巖溶塌陷形成的動(dòng)力因素

巖溶塌陷受到各種自然或人為的動(dòng)力因素的作用而產(chǎn)生。

(一)巖溶地下水的作用： 

巖溶地下水的活動(dòng)在巖溶塌陷的形成中具有多種作用，是一種十分重要的動(dòng)力因素，可以在自然條件下由于氣候季節(jié)的干、濕變化引起，也可以由于人工抽水、礦坑排水、水庫(kù)蓄水、引水、灌溉和給排水工程的滲漏引起。

1．溶蝕作用

水對(duì)可溶巖的溶蝕過(guò)程極為緩慢。據(jù)觀測(cè)計(jì)算，我國(guó)巖溶區(qū)其溶蝕量每千年為數(shù)十至百余毫米。作為巖溶塌陷基礎(chǔ)的巖溶洞隙都是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期中形成。但在石膏、巖鹽類巖石分布地區(qū)，因采礦、水庫(kù)興建或其它人類活動(dòng)的影響可使其產(chǎn)生強(qiáng)烈的溶蝕作用，使新巖溶快速發(fā)育，為塌陷提供必要的條件。

2．改變土體的狀態(tài)

巖土體中含水量隨地下水位的升降而變化，含水量的增加一方面使巖土體的重度增大，如達(dá)到飽和，重度可增加約15～25％；另一方面對(duì)于粘性土因塑性狀態(tài)發(fā)生變化而使其變軟，強(qiáng)度降低。這些變化將使洞隙頂板的力學(xué)平衡狀態(tài)惡化。

3．地下水的浮托作用

處于地下水位以下的巖土體都受到地下水浮托力的作用。當(dāng)水位上升，浮托力按其增加的水頭值增大，產(chǎn)生正壓效壓，如上復(fù)蓋層較薄、上升水頭較高時(shí)，就可能頂破蓋層產(chǎn)生塌陷；當(dāng)水位下降時(shí)浮托力消減，對(duì)于不透水的粘性土或砂土，其消減值為全部的下降水頭或(0．6—0．7)倍下降水頭，其作用相當(dāng)于使蓋層增加一個(gè)同值的附加荷載，對(duì)于粘性土一般可達(dá)到其自重的40％左右。這樣可使蓋層的穩(wěn)定性降低甚至直接導(dǎo)致失穩(wěn)塌陷。

4．地下水的滲透潛蝕作用

潛蝕作用是指地下水流在其流徑上對(duì)土、巖顆粒產(chǎn)生的動(dòng)水壓力使其移動(dòng)帶走的作用，動(dòng)力水的大小取決于地下水的坡降，產(chǎn)生潛蝕作用的起始水力坡降稱為臨界水力坡降，它的大小取決于土的組成成分與結(jié)構(gòu)，一般粘性土因其具有凝聚力，比砂性土要大。

沿著巖溶地下水流方向上的水平滲透潛蝕，在自然條件下因其水力坡降較小一般不易產(chǎn)生，主要出現(xiàn)于人工抽排水巖水位急劇下降的過(guò)程中，這時(shí)地下水的坡降流速增大，從而對(duì)巖溶洞隙通道中的松散充填物和復(fù)蓋會(huì)產(chǎn)生潛蝕、沖刷和淘空作用。其結(jié)果，巖溶洞隙充填物被帶走，在復(fù)蓋層底部的洞隙開(kāi)口處形成空洞，成為土洞的雛形。并在巖溶水位下降到基巖頂板之前繼續(xù)受到潛蝕、沖刷而逐漸擴(kuò)展。

在雙層含水層結(jié)構(gòu)分布地區(qū)。潛水或土層水向巖溶地下水的垂向滲透，以及降雨和地表水的垂向入滲，可產(chǎn)生垂向滲透潛蝕作用，這時(shí)入滲水流向著洞隙開(kāi)口處匯聚和集中滲透。這種作用在抽排巖溶地下水水位急速下降的情況下最為顯著，因上復(fù)土層的滲透性比巖溶含水層要小得多，其水位的下降速度也就要慢得多。這樣水位差將隨著巖溶水位的下降而增大，當(dāng)水位降至復(fù)蓋層底板時(shí)，其水力坡度達(dá)到最大(可接近1)，浸蝕作用也最強(qiáng)。在上述作用下土洞不斷向上擴(kuò)展而導(dǎo)致失穩(wěn)塌陷。

