江西蓮花縣城區(qū)巖溶塌陷發(fā)育條件及成因分析

劉建兵，黃永泉，楊 曼，危洪波，儲(chǔ)曉東

(1. 江西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，江西 南昌 330095；2. 江西省東土地質(zhì)環(huán)境工程有限公司，江西 南昌 330012)

江西蓮花縣城區(qū)巖溶塌陷發(fā)育條件及成因分析

劉建兵1, 2，黃永泉1，楊 曼1，危洪波1，儲(chǔ)曉東1

(1. 江西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，江西 南昌 330095；2. 江西省東土地質(zhì)環(huán)境工程有限公司，江西 南昌 330012)

通過(guò)巖溶工程地質(zhì)剖面和地質(zhì)鉆孔資料對(duì)巖溶發(fā)育特征與強(qiáng)度、第四系覆蓋層厚度及物質(zhì)組成、地下水動(dòng)力條件等進(jìn)行分析；并以此為基礎(chǔ)，根據(jù)蓮花縣城區(qū)巖溶塌陷形成特點(diǎn)，結(jié)合巖溶塌陷點(diǎn)發(fā)生時(shí)的降雨量和地下水位變化記錄等資料進(jìn)行綜合研究。結(jié)果表明：蓮花縣城區(qū)巖溶塌陷主要以水流潛蝕、高壓氣蝕、負(fù)壓吸蝕、下滲旋吸、土體軟化、重力加載等破壞作用疊加效應(yīng)形成的土洞型塌陷為主；地下水位循環(huán)交替是引發(fā)巖溶塌陷的主要原因，而降雨強(qiáng)弱又直接影響著地下水動(dòng)態(tài)變化；地下水循環(huán)交替不同階段表現(xiàn)出對(duì)蓋層的各類破壞作用的特征不同，一般在經(jīng)多期次地下水循環(huán)交替過(guò)程后形成地面塌陷；部分地面塌陷因農(nóng)田囤水、地面加載或振動(dòng)而誘發(fā)。該文研究成果可為蓮花縣巖溶塌陷預(yù)警預(yù)報(bào)及防治提供科學(xué)依據(jù)，其他南方巖溶發(fā)育相近地區(qū)具有參考意義。

巖溶塌陷；發(fā)育條件；成因分析；地下水動(dòng)態(tài)變化；蓮花縣城區(qū)

0 引言

我國(guó)巖溶分布廣泛，可溶巖分布約占國(guó)土面積的1/3，其中西南及南方地區(qū)巖溶發(fā)育最為強(qiáng)烈，引發(fā)了大量的地面塌陷災(zāi)害，造成了較大損失[1～3]。江西省蓮花縣屬我國(guó)南方典型的巖溶塌陷災(zāi)害嚴(yán)重縣、多發(fā)縣，其城區(qū)巖溶塌陷具有突發(fā)性、群發(fā)性、持續(xù)性、不可預(yù)知性、危害性大等特點(diǎn)，在我國(guó)南方巖溶塌陷地區(qū)具有典型代表性，深入研究該縣城區(qū)巖溶塌陷災(zāi)害具有重要意義，可為研究類似巖溶塌陷發(fā)育地區(qū)提供參考借鑒價(jià)值。

巖溶塌陷誘發(fā)因素較多，一般主要因素有地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、第四系覆蓋層特征、巖溶發(fā)育程度、降雨與地下水特征、人類工程活動(dòng)等。文章依據(jù)各類巖溶塌陷誘發(fā)因素，結(jié)合城區(qū)以往巖溶塌陷調(diào)查資料、地質(zhì)鉆孔資料、降雨量及地下水位記錄資料等，在前人所做的蓮花縣地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行總結(jié)分析，對(duì)蓮花縣城區(qū)巖溶塌陷發(fā)育條件及巖溶塌陷形成因素進(jìn)行研究，為政府部門提出科學(xué)的預(yù)報(bào)條件與防治措施，預(yù)防或減少重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

