老廠鎮(zhèn)木登硐村巖溶塌陷成因機(jī)制分析

許漢華，劉文連，槐以高，眭素剛，陳 磊，廖紹忠，丁 飛

(中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 前 言

巖溶塌陷是指巖溶洞隙上方的巖、土體在自然或人為因素作用下引起變形破壞，并在地面形成塌陷坑或洞的一種巖溶動(dòng)力地質(zhì)作用與現(xiàn)象[1]，是巖溶洞穴、上覆沉積物及地下水，構(gòu)成固體、液體及氣體三相力學(xué)平衡體系，地下水位變動(dòng)達(dá)到一定幅度，平衡破壞，上覆松散沉積物突然塌落，形成上大下小的圓錐形塌陷坑[2]，是巖溶地區(qū)的主要地質(zhì)災(zāi)害之一。在巖溶塌陷的成因機(jī)理方面，絕大多數(shù)的巖溶塌陷都是發(fā)生在地下水動(dòng)力條件劇烈變化的情況，國內(nèi)學(xué)者將其成因歸納為潛蝕成因、崩解成因、真空吸蝕成因、氣爆成因等[3]。

巖溶塌陷不但對(duì)社會(huì)安定及發(fā)展帶來嚴(yán)重危害，而且也給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。同時(shí)，在一些巖溶隱患地段，巖溶塌陷的隱性威脅還將長期存在。因此，對(duì)巖溶塌陷的演化機(jī)理、成因機(jī)制、易發(fā)性分區(qū)評(píng)估等進(jìn)行系統(tǒng)綜合研究，具有極其重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與社會(huì)意義。同時(shí)也為促進(jìn)礦山合理開采治理、科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)措施提供參考依據(jù)，對(duì)土地合理利用和新型城鎮(zhèn)化建設(shè)提供重要的指導(dǎo)借鑒意義[4]。

2016年6月，云南紅河州個(gè)舊市發(fā)生4.7級(jí)地震，受地震影響，產(chǎn)生了多個(gè)巖溶塌陷，木登硐村部分房屋開裂，木登硐村需選定適宜震后恢復(fù)重建場地。通過在木登硐村開展地面調(diào)查、地球物理勘探、水文地質(zhì)調(diào)查等多項(xiàng)工作，對(duì)木登硐村巖溶塌陷進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分析了成因機(jī)制，為評(píng)價(jià)木登硐村震后場地適應(yīng)性和震后恢復(fù)重建場地選址提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于紅河州個(gè)舊市老廠鎮(zhèn)西約3 km的木登硐村，個(gè)舊—老廠公路從其西面約500 m處通過，中心地理位置介于東經(jīng)103(°)09(′)50(″)～103(°)10(′)18(″)、北緯23(°)17(′)30(″)～23(°)18(′)28(″)之間。

研究區(qū)屬亞熱帶半濕潤高原季風(fēng)氣候，由于海拔高氣候寒冷，多年平均氣溫11.5℃，平均最高氣溫19℃，平均最低氣溫-4.2℃。潮濕多雨，多年24 h最大降雨量100.5 mm，多年24 h最大平均降雨量76.7 mm，多年平均降雨量1 601.2 mm，最大年降雨量1 815.3 mm，最小年降雨量1 341.8 mm；5～10月為雨季，降雨量占全年降雨量的82%左右，而11月到次年4月，降雨量僅占全年的18%左右；區(qū)域降水具有隨高程的遞增而增加的規(guī)律，其量值為高程每遞增100 m，多年平均降雨量約增加32 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 180.7 mm。

研究區(qū)屬紅河水系，區(qū)內(nèi)無常年地表逕流，季節(jié)性溪流匯入卡房大溝，到斗母閣進(jìn)入7號(hào)暗河后匯入紅河。

2 木登硐巖溶塌陷現(xiàn)狀

個(gè)舊老廠木登硐村巖溶塌陷發(fā)生時(shí)間長、分布范圍廣、規(guī)模大小不一，據(jù)初步調(diào)查，截止到 2017年 12月在研究區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)17個(gè)巖溶塌陷點(diǎn)、2個(gè)巖溶洼地 (其中包括2016年5月4日云南紅河州個(gè)舊市發(fā)生4.7級(jí)地震新產(chǎn)生的 3個(gè)塌陷點(diǎn))。它們分布于斜坡緩坡平臺(tái)、斜坡坡腳、埡口、四面環(huán)山圍限的盆地內(nèi)等處。目前在研究區(qū)發(fā)生巖溶塌陷的平均密度高達(dá)17.2個(gè)/km2，密度之大，已對(duì)當(dāng)?shù)卮迕穹课莅踩珮?gòu)成嚴(yán)重危害[5]。

