老厂镇木登硐村岩溶塌陷成因机制分析

许汉华，刘文连，槐以高，眭素刚，陈 磊，廖绍忠，丁 飞

(中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 前 言

岩溶塌陷是指岩溶洞隙上方的岩、土体在自然或人为因素作用下引起变形破坏，并在地面形成塌陷坑或洞的一种岩溶动力地质作用与现象[1]，是岩溶洞穴、上覆沉积物及地下水，构成固体、液体及气体三相力学平衡体系，地下水位变动达到一定幅度，平衡破坏，上覆松散沉积物突然塌落，形成上大下小的圆锥形塌陷坑[2]，是岩溶地区的主要地质灾害之一。在岩溶塌陷的成因机理方面，绝大多数的岩溶塌陷都是发生在地下水动力条件剧烈变化的情况，国内学者将其成因归纳为潜蚀成因、崩解成因、真空吸蚀成因、气爆成因等[3]。

岩溶塌陷不但对社会安定及发展带来严重危害，而且也给人民的生命财产安全造成严重威胁。同时，在一些岩溶隐患地段，岩溶塌陷的隐性威胁还将长期存在。因此，对岩溶塌陷的演化机理、成因机制、易发性分区评估等进行系统综合研究，具有极其重要的经济价值与社会意义。同时也为促进矿山合理开采治理、科学防灾减灾措施提供参考依据，对土地合理利用和新型城镇化建设提供重要的指导借鉴意义[4]。

2016年6月，云南红河州个旧市发生4.7级地震，受地震影响，产生了多个岩溶塌陷，木登硐村部分房屋开裂，木登硐村需选定适宜震后恢复重建场地。通过在木登硐村开展地面调查、地球物理勘探、水文地质调查等多项工作，对木登硐村岩溶塌陷进行了系统研究，分析了成因机制，为评价木登硐村震后场地适应性和震后恢复重建场地选址提供参考依据。

1 研究区概况

研究区位于红河州个旧市老厂镇西约3 km的木登硐村，个旧—老厂公路从其西面约500 m处通过，中心地理位置介于东经103(°)09(′)50(″)～103(°)10(′)18(″)、北纬23(°)17(′)30(″)～23(°)18(′)28(″)之间。

研究区属亚热带半湿润高原季风气候，由于海拔高气候寒冷，多年平均气温11.5℃，平均最高气温19℃，平均最低气温-4.2℃。潮湿多雨，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月为雨季，降雨量占全年降雨量的82%左右，而11月到次年4月，降雨量仅占全年的18%左右；区域降水具有随高程的递增而增加的规律，其量值为高程每递增100 m，多年平均降雨量约增加32 mm，多年平均蒸发量为1 180.7 mm。

研究区属红河水系，区内无常年地表迳流，季节性溪流汇入卡房大沟，到斗母阁进入7号暗河后汇入红河。

2 木登硐岩溶塌陷现状

个旧老厂木登硐村岩溶塌陷发生时间长、分布范围广、规模大小不一，据初步调查，截止到 2017年 12月在研究区内共发现17个岩溶塌陷点、2个岩溶洼地 (其中包括2016年5月4日云南红河州个旧市发生4.7级地震新产生的 3个塌陷点)。它们分布于斜坡缓坡平台、斜坡坡脚、垭口、四面环山围限的盆地内等处。目前在研究区发生岩溶塌陷的平均密度高达17.2个/km2，密度之大，已对当地村民房屋安全构成严重危害[5]。

木登硐村的岩溶塌陷分为古塌陷、老塌陷和新塌陷3种类型。古塌陷主要是上世纪50年代以前受自然地理气候条件及地质环境条件控制，一般以自然塌陷为主，据调查该类型塌陷点共计有5个；而老塌陷为上世纪50年代以来，由于有原市属企业促进矿、红旗矿、云锡公司黄茅山化工厂、老厂锡矿等在该村周围地下进行采矿活动，人类工程活动的急剧加强，塌陷发生也频数上升，统计约发生塌陷9起，占塌陷总数的1/2左右；2016年5月4日，木登硐村就因云南红河州个旧市发生4.7级地震，受地震影响，形成新塌陷点3处。

研究区内塌陷平面形态主要有圆形、近圆形、椭圆形3类，其中，岩溶塌陷点规模为直径 0.5～5 m，最大可达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者约占调查总数的56.3% ；洼地有两个，其一为不规则圆形，直径约310 m；另外一个为平面形态呈不规则椭圆形，长约270 m，宽190 m(见图1)。

