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重庆中梁山岩溶地面塌陷特征及形成机理

周正 李大华 廖云平 林军志 张烨 陈洪凯 祁永爱 王贺

周 正,李大华,祁永爱,等.重庆中梁山岩溶地面塌陷特征及形成机理[J].中国岩溶,2022,41(1):67-78. doi: 10.11932/karst20220103
引用本文: 周 正,李大华,祁永爱,等.重庆中梁山岩溶地面塌陷特征及形成机理[J].中国岩溶,2022,41(1):67-78. doi: 10.11932/karst20220103
ZHOU Zheng,LI Dahua,LIAO Yunping,et al.Characteristics and formation mechanism of karst ground collapse in Zhongliangshan area, Chongqing[J].Carsologica Sinica,2022,41(01):67-78. doi: 10.11932/karst20220103
Citation: ZHOU Zheng,LI Dahua,LIAO Yunping,et al.Characteristics and formation mechanism of karst ground collapse in Zhongliangshan area, Chongqing[J].Carsologica Sinica,2022,41(01):67-78. doi: 10.11932/karst20220103

重庆中梁山岩溶地面塌陷特征及形成机理

doi: 10.11932/karst20220103
基金项目: 

重庆市教委资助项目 KJQN202000748

重庆市规划和自然资源局科研项目 KJ-2020007

详细信息
    作者简介:

    周正(1981-),男,博士,主要从事碳酸盐岩油气储层地质、地质灾害和地质环境修复研究。E-mail:zhouzheng8951@163.com

  • 中图分类号: P642.25

Characteristics and formation mechanism of karst ground collapse in Zhongliangshan area, Chongqing

Funds: 

 KJQN202000748

 KJ-2020007

  • 摘要: 通过详细调查重庆中梁山地区的岩溶地面塌陷灾害情况,分析出该区地面塌陷特征及形成机理。结果表明:岩溶地面塌陷主要分布在嘉陵江组中的地势低洼处、断层和溶槽处,多发生在降雨量大和地下水水位陡降时期,是自然因素和人类活动共同作用下的结果,数量较多,以土洞型为主;其致塌的力学机制以真空吸蚀作用和潜蚀作用为主,多种作用为辅;在具备岩溶塌陷发生的地质条件下,隧道建设过程中的强排水、降雨和村级公路修建与运营过程中会诱发岩溶地面塌陷的发生。根据岩溶地面塌陷的致塌力学机制和诱发因素,提出预防降雨形成的地表水过度聚集,隧道建设避免地下水陡降,村级公路和隧道选址避开岩溶发育区域等措施,以防止岩溶地面塌陷发生。

     

  • 重庆中梁山位于重庆市主城西部,包括北碚、九龙坡、沙坪坝、渝北和大渡口五个区(县)(图1),是典型的槽谷地貌,地形特征为“一山二槽三岭”和“一山一槽二岭”,起伏相对较平缓1;在构造位置上,位于川东南弧形地带,华蓥山帚状褶皱束东南部,地处观音峡背斜的核部,从核部至两翼出露的地层对称分布(图2),其地质环境脆弱,水文地质条件复杂。近年来,因重庆市交通建设的快速发展,在中梁山的山体中已建隧道16条,在建有3条,规划有10条交通隧道等地下工程,在建设过程中和建设后期,发生了多处岩溶地面塌陷,严重破坏了当地的地质环境,给人民的生命财产带来严重威胁。为消除这些不稳定地灾隐患,许多学者研究了该区地面塌陷的成因机理,如陈洪凯等2认为这些地面塌陷是由真空吸蚀作用产生的,而张海坦等3则认为是由潜蚀作用产生的。因此,对研究区内岩溶地面塌陷的成因机理并未取得统一认识,依然处于探索阶段。

    图  1  研究区位地理位置与构造位置图(据张海坦等[3]修改)
    Figure  1.  Location of the study area (Modified according to ZHANG Haitan et al [3])
    图  2  中梁山地区地质构造、隧道分布和岩溶地面塌陷位置示意图(据曹聪等[1]修改)
    Figure  2.  Schematic diagram of geological structure, tunnel distribution and karst ground collapse location in Zhongliangshan area (Modified according to CAO Cong et al [1])

