武汉地区岩溶地面塌陷类型

• 2、长江二、三级阶地老粘土（Q2—Q3）
区，虽有石灰岩条带分布，但从未发生过 塌陷，原因是无土洞分布（已经成千上万 个钻孔证实）。没有土洞的原因有二：一 是阶地下石灰岩面高差很小，不利于土岩 面上地下水流动；二是岩溶承压水头往往 高于土岩界面。
• 3、武汉市周边的山前坡地或山间谷地老 粘性土下隐伏岩溶区（乌龙泉、大冶）偶 有土洞型塌陷发生。其原因是土岩界面坡 度大，岩溶地下水位低于岩面，存在较大 的岩溶饱气带和垂直循环带，易于形成土 洞。
武汉地区岩溶地面塌陷类型及 其发生、分布规律和防治对策
勘察大师 范士凯
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近年在一些城市圈内的隐伏岩溶 分布区，岩溶地面塌陷时有发生。如 武汉、广州、深圳等大城市，由隐伏 岩溶造成覆盖层地面塌陷曾导致居民 财产严重受损，或建筑工程停顿，或 堤防受损加固，其经济损失非常巨大。
其中以武汉市最为突出，2000年4 月近郊的烽火村出现22个塌陷坑，造成 49栋农居楼房易地重建，经济损失500 余万元；2008年4月汉南纱冒镇邻近长 江大堤发生地面塌陷，仅加固堤防就耗 资近3000万元；2009年6～11月武咸公 路改造工程先后发生八次塌陷使交通受
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武汉地区自北向南有三条隐伏石灰
岩条带呈东西向分布，横穿长江及其阶地。 根据已发生的多次塌陷，概括以下四条规
律：
• 1、自1931年至今，武汉市区先后发生的 10余次岩溶地面塌陷全部分布在长江一级 阶地的二元结构冲积层中，其地层组合为 上部粘性土，下部粉细砂（偶见卵砾石）， 地层时代为Q4。地下水分三层：上层滞水、 孔隙承压水和岩溶承压水。产生塌陷地段 的岩溶承压水头低于冲积层孔隙承压水头 数米。
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先是在粉土、砂、砾石层中发生潜蚀 作用，形成“漏斗状疏松体”，进而因垂 直渗流加剧，局部水力坡度加大，砂、砾 石土呈液化状态流入岩溶空洞，地面出现 塌陷坑。另一种液化是打桩采用重锤冲击， 产生振动液化。
• 3、真空吸蚀机理 • 所谓“真空吸蚀”是指岩溶地下水在
大量抽取或因矿井大量排水后水位在短时 间内急剧下降过程中的“活塞”作用下形 成负压至真空状态。在这种负压或真空作 用下，覆盖土层对应岩溶地下通道的薄弱 位置在瞬间产生陷坑或陷洞。这种由负压 或真空对覆盖层的抽吸作用称为“真空吸 蚀”。
• 四、机理 •
不同地质条件具有不同的塌陷机理。 最早流行的是“潜蚀”机理。上世纪 80年代出现了“真空吸蚀”机理。本 文提出“潜蚀—液化—漏失”机理。 实际情况是三种机理并存，不同地质 条件下的塌陷符合不同机理。
• 1、潜蚀机理 • 所谓“潜蚀”是泛指地下水在运动过
程中不断带走土中物质的机械作用过程。 岩溶地面塌陷过程中的“潜蚀”一般是发 生在土岩接合面附近的土中。最有利于发 生潜蚀的条件是覆盖层为粘性土，且岩溶 地下水位已脱离基岩顶面降至岩体中而在 地下水位以上存在饱气带，亦即岩面上下 地下水的垂直循环带。
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由于基岩面的高低变化，特别是在溶 沟、溶槽中易形成土层底部的小径流，在 漫长的潜蚀过程中将土中物质带入溶洞中， 在上覆粘性土层中形成“土洞”。当土洞 顶板土层超越自撑能力时，发生地面塌陷。 土洞形成要两个重要条件，一是岩溶地下 水位低于土岩界面，二是土岩界面高差较 大。因此，土洞多数分布在山前或山间谷 地。