木登硐村的巖溶塌陷分為古塌陷、老塌陷和新塌陷3種類型。古塌陷主要是上世紀(jì)50年代以前受自然地理氣候條件及地質(zhì)環(huán)境條件控制，一般以自然塌陷為主，據(jù)調(diào)查該類型塌陷點(diǎn)共計(jì)有5個(gè)；而老塌陷為上世紀(jì)50年代以來，由于有原市屬企業(yè)促進(jìn)礦、紅旗礦、云錫公司黃茅山化工廠、老廠錫礦等在該村周圍地下進(jìn)行采礦活動(dòng)，人類工程活動(dòng)的急劇加強(qiáng)，塌陷發(fā)生也頻數(shù)上升，統(tǒng)計(jì)約發(fā)生塌陷9起，占塌陷總數(shù)的1/2左右；2016年5月4日，木登硐村就因云南紅河州個(gè)舊市發(fā)生4.7級(jí)地震，受地震影響，形成新塌陷點(diǎn)3處。

研究區(qū)內(nèi)塌陷平面形態(tài)主要有圓形、近圓形、橢圓形3類，其中，巖溶塌陷點(diǎn)規(guī)模為直徑 0.5～5 m，最大可達(dá)50 m左右，深0.8～5 m，坑底到水平面的垂直高度最深的有10 m，其中小于3 m者約占調(diào)查總數(shù)的56.3% ；洼地有兩個(gè)，其一為不規(guī)則圓形，直徑約310 m；另外一個(gè)為平面形態(tài)呈不規(guī)則橢圓形，長約270 m，寬190 m(見圖1)。

3 木登硐巖溶塌陷形成機(jī)制

3.1 巖溶塌陷影響因素分析

3.1.1 覆蓋層條件

研究區(qū)覆蓋層按新到老出露地層由第四紀(jì)殘坡積層、人工堆積層和三疊紀(jì)中統(tǒng)個(gè)舊組卡房段組成[6]。人工堆積層主要是北部木登硐尾礦庫中的尾粉土、尾粉砂、尾粉質(zhì)黏土、尾粉土，尾礦深度1～36 m。殘坡積層為棕紅色、褐黃色紅粘土，局部含5%～15%礫砂，稍濕—濕，可塑—硬塑，結(jié)構(gòu)松散。分布于木登硐洼地及其周邊山地斜坡。巖溶洼地內(nèi)厚1.3～22.3 m，巖溶山地斜坡地帶分布不連續(xù)，厚度一般小于5 m。三疊系中統(tǒng)個(gè)舊組卡房段巖性為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，灰色，厚層狀，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，巖石表面較光滑或溶蝕呈平行、放射狀“U”型紋溝，地面巖溶形態(tài)主要為巖溶洼地、溶溝、小溶洞、溶蝕裂隙，地下巖溶形態(tài)主要有溶蝕裂隙和溶洞。據(jù)鉆探揭露木登硐尾礦庫下伏灰?guī)r5.2～14.5 m，中等風(fēng)化，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體中以垂直溶隙為主，鉆探揭露巖芯較為完整，以柱狀、塊狀為主。

1 巖溶洼地；2 巖溶塌陷點(diǎn)；3 三疊紀(jì)中統(tǒng)個(gè)舊組卡房段；4 第四系；5 地層界限

圖1個(gè)舊老廠木登硐村巖溶塌陷空間分布[5]

3.1.2 地質(zhì)構(gòu)造

受斷裂構(gòu)造影響，巖石裂隙破碎，形成地下水運(yùn)動(dòng)的主要通道，使具有可巖溶的水深入可溶巖內(nèi)部，為巖溶發(fā)育提供了有利的條件，巖溶發(fā)育常與斷裂走向一致。背陰山斷裂為區(qū)域性斷裂，斷裂走向103(°)，距離木登硐老寨最近距離約680 m，受背陰山斷裂影響，研究區(qū)巖溶發(fā)育方向主要與該斷裂走向一致。研究區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律受控于北陰山斷裂，巖溶發(fā)育規(guī)律基本與背陰山斷裂走向一致。