    在岩溶地区地面塌陷具有隐伏性,成因机理异常复杂4-6。本文系统调查了重庆中梁山地区的岩溶地面塌陷情况,对其特征及形成机理展开深入研究,以期为指导该区岩溶塌陷地质灾害的防治提供理论依据和技术支持。

    区内主要分布须家河组(T1 xj)、嘉陵江组(T1 j)、飞仙关组(T1 f)和雷口坡组(T2 l)地层,其中T1 j、T1 f 3(飞仙关组三段)和T2 l中含有大量的碳酸盐岩,岩溶发育,在隧道修建过程中和暴雨等作用下,诱发了多处地面塌陷。

    调查区内岩溶地面塌陷的结果表明,这些塌陷是以土洞型塌陷为主,在平面上,形态多为圆型(图3a)和椭圆形(图3b),其次为长条形(图3c)和不规则形状(图3d),剖面形态为竖井、漏斗及坛状,且多以竖井状为主,塌陷的直径差异较大,一般为1.0~5.0 m,最大的为50 m,塌陷深度变化范围较大,多为3.0~8.0 m,最深的为30 m。同时,根据形成时间进行统计,截止2018年底,塌陷数量共有327处(图4),具有增长的趋势。

    图  3  重庆中梁山地区地面塌陷的形状
    Figure  3.  Shape of ground collapse in Zhongliangshan area, Chongqing
    图  4  中梁山地面塌陷历年数量统计图(据曹聪等[1]
    Figure  4.  Statistics of the collapse number of Zhongliangshan area over the years (According to CAO Cong et al [1])

    一个地区岩溶塌陷的形成过程和分布特征不仅要受下覆地层的岩性、岩溶发育程度、覆盖层特征、水文和气象的影响,而且还受人类活动(地下隧道建设施工等)的影响7,在上述影响因素的共同作用下,形成的岩溶塌陷在地面上具有一定规律的分布特征。

    1.2.1 塌陷主要分布在嘉陵江组地层中

    在岩溶地区,隐伏岩溶的发育程度会直接影响地面塌陷的发生8。在中梁山地区,地面塌陷主要分布在T1 j、T1 f 3和T2 l地层中,从表1中可知,在不同地层中,地面塌陷分布数量的差异较大,在T1 j组中,岩溶塌陷的数量较多,为303处,占研究区内塌陷总数的92.7%,而在T1 f 3和T2 l中,二者塌陷的数量较少,分别占2.4%和4.9%。在不同地层中岩溶地面塌陷分布数量与下伏地层的岩性和岩溶发育程度有重要关系,从岩性上看,在T1 j中的岩性主要为灰岩,并含有少量的白云岩,岩性相对较纯,其连续厚度较大,岩溶程度发育好,形成了大量的溶槽、溶洞和溶蚀漏斗等岩溶空间,为地面塌陷创造了良好条件。T1 f 3的岩性主要为泥岩和微晶灰岩,溶蚀程度较弱,发育少量的溶槽和溶蚀漏斗等。T2 l的岩性以黄灰等色薄—中厚层白云岩、泥质白云岩为主,溶蚀程度也较弱,仅发育少量的溶槽和竖井等。因此,在研究区内,T1 j是岩溶地面塌陷分布的主要地层。

    表  1  重庆中梁山地区岩溶地面塌陷与地层和岩性关系表
    Table  1.  Relationship between karst ground collapse and strata and lithology in Zhongliangshan area,Chongqing
    地层 岩性特征 地面塌陷数/处 占比/%
    T1 j 中-厚层状灰岩并含有少量的白云岩 303 92.7
    T1 f 3 泥岩、微晶灰岩 8 2.4
    T2 l 以薄—中厚层白云岩、泥质白云岩为主 16 4.9
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    1.2.2 塌陷多沿溶槽和断层分布

    中梁山地区位于观音峡背斜的核部区域,发育有大量的由节理经溶蚀作用形成的溶槽(图3c)和多条断层。这些溶槽和断层是大气降水、地表水和地下水三者之间转换的有利场所;同时也是塌陷充填物储存和运移的有利场所和岩溶作用发育的有利场所,因此,溶槽和断层对岩溶塌陷的分布具有重要的控制作用9

