城市岩溶塌陷是一种典型的地质灾害,其发育具有显著的空间差异性,并受多因素控制的复杂致塌机理驱动。在空间分布上,岩溶塌陷呈现出强烈的区域特色。贵阳市区岩溶地貌占总面积的71.8%,隐伏溶槽、溶沟、地下裂隙和溶洞发育
[1]。作为西南岩溶发育的核心区域,贵阳市岩溶塌陷频发,阻碍了城市化发展
[2]。然而,现有对贵阳市地面塌陷的研究年份较早,最近一次塌陷案例分析要追溯到15年前
[3-4],系统性地总结贵阳市塌陷分布及特征也要追溯到1998年
[5],缺乏对贵阳市岩溶塌陷的系统性分析。近年来,随着贵阳市城市轨道交通建设、道路改造、地下管网建设等等一系列民生工程持续推进,工程活动对局部的扰动极易诱发岩溶塌陷,亟须对该区域岩溶塌陷的地质模式、影响因素以及空间分布特征进行系统总结,为工程防护提供参考,助力岩溶城市现代化发展
[6]。
岩溶塌陷受工程建设
[7]、地下管网渗流
[8-9]等人类工程活动的影响,相比其他地质灾害(如滑坡、崩塌等)而言,城市地质灾害以塌陷为主。对此,在典型岩溶城市如湖北武汉
[10-11]、湖南郴州
[12]、江苏徐州
[13-17]、江西景德镇
[18]、贵州水城
[19]等地区,基于系统的资料收集,在岩溶塌陷发育规律、影响因素及成因机理上做了许多工作,推动了城市岩溶塌陷治理以及规划的发展。然而在西南典型岩溶城市贵阳,对于塌陷的空间发育规律及地质模式还存在空白。近年来,贵阳市地下工程开发利用发展迅速,目前已开通4条地铁线路,未来在继续开发过程中,岩溶塌陷风险不可忽视,仅停留在塌陷机理而不考虑塌陷的地质模式显然不够。
因此,现通过收集贵阳市岩溶塌陷案例,系统分析贵阳市岩溶塌陷空间分布规律,并从塌陷的区域地质模式、场地地质模式以及单体模式3个角度,分析塌陷触发因素及形成机理。以期填补西南典型岩溶城市岩溶发育规律及地质模式空白,为贵阳市城市塌陷的防治及城市规划提供参考。
1 地质环境背景条件
贵阳市位于贵州省中心地带,年平均气温在15.3 ℃左右,多年平均年降水量大部分地区约1 095.6 mm,多年平均降雨量1 136.96 mm,最大降雨量1 760.8 mm,多集中在5—8月。河流水系十分发育,区内有33条河流,主要靠天然降水补给,径流量约14亿m3。其中南明河是贵阳市主要河流,流域面积达761 km2,河床面宽30~80 m,流量平均为12.3 m3/s,最枯0.37 m3/s,洪峰达579 m3/s。
1.1 地形地貌
贵阳地处黔中典型岩溶山区,属高原中山丘陵地貌,岩溶地貌占总面积的71.8%。地面海拔1 000~1 600 m,地形南、北高中部低。峰丛、峰林、丘峰、残丘、孤峰、石林、石芽、洼地、溶斗、落水洞、暗河、盲谷、天生桥、天窗、岩溶潭、泉、竖井、溶洞及干谷等齐全多样。碳酸盐类岩石广泛分布,岩溶强烈发育,高原岩溶丘陵是主要的地貌特征。主要包括:溶蚀地貌、溶蚀-侵蚀地貌、剥蚀-构造地貌、侵蚀-堆积地貌等地貌类型。
1.2 地层岩性