3.1.3 地形地貌

地形地貌影響地下水循環(huán)交替條件，從而影響巖溶發(fā)育規(guī)模、速度、類型及空間展布。地面坡度的大小，直接影響降水滲入量的大小。地形平緩地段，降水形成的地表徑流緩慢，則滲入量就大，有利于巖溶發(fā)育；地面坡度較陡地段，地表徑流較快，滲入量小，巖溶發(fā)育相對(duì)就差?？v觀研究區(qū)發(fā)育14個(gè)巖溶塌陷點(diǎn)、2個(gè)落水洞、兩個(gè)巖溶洼地，基本都分布在地形平緩的盆地、斜坡坡腳、斜坡緩坡平臺(tái)或埡口地段，可見，研究區(qū)盆地、斜坡坡腳或埡口地段巖溶較斜坡地段發(fā)育。

3.1.4 水文動(dòng)力條件

木登硐村老寨四面環(huán)山，地表雨水由盆地周邊山體匯入盆地。盆地地下水類型主要有孔隙水和巖溶水兩類?？紫端植驾^廣泛，含水層巖性為黏土，含水層間水力聯(lián)系差，相對(duì)獨(dú)立，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，富水性較弱。巖溶水含水層巖性以灰?guī)r和白云巖為主，受周邊斷裂構(gòu)造影響，巖溶溶蝕較強(qiáng)烈，溶隙呈網(wǎng)狀發(fā)育，木登硐村四面環(huán)山，地形有利于地表雨水的匯集，部分降雨沿地表巖溶凹地，通過斷裂、節(jié)理裂隙滲透進(jìn)入地下，巖溶水由西往東方向運(yùn)動(dòng)，通過坑下的豎井、斜井聯(lián)通從坑口排出。

3.1.5 人類工程活動(dòng)

研究區(qū)人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈。據(jù)調(diào)查，從上世紀(jì)50年代開始，先后相繼有原市屬企業(yè)促進(jìn)礦、紅旗礦、云錫公司黃茅山化工廠、老廠錫礦等在該村及周邊地區(qū)地下進(jìn)行采礦活動(dòng)。采礦坑道排水，帶走大量泥沙，誘發(fā)巖溶塌陷；另外，已經(jīng)形成的土洞在采礦爆破震動(dòng)作用下容易導(dǎo)致巖溶塌陷。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，研究區(qū)形成時(shí)間在40年前的巖溶塌陷點(diǎn)及形成時(shí)間超過80年的落水洞都沿2000中段地面投影線附近分布；1800中段地面投影線穿過洼地，據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該洼地形成時(shí)間超過80年。

3.1.6 地震

根據(jù)個(gè)舊地區(qū)地震資料統(tǒng)計(jì)，自1500年至1980年，共發(fā)生震級(jí)在5～5.5級(jí)地震4次，集中發(fā)生在1926-1945年間，震中位置北緯23(°)04(′)～23(°)05(′)，東經(jīng)103(°)01(′)，均在南北向斷裂帶上。而1950年9月13日發(fā)生有5.8級(jí)地震，震中位置位于個(gè)舊北西花崗巖與圍巖接觸帶上。2016年5月4日，云南紅河州個(gè)舊市發(fā)生4.7級(jí)地震，三個(gè)新的塌陷點(diǎn)為該地震作用下形成的巖溶塌陷，并且部分房屋受損開裂。

3.2 木登硐巖溶塌陷形成過程及機(jī)制分析

巖溶塌陷的形成受多種條件控制，部分因素間又相互影響而加劇，幾種因素疊加又可促使或加速巖溶塌陷的發(fā)生[7]。巖溶塌陷的機(jī)制較為復(fù)雜，主要有：潛蝕效應(yīng)、真空吸蝕效應(yīng)、壓強(qiáng)差效應(yīng)、垂直滲壓效應(yīng)、自重效應(yīng)、浮力效應(yīng)、土體強(qiáng)度效應(yīng)、地震或震動(dòng)效應(yīng)、荷載效應(yīng)等。而潛蝕效應(yīng)、真空吸蝕效應(yīng)、壓強(qiáng)差效應(yīng)及浮力效應(yīng)4種效應(yīng)都是基于地下水位波動(dòng)引發(fā)的塌陷機(jī)制，而研究區(qū)地下水位埋深最小約188 m，可見研究區(qū)由這4種機(jī)制引發(fā)的塌陷不成立。故研究區(qū)主要由垂直滲壓效應(yīng)、自重效應(yīng)、土體強(qiáng)度效應(yīng)、地震或震動(dòng)效應(yīng)及荷載效應(yīng)等多種塌陷機(jī)制的一種或多種因素疊加誘發(fā)，以下就降雨因素、地震因素及荷載因素進(jìn)行分析。