1 城區(qū)概況

蓮花縣位于江西省西南湘贛交界地，隸屬萍鄉(xiāng)市，蓮花縣城區(qū)位于縣域中南部的琴亭鎮(zhèn)、升坊鎮(zhèn)，處于319國(guó)道與省道蓮吉公路交叉處。建成區(qū)面積約22 km2，其中城南工貿(mào)新區(qū)面積約3 km2，規(guī)劃建設(shè)區(qū)面積約6 km2，琴亭鎮(zhèn)為老城區(qū)，建成區(qū)多為地面建筑，規(guī)劃區(qū)多為農(nóng)田、水利設(shè)施。該地屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和、雨量充沛、四季分明，年平均氣溫為17.6 ℃，年平均降雨量為1 592.6 mm(1961～2005年)，降雨多集中在4～6月。蓮花縣城區(qū)發(fā)育有蓮江及其兩條主要支流(白馬河、云龍溪)，水網(wǎng)較發(fā)達(dá)，蓮江又稱琴水河，年平均流量為25.05 m3/s，城區(qū)生產(chǎn)生活用水均取自蓮江及其支流，歷年來(lái)無(wú)較大規(guī)模抽采地下水現(xiàn)象。

蓮花縣城區(qū)歷年來(lái)累計(jì)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害27處，其中巖溶塌陷有19處，占已發(fā)地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的70.4%，密度達(dá)0.86處/km2，以中、小型居多，為城區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害類型，多為塌陷坑群，已知塌陷坑64個(gè)，單坑平面多呈圓形，直徑一般1～4 m，深度一般1～10 m，坑群多呈長(zhǎng)列式，因巖溶塌陷災(zāi)害已造成2人受傷，損毀房屋49間，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)120萬(wàn)元[4]。隨著全球氣候變暖影響，極端天氣頻發(fā)，在厄爾尼諾現(xiàn)象與拉尼娜現(xiàn)象逐年增強(qiáng)的趨勢(shì)下，低洼洪泛與持久干旱越來(lái)越頻現(xiàn)，蓮花縣城區(qū)巖溶塌陷發(fā)展趨勢(shì)也在加劇。

2 地質(zhì)環(huán)境條件

蓮花縣城區(qū)位于羅霄山脈中段，武功山南部和陳山南端的西部，周邊地勢(shì)東、西、北三面高，成掌狀向南傾斜，形成長(zhǎng)條形帶狀的丘陵—盆地地形。城區(qū)在琴水盆地中部，多處于蓮江河谷平原Ⅱ級(jí)階地，地面標(biāo)高165～190 m，地形較平坦，城區(qū)西側(cè)為垅崗，地形略有起伏，屬侵蝕堆積河谷平原地貌單元。

蓮花縣城區(qū)主要分布有石炭系、二疊系及第四系地層。蓮江兩岸呈帶狀分布第四系全新統(tǒng)，老城區(qū)及城南工貿(mào)新區(qū)多為第四系更新統(tǒng)，其下部多有古溶溝堆積物。石炭系中上統(tǒng)壺天群(C2+3)在城區(qū)僅有零星出露，但在白嶺以東丘陵區(qū)大片出露，一般廣泛隱伏于城區(qū)第四系下部，巖性為灰色-深灰色中厚層狀灰?guī)r或白云巖，第四系全新統(tǒng)分布區(qū)隱伏灰?guī)r層面埋深一般10～12 m，第四系更新統(tǒng)分布區(qū)隱伏灰?guī)r層面埋深一般10～30 m。石炭系下統(tǒng)(C1)一般出露于城區(qū)外圍的蓮江南部丘陵山區(qū)。城南工貿(mào)新區(qū)西側(cè)有二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)出露，巖性為深灰色-灰黑色薄層狀灰?guī)r或白云巖，在城區(qū)西北側(cè)第四系更新統(tǒng)下部隱伏，層面埋深一般17～43 m；縣城金城大道西側(cè)低丘陵區(qū)出露大片二疊系下統(tǒng)茅口組下段(P1m1)，巖性多為泥巖或鈣質(zhì)頁(yè)巖；城南工貿(mào)新區(qū)西側(cè)出露的二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)在城區(qū)外圍。

蓮花縣城區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，所處萍鄉(xiāng)—樂(lè)平坳陷帶的西端南緣，羅霄山北北東向構(gòu)造帶與武功山近東西向構(gòu)造帶的復(fù)合部位，斷裂構(gòu)造以北北東向?yàn)橹?。?條北北東向性質(zhì)不明斷裂，分別為①城南工貿(mào)新區(qū)西側(cè)斷裂，北端被第四系覆蓋，隱伏延伸至城區(qū)北，②升坊—蓮花村斷裂及③石江—白嶺斷裂，均屬隱伏型，沿蓮江兩側(cè)展布。該區(qū)北北東向斷裂均具有良好的導(dǎo)水性，與蓮江走向基本一致，并控制著巖溶發(fā)育走向。