3 木登硐岩溶塌陷形成机制

3.1 岩溶塌陷影响因素分析

3.1.1 覆盖层条件

研究区覆盖层按新到老出露地层由第四纪残坡积层、人工堆积层和三叠纪中统个旧组卡房段组成[6]。人工堆积层主要是北部木登硐尾矿库中的尾粉土、尾粉砂、尾粉质黏土、尾粉土，尾矿深度1～36 m。残坡积层为棕红色、褐黄色红粘土，局部含5%～15%砾砂，稍湿—湿，可塑—硬塑，结构松散。分布于木登硐洼地及其周边山地斜坡。岩溶洼地内厚1.3～22.3 m，岩溶山地斜坡地带分布不连续，厚度一般小于5 m。三叠系中统个旧组卡房段岩性为灰岩、白云质灰岩、白云岩，灰色，厚层状，岩溶强烈发育，岩石表面较光滑或溶蚀呈平行、放射状“U”型纹沟，地面岩溶形态主要为岩溶洼地、溶沟、小溶洞、溶蚀裂隙，地下岩溶形态主要有溶蚀裂隙和溶洞。据钻探揭露木登硐尾矿库下伏灰岩5.2～14.5 m，中等风化，节理裂隙不发育，岩体中以垂直溶隙为主，钻探揭露岩芯较为完整，以柱状、块状为主。

1 岩溶洼地；2 岩溶塌陷点；3 三叠纪中统个旧组卡房段；4 第四系；5 地层界限

图1个旧老厂木登硐村岩溶塌陷空间分布[5]

3.1.2 地质构造

受断裂构造影响，岩石裂隙破碎，形成地下水运动的主要通道，使具有可岩溶的水深入可溶岩内部，为岩溶发育提供了有利的条件，岩溶发育常与断裂走向一致。背阴山断裂为区域性断裂，断裂走向103(°)，距离木登硐老寨最近距离约680 m，受背阴山断裂影响，研究区岩溶发育方向主要与该断裂走向一致。研究区岩溶发育规律受控于北阴山断裂，岩溶发育规律基本与背阴山断裂走向一致。

3.1.3 地形地貌

地形地貌影响地下水循环交替条件，从而影响岩溶发育规模、速度、类型及空间展布。地面坡度的大小，直接影响降水渗入量的大小。地形平缓地段，降水形成的地表径流缓慢，则渗入量就大，有利于岩溶发育；地面坡度较陡地段，地表径流较快，渗入量小，岩溶发育相对就差。纵观研究区发育14个岩溶塌陷点、2个落水洞、两个岩溶洼地，基本都分布在地形平缓的盆地、斜坡坡脚、斜坡缓坡平台或垭口地段，可见，研究区盆地、斜坡坡脚或垭口地段岩溶较斜坡地段发育。

3.1.4 水文动力条件

木登硐村老寨四面环山，地表雨水由盆地周边山体汇入盆地。盆地地下水类型主要有孔隙水和岩溶水两类。孔隙水分布较广泛，含水层岩性为黏土，含水层间水力联系差，相对独立，主要接受大气降水的补给，富水性较弱。岩溶水含水层岩性以灰岩和白云岩为主，受周边断裂构造影响，岩溶溶蚀较强烈，溶隙呈网状发育，木登硐村四面环山，地形有利于地表雨水的汇集，部分降雨沿地表岩溶凹地，通过断裂、节理裂隙渗透进入地下，岩溶水由西往东方向运动，通过坑下的竖井、斜井联通从坑口排出。

3.1.5 人类工程活动

研究区人类工程活动强烈。据调查，从上世纪50年代开始，先后相继有原市属企业促进矿、红旗矿、云锡公司黄茅山化工厂、老厂锡矿等在该村及周边地区地下进行采矿活动。采矿坑道排水，带走大量泥沙，诱发岩溶塌陷；另外，已经形成的土洞在采矿爆破震动作用下容易导致岩溶塌陷。据现场调查，研究区形成时间在40年前的岩溶塌陷点及形成时间超过80年的落水洞都沿2000中段地面投影线附近分布；1800中段地面投影线穿过洼地，据现场调查，该洼地形成时间超过80年。

3.1.6 地震

根据个旧地区地震资料统计，自1500年至1980年，共发生震级在5～5.5级地震4次，集中发生在1926-1945年间，震中位置北纬23(°)04(′)～23(°)05(′)，东经103(°)01(′)，均在南北向断裂带上。而1950年9月13日发生有5.8级地震，震中位置位于个旧北西花岗岩与围岩接触带上。2016年5月4日，云南红河州个旧市发生4.7级地震，三个新的塌陷点为该地震作用下形成的岩溶塌陷，并且部分房屋受损开裂。

3.2 木登硐岩溶塌陷形成过程及机制分析

岩溶塌陷的形成受多种条件控制，部分因素间又相互影响而加剧，几种因素叠加又可促使或加速岩溶塌陷的发生[7]。岩溶塌陷的机制较为复杂，主要有：潜蚀效应、真空吸蚀效应、压强差效应、垂直渗压效应、自重效应、浮力效应、土体强度效应、地震或震动效应、荷载效应等。而潜蚀效应、真空吸蚀效应、压强差效应及浮力效应4种效应都是基于地下水位波动引发的塌陷机制，而研究区地下水位埋深最小约188 m，可见研究区由这4种机制引发的塌陷不成立。故研究区主要由垂直渗压效应、自重效应、土体强度效应、地震或震动效应及荷载效应等多种塌陷机制的一种或多种因素叠加诱发，以下就降雨因素、地震因素及荷载因素进行分析。

