàn)象

巖溶地區(qū)在自然和人為因素作用下除產(chǎn)生塌陷外，還可由于自身所具有的條件出現(xiàn)與之共生的地面變形現(xiàn)象，如沉陷和地裂。它們與塌陷沒有必然的成因聯(lián)系，而是與塌陷不同的另一類變形現(xiàn)象，認(rèn)識(shí)它對(duì)于區(qū)別塌陷現(xiàn)象有著重要的意義。

1.地裂：巖溶地區(qū)可出現(xiàn)不同類型的地裂，除新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的地裂可偶見外，較常見的是巖溶地區(qū)的紅粘土中因具有脹縮性（遇水膨脹、失水收縮）而產(chǎn)生的地裂，并常使建筑物開裂損壞。另一類地裂是由于地面沉降而引起的，伴隨地面沉降而出現(xiàn)和分布。沉降愈強(qiáng)烈，地裂也愈密集，其延伸長度由數(shù)十米至百余米不等。如江西樂平花亭錳礦在放水試驗(yàn)時(shí)伴隨降出現(xiàn)地裂150多條，最大長度160米，可見最深2米。

2.地面沉降：

巖溶地區(qū)可出現(xiàn)不同類型的地面沉降，常見的一種類型是“脫水壓密沉降”，如昆明翠湖公園因附近園通山人防工程排水，聲溶地下水位有較大下降，該處上復(fù)的疏松飽水土層中除有39個(gè)塌陷產(chǎn)生外，公園內(nèi)還普遍見到橋墩下沉、房屋開裂、湖堤外側(cè)開裂等一些明顯的下沉開裂現(xiàn)象，這是土層脫水壓密的結(jié)果。江西樂平花亭錳礦復(fù)蓋層為厚5～35米的紅粘土和厚約5米左右的砂礫石層，1970年2月于一40米坑放水試驗(yàn)，降深32.5米，涌水量268升/秒，除產(chǎn)生82個(gè)塌陷外，在降落漏斗內(nèi)側(cè)約1公里范圍內(nèi)地面還產(chǎn)生沉降和開裂，其最大下沉量達(dá)360毫米，超過30毫米的沉降區(qū)面積約3平方公里。這也是因?yàn)樯暗[石層的疏干壓密和粘性土層脫水后固結(jié)壓密的結(jié)果。另一類沉降是由于土層下密布細(xì)小的巖溶洞隙，使土層向下較均勻地流失造成的這種現(xiàn)象在石膏巖溶區(qū)最為典型。

以上內(nèi)容均根據(jù)學(xué)員實(shí)際工作中遇到的問題整理而成，供參考，如有問題請(qǐng)及時(shí)溝通、指正。