,岩土溶洞塌陷机理 及其预测评价,1. 岩溶的定义及其分布,岩溶空隙指岩溶地块中发育的溶蚀空间，包括溶蚀裂隙、溶洞、溶蚀管道等。 由于岩溶发育的特点，在近地表处常发育了较多的岩溶空隙，这类空隙由于离地表很近，与人类活动关系密切，从矿坑抽水，到人类对饮用水的开发、房屋建设、铁路运输、水库的修建等都反映出这种密切性。 地下空隙造成的地面塌陷事件十分频繁，其带来的损失不可估量。据不完全统计全球约有16个国家存在严重的岩溶塌陷问题，我国岩溶分布面积达363万Km2，成规模的塌陷坑超过3万多个，每年仍以惊人的速度递增。主要分布在广西、贵州、湖南、云南、湖北、四川及北京、山东、山西、辽宁、河北、陕西等地。,2. 岩溶的危害实例,广西的岩溶分布广泛，是我国岩溶塌陷的主要分布地区。据资料统计，桂林市西城区是重点开发新区，截止到1999年1月，该区已发生的塌陷一共有319处，在覆盖岩溶区塌陷密度达7.59个/km2，其中人为造成的塌陷有86处，占27%；1996年发生于桂林市中心体育场的岩溶塌陷，造成直接、间接经济损失近千万元；1990年广西玉林柴油机股份有限公司金工车间的塌陷，造成损失500多万元；1999年临桂县一粮库发生塌陷，40t粮食陷入地下。同年1月该县城大圆盘南侧又发生塌陷，造成一死一伤，并损坏一辆运输车。,南昆铁路全长863.5km(不含枢纽部分)，其中溶岩地段长387.6km，约占1/2，以路基形式通过的地段300.5km。施工过程中路基因减薄盖层或揭露溶洞后造成的岩溶塌陷，有记录的达63处之多。 贵州是有名的岩溶区，全省已有塌陷近100处，塌陷坑点2200余个，80%集中在六盘水市、安顺市、遵义市、贵阳市，造成很大的损失。在六盘水，曾造成房屋倒塌达80多座，直接经济损失260多万元。在水城盆地毁损农田100多亩，铁路中断运行，道路被破坏，地下水遭污染等。贵州天生桥引水发电隧道开挖至中部，遇到长90m、宽20m、高约100m的岩溶大厅，线路悬空，迫使线路改线躲避，损失60多万元。,1959年以来，武汉有记录的塌陷如下：1959-1962武昌马鞍山井田发生多次塌陷。1977.9.20汉阳鹦鹦洲轧钢厂货场出现两个大陷坑，直径20m、深910m，其后20天内又陆续出现5个陷坑。1983年武昌江连道口发生塌陷，1988年5月武昌陆家街不远的市司法学校发生塌陷，规模40m30m，二个月后离此2km外的青菱乡发生大面积塌陷，陷坑共13个，直径10-60m不等。,山东泰安市共发生过塌陷近100处，直接影响了津浦铁路的运输，曾使路轨架空、行车中断，迫使列车长期慢行达半年之久，为治理该区塌陷，共耗资2000余万元；另外，在山东省仅因采煤一项造成的地面塌陷失稳面积达1.3万余公顷，引发了诸如土地绝户，建筑物破坏及居民大搬迁等一系列次生灾害；在岩溶地区各类矿山中，因为水位下降产生的塌坑数量经常都在上千个以上，大大地增大了后期环境治理的费用。,美国岩溶分布，约占其国土总面积的15%。以阿拉巴马，佛罗里达，佐治亚，田纳西，肯塔基等几个州的岩溶塌陷最为严重。美国的北卡来罗那州Jamestown地区有2个塌陷发生在抽水型降落漏斗区内。阿拉巴马州1700个塌坑，宾夕法尼亚洲大约有1000个塌陷，都是因抽水而引起。弗罗里达州Tampa附近，1964年在以抽水井为中心，1.6公里为半径的范围内，发生了64个塌坑。有名的佛罗里达州Winter Park巨型塌陷，损失超过400万美元。,从上述这些实例可以看出，岩溶塌陷分布的普遍性及解决的迫切性。这类地质灾害大多数为人类活动而引起，少数为自然塌陷。,岩溶塌陷已成为我国频发的地质灾害之一，对社会发展和工程建设具有严重的危害；但由于这一问题的复杂性，许多理论及技术问题尚未得到很好解决，处治这类灾害属于特殊岩土施工技术。加强对这类灾害的研究不仅具有重要的现实意义，而且对充实和完善这一领域的科学理论具有重要的学术价值。,3. 岩溶塌陷研究现状及方法,岩溶及采空区塌陷的广泛性与危害性，已引起国际学术界的普遍关注，70年代以来，已召开了多次与塌陷有关的国际会议，使世界各国的研究者有机会交流和商讨解决这类地质灾害问题的经验与方法。