蓮花縣城區(qū)石炭系中上統(tǒng)壺天群(C2+3)與二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)巖性質(zhì)地均較純，遇水溶蝕作用強(qiáng)烈，并受斷裂構(gòu)造控制，形成琴水巖溶盆地。該區(qū)地下溶洞、暗河、寬大溶隙分布較廣，巖溶形態(tài)規(guī)模普遍較大，淺部溶洞、暗河多為開(kāi)口型，并多呈管網(wǎng)狀分布，構(gòu)成地下網(wǎng)狀含水系統(tǒng)。該區(qū)地下可溶巖在接近侵蝕基準(zhǔn)面時(shí)，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，并且在上億年地質(zhì)演變過(guò)程中經(jīng)多期次升降運(yùn)動(dòng)、河流下切作用及順垂向裂隙溶蝕作用，形成了多層溶洞、暗河，地下60 m以內(nèi)巖溶極為發(fā)育，下部隨深度增加而減弱。受地層巖性、斷裂構(gòu)造及溶洞、暗河走向等控制，該地河谷平原區(qū)多出現(xiàn)條帶狀分布的巖溶塌陷、巖溶濕地、巖溶洼地及地表水體驟漲驟降等現(xiàn)象。

3 巖溶塌陷發(fā)育條件

研究蓮花縣巖溶塌陷發(fā)育條件主要從巖溶發(fā)育特征及程度、第四系覆蓋層厚度及物質(zhì)組成、地下水動(dòng)力條件進(jìn)行分析[5]。根據(jù)以往巖溶塌陷調(diào)查資料和收集的地質(zhì)鉆孔資料，在城區(qū)巖溶塌陷集中區(qū)布置3條典型巖溶工程地質(zhì)剖面(圖1)，并繪制蓮花縣老城區(qū)溶洞垂向分布剖面圖(圖2：Ⅰ-Ⅰ′剖面)，花塘村—楊枧村溶洞垂向分布剖面圖(圖3：Ⅱ-Ⅱ′剖面)，老城區(qū)—升坊鎮(zhèn)溶洞垂向分布剖面圖(圖4：Ⅲ-Ⅲ′剖面)。

圖1 蓮花縣城區(qū)巖溶地質(zhì)剖面部署及地面塌陷分布圖

3.1巖溶空洞條件

巖溶空腔的存在是形成巖溶塌陷的基本條件，而巖溶空腔又與該地巖溶地層及其發(fā)育程度密切相關(guān)。蓮花縣城區(qū)已知的16處巖溶塌陷下伏基巖地層為石炭系中上統(tǒng)壺天群(C2+3)灰?guī)r，該地層在老城區(qū)至升坊一帶廣泛隱伏分布，根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料，地下溶洞、暗河極為發(fā)育，其活動(dòng)性強(qiáng)，開(kāi)口性和連通性好，單孔巖溶率10%～33%，多呈管網(wǎng)狀水平展布，主體走向自北西向南東，由老城區(qū)至升坊巖溶發(fā)育強(qiáng)度遞降。

圖2 Ⅰ-Ⅰ′ 溶洞垂向分布剖面圖

圖3 Ⅱ-Ⅱ′溶洞垂向分布剖面圖

圖4 Ⅲ-Ⅲ′溶洞垂向分布剖面圖

城區(qū)已知的3處巖溶塌陷下伏基巖地層為二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)灰?guī)r，其巖溶發(fā)育強(qiáng)度不均，根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料，單孔巖溶率3%～20%，上部多有厚層古溶溝堆積物。

城區(qū)外周邊地層有二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)、二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)、石炭系下統(tǒng)大塘組(C1d)、石炭系下統(tǒng)大節(jié)湖(C1y)，地層巖性可溶性差，未見(jiàn)地面塌陷發(fā)生。但是，在壺天群(C2+3)與茅口組下段(P1m1)接觸地帶，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈。由于侵蝕基準(zhǔn)面較低，在城區(qū)地下標(biāo)高100 m以下仍見(jiàn)灰?guī)r溶蝕現(xiàn)象。

由三條溶洞垂向分布剖面可知，城區(qū)溶洞垂向分布自上而下共有4層：第1層溶洞，標(biāo)高150～160 m，埋深15～43 m，為充填或半充填，充填物為淤泥、砂礫石等，單洞高5～15 m，該層規(guī)模較大、分布較廣；第2層溶洞，標(biāo)高在140 m上下，埋深50～55 m，均為無(wú)充填，洞高一般5 m；第3層溶洞，標(biāo)高在130 m上下，埋深60 m，均為無(wú)充填，洞高一般3 m；第4層溶洞，標(biāo)高在100 m上下，埋深70 m，均為無(wú)充填，洞高一般5 m，主要分布在縣城近蓮江地帶。