    为弄清溶槽和断层对岩溶地面塌陷分布的影响,选取景家院子和大烂池两处典型岩溶地面塌陷进行深入研究。结果表明:这两处的岩溶地面塌陷成群出现,与溶槽和断层的分布关系如图5所示。从图5中可知,岩溶地面塌陷总体上是沿溶槽和断层进行展布,成串珠状,这是溶槽和断层对岩溶地面塌陷分布控制的结果。

    图  5  景家院子塌陷群和大烂池塌陷群地面塌陷分布与溶槽的位置关系
    Figure  5.  Relationship between ground collapse distribution and crack position of Jingjiayuanzi collapse group and Dalanchi collapse group
    1.2.3 塌陷主要分布于粉质黏土浅覆盖的区域

    区内岩溶地面塌陷主要为土洞型塌陷,覆盖层主要为粉质黏土和次生黏土/红黏土,其中粉质黏土是冲积作用形成的,次生黏土是由碳酸盐岩经风化后形成的红黏土,在经过搬运后,形成次生红黏土10,二者的性质差异较大,粉质黏土的液限范围为22.9~35.1,而次生黏土/红黏土的液限范围为32.6~51.8,这表明粉质黏土易遭受水的破坏。统计表明,岩溶地面塌陷主要分布在粉质黏土覆盖的区域。

    粉质黏土层的厚度是控制岩溶地面塌陷的重要因素4-5,由表2可知,发生岩溶塌陷的土层厚度差异较大,土层厚度大于8 m和小于3 m的塌陷总数较少,共46处,占塌陷总数的14.1%;土层厚度3~8 m,共有281处,占塌陷总数的85.9%,这表明研究区内的岩溶地面塌陷属于典型的浅覆盖型岩溶塌陷,主要分布在粉质黏土浅覆盖的区域。

    表  2  地面塌陷与土层厚度分布情况
    Table  2.  Ground collapse and distribution of soil layer thickness
    土层厚度/m <3 3~5 5~8 8> 合计
    处数 18 146 135 28 327
    百分比/% 5.5 44.6 41.3 8.6 100
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    粉质黏土覆盖区域有利于发育岩溶地面塌陷,主要与其结构有关5。研究区内凌云水库塌陷能有效反映覆盖层的结构特征(图6),覆盖土层的厚度约为6.6 m,上部为粉质黏土,厚度约为2.0 m,下部为砂土,厚度约为4.6 m,局部还含有卵石,具有典型的上细下粗的结构特征。这种结构特征有助于盖层中的孔隙水与岩溶水建立密切的水力联系。当沙土与基岩相接触,岩溶水快速流动时,就会产生强烈的冲蚀作用,从而形成土洞,且粉质黏土也易受到地下水的影响,遭受破坏;在地下水的反复作用下,土洞会越来越大,当上覆土层无法承担自身重力时,就会形成岩溶塌陷。

    图  6  凌云水库塌陷群的覆盖层结构特征(据曹聪等[1]
    Figure  6.  Structural characteristics of overburden of collapse group in Lingyun reservoir (According to CAO Cong et al [1])
    1.2.4 塌陷多发生在降雨量多和地下水水位陡降时期

    区内降雨会直接影响地下水的流速、水位等变化,而地下水的流速和水位等变化会影响岩溶地面塌陷的地面发生511-12,即降雨对岩溶地面塌陷具有重要作用。为弄清降雨与岩溶地面塌陷之间的关系,对比2011年1月-2013年3月的降雨量与地面塌陷数的情况(图7)。

    图  7  中梁山地区降雨与地面塌陷对比图(据曹聪等[1]
    Figure  7.  Comparison of rainfall and ground collapse in Zhongliangshan area (According to CAO Cong et al [1])