Q4
Q4
Q4
Q4
Q4
N T1
-20
1
2
3
4
5
6
Z2 28.50
7
1、亚粘土 2、粉细砂 3、含砾粘土岩 4、粘土岩 5、灰岩 6、地下水位 7、钻孔编号及孔深
• 图2
武汉市汉南纱冒镇塌陷
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二是“土洞塌陷型”，即粘性土(多 为Q3-Q2老粘性土)在土岩界面上长期受地 下水潜蚀而形成土洞。当土洞顶板土层厚 度减小到不能自撑时，受某种触发因素 （强降雨、抽水或打桩、爆破振动或地震） 作用产生塌陷。此种塌陷一般规模不大， 地表陷坑直径为几米至十几米，数量取决 于土洞数目（图3）。
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一是饱和松散层（粉土、砂、砾石） “漏失”型，即饱和松散层在地下水位变 化过程中发生潜蚀——液化，直接漏失到 岩溶空洞中，造成地面塌陷。此类塌陷规 模大，突发性强，危害最大。
• 如武汉市汉南纱冒镇塌陷，最大陷坑 160m×60m，最深处10m，陷入土方达 15000方；烽火村塌陷22个陷坑，最大者
•
上述三种机理是指三种不同地质条 件下的塌陷过程特点，也就是说不同条件 符合不同机理。其共同特点是，必须具备 岩溶空洞及联系通道和地下水的运动，所 不同的是覆盖土层与岩溶的组合性质不同 和触发因素不同。前两者机理是以自然因 素为基本因素，最后一种则以人为因素为 主。
• 五、类型
• 岩溶地面0m，深10余米，其中三栋小楼
陷入坑中（图1~2）。
• 图1
N45°E
烽火村岩溶地面塌陷地质剖面图
ZK8 31.40 11# 陷坑 5 # 陷坑
高程（m） 20 10 0 -10 -20
ZK11 29.00
Z4 29.30
1# 陷坑
Z2 28.50 孔隙水位
Z1 37.50
高程（m） 20 岩溶承压水位 10 0 -10
• 4、大量抽排岩溶地下水地段，易发生真 空吸蚀型地面塌陷。如湖北应城汤池温泉， 当将岩溶水的承压水头抽至土岩面以下数 米（即抽水量达1600T/d）时，地面即发 生塌陷；湖北松宜煤矿区，上世纪70年代 曾因井下突水、淹井，造成地面河床处发 生多处陷坑，河水大量灌入地下。
• 七、塌陷内外因 •
基本条件（内因）是基岩中存在岩溶 空洞并有与覆盖层相连的通道，所以塌陷 属于地质灾害。外因有三：
十里铺 蛇山
龟山 武汉大学 王家店
• 南部：自汉阳 太子湖至武昌 陆家街、武太 闸及南湖广大 地区。东西长 约35km，南北 宽约4.0～ 5.0km。
陆家街 太子湖 武泰闸 南湖片区
• 北部：自岱家山、谌家矶至蒋家墩、武钢。东西 长约17km，南北宽约0.8～2.8km。 • 中部：汉阳邹家湾、十里铺、龟山至蛇山、武汉 大学、蚂蚁嶂。东西长约35km，南北宽约0.5～ 2.0km。 • 南部：自汉阳太子湖至武昌陆家街、武太闸及南 湖广大地区。东西长约35km，南北宽约4.0～ 5.0km。 此外，在汉南区也有一条东西向狭长的石灰 岩条带。 • 上述几个条带中，北部及中部条带从来未发 生过塌陷。有史以来十余起塌陷基本上都发生在 南部条带和汉南条带上。
• 一、定义
• 所谓“岩溶地面塌陷”，是指隐 伏在第四纪覆盖层下的可溶岩中存在 岩溶空洞，且存在与覆盖层相连的通 道。在某些自然因素或人为因素作用 下，覆盖层物质沿着岩溶通道漏失到 岩溶空洞中，引起覆盖土体发生塌陷， 导致地面出现塌陷的自然现象。这里 要强调两层含义，一是“地面塌陷”， 二是“覆盖层土体”塌陷，而非可溶 岩溶洞塌陷。