我国曾在桂林举办了首届“地面塌陷及其对工程建设的影响与防治”学术讨论会。岩溶及采空区塌陷问题随即受到越来越广泛重视。,九十年代初,我国有关学术机构在地质研究基金的资助下，建成了大型岩溶塌陷物理模型试验室。通过模型试验，可以再现岩溶塌陷发育的全过程，解决不同类型岩溶塌陷发育的机理、塌陷发育与主要影响因素的关系，以及岩溶塌陷发育的临界条件等问题。,3.1 岩溶塌陷试验研究方面,3.2 岩溶塌陷的探测方法方面90年代，有关部们先后进行了100多项崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷与沉降、地裂缝等重大地质灾害的专门勘察工作。在岩溶塌陷的探测方法上，包括电阻率法、地震浅层折射波法、地质雷达（GPR）和电磁波、声波透视(CT)等技术在内的综合物探方法，在地矿部门组织实施的武汉、唐山、湘潭、玉林、桂林、深圳等城市的岩溶塌陷防治勘察及铁道部门组织的贵昆、南昆线铁路岩溶段岩溶塌陷试验工作中发挥了重要作用。,3.3 岩溶塌陷预测方面地理信息系统（GIS）技术的应用，使得岩溶塌陷危险性预测评价上升到一个新的水平。运用GIS的数据管理、分析处理、和建模技术，对潜在塌陷危险性进行预测评价，取得了良好的效果。国外虽未见有直接运用GIS进行岩溶塌陷预测工作，但在其它类型地质灾害的预测方面则已有更多研究实例。3.4 岩溶塌陷地质灾害信息管理方面八十年代，美国曾在有岩溶塌陷问题的几个州相继建立了岩溶塌陷数据库，提高了岩溶塌陷资料的利用率。国内起步较晚，而且主要以MapInfo桌面地图信息系统为平台开发进行。,3.5 岩溶塌陷监测预报方面国内基本上没有开展这方面工作。究其原因，主要是岩溶塌陷的产生在时间上具突发性，在空间上具隐蔽性，普遍认为难以采用地面监测手段对塌陷进行监测和预测预报。国外早在八十年代就有人尝试过运用地质雷达进行潜在塌陷的监测工作。但由于地质雷达设备昂贵，探测成本较高，难以在塌陷监测中进行推广。 3.6 岩溶塌陷的防治方面综合防治技术已提到议事日程。普遍认为，要从根本上减轻岩溶塌陷灾害的发生，必须采取地下水优化开采与工程处理措施相结合这一“标本兼治”的方法。在工程处理上，钻孔注浆技术是一个行之有效的手段，已被各地普遍采用。,4. 岩溶塌陷的机理,真空吸蚀论、潜蚀论、振动论、液化论、气爆论等。 “水动力机制”观点：强调水动力条件，认为水动力条件为致塌的外因，包括地下水天然流场的变化、水位变幅、水力坡度、水流速度等一系列水力特征，这些特征的改变激化了潜蚀、吸蚀及气爆作用的进行。 大多数研究者都认为地质体结构为内因，是岩溶致塌的必要条件。 对岩溶塌陷的统一认识是，它们都由上部覆盖层及下部岩溶发育的岩溶块体组成。下面对主要的岩溶塌陷机理进行介绍 ：,岩溶塌陷机理包括：,4.1. 潜蚀成因 在覆盖岩溶区，地下水通过潜蚀、冲蚀、掏空等作用，逐渐使土体失去平衡，在水位波动过程中，加大了水力坡度从而加速了上述过程而致塌。 4.2. 真空吸蚀在相对密闭承压岩溶网络地下水中，人为抽(排)地下水，水位降低至盖层底面以下，可在岩溶空隙中形成真空吸盘吸蚀、真空腔吸蚀和旋吸漏斗吸蚀三种对盖层的破坏作用。 4.3. 潜蚀真空吸蚀潜蚀真空吸蚀指在潜蚀、真空吸蚀两种成因的共同作用。持有这种观点的研究者认为，自然界地下水对土层的潜蚀作用十分普遍，且几乎自始自终地存在于岩溶塌陷的整个过程中。同时，真空吸蚀作用在自然界也存在，但要在一定条件下才能导致塌陷。,4.4. 振动论与“液化论”持有这一观点的研究者认为，对弹性介质的盖层，当地下水或气压波动与盖层固有频率一致时，将出现共振现象，这时可产生很大的破坏力。而对于松散盖层，地下水或气压的波动，可以通过“空隙内压力对盖层产生破坏”，其过程与“液化论”类似。 4.5. 重力成因指当基岩以上无盖层且地下洞穴顶板很薄时，在重力作用下发生的塌陷。这类似于岩溶陷落柱式的塌陷。 4.6.其它除上面提到的致塌机制外，还有失托增荷观点、地表水下渗、气爆致塌等观点。,对于地下岩溶块体中地质条件的概化是一个复杂的问题。