    图7可知,研究区降雨量较为丰富,在2011年和2012年5-10月的降雨量较大,占据了全年降雨量的70%左右,11月至次年4月降雨量较少,而地面塌陷数量在5-10月较多,这表明降雨量与塌陷数量二者具有密切关系,最明显的是当降雨量超过100 mm时,塌陷数量陡增,在降雨量较少的11月至次年4月,塌陷数量较少。这是因为在降雨时,一部分雨水快速转化为地下水,导致地下水的流速增大,加快对盖层的潜蚀,诱发地面产生岩溶塌陷。另一部分雨水在岩溶洼地等地势低洼处汇聚,然后通过覆盖层土体下渗转化为地下水,增加盖层土体的自重和对盖层土体进行冲蚀,在此作用下,也会诱发岩溶地面塌陷。

    在2013年2月和3月,降雨量较少,塌陷数量反而增大,因隧道在修建过程中,遇地下水时,直接强排,地下水来不及补给,导致地下水的水位陡降,诱发地面产生岩溶塌陷。

    1.2.5 塌陷多分布在地势低洼处

    区内因岩溶作用的影响,形成大量的岩溶洼地(图8a)和岩溶湖(图8c)等地势低洼的地形。在岩溶洼地,地势较低,是地表水和地下水的汇集区与排泄区,大气降水、地表水及地下水三者之间的交替转换较强烈712,水动力条件较好,极易形成地面塌陷,如中梁山歌乐山镇中的岩溶洼地,在大气降水、地表水及地下水三者强烈作用下,形成多处塌陷,成串珠状展布(图8a),在局部会形成落水洞(图8b);而在岩溶湖(图8c)处,因地表水体的作用下,下渗过程中一是会增加土体的自重,二是会对土体进行冲蚀,形成土洞,在地下水扰动,或者降雨条件下,会导致土层的强度降低,不足以支撑土洞时,就会产生塌陷。因此,研究区内的岩溶地面塌陷主要分布在地势低洼处。

    图  8  地势低洼处分布的岩溶塌陷与岩溶湖(据曹聪等[1]
    Figure  8.  Karst collapse and karst lake distributed in low-lying areas(According to CAO Cong et al [1])

    在中梁山地区岩溶地面塌陷的形成是以地质条件为基础,多种诱发因素共同作用下形成的4-5713

    2.1.1 地质条件

    (1)强烈发育的岩溶

    区内T1 j的灰岩质地较纯,易于溶蚀;在构造位置上,位于观音峡背斜的核部,发育有大量的溶槽和多条断层,其是大气降水、地表水和地下水三者之间转换的有利场所和运移通道。丰富的可以自由流动的地表水和地下水资源为岩溶作用的发生提供了保障,也为岩溶塌陷提供了动力条件;大量体积较大的溶槽等岩溶空间,为岩溶塌陷的产生提供了空间条件。

    (2)第四系覆盖层的结构特征

    区内第四系覆盖层的上部为粉质黏土,气密性较好,下部为沙土粘聚性差,具有典型的上细下粗的结构特征;在地下水作用下,土体易遭受剥落破坏,形成土洞,在地下水的反复作用下,其规模会不断扩大,当上覆土体的整体稳定性不足以支撑自重时,就会在地表产生岩溶塌陷,因此,覆盖层的特殊结构特征为地表岩溶塌陷提供了有利条件。

    2.1.2 诱发因素

    (1)隧道建设过程中的强排水

    区内地下水的水位分布较为复杂,在隧道建设或矿山开采过程中,对地下水进行强排,在不同位置,地下水水位下降幅度和下降速度各不相同。在岩溶洼地中下覆岩溶管道发育,连通性较好,在低洼处覆盖层中充满地下水,在隧道修建过程中,地下水遭遇强排时,流速增大,对覆盖层产生强烈的潜蚀作用,形成土洞,随着土洞的扩大,最终产生塌陷。由潜蚀作用诱发的岩溶塌陷主要分布在大烂池和新华村五香房、龙泉村、庆丰镇村和大渡口拱桥村。在岩溶洼地的地势相对较高处,在隧道修建过程中,地下水遭遇强排时,盖层中的地下水水位快速降落,产生“活塞”现象,形成真空,对盖层产生真空吸蚀作用而诱发地面塌陷。由真空吸蚀作用诱发的岩溶塌陷主要分布余家湾、景家院子、下天池和大龙井一带。

