武汉地区岩溶地面塌陷类型

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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。
• 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 达60m×50m，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
• 1、自然因素——地下水长期运动，疏通通道、 自然因素 带走充填物，引起地面塌陷。纯属自然地质灾 害，武汉市区1931～2006年10余次塌陷均属 此类。 • 2、人为抽取地下水 人为抽取地下水，造成水位下降，加速地 下水运动，诱发塌陷地质灾害产生。1978年 汉阳轧钢厂塌陷属此类。 • 3、钻孔或打桩 钻孔或打桩，尤其是冲击振动成孔引起盖 层砂土液化、漏失、诱发塌陷地质灾害产生。 汉南纱帽镇塌陷和武咸公路塌陷属此类。 • 后两种情况产生的前提还是地下空洞和通 道存在，因此，本质上还是自然地质灾害。
武汉地区岩溶地面塌陷类型及 其发生、 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
• 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 北部： 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 南部： 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 北部及中部条带从来未发 生过塌陷。 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。 南部条带和汉南条带上。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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”。
• 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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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～ 处和第 处和第10处塌陷全部发生在南部石灰岩 以上 ～8处和第 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。 条带上， 处发生在汉南条带上。 处发生在汉南条带上
• 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。
• 图3
Z126 53.20 Z127 53.20
湖北大冶老土桥村土洞剖面
Z17 53.20 Z131 53.20 Z132 53.20 Z18 53.20 Z134 53.20 1.20 2.50 4.20 6.00 7.50 7.20 9.00 10.0 10.7 13.8 14.3 12.4 14.0 7.60 8.70 3.70 5.50 6.50 8.00 8.20 10.9 12.6 5.50 Z34 53.20 0.70
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 “真空吸蚀塌陷型” 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。
• 六、分布规律 •
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 防治对策、
• 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）。
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这种作用所产生的塌陷确实存在，但 主要发生在矿山地区和集中抽取岩溶地下 水的群井水源地，有时也发生在公路、铁 路隧道施工的突水地段。这种因“真空吸 蚀”产生的塌陷坑往往成群出现，在短时 间内可产生几十甚至上百个陷坑或陷洞， 其危害相当严重。
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是否会发生真空吸蚀，主要有两个 特殊条件：其一是大量抽排岩溶地下水， 水位在短时间内急剧下降；其二是覆盖层 对地下岩溶有良好的封闭作用，能使在水 位下降的过程中形成充分的负压或真空。 这两个条件就决定了这类塌陷分布的特殊 地域性。比如在岩溶地下水的补给区和排 泄区（可溶岩出露区）和不存在水位急降 条件的地区，就不易发生这类塌陷。
• 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：
ZK11 29.00
Z4 29.30
1#陷 坑
Z2 28.50 孔 水 隙 位
Z1 37.50
高 （ 程 m） 20 岩 承 水 溶 压 位 10 0 -10
Q4
Q4
Q4
Q4
Q4
N T1
-20
1
2
3
4
5
6
Z2 28.50
7
1、 粘 2、 细 3、 砾 土 4、 土 5、 岩 亚 土 粉 砂 含 粘 岩 粘 岩 灰 6、 下 位 7、 孔 号 孔 地 水 钻 编 及 深
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阻，工程陷于停顿。
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岩溶地面塌陷这一不良地质现 象，似乎是大家都熟知的一种地质 灾害。但事实证明，许多人对它的 实质含义、类型、发生及分布规律 并不真正了解，甚至存在一些误区。
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比如一遇到地面塌陷就误认为是 地下溶洞发生垮塌，这类塌陷本来是 一种自然的物理地质现象，人为活动 在多数情况下是诱发因素，只是在特 殊情况下成为主导因素。但在塌陷发 生后，往往是不分青红皂白地追究人 为责任，而不去深入探讨自然规律。 有鉴于此，特作如下阐述：
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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
• 岩溶地面塌陷基本上分为三种类型： • 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。
• 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。
• 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。
• 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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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。