因此，蓮花縣城區(qū)地下開(kāi)口溶洞、暗河的極度發(fā)育存在大量?jī)?chǔ)物空腔與物質(zhì)運(yùn)移通道，為形成巖溶塌陷災(zāi)害提供基礎(chǔ)條件[6]。

3.2蓋層條件

城區(qū)19處巖溶塌陷上覆土層均具有二元結(jié)構(gòu)，上部為粉質(zhì)粘土，厚度一般1～5 m，下部為礫卵石、砂卵石、泥卵石等粗顆粒物質(zhì)，厚度一般3～10 m。城區(qū)沖積平原地段第四系較薄，厚度一般10～20 m，易產(chǎn)生巖溶塌陷，城區(qū)外圍崗埠地帶第四系厚度較大，厚度一般20～30 m，地面塌陷相對(duì)較少。

3.3地下水動(dòng)力條件

城區(qū)地下水主要以巖溶隙裂隙水為主，其次為松散巖類孔隙水。散巖類孔隙水賦存于全新統(tǒng)沖積層的下部砂卵石層中，一般受大氣降水垂直補(bǔ)給和下伏碳酸鹽巖內(nèi)的巖溶水升漲補(bǔ)給，水位埋深一般3～5 m，含水層厚度8～10 m，第四系透水性較好，粘性土滲透系數(shù)為 0.03～0.063 m/d，砂卵石為4～53 m/d，礫卵石為10～67 m/d；巖溶隙裂隙水主要賦存于壺天群(C2+3)灰?guī)r中，一般受第四系孔隙水的入滲補(bǔ)給和蓮江及其支流的側(cè)向補(bǔ)給，單井涌水量一般15 L/s·m，水位埋深一般13～17 m，年水位變幅約±4 m。地下水總體流向受蓮江水流控制自北而南，其水位受降雨及地下水補(bǔ)排影響，水位變幅較大，第四系孔隙水與地下巖溶水循環(huán)交替較強(qiáng)烈，并且第四系孔隙水與下伏巖溶水存在普遍的越流現(xiàn)象，為誘發(fā)巖溶塌陷提供不利的地下水動(dòng)力條件。

根據(jù)地面塌陷處地下水類型，城區(qū)有15處巖溶塌陷主要受巖溶水動(dòng)力作用，其地下水位埋深一般在1～10 m，其他4處主要受巖溶水與第四系孔隙水的混合水動(dòng)力作用影響，并以巖溶水動(dòng)力為主導(dǎo)，其地下水位埋深一般在3～8 m。

4 巖溶塌陷成因分析

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。綜合考慮，巖溶塌陷形成的主要因素有：地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖溶發(fā)育程度、降雨特征、地下水變化和人類活動(dòng)等[8]。其中地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和巖溶發(fā)育程度屬該地基本的靜態(tài)特征，在沒(méi)有外動(dòng)力的作用下，發(fā)生巖溶塌陷的可能性極??；降雨、地下水和人類工程活動(dòng)是在不斷的動(dòng)態(tài)變化，其變化過(guò)程或幾種變化的疊加可能誘發(fā)巖溶塌陷的發(fā)生。依據(jù)已發(fā)的19處巖溶塌陷相關(guān)基本特征(表1)[9]，以下就降雨特征、地下水動(dòng)態(tài)變化、人類活動(dòng)三類因素進(jìn)行分析。

4.1地下水因素分析

根據(jù)地下水位長(zhǎng)觀監(jiān)測(cè)資料、地面塌陷坑點(diǎn)發(fā)生年的地下水位記錄資料繪制了蓮花縣城區(qū)地面塌陷點(diǎn)與地下水位關(guān)系示意圖(圖5)?？梢钥闯?，歷史上(1961～2005年)地下水位變化劇烈，平均變幅±4 m，最大變幅達(dá)±6 m，其中1962年、1970年、1982年、1991年、1997年出現(xiàn)極高值，而1963年、1971年、1978年、1988年、1999年出現(xiàn)極低值，短時(shí)形成驟漲驟降非常明顯，一般在地下水位高峰當(dāng)年、低谷當(dāng)年或滯后一定時(shí)間出現(xiàn)塌陷坑數(shù)高值，因此地下水位劇烈變化與發(fā)生地面塌陷的關(guān)系十分明顯。

表1 蓮花縣城區(qū)地面塌陷相關(guān)基本特征表Table 1 Basic characteristics of ground collapse in Lianhua County