    (2)降雨

    在降雨时,特别是降雨量较大时期,在岩溶洼地的局部地势较低处汇聚大量的雨水形成地表水,地表水下渗补给到盖层的孔隙中,其会增大其含水率和自重,同时会对土体进行冲蚀,形成空洞,在地表水的反复作用下,最终在地表形成岩溶塌陷,由降雨诱发的地面塌陷主要分布在中梁村和大渡口拱桥村一带。同时,由降雨形成的地表水快速转化为地下水时,能加快地下水的流速,加速潜蚀作用,从而引发地面塌陷。

    (3)村级公路的修建与运营

    区内因修建隧道,导致覆盖土层中的地下水位降低,土体中颗粒物之间的束缚力会减小,而中梁村村级公路的修建和运营过程中,会对土体产生荷载振动作用,使这些颗粒物发生位移,形成土洞,在反复作用下,土洞会扩大,当土洞顶板的承载力超过抗塌力时,塌陷就会发生,由这一因素诱发的岩溶塌陷主要分布在中梁村的村级公路中。

    灰岩地区岩溶地面塌陷的成因机制较多13-15,但本区内地质环境复杂,根据岩溶地面塌陷地质结构特征及形成过程,将岩溶地面塌陷形成的力学机制划分为潜蚀作用、真空吸蚀作用、降雨增荷与地表水冲蚀作用以及荷载与振动作用四种类型(表3),不同的力学机制形成的岩溶地面塌陷数量和分布区域各不相同。

    表  3  中梁山地区岩溶塌陷不同力学机制所占比例
    Table  3.  Proportion of different mechanical mechanisms of karst collapse in Zhongliangshan area
    所属力学成因机制 岩溶塌陷数量/个 百分比/%
    潜蚀作用 166 50.8
    真空吸蚀作用 126 38.5
    降雨增荷与地表水冲蚀作用 33 10.1
    荷载与振动作用 2 0.6
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    2.2.1 潜蚀作用

    区内潜蚀作用主要是因为覆盖土层下的可溶岩中,岩溶较为发育,发育有大量的溶槽,同时还有多条断层存在,这能为地下水的运移提供良好的运移通道;当覆盖土层中的地下水在强降雨或强排条件下,地下水的流速和水力坡度均会增大,从而发生潜蚀作用,松散细颗粒则会随着地下水快速流失,遭受破坏,相对较粗的颗粒则会在重力的影响下落入溶槽中,使得土洞逐渐形成516-17;地表土体在重力作用下,会出现拉裂等现象,经反复降雨,潜蚀作用多次发生,土洞逐渐增大,当覆盖层土体不足以支撑土体自重时,塌陷发生,其演化过程如图9所示。

    图  9  中梁山地区潜蚀作用产生的地面塌陷的演化过程示意图(据张海坦等[3]修改)
    Figure  9.  Schematic diagram of evolution of ground collapse caused by potential erosion in Zhongliangshan area (Modified according to ZHANG Haitan et al [3])

    区内以潜蚀作用为主形成的岩溶地面塌陷有166处,占塌陷总数50.8%,主要分布在大烂池和新华村五香房、龙泉村、庆丰镇村和大渡口拱桥村一带。其中最为典型的是大烂池岩溶地面塌陷,因歇马隧道修建过程中,强排水,产生潜蚀作用,诱发大烂池发生岩溶地面塌陷。大烂池塌陷与歇马隧道的位置关系如图10所示。在未修建歇马隧道时,地下水没有被扰动,覆盖层中的水位不变,地表覆盖的粉质黏土层与竖向溶槽中充填的沙土体保持稳定;当歇马隧道施工时,地下水被排放,导致盖层中地下水的水位急剧下降,地下水的流速和水力坡度则急剧增大,对溶槽中沙土产生强烈的潜蚀作用,逐渐形成土洞。

    图  10  歇马隧道与大烂池水库位置关系示意图(据曹聪等[1]修改)
    Figure  10.  Location relationship between Xiema tunnel and Dalanchi reservoir (Modified according to CAO Cong et al [1])

    随着地下水的继续排放,潜蚀作用继续破坏土体,土洞进一步扩大,盖层厚度逐渐变薄,在土体自重等作用的影响下,就会产生裂隙,水库中的水沿着裂隙发生漏失,产生旋涡,最终全部漏干(图11)。