3.2.1 降雨因素分析

降雨是巖溶塌陷的主導(dǎo)促發(fā)因素。研究區(qū)地下水埋藏均較深，研究區(qū)地下水位埋最小深約188 m，可見，由地下水位波動(dòng)導(dǎo)致巖溶塌陷的可能性不大。所以地表雨水下滲是研究區(qū)巖溶塌陷的一個(gè)主要因素之一。木登硐村老寨降雨后雨水入滲，水在孔隙中運(yùn)動(dòng)，對(duì)土顆粒施加一種垂向滲透壓力，從而改變土體的力學(xué)性質(zhì)。當(dāng)滲透壓力達(dá)到一定值時(shí)，使土體結(jié)構(gòu)破壞，土顆粒水流產(chǎn)生運(yùn)移，即流通或管涌，直至發(fā)生地面變形或塌陷。在雨水入滲后，蓋層飽和容重比天然容重要大，蓋層自重增大，使土拱承受更大的壓力，導(dǎo)致塌陷。土體吸水飽和后，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角較天然狀態(tài)下減少，土體抗剪強(qiáng)度降低，土拱抗塌力減小，導(dǎo)致塌陷。

3.2.2 地震因素分析

地震震動(dòng)是誘發(fā)巖溶塌陷的因素之一。上覆粘性土的受力強(qiáng)度是顆粒間的引力相互呈鏈狀結(jié)合而成的，在地震或震動(dòng)作用下，則由凝結(jié)狀態(tài)變?yōu)槿苣z或懸液，這種外力作用停止后，又重新凝結(jié)，發(fā)生觸變，使得粘性土的強(qiáng)度降低；另外，震動(dòng)還能產(chǎn)生波動(dòng)，直接沖擊破壞土洞。所以，在地震或震動(dòng)作用下，由于上覆土層強(qiáng)度降低，并受到?jīng)_擊波的破壞作用，使土拱抗塌力減少，導(dǎo)致塌陷。

據(jù)調(diào)查，從上世紀(jì)50年代開始，先后有原市屬企業(yè)促進(jìn)礦、紅旗礦、云錫公司黃茅山化工廠、老廠錫礦等在該村周圍地下進(jìn)行采礦活動(dòng)，采礦時(shí)需放炮作業(yè)。據(jù)了解，在木登硐村的村民有時(shí)會(huì)感覺到震動(dòng)。研究區(qū)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，已經(jīng)形成的土洞在震動(dòng)或地震作用下容易導(dǎo)致巖溶塌陷。當(dāng)振動(dòng)頻率與土洞頂部覆蓋層固有頻率一致時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，從而引發(fā)地面塌陷。地震使溶洞上覆的土層結(jié)構(gòu)被破壞，穩(wěn)定性下降，還會(huì)使地面開裂，大量的地表水灌入，對(duì)土層產(chǎn)生沖刷和潛蝕作用。

3.2.3 荷載因素分析

荷載加載也是誘發(fā)巖溶塌陷的因素之一。荷載是附加于巖土體上的一種外力，附加荷載于洞穴頂板時(shí)，一旦超過原有強(qiáng)度，將造成頂板破壞引起塌陷。土拱承受村莊房屋建筑物時(shí)，將引起土洞直接受壓破壞，建筑荷載超過土洞拱頂?shù)某惺芰r(shí)，將引起巖溶塌陷。當(dāng)土洞頂部松散覆蓋層無法承受地表加載重量時(shí)，可能出現(xiàn)地表沉降或坍塌而引發(fā)巖溶塌陷。

4 結(jié) 語

1) 個(gè)舊木登硐村巖溶塌陷是多種不良因素綜合疊加作用的結(jié)果。這些因素主要為特殊的“水—土—巖”組合、降雨、地震及荷載因素,其中“水—土—巖”組合是巖溶塌陷的內(nèi)在因素；降雨是巖溶塌陷的主導(dǎo)促發(fā)因素；地震震動(dòng)和荷載加載是誘發(fā)巖溶塌陷的因素。

2)在塌陷發(fā)生地區(qū)開展了地面調(diào)查、地球物理勘探、水文地質(zhì)調(diào)查等多項(xiàng)工作，木登硐村巖溶塌陷的發(fā)生是垂直滲壓效應(yīng)、自重效應(yīng)、土體強(qiáng)度效應(yīng)、地震或震動(dòng)效應(yīng)及荷載效應(yīng)等多種塌陷機(jī)制的一種或多種因素疊加誘發(fā)。

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