5．巖溶地下水位變化引起巖溶洞隙空間的正負(fù)壓力作用

巖溶地下水位上升時(shí)，封閉較好的巖溶洞隙空間的氣體受壓形成高壓氣團(tuán)，對(duì)其周圍的巖土體產(chǎn)生正壓作用，當(dāng)蓋層較薄時(shí)，可沖破蓋層巖土體，形成氣爆，造成塌陷。這類塌陷稱之與沖爆塌陷，主要見(jiàn)于巖溶山地地下河的通道上。

巖溶地下水位大幅度下降可在封閉的巖溶洞隙空間產(chǎn)生負(fù)壓，對(duì)復(fù)蓋層土體產(chǎn)生附加吸力而使其遭到吸蝕剝落并向下遷移。對(duì)于上復(fù)土體中所含的水，負(fù)壓使其增加了向下滲透的附加水頭，從而加劇了對(duì)土體的潛蝕作用，加速土體的破壞和土洞的形成和擴(kuò)展。負(fù)壓的大小取決于復(fù)蓋層的封閉程度和水位的下降速度，在安全封閉條件下，其理論最大值為一個(gè)大氣壓，實(shí)際上復(fù)蓋層的封閉性只是相對(duì)的，地下水位下降速度除礦坑突水驟降外一般也是較緩慢的。因此其作用有限，完全由負(fù)壓吸蝕產(chǎn)生的塌陷只有在極特殊的條件下才有可能出現(xiàn)。

6．巖溶地下水位波動(dòng)的散解作用

巖溶地下水位波動(dòng)使巖溶洞隙上復(fù)蓋巖土體處于頻繁的干濕交替狀態(tài)，使其發(fā)生崩解和剝落，促進(jìn)土洞的發(fā)育和擴(kuò)展。形成于地下水位波動(dòng)帶中的土洞除了入滲水流的潛蝕作用外主要與此種作用有關(guān)。

7．巖溶地下水的水擊作用

巖溶管道中的地下水流經(jīng)常處于不穩(wěn)定狀態(tài)，管道中因塌陷物的堵塞或充填物的沖決，使水流速度突然變化，水流的動(dòng)能將轉(zhuǎn)化為壓力，形成一種向來(lái)水方向傳播的彈性波即水擊波，從而產(chǎn)生水擊作用，沖擊巖溶洞隙管道系統(tǒng)，引起與之相通的上方復(fù)蓋巖土體的擊穿與塌陷。據(jù)計(jì)算，巖溶管道中水流速度突然降低1m/s時(shí)，產(chǎn)生的水擊壓力可達(dá)到120m水頭以上，可見(jiàn)其力之大。

8．地下水的侵蝕和搬運(yùn)作用 

在洞隙管道中流動(dòng)的地下水，一般具有和地表水一樣的侵蝕作用，而且由于管道系統(tǒng)形態(tài)的曲折多變，多有渦流形成而具有很強(qiáng)的沖蝕、掏蝕能力。在洞隙的開(kāi)口處，對(duì)上復(fù)土層的侵蝕�？尚纬赏炼措r形，并參與土洞的擴(kuò)展過(guò)程。 淺部巖溶洞隙常有松散沉積物充填，由于水動(dòng)力條件的改變，地下水水力坡降加大，流速加快，這些充填物被遷移搬運(yùn)，并在塌陷發(fā)育過(guò)程中不斷將塌落物質(zhì)帶走，這樣塌陷才能不斷發(fā)展，直至達(dá)到新的平衡。