贵阳市出露从晚元古宇的上震旦统-第四系,地层发育较完整,岩溶强烈发育,覆盖层厚度小。除阿哈水库附近有少量玄武岩外,其余主要由沉积岩组成。地层的分布以中生界的三叠系最广,共约1 155 km2,约占全区面积的48%,上古生界的二叠系次之,共约488 km2,占总面积的20%。上震旦统出露最少,仅在北部羊昌附近见约5 km2。下古生界的寒武系约400 km2,占全区面积的16%。奥陶系(仅16 km2)集中分布于北部,中下志留统只在乌当地区(24 km2)。上古生界的泥盆系呈北东向条带出露于乌当地区,石炭系除随泥盆系分布外,部分层位还零星见于区内北部,计约124 km2。中生界的中下侏罗统,在贵阳城南和城北呈条带状分布,约56 km2,上白垩统仅散布于本区东北部,计近8 km2。第四系松散堆积物,总计约28 km2。
1.3 地质构造
贵阳市处于一级大地构造单元——扬子准地台之上,地跨上扬子地块黔北隆起区和江南复合造山带黔南坳陷区两个二级构造单元,构造变形复杂,位于黔中隆起与黔南凹陷的过渡带。燕山运动早期形成了近南北向的构造体系,新华夏系晚期则形成北东向的构造体系。这两大构造体系控制了区域的地貌轮廓和地层岩性的分布状态。其中,南北向构造是区内的主要构造体系,是以走向南北且平行发育的压性断层和褶皱为特征的构造群体,具有隔槽式构造的特点;晚期新华夏构造体系是以北东东向压性断层为主的构造组合,连续性好,穿切性强,典型的有乌当断层、乌当背斜等。断层发育延伸远,断距大,同时典型复背斜与褶皱带在区内广布,奠定了贵阳市地质构造的大致轮廓,总体上该区地质构造较为复杂,是本区峡谷、河流发育的主要控制因素。
1.4 水文地质条件
贵阳位于长江水系和珠江水系的分水岭地带,花溪区桐木岭以北属长江水系,以南属珠江水系。南明河是区内最大的河流,由西南向北东纵贯全区,河流总长度115 km,落差366 m,平均比降3‰,贵阳市出境处以上的集水面积1 804 km2,市内流域面积761 km2,最枯流量0.37 m3/s,平均流量13.8 m3/s。最大流量579 m3/s,平均年径流量4.36 m3/s。南明河中上游段河谷开阔,支流有小车河、市西河及贯城河。在径流至城区前,水质均较良好。根据地下水赋存状态、岩石类型及其水理性质、水动力特征等因素,将贵阳市地下水划分为3个类型,即松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水,碳酸盐岩岩溶水。
2 岩溶塌陷空间差异性分布规律
研究收集了贵阳地区53个塌陷案例,由于地形坡度、坡向等地形因素在城市发展过程中进行了工程处理,在区域上这部分形态表现不明显。于是从区域角度,根据塌陷的平面展布关系,将塌陷的分布规律与断层和地表水两种因素叠加,结果如
图1所示。
图1(a)展示贵阳市塌陷各区域塌陷分布特征,塌陷主要发生在云岩区与南明区,累计发生36起,占收集案例的68%;
图1(b)展示了塌陷与断层的分布关系,图示表明:塌陷与断层的展布有密切联系,大部分塌陷位于断层带附近;
图1(c)展示了塌陷与地表水的分布关系,南明河是贵阳市主要的地表水系,大部分塌陷沿着南明河分布。
2.1 岩溶地层与塌陷的空间差异特征
贵阳市塌陷主要分布于三叠系安顺组和花溪组地层(
图2)。其中三叠系安顺组地层发生多个塌陷,占总塌陷数的51.9%,三叠系花溪组发生的塌陷数量占总数的19.0%。区域的地面塌陷现象与岩溶发育程度之间存在显著的相关性,岩溶发育的强烈程度与地面塌陷发生的频率呈正比关系,即岩溶发育越强烈,地面塌陷的发生频率也相应增高。具体来说,贵阳市以岩溶发育强烈为主的区域,塌陷发生次数占总塌陷次数的比例高达84.8%,而在岩溶发育程度中等或较弱的区域,地面塌陷的分布则相对较少。