注：本表依據(jù)《江西省蓮花縣地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃成果報(bào)告》整理而成，表中地下水位指埋深水位、陷坑個(gè)數(shù)為災(zāi)點(diǎn)始發(fā)年至2005年間總數(shù)。

圖5 蓮花縣城區(qū)地面塌陷點(diǎn)與地下水位關(guān)系圖

地下水動(dòng)態(tài)變化過(guò)程是水位不斷上漲和下降循環(huán)交替的過(guò)程，地下水位在不同升降位置對(duì)蓋層破壞作用的類型和強(qiáng)弱不同。根據(jù)地下水位所處位置，并結(jié)合蓮花縣城區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件和巖溶塌陷發(fā)育條件，上漲過(guò)程按時(shí)空變化順序分解為巖溶空腔階段、巖土接觸面附近階段、蓋層含水層階段、蓋層二元結(jié)構(gòu)界面階段，下降過(guò)程與上漲過(guò)程相反，以下就地下水位時(shí)空動(dòng)態(tài)變化過(guò)程與巖溶塌陷形成的關(guān)系進(jìn)行分析。

4.1.1地下水上升過(guò)程

其過(guò)程是隨水位上漲而對(duì)頂部蓋層不斷加壓氣蝕破壞的過(guò)程，同時(shí)伴隨其他破壞作用。

(1)當(dāng)?shù)叵滤粡淖畹退簧仙脸錆M巖溶空腔階段(巖溶空腔段)，上部水體不斷沿蓋層土體空隙、巖溶垂向?qū)严断聺B補(bǔ)給開(kāi)口巖溶空腔，最大負(fù)壓逐漸減弱至消失，高壓產(chǎn)生并逐漸加強(qiáng)。因此，蓋層受負(fù)壓吸蝕破壞作用減弱，而受高壓氣蝕破壞作用加強(qiáng)，并出現(xiàn)順垂直導(dǎo)水通道入滲的旋渦水流，對(duì)蓋層產(chǎn)生旋吸力。蓋層所受破壞作用不斷變化及疊加，軟化后與重力加載作用促使泥卵石層崩解塌落形成土洞或擴(kuò)大土洞，發(fā)展到一定規(guī)模接近地表時(shí)，蓋層無(wú)法承受重力加載而自然冒頂形成巖溶塌陷。

(2)當(dāng)?shù)叵滤簧仙粱規(guī)r與蓋層接觸面(巖土接觸面)附近時(shí)，已充滿開(kāi)口巖溶空腔，對(duì)蓋層的氣蝕破壞作用加強(qiáng)，對(duì)蓋層旋吸力逐漸減弱并消失；在巖土體薄弱部位存在垂直向下入滲的水動(dòng)力和巖土界面存在近水平流動(dòng)的水動(dòng)力，其潛蝕作用產(chǎn)生；蓋層重力破壞作用持續(xù)，促使泥卵石層崩解塌落土洞擴(kuò)大，當(dāng)蓋層土洞發(fā)展到一定規(guī)模接近地表時(shí)，蓋層無(wú)法承受重力加載而自然冒頂形成巖溶塌陷。

(3)當(dāng)?shù)叵滤粡膸r土界面上升至蓋層二元結(jié)構(gòu)界面階段(蓋層含水層段)，上部水體入滲逐漸放緩或消失，垂向入滲的水動(dòng)力逐漸減弱或消失，而水平流動(dòng)的水動(dòng)力對(duì)蓋層的潛蝕作用逐漸加強(qiáng)，蓋層中具有空腔的土洞內(nèi)部高壓進(jìn)步加強(qiáng)至峰值，與重力作用逐漸抵消一部分，并隨地下水位抬升，產(chǎn)生了對(duì)蓋層的浮托力，因此蓋層逐漸趨于穩(wěn)定，地面塌陷形成逐漸放緩。

(4)當(dāng)?shù)叵滤簧仙辽w層二元結(jié)構(gòu)界面時(shí)，地下水受上部水體補(bǔ)給結(jié)束，水平流動(dòng)的水動(dòng)力對(duì)蓋層的潛蝕破壞作用繼續(xù)加強(qiáng)，蓋層中具有空腔的土洞內(nèi)部高壓達(dá)到峰值，高壓托頂應(yīng)力(對(duì)蓋層的浮托力)通過(guò)蓋層孔隙等通道逐漸緩慢釋放，與蓋層重力加載平衡，因此蓋層基本趨于穩(wěn)定，地面塌陷發(fā)生的可能性減小。

