黄土落水洞及其发展之间规律的研究

张国明 董兰凤

【摘要】落水洞是地表水流入地下的进口，表面形态与漏斗相似，是地表及地下岩溶地貌的过渡类型。通过调研和查阅相关资料发现落水洞极易在黄土地区形成，并且在我校萃英山就分布着大量的落水洞。长久以来，与落水洞相关的工程事故时有发生且危害显著。本项目组通过研究落水洞特征与其发展之间的规律关系从而有效的预测落水洞的孕育情况。统计分析大量的数据后建立起科学的模型，并且找到了倾角与深度的关系，描述了其规律关系，以此来预测落水洞的孕育及发展情况，并进一步提出防治建议。

【关键词】落水洞；倾角；深度；面积

一、引言

对落水洞的研究学者不在少数。有关黄土落水洞的成因、形成机理等间题，前人已有不少论述。本文以甘肃省兰州市榆中县翠英山上的黄土落水洞为例，测量其特征参数，通过统计学的方法，分析其特征之间的规律关系，以及这些特征与其发展之间的关系，并且分析其成因。黄土落水洞，是黄土高原常见的一种常见的地貌，大小深浅各异，形态多样。

二、实验区域的选择以及数据的获取

2.1 实验区域的选择

本研究依托的俩个实验区域分别分布在兰州市榆中县的翠英山的防空洞的南侧和北侧。这俩个区域的落水洞分布比较集中，类型较为丰富，特征较为明显。

2.2 数据的测量

经过大量的前期工作，本研究针对落水洞的洞口的横向长度以及纵向长度、深度、倾向、倾角、面积进行了测量。在测量的过程中较为创新的借助了CAD以及fortran，极大地提高了数据的准确性，客观性，同时也提高了工作效率。测量长度的方法是在拍照的时候法放上直尺或者笔，将照片导入到CAD中，测得所放置的物体在图片中的长度以及测得落水洞的长度，然后通过游标卡尺测得所放物体的实际长度，从而换算出比例尺，然后算出落水洞的实际长度。

测量面积时将洞口按实际形状分成多边形，并且将其细化的分成三角形，然后按照测量长度的方式测出每个三角形的每个边的实际长度，通过fortran编写程序计算出洞口面积。

三、数据分析

研究过程共采集数据80多组，经分析对比，选定25组实验数据进行研究。

3.1 数据分析

在数据处理过程中，经过数据的比对，通过散点图可以看看出，落水洞的倾角和洞深是有着极大的关系的。洞深除了倾角以外还受洞的年龄的影响。为了控制年龄，在实验数据处理时特别找出六个分布距离较近，洞内植物类别以及长势大致相同的洞的数据进行统计。

落水洞的深度和洞口的倾角关系是极大的，落水洞洞口的倾角受其所在地形的坡度的影响。并且坡度大的地形下形成的落水洞深度比较浅。

3.2 实验数据的分类

为了研究的需要，将数据分成了五种类型，并统了计各个类型占总数据的比重。

可以看出在倾斜的地形下落水洞的分布密度比较大。

四、落水洞的分布及发展类型

在翠英山实地考察后，将落水洞的分布分成俩种情况。

4.1 落水洞分布在较为水平的地形上。

此时落水洞的洞口一般是水平的，洞的深度沿着垂直方向成长。一般在形成初期洞口较小，随着不断的积水，不断的下陷，落水洞会向四周生长，从而造成内部的空虚，最后形成塌陷。具体的

塌陷和生长方向和地形式有关系。大致可以分为三种情况。

4.1.1 落水洞所在地局部水平

在此情况下，生长方向大致与相对整体的地形走势相同。在相对整体地形较为连续的情况下，这时的落水洞深度相对较浅，反而会顺着相对地形的走势形成暗洞，最终在相对不连续的地形形成出口，也就是另一个伴生落水洞。在相对整体地形连续长度比较长时容易塌陷并形成较长的沟壑，沟壑深度往往会和局部水平地形相对相对整体地形的高度有关。

在此种情况下，当黄土的湿陷性连续的情况下，容易不断的向四周发展，最终形成较大面积的塌陷，此时深度一般比较浅。图五的洞口底部和上边的植被类型基本相同，由于荒漠生态系统植被、土壤及其相关性特征必将会因立地类型、群落特征而存在差异，因此类比可以知道洞口底部和

上面的土壤环境相近，即黄土的湿陷性连续。

在黄土不连续的情况下，形成的落水洞洞口相对比较小，落水洞一般垂直生长，前期会有相对明显的垂直剪理，在后期也会伴随想着四周生长的趋势，但是一般不明显，最终形成的洞比较深，倘若在下层地层有倾角，会顺着走势形成暗洞，造成下层土壤液化，从而容易导致较大面积的滑坡的发生。

4.2 洞口所在地形倾斜

这时洞口一般是倾斜的，生长方向和地形倾斜的角度基本一致，落水洞一般深度比较浅，多分布在山坡上，成珠串状分布，塌陷后会形成沟壑。

4.3 洞口倾斜与洞口水平一起出现

上一个落水洞的出水的口很可能会出现在洞口水平的落水洞内壁，从而会使水平落水洞的深度持续加深。

4.4 落水洞的生长

在水的作用下，落水洞会形成二次发育，这种类型的落水洞，一般位于较为倾斜的地方，且在汇水面较容易出现，水流顺势而下，流入到落水洞，在流水的一侧一般会加深。特征为，有着流水明显冲刷的痕迹，且在痕迹的一侧有着明显的深度生长，位于水平面上的落水洞生长则一般较为均匀。

