【學(xué)員問題】巖溶塌陷形成的動力因素？

　　【解答】巖溶塌陷受到各種自然或人為的動力因素的作用而產(chǎn)生。

　�。ㄒ唬�巖溶地下水的作用：

　　巖溶地下水的活動在巖溶塌陷的形成中具有多種作用，是一種十分重要的動力因素，可以在自然條件下由于氣候季節(jié)的干、濕變化引起，也可以由于人工抽水、礦坑排水、水庫蓄水、引水、灌溉和給排水工程的滲漏引起。

　　1.溶蝕作用

　　水對可溶巖的溶蝕過程極為緩慢。據(jù)觀測計算，我國巖溶區(qū)其溶蝕量每千年為數(shù)十至百余毫米。作為巖溶塌陷基礎(chǔ)的巖溶洞隙都是在漫長的地質(zhì)歷史時期中形成。但在石膏、巖鹽類巖石分布地區(qū)，因采礦、水庫興建或其它人類活動的影響可使其產(chǎn)生強(qiáng)烈的溶蝕作用，使新巖溶快速發(fā)育，為塌陷提供必要的條件。

　　2.改變土體的狀態(tài)

　　巖土體中含水量隨地下水位的升降而變化，含水量的增加一方面使巖土體的重度增大，如達(dá)到飽和，重度可增加約15～25%；另一方面對于粘性土因塑性狀態(tài)發(fā)生變化而使其變軟，強(qiáng)度降低。這些變化將使洞隙頂板的力學(xué)平衡狀態(tài)惡化。

　　3.地下水的浮托作用

　　處于地下水位以下的巖土體都受到地下水浮托力的作用。當(dāng)水位上升，浮托力按其增加的水頭值增大，產(chǎn)生正壓效壓，如上復(fù)蓋層較薄、上升水頭較高時，就可能頂破蓋層產(chǎn)生塌陷；當(dāng)水位下降時浮托力消減，對于不透水的粘性土或砂土，其消減值為全部的下降水頭或（0.6—0.7）倍下降水頭，其作用相當(dāng)于使蓋層增加一個同值的附加荷載，對于粘性土一般可達(dá)到其自重的40%左右。這樣可使蓋層的穩(wěn)定性降低甚至直接導(dǎo)致失穩(wěn)塌陷。

　　4.地下水的滲透潛蝕作用

　　潛蝕作用是指地下水流在其流徑上對土、巖顆粒產(chǎn)生的動水壓力使其移動帶走的作用，動力水的大小取決于地下水的坡降，產(chǎn)生潛蝕作用的起始水力坡降稱為臨界水力坡降，它的大小取決于土的組成成分與結(jié)構(gòu)，一般粘性土因其具有凝聚力，比砂性土要大。

　　沿著巖溶地下水流方向上的水平滲透潛蝕，在自然條件下因其水力坡降較小一般不易產(chǎn)生，主要出現(xiàn)于人工抽排水巖水位急劇下降的過程中，這時地下水的坡降流速增大，從而對巖溶洞隙通道中的松散充填物和復(fù)蓋會產(chǎn)生潛蝕、沖刷和淘空作用。其結(jié)果，巖溶洞隙充填物被帶走，在復(fù)蓋層底部的洞隙開口處形成空洞，成為土洞的雛形。并在巖溶水位下降到基巖頂板之前繼續(xù)受到潛蝕、沖刷而逐漸擴(kuò)展。

　　在雙層含水層結(jié)構(gòu)分布地區(qū)。潛水或土層水向巖溶地下水的垂向滲透，以及降雨和地表水的垂向入滲，可產(chǎn)生垂向滲透潛蝕作用，這時入滲水流向著洞隙開口處匯聚和集中滲透。這種作用在抽排巖溶地下水水位急速下降的情況下最為顯著，因上復(fù)土層的滲透性比巖溶含水層要小得多，其水位的下降速度也就要慢得多。這樣水位差將隨著巖溶水位的下降而增大，當(dāng)水位降至復(fù)蓋層底板時，其水力坡度達(dá)到最大（可接近1），浸蝕作用也最強(qiáng)。在上述作用下土洞不斷向上擴(kuò)展而導(dǎo)致失穩(wěn)塌陷。