2.2 断裂和地表水与塌陷的空间差异性特征
根据塌陷的分布特征,分析统计塌陷与断裂和地表水的距离,结果如
图3所示。研究按照<100 m、100~200 m、200~500 m、500~1 000 m、1 000~2 000 m和>2 000 m 6个梯度进行分类,分析2种区域地质特征对塌陷的影响。
图3(a)展示了塌陷数量与地表水和断层距离的占比关系。数据显示,塌陷点距离地表水和断层的占比关系在0~500 m范围内较均衡,在500~1 000 m与>2 000 m表现明显的差异性。当距离大于2 000 m时,塌陷对断层的距离较为敏感,同一个区间内断层占比67%,地表水占比33%;当距离在500~1 000 m时,塌陷对地表水的距离较为敏感,同一区间内地表水占比62%,断层占比38%。
图3(b)展示了塌陷数量与地表水和断层的距离关系。数量上,在0~500 m距离梯度,地表水与断层两个因子数量分别为17个和16个,差异性不明显;距离在500~1 000 m梯度,地表水与断层两个因子数量分别为18个和11个,差异性明显;距离在1 000~2 000 m时,地表水和断层的两个因子数量分别为9个和8个,表现为均衡状态;距离>2 000 m时,地表水与断层两个因子数量分别为9个和18个,差异性明显。
由此可见,距离在0~2 000 m区间,地表水的距离是贵阳市塌陷的主要影响因素,断层是影响塌陷分布的次要因素。
3 塌陷形成机制及地质模式
3.1 塌陷触发因素及影响因素
3.1.1 覆盖层结构
贵阳市塌陷点覆盖层结构相对简单,以浅埋覆盖层为主。塌陷发生次数与覆盖层厚度成负相关,统计发现(
图4):已有塌陷点的覆盖层厚度主要为4~6 m,有17个,占总数的32.1%;其次是覆盖层厚度为2~4 m和6~8 m的塌陷,分别有11个和9个,占总数的20.8%和17.0%;覆盖层厚度16~18 m暂未发现塌陷点。其中,覆盖层厚度<8 m的塌陷点占总数的79.2%,体现了浅埋覆盖层岩溶区塌陷的基本特征。覆盖层较薄,极易受周围环境的地质条件改变而发生灾变。
3.1.2 触发因素及影响因素
根据收集的贵阳市塌陷案例资料,塌陷的触发类别可为5种主要类型,如
图5所示。其中以抽排地下水为主要的触发类型,贡献率达40%;建筑工程施工其次,贡献率达23.3%。由此可见,在岩溶区抽排地下水是影响塌陷的主要因素,当然,建筑工程施工也存在着疏排地下水的情况。如城市地铁的建设等地下工程施工,工程活动打破了地下水的原有的动态规律,在长期的地下水动力条件下,物质发生流失,最终诱发塌陷。
图6为花溪某钻孔监测平台2024年5月1日—9月30日的浊度与水位埋深监测数据,完整地监测了贵阳市典型试验场水位变化情况,获取了一个水文年的水位、浊度变化数据。建站初期,监测孔导通了2个岩溶含水层,引起浊度突变,地下水浊度快速上升,波动一周后恢复初始水平。水位变化于2024年10月开始持续下降,到2025年4月底开始回升,水位变幅达10.4 m。
由此可见,贵阳市地下水位每年的变化幅度较大,人类的地下工程活动如钻孔施工、隧道开挖等易造成岩溶含水层水位贯通,引起红黏土覆盖层物质流失,地下水浊度突变。在贵阳市长期的岩溶水位大幅度变化条件下,极易诱发“负压+正压”组合模式的岩溶塌陷。