    图  11  因地面塌陷导致大烂池水库中的水被漏干(据曹聪等[1]修改)
    Figure  11.  Water drainage in Dalanchi reservoir due to ground collapse (Modified according to CAO Cong et al [1])
    2.2.2 真空吸蚀作用

    区内真空吸蚀作用是指覆盖层中的地下水,在较短时间内,水位快速降落,在下降过程中的“活塞”作用下5,会形成真空或负压,随着水位的继续下降,真空的区域会逐渐增大,由于覆盖层的上部为粉质黏土,透气性差,导致真空区域与大气没有气体交换,在负压条件下,盖层便会受到吸蚀力,使得盖层遭受剥落、破坏;当盖层在不足以支撑自身重力和大气压力等共同产生的作用力时,就会在地面产生塌陷518-19,其演化过程如图12所示。

    图  12  中梁山地区真空吸蚀作用引发地面塌陷的演化过程示意图(据陈洪凯等[2]修改)
    Figure  12.  Schematic diagram of evolution of ground collapse caused by vacuum suction in Zhongliangshan area (Modified according to CHEN Hongkai et al [2])

    区内真空吸蚀作用诱发的岩溶地面塌陷有126处,占塌陷总数的38.5%,是一种主要的诱发岩溶塌陷灾害的致灾作用。在2013年1月至3月,降雨量比较少(图7),但是有多条隧道进行施工,在修建过程中,对地下水进行了大量排放,导致研究区内多处地下水位急剧下降,出现真空区域,产生真空吸蚀作用,诱发多起地面塌陷。

    在研究区内,由真空吸蚀作用诱发的岩溶地面塌陷主要分布在余家湾、景家院子、下天池和大龙井一带,其中最典型的是中梁山隧道修建过程中诱发了余家湾水库地面塌陷群的发生,余家湾水库塌陷群与中梁山隧道位置关系如图13所示。从图13可知,中梁山隧道的地下水与余家湾水库塌陷群下伏溶槽的关系极为紧密,在隧道修建过程中,对溶槽中的地下水进行强排时,溶槽中的地下水水位会急剧降低,出现真空区域,随着地下水位继续下降,真空区域逐渐扩大,对覆盖土层产生破坏;当覆盖土层不足以支撑大气压力、自身重力和负压等产生的共同作用力时,就发生地面塌陷。

    图  13  中梁山隧道与余家湾水库塌陷群的位置关系图(据陈洪凯等[2]修改)
    Figure  13.  Location relationship of collapse group between Zhongliangshan tunnel and Yujiawan reservoir (Modified according to CHEN Hongkai et al [2])
    2.2.3 降雨增荷与地表水冲蚀作用

    区内岩溶洼地的地势较低,溶槽发育,地下存在一定的岩溶空间。在雨季,降雨会快速聚集,产生大量地表水,甚至形成水塘,造成盖层中的孔隙水水位升高,土体含水量增加,自重增大;同时,地表水通过覆盖层土体下渗补给岩溶水,在此过程中,会对土体进行冲蚀,携带走土体中的大量松散物质和可溶物质,进入下部的溶槽等岩溶管道中,在降雨的反复作用下,最终在地表形成岩溶塌陷57

    由降雨增荷与地表水冲蚀作用诱发的岩溶地面塌陷主要分布在中梁村和大渡口拱桥村的岩溶洼地中,共有33处,占塌陷总数的10.1%。中梁村和大渡口拱桥村的岩溶洼地地势较低,且地下存在有大量的岩溶孔隙空间,降雨后,地表水易聚集,盖层自重会增大,在降雨的反复作用下,地表水下渗过程中会带走大量的盖层物质,最终形成地面塌陷(图14),这类地面塌陷的塌陷壁上保留有地表水冲蚀作用下形成的冲蚀裂缝,甚至部分冲蚀裂缝中还有地表水在继续下渗,其形成过程与降雨量的关系较为密切(图2),降雨量越多,地表水增荷与冲蚀作用诱发的岩溶地面塌陷的数量就越多,特别是当降雨量超过100 mm时,二者关系极为明显。