　　5.巖溶地下水位變化引起巖溶洞隙空間的正負(fù)壓力作用

　　巖溶地下水位上升時，封閉較好的巖溶洞隙空間的氣體受壓形成高壓氣團(tuán)，對其周圍的巖土體產(chǎn)生正壓作用，當(dāng)蓋層較薄時，可沖破蓋層巖土體，形成氣爆，造成塌陷。這類塌陷稱之與沖爆塌陷，主要見于巖溶山地地下河的通道上。

　　巖溶地下水位大幅度下降可在封閉的巖溶洞隙空間產(chǎn)生負(fù)壓，對復(fù)蓋層土體產(chǎn)生附加吸力而使其遭到吸蝕剝落并向下遷移。對于上復(fù)土體中所含的水，負(fù)壓使其增加了向下滲透的附加水頭，從而加劇了對土體的潛蝕作用，加速土體的破壞和土洞的形成和擴(kuò)展。負(fù)壓的大小取決于復(fù)蓋層的封閉程度和水位的下降速度，在安全封閉條件下，其理論最大值為一個大氣壓，實際上復(fù)蓋層的封閉性只是相對的，地下水位下降速度除礦坑突水驟降外一般也是較緩慢的。因此其作用有限，完全由負(fù)壓吸蝕產(chǎn)生的塌陷只有在極特殊的條件下才有可能出現(xiàn)。

　　6.巖溶地下水位波動的散解作用

　　巖溶地下水位波動使巖溶洞隙上復(fù)蓋巖土體處于頻繁的干濕交替狀態(tài)，使其發(fā)生崩解和剝落，促進(jìn)土洞的發(fā)育和擴(kuò)展。形成于地下水位波動帶中的土洞除了入滲水流的潛蝕作用外主要與此種作用有關(guān)。

　　7.巖溶地下水的水擊作用

　　巖溶管道中的地下水流經(jīng)常處于不穩(wěn)定狀態(tài)，管道中因塌陷物的堵塞或充填物的沖決，使水流速度突然變化，水流的動能將轉(zhuǎn)化為壓力，形成一種向來水方向傳播的彈性波即水擊波，從而產(chǎn)生水擊作用，沖擊巖溶洞隙管道系統(tǒng)，引起與之相通的上方復(fù)蓋巖土體的擊穿與塌陷。據(jù)計算，巖溶管道中水流速度突然降低1m/s時，產(chǎn)生的水擊壓力可達(dá)到120m水頭以上，可見其力之大。

　　8.地下水的侵蝕和搬運作用

　　在洞隙管道中流動的地下水，一般具有和地表水一樣的侵蝕作用，而且由于管道系統(tǒng)形態(tài)的曲折多變，多有渦流形成而具有很強(qiáng)的沖蝕、掏蝕能力。在洞隙的開口處，對上復(fù)土層的侵蝕常可形成土洞雛形，并參與土洞的擴(kuò)展過程。

　　淺部巖溶洞隙常有松散沉積物充填，由于水動力條件的改變，地下水水力坡降加大，流速加快，這些充填物被遷移搬運，并在塌陷發(fā)育過程中不斷將塌落物質(zhì)帶走，這樣塌陷才能不斷發(fā)展，直至達(dá)到新的平衡。