4.1.2地下水下降過(guò)程

其過(guò)程是隨水位下降而對(duì)頂部蓋層不斷減壓吸蝕破壞的過(guò)程，同時(shí)伴隨其他破壞作用。

(1)當(dāng)?shù)叵滤幌陆抵辽w層二元結(jié)構(gòu)界面時(shí)，蓋層中具有空腔的土洞內(nèi)高壓從峰值開(kāi)始減弱，對(duì)蓋層的浮托力開(kāi)始減弱，水平流動(dòng)的水動(dòng)力對(duì)蓋層的潛蝕破壞作用開(kāi)始放緩，蓋層平衡狀態(tài)開(kāi)始破壞，因此蓋層具有欠穩(wěn)定發(fā)展趨勢(shì)，但此時(shí)地面塌陷發(fā)生的可能性較小。

(2)當(dāng)?shù)叵滤粡纳w層二元結(jié)構(gòu)界面下降至巖土界面階段(蓋層含水層段)，蓋層中具有空腔的土洞內(nèi)部高壓氣蝕破壞作用逐漸減弱至消失，負(fù)壓吸蝕破壞作用產(chǎn)生并逐漸加強(qiáng)，蓋層土體逐漸脫水，對(duì)蓋層的浮托力隨地下水位下降而逐漸消失，水平流動(dòng)的水動(dòng)力潛蝕破壞作用逐漸減弱。蓋層受吸蝕破壞作用增強(qiáng)，與重力加載破壞作用疊加，促使泥卵石層崩解塌落形成土洞或擴(kuò)大土洞，土洞發(fā)展到一定規(guī)模接近地表時(shí)，蓋層無(wú)法承受重力加載而自然冒頂形成巖溶塌陷。

(3)當(dāng)?shù)叵滤幌陆抵粱規(guī)r與蓋層泥卵石接觸面(巖土接觸面)附近時(shí)，具有空腔的地下開(kāi)口溶洞、暗河等內(nèi)部真空負(fù)壓繼續(xù)加強(qiáng)，對(duì)蓋層吸蝕破壞作用加強(qiáng)，并與巖土界面近水平流動(dòng)的水動(dòng)力潛蝕破壞作用、蓋層重力加載破壞作用疊加，促使泥卵石層崩解塌落形成土洞或擴(kuò)大土洞，當(dāng)土洞發(fā)展到一定規(guī)模接近地表時(shí)，蓋層無(wú)法承受重力加載而自然冒頂形成巖溶塌陷。

(4)當(dāng)?shù)叵滤粡幕規(guī)r與蓋層接觸面下降至最低地下水位階段(巖溶空腔段)，真空吸蝕破壞作用持續(xù)加強(qiáng)至峰值，與蓋層重力加載破壞作用疊加，蓋層中土洞持續(xù)擴(kuò)大，土洞發(fā)展到一定規(guī)模接近地表時(shí)，蓋層無(wú)法承受重力加載而自然冒頂形成巖溶塌陷。

4.1.3地下水循環(huán)交替過(guò)程

地面塌陷是在多期次的地下水循環(huán)往復(fù)的交替過(guò)程之后產(chǎn)生的，每一個(gè)循環(huán)周期都經(jīng)歷著水流潛蝕、高壓氣蝕、負(fù)壓吸蝕、下滲旋吸、土體軟化、蓋層重力加載等作用。通過(guò)每一個(gè)地下水升降過(guò)程對(duì)蓋層破壞作用的不斷積累，在各種破壞作用疊加的效應(yīng)下，地下土洞形成并不斷擴(kuò)大，當(dāng)蓋層難以承受重力加載，逐漸冒頂塌落形成塌陷。從圖5得知，在大循環(huán)過(guò)程中存在著多個(gè)小循環(huán)，地下水位變化相對(duì)較小，小循環(huán)過(guò)程可促使所在大循環(huán)某一階段破壞作用效應(yīng)加劇。

當(dāng)?shù)叵滤辉谙陆颠^(guò)程的巖溶空腔段與上升過(guò)程的含水層段時(shí)，多種破壞作用表現(xiàn)強(qiáng)烈，此階段極易發(fā)生地面塌陷，如1978年所處下降過(guò)程巖溶空腔段，1982年、1998年所處上升過(guò)程含水層段，都表現(xiàn)出塌陷坑出現(xiàn)峰值現(xiàn)象。當(dāng)?shù)叵滤辉谏w層二元接觸面時(shí)，破壞作用表現(xiàn)較弱，地面塌陷發(fā)生的可能性較小。當(dāng)?shù)叵滤辉趲r土界面附近時(shí)，巖土結(jié)構(gòu)比較脆弱，潛蝕破壞作用極度強(qiáng)烈，但一般歷時(shí)相對(duì)較短，發(fā)生地面塌陷的可能性也較大。