3.2 塌陷地质模式分析
3.2.1 塌陷地质模式内动力影响因素
贵阳市是西南地区典型的岩溶城市,地质环境复杂阻碍了城市化快速发展,地下岩溶形态多样,为岩溶塌陷孕灾提供了良好的环境背景。综合贵阳市城市基本特征,系统总结了塌陷的内部空间形成机制,结果如
图7所示。
塌陷的本质是覆盖层结构破坏引起物质流失,在局部形成空洞的现象。地下空洞的形成可以归纳为内动力地质作用和外动力地质作用两种类型。内动力地质作用主要包括构造活动、成岩环境、水动力条件以及地震等,其中构造活动是岩溶地质现象发育的主要动力驱动,活动断裂会造成一定范围的岩体破碎,极易形成地下水强烈的交换区,如正断层通常为导水断层,对地下水运移中发挥较大的驱动作用;成岩环境是造成不同岩溶发育程度的重要因素,碳酸盐岩的成岩环境造就了不同时期形成的岩溶在空间上具有明显的差异性规律,贵阳市以三叠系安顺组为主要的塌陷地层,与其他地层形成断崖式区别;水动力条件是岩溶发育的内在驱动力,碳酸盐岩在侵蚀性的CO2作用下,最终在水动力条件下搬运Ca2+,造成岩溶空间逐渐扩大,形成溶蚀裂隙,进一步扩大后内部贯通、塌陷形成岩溶管道、溶洞、裂隙网络、溶槽等多种岩溶形态;地震在岩溶发育的过程中具有推进作用,贵阳市地震风险水平较低,一般不超过5级,地表有震感,这些轻微的震感在地下岩溶发育过程中,如裂隙贯通区域,轻微的震动可能引起局部坍塌,造成溶洞扩大,堆积物也容易引起地下水流向发生改变,内部侵蚀方向也随之发生变化。
外动力地质作用主要与人类工程活动有关。一方面,这些作用主要加快了岩溶溶蚀的形成,如工业的酸性物质、酸雨等汇入地下,加速了地下岩溶空间的形式;另一方面,动植物活动如居住在洞穴内部的蛇鼠蚁等,城市高大乔木景观树扎根土体,破坏土体内部结构,以及其贯穿至岩体后的根劈作用对岩体的结构破坏。当然,在深层还有部分微生物作用。这些活动是覆盖层物质流失的基础,是岩溶内部空间形成的重要过程。
3.2.2 塌陷地质模式
区域上,岩溶塌陷主要分布在主城区的云岩区、南明区,共占总数的55.93%。塌陷点在空间上集中分布在贵阳向斜与南明河地下暗河系统重叠处,因此,“岩溶+构造+地下河”组合是贵阳发生岩溶塌陷的主要孕灾区域地质模式。
单体上,由于覆盖层与岩溶强风化层直接接触,在地质结构上呈现多种形态。按照岩溶形态划分,包括溶洞型、岩溶管道型、裂隙型、溶槽型等。
3.3 塌陷形成机理
收集整理了贵阳市塌陷的塌陷原型,如
图8所示。宏观上主要包括荷载致塌、渗流致塌、自然塌陷以及植物根系生长致塌4种主要模式。综合分析了该区域内的塌陷致塌因素,按照场地区域划分可分为开采地下水型、地下工程建设型、地下管网渗漏型、动物洞穴挖掘型、乔木根系生长型5种,如
图9所示。
3.3.1 开采地下水型
开采地下水是贵阳市20世纪90年代最主要的致塌模式,开采地下水引起地下水位的反复升降,塌陷过程主要经历长时间的地下侵蚀,在部分溶槽、溶洞、岩溶管道与覆盖层直接接触的区域,发生接触冲刷作用,造成覆盖层颗粒流失,土体的渗流作用增强,毛细水上升高度逐渐增大,覆盖层内部被毛细水充填,土体自身的抗剪强度不断弱化,直至完全丧失后,在自身重力作用下内部发生坍塌,土洞不断扩展,最终形成塌陷。