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三、武汉市区发生塌陷的记录 1931年8月武昌丁公庙（倒口湖）塌陷； 1978年汉阳轧钢厂钢材库塌陷； 1983年武昌阮家巷塌陷； 1988年武昌陆家街中学塌陷； 1999年4月青菱乡毛坦港小学塌陷(2000年又塌一次)； 2000年2月武昌涂家沟司法学校塌陷； 2000年4月青菱乡烽火村塌陷； 2005年和2006年阮家巷（倒口湖）两次塌陷； 2008年2～3月汉南纱帽镇陡埠堤塌陷； 2009年6月至11月武咸公路改造段先后发生8处塌陷。 以上1～8处和第10处塌陷全部发生在南部石灰岩 条带上，第9处发生在汉南条带上。
2.10
1.30
9.60
13.1
18.2
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三是“真空吸蚀塌陷型”，无论是饱 和粉土、砂、砾石覆盖层，还是粘性土覆 盖层，都可能在岩溶地下水位急剧、大幅 度下降过程中由于真空负压作用而发生地 面塌陷。在自然条件下很少发生地下水急 剧、大幅度下降过程，而多半是人为活动 (抽水或矿井排水)引起的。如湖北应城的 汤池温泉，在石灰岩中抽取热水时，当水 位降至土岩界面以下一定深度(取水量＞ 1600T/d)便发生地面塌陷。
• 2、潜蚀—渗流或振动液化—漏失机理 • 这是一种混合类型。当覆盖层为二元
结构冲积层且冲积层下部饱和粉土、砂、 砾石层直接盖在岩面之上时，在粉土、砂、 砾石层中的孔隙水与可溶岩中的岩溶裂隙、 管道水发生直接联系，形成统一运动情况 下，由于水位不断升降变化，尤其是岩溶 地下水位或承压水头低于孔隙水位时，发 生垂直渗流。
• 二、武汉市区石灰岩分布
• 武汉市区自北向南主要有三条石灰 岩带横跨长江呈近东西向分布，其余 为零星分布（见下图）。
• 北部：自岱家 山、谌家矶至 蒋家墩、武钢。 东西长约17km， 南北宽约0.8～ 2.8km。
岱家山
谌家矶 蒋家墩
武钢
• 中部：汉阳邹 家湾、十里铺、 龟山至蛇山、 武汉大学、王 家店。东西长 约35km，南北 宽约0.5～ 汉阳邹家湾 2.0km。
• 六、分布规律
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从上述的三种塌陷机理和相对应的 三种塌陷类型可知，不同的地质条件决 定了不同的塌陷类型。地质条件最突出 的特点是可溶岩之上覆盖层性质——第 四纪地层组合特点和地下水埋藏类型及 其变动特点，这些条件则决定了塌陷分 布规律。
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众所周知，地貌单元决定其单元内第 四纪地层的时代和地层组合特征。其中， 地层组合特征决定了土岩界面之上土层性 质，如冲积层二元结构（上部为粘性土， 下部为粉土、砂及卵砾石）就限定了塌陷 类型为“潜蚀—液化”漏失型；地层时代 则决定了土层固结密实程度，也就决定了 它抵抗漏失的能力，如山前坡地或山间谷 地粘性土则不可能因潜蚀—液化而漏失， 而只能是在土岩接触面附近，因长期潜蚀 而形成土洞。这两种类型实际上受地貌单 元的严格控制。仅以武汉及其周边地区为 例，略述塌陷分布规律。
• 八、防治对策、措施
• 1、绕避、及时回填（如烽火村）。
• 2、严禁在易塌陷区开采地下水或限量抽水 （如汤池温泉）。 • 3、在建筑区范围内填充、堵塞岩溶空洞及 通道(如汉南纱帽镇长江大堤)。这是一项根 本措施（两种方式：竖向在石灰岩中注浆 充填空洞和通道；水平向在土岩结合面上 下注浆，形成水平封闭帷幕）。