    图  14  中梁村降雨增荷与地表水冲蚀作用诱发的岩溶塌陷(塌陷壁发育有地表水冲蚀形成的冲蚀缝)
    Figure  14.  Karst collapse induced by rainfall load increase and surface water erosion in Zhongliang village(erosion cracks formed by surface water erosion is developed on the collapse wall)
    2.2.4 荷载与振动作用

    区内因荷载与振动作用诱发的岩溶地面塌陷仅发现两处(图15a,图15b)。

    图  15  中梁村因荷载与振动作用诱发的岩溶地面塌陷
    Figure  15.  Karst ground collapse induced by load and vibration in Zhongliang village

    近年来,研究区内因地下隧道等工程的修建,导致覆盖层土体中地下水位下降,土体中的颗粒之间束缚力减小。因村级公路的修建和运营过程中,增加了盖层的荷载,特别是在运营过程,汽车等交通工具会产生强烈振动,改变土体结构,形成土洞,在反复作用下,土洞会增大,最终当荷载等产生的附加应力超过土洞顶板的抗塌力时,就会产生塌陷20

    总体来说,中梁山地区的岩溶地面塌陷力学成因机制主要以真空吸蚀作用及潜蚀作用为主,多种力学成因机制相互影响。不同位置的塌陷形成的基础地质条件和地下水动力条件不同,其形成机理也不相同。潜蚀作用形成的岩溶地面塌陷主要分布于岩溶洼地中地势相对较低区域,地下水位位于覆盖层中,地下水大量排放,水位在基岩附近波动面积较大;真空吸蚀作用多分布于岩溶洼地周围地势相对较高区域,地下水位位于覆盖层中,盖层的密闭性好,地下水位快速降落,形成真空;地表水增荷与冲蚀作用形成的地面塌陷主要分布在岩溶洼地的地势低洼处,地表水极易聚集,地表水一是增加土体自重,二是下渗过程中会对土体进行冲蚀,形成土洞;荷载与振动作用诱发的岩溶塌陷主要分布在中梁山村的村级公路中。

    (1)在隧道建设过程中,要加强对中梁山地区的地下水的动态观测,要避免过急、过量排放地下水,造成溶槽中的地下水位陡降,防止潜蚀作用和真空吸蚀作用对覆盖层产生破坏,从而诱发地面变形和塌陷;

    (2)在降雨过程中,要避免降雨形成的地表水过度聚集到低洼处,增加土体的自重以及地表水对覆盖层土体的过度冲蚀,应在地表建立合理的排水系统;

    (3)在村级公路和隧道的选址过程中,应加强地质调查,弄清地下地质结构特征,尽量避开岩溶发育区和地面塌陷高发区等不利地段,避免岩溶地面塌陷发生。

    (1)重庆中梁山地区岩溶地面塌陷的形成是自然因素和人类活动共同作用下的结果,多分布在嘉陵江组地层中的强岩溶发育区、第四系粉质黏土浅覆盖的区域及地势低洼处,多沿断裂和裂缝分布,多发生于降雨量较多时期;

    (2)重庆中梁山地区岩溶地面塌陷的力学成因机制主要以真空吸蚀作用和潜蚀作用为主,多种作用为辅,不同力学机制成因的岩溶地面塌陷分布点不同;

    (3)重庆中梁山岩溶地面塌陷区的地质条件较好,隧道建设过程中的排水、降雨和村级公路的修建与运营是诱发岩溶地面塌陷的主要原因。

    1)  周 正,李大华,祁永爱,等.重庆中梁山岩溶地面塌陷特征及形成机理[J].中国岩溶,2022,41(1):67-78.
    2) 

  • 图  1  研究区位地理位置与构造位置图(据张海坦等[3]修改)

    Figure  1.  Location of the study area (Modified according to ZHANG Haitan et al [3])

    图  2  中梁山地区地质构造、隧道分布和岩溶地面塌陷位置示意图(据曹聪等[1]修改)

    Figure  2.  Schematic diagram of geological structure, tunnel distribution and karst ground collapse location in Zhongliangshan area (Modified according to CAO Cong et al [1])

    图  3  重庆中梁山地区地面塌陷的形状

    Figure  3.  Shape of ground collapse in Zhongliangshan area, Chongqing

    图  4  中梁山地面塌陷历年数量统计图(据曹聪等[1]