由于其发育在地下，一般只能通过物探手段获取粗略的信息，精确的信息可以通过钻探手段获取，但由于钻探成本较高，使得通过钻探去了解岩溶空隙在地下的分布规律及其与岩溶塌陷的关系存在一些困难。这些情况使人们对于地下岩溶空间的分布规律及其与岩溶塌陷的关系了解较少，所以对于岩溶塌陷中岩溶介质的地质概化模型在各类文献中很少有人提及。但在岩溶塌陷的发育只涉及近地表的岩溶块体，深层的岩溶发育对岩溶塌陷影响要小得多，因此目前人们在这方面所做的工作主要是对浅层岩溶概化模型进行研究。,5.岩溶介质的地质概化模型,岩溶塌陷中大多数的塌陷是由于地下水的波动产生的附加力所致，因此对于岩溶介质的地质概化模型的了解，以及这些模型与岩溶塌陷关系的揭示，无疑对岩溶塌陷的发育规律的揭示及岩溶塌陷的评价、治理、预防有着现实和理论的意义。 几乎所有的岩溶塌陷实例都涉及了盖层以下的岩溶块体中岩溶发育特征的问题。这些岩溶发育归纳起来包括以下几种情况：,5.1 单层岩溶空洞地质概化模型,“单层”的概念主要指岩溶空隙发育在靠近盖层以下单层岩溶洞穴发育时的情况。 在此地质条件下，水位下降的力学效应与水位恢复时相比，因为后者只与其洞高有关，即水位恢复时，其产生的附加力与岩溶空间的大小有关，所以空间越大，产生的附加力也越大；而在水位下降时的较大的水力坡度形成的渗透力，却不容忽视。,指地下洞穴成多层分布的岩溶介质结构。由于岩溶洞穴的成层性发育特征，在一般情况下岩溶发育带都是成层分布的。这种成层特征可表现1层、2层或3层等。很显然，层数越多，岩溶水的渗透速度越快。,5.2 多层洞穴地质概化模型,5.3 竖向洞穴地质概化模型,当洞穴受断层等结构面控制或是在两断层的交汇处时，在空间上发育常发育成竖井状。对于这类地下空隙导致的岩溶塌陷，国外的研究者将其称为塌陷落水洞。,5.4 均布空隙地质概化模型,指岩溶洞穴或岩溶空隙均匀分布的岩溶介质结构，此类模型的地下空间可以很大, 所以其力学效应也较明显。,6.岩溶塌陷致塌力的耦合模式,人类活动对土水岩三者所构成的岩溶塌陷系统的改变，主要有水位下降、爆破、开挖振动等，可极大地加速岩溶的致塌过程。这些活动会产生许多附加力，如地下水位下降产生的真空力，地下水位恢复产生的气爆力，爆破产生的等效地震力，开挖对抗力的改变，振动(列车、汽车等)力等，这些附加力是重要的岩土溶洞加速致塌因素。,在自然状态下，岩溶体中发育了许多空隙，这些空隙包括洞穴、溶隙、溶蚀管道等。由于有空隙的存在，在自重应力和水位下降产生的“失托增荷”作用下，当顶层很薄时，就会致塌。,6.1 单一阻水型盖层中水位下降时 应力叠加耦合模式,透水型盖层中地下水的作用表现为孔隙水渗透中产生的渗透力，盖层中分布的孔隙水与其下的岩溶水常有水力联系。渗流所产生的渗透力大小，与水力坡降呈正比。当水位急剧下降时，渗透力加大，可使土粒发生浮起而破坏。,6.2 单一透水型盖层渗透力叠加耦合模式,与水位下降相对应，当水位恢复时将产生比水位下降大的附加力。由于其受力方向与重力相反，所以有较特殊的叠加耦合机制。水位恢复时所产生的塌陷，也即通常所说的“气爆塌陷”。,6.3 水位恢复时的叠加耦合模式,岩溶致塌中的动荷载力有地震振动、爆破、列车、汽车的振动等其它振动，振动在无限均匀弹性体中主要以横波和纵波方式传递。,6.4 动荷载叠加耦合模式,6.5 岩溶塌陷的机理模型,对于岩溶塌陷的机理类型，应理解为不同成因下的致塌机理。成因可理解为形成塌陷的原因，而机理可理解为该原因下的致塌过程。以岩溶塌陷的致塌机理为分类原则，对人为岩溶塌陷的机理进行模型化研究。,7.静荷载条件下的土洞稳定性,7.1 地下水面以上土洞致塌分析 对于地下水面以上的土洞塌陷，典型的是静荷载及人为开挖下的致塌。这些土洞的特点表现为隐蔽性及分布的难以预测性。塌陷通常在建筑物下端，在重力的作用下致塌。 地下水面以上的土洞塌陷中，水对其作用主要表现在两个方面。(1) 首先是地表水的下渗对土层力学性质的软化。由于地表水的下渗，可使硬塑粘土的内聚力及内摩擦角降低，从而使其向可塑甚至流塑状过渡，土洞因此而扩大致塌；(2) 另一方面的作用表现在地下水面的微小波动在土洞中造成的压力波动。由于水动效应，这种波动可使土洞内的土层来回受力，从而造成土洞向临空面剥落而扩大，最后致塌。,