4.2降雨因素分析

通過(guò)歷年降雨量與歷年地下水位相關(guān)性分析(圖6)，研究大氣降雨是如何影響地下水位循環(huán)交替引發(fā)巖溶塌陷。造成地下水位降低一般為持久干旱、地下水抽采和巖溶自然漏水，但蓮花縣城區(qū)不存在后兩者現(xiàn)象，因此造成地下水位下降主要是持久干旱產(chǎn)生的，而強(qiáng)降雨下滲補(bǔ)給是造成地下水位升高的主要因素。

圖6 蓮花縣城區(qū)降雨量與地下水位關(guān)系圖

依據(jù)降雨量與地下水位動(dòng)態(tài)變化的相關(guān)性分析，地下水位變化與降雨量變化基本一致。一般豐水年地下水位較高，枯水年地下水位偏低，且年水位高峰值或低谷值與年降雨量高峰值或低谷值總體具有滯后2～4個(gè)月；地下水位與過(guò)程降雨量的關(guān)系十分明顯，過(guò)程降雨量歷時(shí)長(zhǎng)短與降雨量大小相互影響著地下水位變化，當(dāng)歷時(shí)短且降雨量大時(shí)，地下水位加速上漲，當(dāng)歷時(shí)長(zhǎng)且降雨量小時(shí)，地下水位加速回落，當(dāng)長(zhǎng)期零降雨時(shí)，地下水位降落至低谷，均與降雨過(guò)程有一定滯后性，一般滯后數(shù)天至數(shù)周。

地面塌陷主要高發(fā)于1998年、1982年、1978年等，其中1998年、1982年屬豐水年，1978年屬枯水年，與地下水位劇烈變化高發(fā)年基本一致，在降雨量高峰或低谷的年分時(shí)地面塌陷發(fā)生的可能性較大；在高發(fā)年或相對(duì)高發(fā)年后均有3～4 a相對(duì)平穩(wěn)期，此階段年降雨量較平穩(wěn)，基本未出現(xiàn)大澇大旱年份，從圖5、圖6中也可以看出此規(guī)律。

從蓮花縣城區(qū)地面塌陷發(fā)生前的10 d過(guò)程降雨量特征看，有63%的地面塌陷發(fā)生在10 d過(guò)程降雨量大于60 mm的過(guò)程之后，有16%的地面塌陷發(fā)生在10 d過(guò)程降雨量為20～60 mm的過(guò)程之后，有21%發(fā)生在零降雨過(guò)程，因此過(guò)程降雨量直接或間接影響著地面塌陷的發(fā)生。

蓮花縣城區(qū)強(qiáng)降雨期地下水位上升，持久干旱期下降至地下溶洞、暗河底部，經(jīng)過(guò)多期次降雨—干旱氣候變化過(guò)程，與之產(chǎn)生多期次地下水位循環(huán)交替動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。在這種變化過(guò)程中因降雨強(qiáng)度影響地下水位頻繁升降波動(dòng)產(chǎn)生了壓強(qiáng)變化、入滲變化、潛流變化、土體軟化等，并對(duì)開(kāi)口溶洞、開(kāi)口溶隙、土洞等空腔上覆土體(蓋層)產(chǎn)生水流潛蝕、高壓氣蝕、負(fù)壓吸蝕、入滲旋吸及蓋層土體軟化、自重加載等破壞作用，各種破壞作用的疊加及多個(gè)過(guò)程的累積，促使蓋層土體不斷崩解塌落，形成地下土洞或土洞逐漸擴(kuò)大，當(dāng)蓋層變薄后難以承受自重及加載而發(fā)生地面塌陷。由于地下水位變化在降雨后有一定的滯后性，一般巖溶塌陷主要發(fā)生在強(qiáng)降雨結(jié)束后期和持久干旱末期。所以，降雨是巖溶塌陷的主導(dǎo)促發(fā)因素。