    Figure  4.  Statistics of the collapse number of Zhongliangshan area over the years (According to CAO Cong et al [1])

    图  5  景家院子塌陷群和大烂池塌陷群地面塌陷分布与溶槽的位置关系

    Figure  5.  Relationship between ground collapse distribution and crack position of Jingjiayuanzi collapse group and Dalanchi collapse group

    图  6  凌云水库塌陷群的覆盖层结构特征(据曹聪等[1]

    Figure  6.  Structural characteristics of overburden of collapse group in Lingyun reservoir (According to CAO Cong et al [1])

    图  7  中梁山地区降雨与地面塌陷对比图(据曹聪等[1]

    Figure  7.  Comparison of rainfall and ground collapse in Zhongliangshan area (According to CAO Cong et al [1])

    图  8  地势低洼处分布的岩溶塌陷与岩溶湖(据曹聪等[1]

    Figure  8.  Karst collapse and karst lake distributed in low-lying areas(According to CAO Cong et al [1])

    图  9  中梁山地区潜蚀作用产生的地面塌陷的演化过程示意图(据张海坦等[3]修改)

    Figure  9.  Schematic diagram of evolution of ground collapse caused by potential erosion in Zhongliangshan area (Modified according to ZHANG Haitan et al [3])

    图  10  歇马隧道与大烂池水库位置关系示意图(据曹聪等[1]修改)

    Figure  10.  Location relationship between Xiema tunnel and Dalanchi reservoir (Modified according to CAO Cong et al [1])

    图  11  因地面塌陷导致大烂池水库中的水被漏干(据曹聪等[1]修改)

    Figure  11.  Water drainage in Dalanchi reservoir due to ground collapse (Modified according to CAO Cong et al [1])

    图  12  中梁山地区真空吸蚀作用引发地面塌陷的演化过程示意图(据陈洪凯等[2]修改)

    Figure  12.  Schematic diagram of evolution of ground collapse caused by vacuum suction in Zhongliangshan area (Modified according to CHEN Hongkai et al [2])

    图  13  中梁山隧道与余家湾水库塌陷群的位置关系图(据陈洪凯等[2]修改)

    Figure  13.  Location relationship of collapse group between Zhongliangshan tunnel and Yujiawan reservoir (Modified according to CHEN Hongkai et al [2])

    图  14  中梁村降雨增荷与地表水冲蚀作用诱发的岩溶塌陷(塌陷壁发育有地表水冲蚀形成的冲蚀缝)

    Figure  14.  Karst collapse induced by rainfall load increase and surface water erosion in Zhongliang village(erosion cracks formed by surface water erosion is developed on the collapse wall)

    图  15  中梁村因荷载与振动作用诱发的岩溶地面塌陷

    Figure  15.  Karst ground collapse induced by load and vibration in Zhongliang village

    表  1  重庆中梁山地区岩溶地面塌陷与地层和岩性关系表

    Table  1.   Relationship between karst ground collapse and strata and lithology in Zhongliangshan area,Chongqing

    地层 岩性特征 地面塌陷数/处 占比/%
    T1 j 中-厚层状灰岩并含有少量的白云岩 303 92.7
    T1 f 3 泥岩、微晶灰岩 8 2.4
    T2 l 以薄—中厚层白云岩、泥质白云岩为主 16 4.9
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    表  2  地面塌陷与土层厚度分布情况

    Table  2.   Ground collapse and distribution of soil layer thickness

    土层厚度/m <3 3~5 5~8 8> 合计
    处数 18 146 135 28 327
    百分比/% 5.5 44.6 41.3 8.6 100
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    表  3  中梁山地区岩溶塌陷不同力学机制所占比例

    Table  3.   Proportion of different mechanical mechanisms of karst collapse in Zhongliangshan area

    所属力学成因机制 岩溶塌陷数量/个 百分比/%
    潜蚀作用 166 50.8
    真空吸蚀作用 126 38.5
    降雨增荷与地表水冲蚀作用 33 10.1
    荷载与振动作用 2 0.6
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  • 收稿日期:  2021-09-12
  • 发布日期:  2022-02-25
  • 刊出日期:  2022-02-25

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