3.3.2 地下工程建设型
地下工程建设如隧道施工开挖导通地下岩溶管道,造成管道连接覆盖层的一端水头消失,地下水对覆盖层的浮托作用消失,与地下水活动密切的覆盖层底部失去支撑后逐渐瓦解,形成临空面在管道空间内逐渐向上扩展,土洞不断扩展至覆盖层的临界厚度,延伸至路面时,易在车辆荷载下诱发塌陷,典型如
图8(a)所示。
3.3.3 地下管网渗漏型
地下管网渗漏型主要与城市管道老化以及施工破坏有关。管道内部存在一定的水压力,当管道结构发生破坏时,局部水压力升高可能直接冲破地下管道,引起黏土层快速软化。若无下渗通道,土颗粒将被水流携带进入管道内搬运至地表或地下河。在时间效应下,管网渗漏的区域逐渐向上侵蚀覆盖层,土洞逐渐扩展,最终诱发塌陷。典型如
图8(b)所示,塌陷发生后,巨大的水压力已到达地表。当然,也可能存在自然塌陷的情况,地下水动力掏空至公路硬化层后,路面自身重力产生的弯矩,使得塌陷中心低,四周高的形态,空间呈现漏斗型,代表如
图8(c)所示。
3.3.4 动物洞穴挖掘型
动物洞穴挖掘型主要与城市内蛇鼠等喜欢将自己巢穴安放在土体中的动物有关,这部分塌陷多位于城市边缘地带,形成演化过程与动物的种群扩大相关,主要的过程:洞穴形成→动物种群扩大→洞穴扩展→洞穴联通→局部塌陷→整体塌陷。这部分塌陷以自然塌陷为主。
3.3.5 乔木根系生长型
贵阳市区道路有高大的乔木,是南方城市的典型的特征。这一类树木根系十分发育且粗壮,在生长过程中遇到扎根土或岩体裂隙内部,这个过程不仅破坏了土体原有的结构,深部根系还可能对岩体裂隙造成影响(根劈作用),扩展了土体物质流失空间。在强降雨作用下,根系生长引起的土质松散部分随着雨水进入裂隙管道内,覆盖层无法支撑乔木自身的重力,最终形成塌陷。当然,也可能存在风荷载的影响,从不同方向扰动树木,加快了塌陷的形成,如
图8(d)所示。
根据场地的塌陷类型综合分析,该区域内的塌陷模式主要与地下水的渗流侵蚀条件改变有关。在此条件下,土体的结构发生破坏,覆盖层底部开始逐渐瓦解,土颗粒随着水流作用逐渐流失形成土洞,在人类工程活动的多因素影响下(如振动、荷载等),最终诱发塌陷。塌陷过程可以概括为:地下水渗流侵蚀条件改变→土体结构破坏→物质流失→土洞扩展→塌陷。
4 结论
(1)贵阳市岩溶塌陷在区域上主要受断层与地表水控制。在0~2 000 m区间内,地表水距离是贵阳市塌陷的主要影响因素,断层是次要影响因素;空间分异性受岩溶发育程度控制。三叠系安顺组地层岩溶发育程度最高,塌陷数量占比51.8%。
(2)贵阳市覆盖层以浅埋型为主,塌陷发生的厚度多集中于3~6 m,占比达62%。常年地下水位波动大,极易形成“正压+负压”的组合塌陷模式,触发因素主要以疏排地下水为主,建筑施工次之。
(3)贵阳市岩溶塌陷受内外地质作用的共同作用。区域上以“岩溶+构造+地下河”模式为主,场地塌陷模式包括开采地下水型、地下工程施工型、管道渗流型、动物洞穴挖掘型以及植物根系生长型,单体按照岩溶形态划分,包括溶洞型、岩溶管道型、裂隙型、溶槽型。
(4)塌陷主要是在地下水渗流条件变化以及人类工程活动双重胁迫下,土体内部物质流失形成土洞,最终诱发塌陷。
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