　�。ǘ�）降雨及表水（庫水、灌溉水、渠運管道滲漏水、建筑物地面排水等）的入滲作用

　　入滲水流對塌陷的形成有以下幾方面的作用：

　　1.洞隙蓋層巖土體充水增重和軟化作用；

　　2.垂直滲透潛蝕作用

　　3.地下水位上升使巖溶洞隙空間氣團(tuán)受壓產(chǎn)生正壓力

　　4.水庫蓄水庫水對庫盤的靜水壓力形成附加荷載。

　�。ㄈ�）河、湖近岸地帶的側(cè)向倒灌作用

　　河、湖近岸地帶多有階地發(fā)育，普遍分布著孔隙潛水與巖溶水組成的雙層含水介質(zhì)。一般情況下地下水向河、湖排泄。其水位隨河、湖水位的起落而波動。但在汛期洪水位急劇上升的情況下，河、湖水將向地下水產(chǎn)生側(cè)向倒灌，地下水位隨之上升。這時巖溶地下水對洞隙上復(fù)蓋層土體產(chǎn)生正壓力或使浮托力增大。在洪水位迅速回落時，巖溶地下水位由于其逕流較通暢亦隨之很快下降，對洞隙上復(fù)蓋層的浮托力很快消減，而潛水位因滲透性相對較弱下降較緩慢，使?jié)撍�位與巖溶水位之間的雙層水位差增大，從而通過洞隙開口處從潛水含水層向巖溶洞隙產(chǎn)生垂向的滲透潛蝕作用，在蓋層中形成土洞進(jìn)而擴(kuò)展塌陷。這種現(xiàn)象稱之為洪水倒灌潛蝕塌陷，簡稱為洪水塌陷，一般在自然條件下即可形成，如有人為因素的疊加，可加快塌陷的發(fā)展速度。

　�。ㄋ模┑卣鹋c振動作用

　　我國屬多地震國家，在巖溶地區(qū)的《地方志》中就不乏地震引起塌陷的記載，近年來的唐山、海城等地震都有產(chǎn)生塌陷的實例。地震對塌陷的形成主要有兩方面的作用：地震力使洞隙蓋層巖土體產(chǎn)生破裂、位移形成塌陷；洞隙上復(fù)淺埋的松散飽水細(xì)粒砂層“液化”而形成塌陷，砂土液化是指飽水松散砂、土在震動作用下有變得緊密的趨勢，導(dǎo)致其孔隙水壓力驟然升高，砂粒間接觸點上傳遞的壓力減小甚至消失，這時砂粒之間就會脫離接觸而完全懸浮于水中像液體一樣流動的作用和現(xiàn)象，其特點是伴隨有噴水冒砂現(xiàn)象。

　　除了構(gòu)造地震外，巖溶區(qū)的塌陷地震和大型水庫蓄水誘發(fā)的塌陷地震時有發(fā)生，一般其強(qiáng)度較低，為1—2級，影響范圍較小，不致于引起塌陷，但在特殊情況下也可產(chǎn)生塌陷。如桂林柘木鎮(zhèn)漓江岸邊的地下河出口處管道頂板基巖中產(chǎn)生一直徑約35米的塌陷，并出現(xiàn)地震效應(yīng)。受地震力的沖擊并因管道堵塞水流突然受阻產(chǎn)生的水擊效應(yīng)，使柘木鎮(zhèn)階地地面出現(xiàn)噴水冒砂及數(shù)十個塌陷，塌陷的散布范圍達(dá)350米以外。

　　人為的爆破和車輛振動，也可造成洞隙頂板的塌落而形成塌陷，主要見于隱伏土洞發(fā)育地區(qū)，這些土洞頂板已接近極限平衡狀態(tài)，在強(qiáng)度不大的振動力使用下產(chǎn)生附加荷載效應(yīng)而導(dǎo)致塌陷。

　�。ㄎ澹┲亓�和荷載作用

　　重力是在塌陷形成過程中自始至終起作用的一種內(nèi)力、自然條件下的基巖塌陷都是以重力作用為主導(dǎo)而產(chǎn)生的。隱伏土洞的突然塌陷，大多也是土洞在多種因素作用下不斷向上擴(kuò)展，直到土洞頂板在重力作用下其強(qiáng)度難以支承而失穩(wěn)塌落。

　　荷載產(chǎn)生附加壓力，其作用與重力作用類似。荷載壓穿洞隙或土洞頂板引起塌陷主要見于頂板接近于極限平衡狀態(tài)的隱伏土洞地區(qū)。

　　（六）酸堿液的化學(xué)潛蝕作用

　　在現(xiàn)代人類經(jīng)濟(jì)工程活動中，廢酸堿液的排放日益增多，它對巖溶地區(qū)的巖土體產(chǎn)生強(qiáng)烈的溶蝕和潛蝕破壞作用，大量溶解帶走可溶性物質(zhì)，改變巖土結(jié)構(gòu)，降低強(qiáng)度，導(dǎo)致塌陷。

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