五、成因分析

5.1 湿陷性黄土

5.1.1 对萃英山黄土类型的判定

在一定压力下受水浸湿，土的结构迅速破坏并产生显著附加下沉的黄土叫湿陷性。湿陷性黄土的主要特征，可归纳为：黄色是基本色调，通常为黄褐、褐黄、灰黄、棕黄等颜色；含盐量较大，特别是碳酸盐含量尤为突出，另外硫酸盐、氯化物等含量也都比较高；矿物组成主要为石英、粘土矿物等；一般具有大孔性，大孔隙常常肉眼可见。孔隙比常在1.0左右，呈松散结构状态；在天然剖面上，具有垂直节理；具有湿陷性。湿陷性黄土由于它的特定生成环境、发生原因，地质历史、埋萃产状、地理地貌位置、气候条件、物质成分，尤其是它的特殊的结构，特殊的组成情况等等，致使压力和水的作用下发生湿陷班象，产生湿陷变形。经过特征对比，可以确认实验区萃英山包含湿陷性质黄土和非濕陷性质黄土。

5.1.2 对萃英山黄土的分析

湿陷程度强弱不一的黄土体在浸水以后，湿陷性强的土单元会因湿陷产生松弛，作用在其上的应力将部分分担给周边湿陷性弱的土单元，也即湿陷时会产生应力重新分布，湿陷性弱的土单元最终将承担更大的上覆应力，湿陷性强的土单元承担更少的上覆应力。吸水后黄土颗粒结构会迅速变化，由粗颗粒变成细颗粒，由质地疏松进而变化为质地紧密，因此体积会变小，与此同时位于水平地形的湿陷性黄土吸水后湿陷性降低，从而会承担更大的应力，因此这部分黄土会下沉，从而形成落水洞，在后续水的作用下，这部分黄土的湿陷性程度逐渐降低，承受的应力不断变大，于是洞会越来越深。

洞壁上部由湿陷性黄土组成时，湿陷性黄土是一种土质疏松孔隙、裂隙发育，主要由粉粒组成的特殊土，其细微颗粒遇水极易崩解并遭受潜蚀被水流带走。黄土中含大量的可溶盐，如CaC03当遇到含有CO2的水时，就会变成可溶性的Ca（HCO3）2从而发生溶蚀作用，破坏黄土的内部结构，使之变得更加松散，加大对地表水的渗透，增强渗流作用的能力和机械潜蚀。这时的落水洞会向四周生长，最终造成大面积的塌陷。

5.2 水动力作用

萃英山地势陡峭，因此当降水后产生的流水具有可观的动能。大雨、高强度暴雨及持续性降雨对洞穴的发育有很大影响，高强度和短历时的雨、暴雨，有利于地表徑流汇集和冲刷，因而有利于沟蚀和洞穴的发育；在山坡上可以冲刷形成串珠状的落水洞。长历时的持续性降雨，有利于径流下渗，尤其是沿黄土裂隙或裂缝中和不同土层间水分增多时，很容易形成陷穴侵蚀和坡、崩塌等重力侵蚀。在这时流水会在较为水平的汇水面聚集，进而造成落水洞水平落水洞的垂直形成。当平面是局部水平的时候，在水的渗流作用下，一般会形成暗洞，或者在薄弱的环节，形成出水洞。

黄土的湿陷性在水的作用下才能表现出来，二者在落水洞的成型过程中缺一不可。

5.3 地形的作用

地形在黄土的成型过程中，对其形态发育方向有着极大的影响。在水平地下一般落水洞会垂直发展，在坡度较大的地形时一般会形成串珠状落水洞。地形主要通过改变水的径流方向来影响落水洞的成型。

六、结论

6.1 落水洞所在地局部水平

当相对整体地形较为连续，一般会顺着相对整体地形的坡度形成较长的暗洞。最终造成另一地方的沉降。洞的深浅往往受局部水平地形的相对高度制约。

当相对整体地形不连续时，极易在端口出形成出水洞口。

6.2 当落水洞所在地相对水平

黄土湿陷性连续时，这时洞会向四周扩散，一般较浅，最后形成大面积的塌陷。洞较浅

当黄土湿陷性不连续的时，一般会垂直向下发育，洞口较小，洞深较深。

6.3 落水洞所在地倾斜的时候

这时一般会形成珠串状落水洞，洞较浅。

参考文献：

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[4]郑建国，邓国华，刘争宏，陈冉升，范寒光，李开超，黄土湿陷性分布不连续对湿陷变形的影响研究岩土工程学报2015第37卷第1期P165-1701000-4548

[5]张世武，韩庆宪，白晓华，黄土落水洞的初步研究，中国水土保持1992第6期P22-23，491000-0941

作者简介：张国明，男，1996-，本科，兰州大学地质工程专业。