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)昆明勘察設計研究院有限公司，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力地質作用與現(xiàn)象[1]，是巖溶洞穴、上覆沉積物及地下水，構成固體、液體及氣體三相力學平衡體系，地下水位變動達到一定幅度，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)的主要地質災害之一。在巖溶塌陷的成因機理方面，絕大多數(shù)的巖溶塌陷都是發(fā)生在地下水動力條件劇烈變化的情況，國內學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]。

巖溶塌陷不但對社會安定及發(fā)展帶來嚴重危害，而且也給人民的生命財產安全造成嚴重威脅。同時，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，對巖溶塌陷的演化機理、成因機制、易發(fā)性分區(qū)評估等進行系統(tǒng)綜合研究，具有極其重要的經濟價值與社會意義。同時也為促進礦山合理開采治理、科學防災減災措施提供參考依據(jù)，對土地合理利用和新型城鎮(zhèn)化建設提供重要的指導借鑒意義[4]。

2016年6月，云南紅河州個舊市發(fā)生4.7級地震，受地震影響，產生了多個巖溶塌陷，木登硐村部分房屋開裂，木登硐村需選定適宜震后恢復重建場地。通過在木登硐村開展地面調查、地球物理勘探、水文地質調查等多項工作，對木登硐村巖溶塌陷進行了系統(tǒng)研究，分析了成因機制，為評價木登硐村震后場地適應性和震后恢復重建場地選址提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于紅河州個舊市老廠鎮(zhèn)西約3 km的木登硐村，個舊—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)內無常年地表逕流，季節(jié)性溪流匯入卡房大溝，到斗母閣進入7號暗河后匯入紅河。

2 木登硐巖溶塌陷現(xiàn)狀

個舊老廠木登硐村巖溶塌陷發(fā)生時間長、分布范圍廣、規(guī)模大小不一，據(jù)初步調查，截止到 2017年 12月在研究區(qū)內共發(fā)現(xiàn)17個巖溶塌陷點、2個巖溶洼地 (其中包括2016年5月4日云南紅河州個舊市發(fā)生4.7級地震新產生的 3個塌陷點)。它們分布于斜坡緩坡平臺、斜坡坡腳、埡口、四面環(huán)山圍限的盆地內等處。目前在研究區(qū)發(fā)生巖溶塌陷的平均密度高達17.2個/km2，密度之大，已對當?shù)卮迕穹课莅踩珮嫵蓢乐匚：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50年代以前受自然地理氣候條件及地質環(huán)境條件控制，一般以自然塌陷為主，據(jù)調查該類型塌陷點共計有5個；而老塌陷為上世紀50年代以來，由于有原市屬企業(yè)促進礦、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行采礦活動，人類工程活動的急劇加強，塌陷發(fā)生也頻數(shù)上升，統(tǒng)計約發(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舊市發(fā)生4.7級地震，受地震影響，形成新塌陷點3處。

研究區(qū)內塌陷平面形態(tài)主要有圓形、近圓形、橢圓形3類，其中，巖溶塌陷點規(guī)模為直徑 0.5～5 m，最大可達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者約占調查總數(shù)的56.3% ；洼地有兩個，其一為不規(guī)則圓形，直徑約310 m；另外一個為平面形態(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殘坡積層、人工堆積層和三疊紀中統(tǒng)個舊組卡房段組成[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，結構松散。分布于木登硐洼地及其周邊山地斜坡。巖溶洼地內厚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)個舊組卡房段巖性為灰?guī)r、白云質灰?guī)r、白云巖，灰色，厚層狀，巖溶強烈發(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；3 三疊紀中統(tǒng)個舊組卡房段；4 第四系；5 地層界限

圖1個舊老廠木登硐村巖溶塌陷空間分布[5]

3.1.2 地質構造

受斷裂構造影響，巖石裂隙破碎，形成地下水運動的主要通道，使具有可巖溶的水深入可溶巖內部，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)育相對就差?？v觀研究區(qū)發(fā)育14個巖溶塌陷點、2個落水洞、兩個巖溶洼地，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。孔隙水分布較廣泛，含水層巖性為黏土，含水層間水力聯(lián)系差，相對獨立，主要接受大氣降水的補給，富水性較弱。巖溶水含水層巖性以灰?guī)r和白云巖為主，受周邊斷裂構造影響，巖溶溶蝕較強烈，溶隙呈網狀發(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)理裂隙滲透進入地下，巖溶水由西往東方向運動，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

研究區(qū)人類工程活動強烈。據(jù)調查，從上世紀50年代開始，先后相繼有原市屬企業(yè)促進礦、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)地下進行采礦活動。采礦坑道排水，帶走大量泥沙，誘發(fā)巖溶塌陷；另外，已經形成的土洞在采礦爆破震動作用下容易導致巖溶塌陷。據(jù)現(xiàn)場調查，研究區(qū)形成時間在40年前的巖溶塌陷點及形成時間超過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)場調查，該洼地形成時間超過80年。

3.1.6 地震

根據(jù)個舊地區(qū)地震資料統(tǒng)計，自1500年至1980年，共發(fā)生震級在5～5.5級地震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級地震，震中位置位于個舊北西花崗巖與圍巖接觸帶上。2016年5月4日，云南紅河州個舊市發(fā)生4.7級地震，三個新的塌陷點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]。巖溶塌陷的機制較為復雜，主要有：潛蝕效應、真空吸蝕效應、壓強差效應、垂直滲壓效應、自重效應、浮力效應、土體強度效應、地震或震動效應、荷載效應等。而潛蝕效應、真空吸蝕效應、壓強差效應及浮力效應4種效應都是基于地下水位波動引發(fā)的塌陷機制，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種機制引發(fā)的塌陷不成立。故研究區(qū)主要由垂直滲壓效應、自重效應、土體強度效應、地震或震動效應及荷載效應等多種塌陷機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行分析。

3.2.1 降雨因素分析

降雨是巖溶塌陷的主導促發(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，由地下水位波動導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，水在孔隙中運動，對土顆粒施加一種垂向滲透壓力，從而改變土體的力學性質。當滲透壓力達到一定值時，使土體結構破壞，土顆粒水流產生運移，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，導致塌陷。土體吸水飽和后，內聚力和內摩擦角較天然狀態(tài)下減少，土體抗剪強度降低，土拱抗塌力減小，導致塌陷。

3.2.2 地震因素分析

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

據(jù)調查，從上世紀50年代開始，先后有原市屬企業(yè)促進礦、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行采礦活動，采礦時需放炮作業(yè)。據(jù)了解，在木登硐村的村民有時會感覺到震動。研究區(qū)巖溶發(fā)育強烈，已經形成的土洞在震動或地震作用下容易導致巖溶塌陷。當振動頻率與土洞頂部覆蓋層固有頻率一致時，將會出現(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構被破壞，穩(wěn)定性下降，還會使地面開裂，大量的地表水灌入，對土層產生沖刷和潛蝕作用。

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，一旦超過原有強度，將造成頂板破壞引起塌陷。土拱承受村莊房屋建筑物時，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，將引起巖溶塌陷。當土洞頂部松散覆蓋層無法承受地表加載重量時，可能出現(xiàn)地表沉降或坍塌而引發(fā)巖溶塌陷。

4 結 語

1) 個舊木登硐村巖溶塌陷是多種不良因素綜合疊加作用的結果。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在因素；降雨是巖溶塌陷的主導促發(fā)因素；地震震動和荷載加載是誘發(fā)巖溶塌陷的因素。

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

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