巖溶多重介質(zhì)環(huán)境與巖溶地下水系統(tǒng)

【學(xué)員問(wèn)題】巖溶塌陷之巖溶地下水的作用？

【解答】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，重度可增加約巧一 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 一 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)于人工抽排水巖溶水位急劇下降的過(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 lm / 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。

以上內(nèi)容均根據(jù)學(xué)員實(shí)際工作中遇到的問(wèn)題整理而成，供參考，如有問(wèn)題請(qǐng)及時(shí)溝通、指正。