3.2.1 降雨因素分析

降雨是岩溶塌陷的主导促发因素。研究区地下水埋藏均较深，研究区地下水位埋最小深约188 m，可见，由地下水位波动导致岩溶塌陷的可能性不大。所以地表雨水下渗是研究区岩溶塌陷的一个主要因素之一。木登硐村老寨降雨后雨水入渗，水在孔隙中运动，对土颗粒施加一种垂向渗透压力，从而改变土体的力学性质。当渗透压力达到一定值时，使土体结构破坏，土颗粒水流产生运移，即流通或管涌，直至发生地面变形或塌陷。在雨水入渗后，盖层饱和容重比天然容重要大，盖层自重增大，使土拱承受更大的压力，导致塌陷。土体吸水饱和后，内聚力和内摩擦角较天然状态下减少，土体抗剪强度降低，土拱抗塌力减小，导致塌陷。

3.2.2 地震因素分析

地震震动是诱发岩溶塌陷的因素之一。上覆粘性土的受力强度是颗粒间的引力相互呈链状结合而成的，在地震或震动作用下，则由凝结状态变为溶胶或悬液，这种外力作用停止后，又重新凝结，发生触变，使得粘性土的强度降低；另外，震动还能产生波动，直接冲击破坏土洞。所以，在地震或震动作用下，由于上覆土层强度降低，并受到冲击波的破坏作用，使土拱抗塌力减少，导致塌陷。

据调查，从上世纪50年代开始，先后有原市属企业促进矿、红旗矿、云锡公司黄茅山化工厂、老厂锡矿等在该村周围地下进行采矿活动，采矿时需放炮作业。据了解，在木登硐村的村民有时会感觉到震动。研究区岩溶发育强烈，已经形成的土洞在震动或地震作用下容易导致岩溶塌陷。当振动频率与土洞顶部覆盖层固有频率一致时，将会出现共振现象，从而引发地面塌陷。地震使溶洞上覆的土层结构被破坏，稳定性下降，还会使地面开裂，大量的地表水灌入，对土层产生冲刷和潜蚀作用。

3.2.3 荷载因素分析

荷载加载也是诱发岩溶塌陷的因素之一。荷载是附加于岩土体上的一种外力，附加荷载于洞穴顶板时，一旦超过原有强度，将造成顶板破坏引起塌陷。土拱承受村庄房屋建筑物时，将引起土洞直接受压破坏，建筑荷载超过土洞拱顶的承受力时，将引起岩溶塌陷。当土洞顶部松散覆盖层无法承受地表加载重量时，可能出现地表沉降或坍塌而引发岩溶塌陷。

4 结 语

1) 个旧木登硐村岩溶塌陷是多种不良因素综合叠加作用的结果。这些因素主要为特殊的“水—土—岩”组合、降雨、地震及荷载因素,其中“水—土—岩”组合是岩溶塌陷的内在因素；降雨是岩溶塌陷的主导促发因素；地震震动和荷载加载是诱发岩溶塌陷的因素。

2)在塌陷发生地区开展了地面调查、地球物理勘探、水文地质调查等多项工作，木登硐村岩溶塌陷的发生是垂直渗压效应、自重效应、土体强度效应、地震或震动效应及荷载效应等多种塌陷机制的一种或多种因素叠加诱发。

参考文献：

[1] 康彦仁. 中国南方岩溶塌陷[M]. 南宁：广西科学技术出版社, 1990.

[2] 张人权. 水文地质学基础[M]. 北京：地质出版社, 2011.

[3] 戴建玲，罗伟权，吴远斌，等. 广西来宾市良江镇吉利村岩溶塌陷成因机制分析[J].中国岩溶，2017,36(6)：283-293.

[4] 袁也. 湘中斗笠山矿区岩溶塌陷成因与评价研究[D]. 湘潭：湖南科技大学，2017.

[5] 许汉华, 刘文连, 陈磊, 等.个旧老厂木登硐村岩溶塌陷特征分析[J]. 世界有色金属, 2017(23): 274-276.

[6] 许汉华，刘文连，眭素刚，等. 经验预测指标法在个旧老厂木登硐村岩溶塌陷危险性评价中的应用[J]. 中国水运，2018，18(3): 241-242.

[7] 刘建兵, 黄永泉, 杨曼,等. 江西莲花县城区岩溶塌陷发育条件及成因分析[J]. 中国地质灾害与防治学报, 2017(3):58-65.