4.3人為因素分析

蓮花縣城區(qū)有4處巖溶塌陷發(fā)生在農(nóng)田內(nèi)，農(nóng)田囤水造成土體軟化，地表水體下滲，潛蝕作用增強(qiáng)，下伏有開(kāi)口溶洞的松散土體中土洞擴(kuò)展加快，當(dāng)頂板蓋層重力加載大于其抗剪強(qiáng)度時(shí)，從而形成地面塌陷；因建筑加載和汽車振動(dòng)誘發(fā)的地面塌陷有2處 ，當(dāng)土洞頂部松散覆蓋層無(wú)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)地面塌陷；當(dāng)振動(dòng)頻率與土洞頂部蓋層固有頻率一致時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，引發(fā)地面塌陷。因此，農(nóng)田囤水耕作，地表加載與震動(dòng)也是誘發(fā)巖溶塌陷的因素之一，人為因素誘發(fā)地面塌陷均是在自然形成的極淺土洞或溶洞突然破壞欠穩(wěn)定狀態(tài)的情況下發(fā)生的。

5 結(jié)論及建議

(1)地下水循環(huán)交替周期升漲與降落過(guò)程中不同階段表現(xiàn)出對(duì)蓋層的水流潛蝕、高壓氣蝕、負(fù)壓吸蝕、下滲旋吸及蓋層軟化、重力加載等破壞作用特征不同，并相互影響產(chǎn)生疊加效應(yīng)，一般經(jīng)多期次地下水循環(huán)交替，土洞持續(xù)擴(kuò)大，當(dāng)蓋層變薄難以承載自重力和地表加載形成地面塌陷。

(2)研究區(qū)地下水循環(huán)交替是引發(fā)巖溶塌陷的主要因素，而過(guò)程降雨強(qiáng)度直接影響著地下水動(dòng)態(tài)變化。當(dāng)?shù)叵滤辉谙陆颠^(guò)程的巖溶空腔段與上升過(guò)程的含水層段時(shí)，多種破壞作用表現(xiàn)強(qiáng)烈；當(dāng)?shù)叵滤辉趲r土界面附近時(shí)，巖土結(jié)構(gòu)較脆弱，潛蝕破壞作用強(qiáng)烈；強(qiáng)降雨過(guò)程后、持久干旱末期發(fā)生地面塌陷的可能性也較大。

(3)研究區(qū)有必要進(jìn)行詳細(xì)的巖溶空洞、暗河探查，采取鉆探、物探等勘查手段詳細(xì)查明地下巖溶空腔分布范圍、規(guī)模、埋深、蓋層等特征，劃分工程建設(shè)區(qū)段等級(jí)，指導(dǎo)城市規(guī)劃與工程建設(shè)活動(dòng)。隨著地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)研究的深入與進(jìn)展，研究區(qū)可率先建立巖溶塌陷預(yù)報(bào)機(jī)制，根據(jù)地域巖溶發(fā)育特征及成災(zāi)機(jī)理分析研究預(yù)警等級(jí)，為指導(dǎo)和服務(wù)巖溶塌陷預(yù)警預(yù)報(bào)工作。

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KarstcollapsedevelopmentalconditionsandgeneticanalysisintheurbanareaofLianhuaCounty，Jiangxi

LIU Jianbing1, 2，HUANG Yongquan1，YANG Man1，WEI Hongbo1，CHU Xiaodong1

(1.Geo-environmentalMonitoringStationofJiangxi，Nanchang,Jiangxi330095，China；2.JiangxiDongtuGeologicalEnvironmentalEngineeringCo.,Ltd，Nanchang,Jiangxi330012，China)

Articles comprehensive analyzed karst geological profiles and geological drilling samples against karst development features, strength, quaternary cover layer thickness, material composition and groundwater dynamic conditions. According to Lianhua county karst collapses trend rainfall capacity and groundwater level records. Results shows that: Lianhua county karst collapse mainly are by these damage additive effects flow under erosion, high pressure gas erosion, negative pressure suck erosion, infiltration cyclonic convey, soil softening, and gravity loading. Underground water level cycling intense are main cause, rainfall capacity directly affect with groundwater dynamic variation; Groundwater stage performance on cover layer of various damage, Generally collapse after several period times of groundwater cycling; Others due to holding water in farmland, ground loads or vibration-induced. This study results not only can be reference to ground subsidence disaster forewarning, forecast and prevention, but also to the other southern karst area.

karst collapses；conditions；analysis；underground water dynamic change；Lianhua County

P694

A

1003-8035(2017)03-0058-08

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.03.09

2016-09-30;

2016-12-06

國(guó)土資源大調(diào)查項(xiàng)目:縣(市)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃(200316000013)；國(guó)土資源大調(diào)查項(xiàng)目:江西省重點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警示范(1212010541103)

劉建兵(1981-)，男，江西豐城人，本科，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)及生態(tài)環(huán)境方面的調(diào)查、評(píng)價(jià)與研究工作。E-mail：137270413@qq.com