(二)降雨及表水(庫(kù)水、灌溉水、渠運(yùn)管道滲漏水、建筑物地面排水等)的入滲作用

入滲水流對(duì)塌陷的形成有以下幾方面的作用：

1．洞隙蓋層巖土體充水增重和軟化作用；

2．垂直滲透潛蝕作用

3．地下水位上升使巖溶洞隙空間氣團(tuán)受壓產(chǎn)生正壓力

4．水庫(kù)蓄水庫(kù)水對(duì)庫(kù)盤(pán)的靜水壓力形成附加荷載。

(三)河、湖近岸地帶的側(cè)向倒灌作用

河、湖近岸地帶多有階地發(fā)育，普遍分布著孔隙潛水與巖溶水組成的雙層含水介質(zhì)。一般情況下地下水向河、湖排泄。其水位隨河、湖水位的起落而波動(dòng)。但在汛期洪水位急劇上升的情況下，河、湖水將向地下水產(chǎn)生側(cè)向倒灌，地下水位隨之上升。這時(shí)巖溶地下水對(duì)洞隙上復(fù)蓋層土體產(chǎn)生正壓力或使浮托力增大。在洪水位迅速回落時(shí)，巖溶地下水位由于其逕流較通暢亦隨之很快下降，對(duì)洞隙上復(fù)蓋層的浮托力很快消減，而潛水位因滲透性相對(duì)較弱下降較緩慢，使?jié)撍�位與巖溶水位之間的雙層水位差增大，從而通過(guò)洞隙開(kāi)口處從潛水含水層向巖溶洞隙產(chǎn)生垂向的滲透潛蝕作用，在蓋層中形成土洞進(jìn)而擴(kuò)展塌陷。這種現(xiàn)象稱之為洪水倒灌潛蝕塌陷，簡(jiǎn)稱為洪水塌陷，一般在自然條件下即可形成，如有人為因素的疊加，可加快塌陷的發(fā)展速度。

(四)地震與振動(dòng)作用

我國(guó)屬多地震國(guó)家，在巖溶地區(qū)的《地方志》中就不乏地震引起塌陷的記載，近年來(lái)的唐山、海城等地震都有產(chǎn)生塌陷的實(shí)例。地震對(duì)塌陷的形成主要有兩方面的作用：地震力使洞隙蓋層巖土體產(chǎn)生破裂、位移形成塌陷；洞隙上復(fù)淺埋的松散飽水細(xì)粒砂層“液化”而形成塌陷，砂土液化是指飽水松散砂、土在震動(dòng)作用下有變得緊密的趨勢(shì)，導(dǎo)致其孔隙水壓力驟然升高，砂粒間接觸點(diǎn)上傳遞的壓力減小甚至消失，這時(shí)砂粒之間就會(huì)脫離接觸而完全懸浮于水中像液體一樣流動(dòng)的作用和現(xiàn)象，其特點(diǎn)是伴隨有噴水冒砂現(xiàn)象。

除了構(gòu)造地震外，巖溶區(qū)的塌陷地震和大型水庫(kù)蓄水誘發(fā)的塌陷地震時(shí)有發(fā)生，一般其強(qiáng)度較低，為1—2級(jí)，影響范圍較小，不致于引起塌陷，但在特殊情況下也可產(chǎn)生塌陷。如桂林柘木鎮(zhèn)漓江岸邊的地下河出口處管道頂板基巖中產(chǎn)生一直徑約35米的塌陷，并出現(xiàn)地震效應(yīng)。受地震力的沖擊并因管道堵塞水流突然受阻產(chǎn)生的水擊效應(yīng)，使柘木鎮(zhèn)階地地面出現(xiàn)噴水冒砂及數(shù)十個(gè)塌陷，塌陷的散布范圍達(dá)350米以外。

人為的爆破和車輛振動(dòng)，也可造成洞隙頂板的塌落而形成塌陷，主要見(jiàn)于隱伏土洞發(fā)育地區(qū)，這些土洞頂板已接近極限平衡狀態(tài)，在強(qiáng)度不大的振動(dòng)力使用下產(chǎn)生附加荷載效應(yīng)而導(dǎo)致塌陷。 

(五)重力和荷載作用

重力是在塌陷形成過(guò)程中自始至終起作用的一種內(nèi)力、自然條件下的基巖塌陷都是以重力作用為主導(dǎo)而產(chǎn)生的。隱伏土洞的突然塌陷，大多也是土洞在多種因素作用下不斷向上擴(kuò)展，直到土洞頂板在重力作用下其強(qiáng)度難以支承而失穩(wěn)塌落。

荷載產(chǎn)生附加壓力，其作用與重力作用類似。荷載壓穿洞隙或土洞頂板引起塌陷主要見(jiàn)于頂板接近于極限平衡狀態(tài)的隱伏土洞地區(qū)。

(六)酸堿液的化學(xué)潛蝕作用

在現(xiàn)代人類經(jīng)濟(jì)工程活動(dòng)中，廢酸堿液的排放日益增多，它對(duì)巖溶地區(qū)的巖土體產(chǎn)生強(qiáng)烈的溶蝕和潛蝕破壞作用，大量溶解帶走可溶性物質(zhì)，改變巖土結(jié)構(gòu)，降低強(qiáng)度，導(dǎo)致塌陷。