唐山市岩溶塌陷活动历史与形成条件

岩溶塌陷通常是由于覆盖在隐伏溶洞或强烈溶蚀带之上的堆积体失稳而突然坍塌造成的。由于这些溶洞、溶蚀带已被第四纪沉积物覆盖，因而难以确定其准确位置和逐个地进行稳定性评价。所以，在城市规划、建设的前期，由于缺乏充分的科学论证，不可避免地遇到了岩溶塌陷的潜在威胁。而对其进行风险评估，掌握其可能发生的概率(危险性)、分布范围及其可能带来的危害和损失，在城市规划、建设、设计和施工过程中有效地进行风险控制与管理，意义十分重大。
一、研究区岩溶塌陷概况［127］
1.评价区概况
评价区主要在市中心区包括路北和路南两个区，为唐山市的岩溶塌陷严重地区，总面积为202km2，人口约76万。
2.地质条件
唐山市地处“唐山块陷”之中。该块陷四周为活动断裂环绕。南界为宁河－昌黎深断裂;北界为丰台－野鸡沱深断裂;东界为滦县乐亭深断裂;西界为蓟运河深断裂。基岩岩性主要为古生代的碳酸盐岩。其上为厚度为14～93m的第四纪沉积物覆盖。
碳酸盐岩的岩溶作用较为强烈，规模不大的隐伏岩溶形态较为发育，以开口较宽的溶蚀裂隙为主，其次为小型溶洞。裂隙和溶洞交织成网格状。这些溶隙主要由构造裂隙或层间裂隙发育而成，其宽度一般为1～5m，主要以NE及NW向展布。
二、岩溶塌陷的风险识别
判定一个地方是否发生岩溶塌陷，一是要看历史上有没有发生过;二是要看是否仍具备发生的条件。根据已有资料［127、128、150～152］分析，研究区具备下列条件:
1.过去塌陷频繁发生
据调查，唐山市区共有地面塌陷26处，其中岩溶塌陷有20处、地震塌陷1处、其他塌陷5处;岩溶塌陷坑的平面形态多呈圆形、椭圆形，剖面形态则多呈筒状或坛状。塌坑的直径一般为2～8m，最大可达55m，其可见深度一般为2～6m，最深为10m;一般塌坑外围3～20m为影响带，其内多有地面变形开裂现象。区内的塌陷发生后，均进行了填平处理，较严重的塌陷采用了钻孔水泥灌浆处理。经处理后的塌坑大多已经趋于稳定，但也有不少塌坑仍有多次复塌。
2.目前仍然具备发生的条件
岩溶塌陷的形成受诸多因素的影响。其中岩溶化程度、覆盖层性质与厚度、活动断裂、地震和地下水开采是导致唐山岩溶塌陷的主要影响因素。目前，这些条件仍未消除。
(1)岩溶化程度高，构成了塌陷条件之一。隐伏碳酸盐岩发生岩溶化作用，是岩溶塌陷形成的先决条件。钻孔资料表明，研究区内第四纪沉积物之下的基岩大多为碳酸盐岩。燕山运动以来，开平向斜两翼碳酸盐岩被暴露于地表，使浅部岩层岩溶化作用得以加强，岩溶形态发育，以宽大溶隙为主，其次为溶洞。不过，岩溶发育在空间上具有明显的不均匀性。根据钻孔线岩溶率统计，强烈岩溶化的深度范围为30m，其下岩溶发育显著减弱，岩溶发育具有随深度增大而逐渐减弱的特征。岩溶发育以奥陶系灰岩最为强烈。
(2)覆盖层性质与厚度构成了塌陷条件之二。研究区内第四系松散层的岩性以冲洪积亚粘土、粘土、中砂、粗砂为主，少量卵砾石层，除残丘边缘地带局部为残坡积中粒结构的含砾粘土外，绝大部分地带为黏性土和砂层交叠的多层结构。
第四系表层普遍分布一层黄土状亚砂土，厚度为3～5m，含长石、石英颗粒，长石已剧烈风化，垂向节理发育，与下部砂层逐渐接触。
第四系底部存在一层不连续的残坡积粘土，厚度1～6m。该层土结构致密，呈硬塑状，具胀缩性。本层粘土裂隙发育，裂隙面光滑并具擦痕，可见锈膜。裂隙宽度一般为0.1～0.5cm，最宽可达1.5cm，且充填具水流痕迹的纯净砂。说明本层在新构造运动的作用下，遭揉挫破碎，裂隙已成为地下水渗透的通道。此层局部缺失，砂、砾石直接与基岩接触，形成“天窗”。
第四系中可见2～3层砂层，砂层单层厚度为1～10m，松散，磨圆中等，颗粒不均，含少量卵砾石，不均匀系数一般为2～6，大者42。渗透系数为7～20m/d，透水性较好。据钻探资料验证，塌陷发育处一般为黏性土、中砂，二层结构或多层结构。塌陷坑的形态与覆盖层砂土层和粘土层厚度比的大小有关，砂层厚度大的地带，塌陷形态以碟状为主，而砂层厚度相对小的地带，塌陷形态以筒状为主。
根据第四系覆盖层厚度与其相应范围内的塌陷个数的统计分析结果表明，覆盖层厚度对塌陷影响显著，塌陷多发育在厚度为0～15m的地带，最厚达65m。
(3)活动断裂的存在，是塌陷发生的又一因素。本区岩溶发育的另一特点是与活动断裂关系比较密切。据地质勘查和浅层地震资料解译，本区的主要活动断裂有6条。其中，未错断整个第四系的断层有陡倾断层2条;已错断整个第四系的断裂有4条。这些活动断裂既是岩溶活动的场所，又沟通了岩溶水与第四系水的水力联系并使第四系土层的完整性降低，从而有利于渗透潜蚀作用的发生和发展。
据浅层地震勘探结果表明，在这些断裂带附近已存在多处“潜蚀扰动点”，它们实际为土洞破坏带或潜蚀作用形成的土洞雏形。因此，潜蚀作用主要沿活动断裂带发展，活动断裂带亦属于潜在的塌陷危险区。
(4)地震活动。唐山地区是地震多发区。1976年7月发生7.8级地震以后，本区的岩溶塌陷显著增多，产生了本质的影响。可见，岩溶塌陷增多与地震有关这是不争的事实。
(5)地下水开采是塌陷的人为因素。1976年以前，岩溶水开采量最大只有10×104m3/a，但自1976年，重建唐山后，大量开采岩溶水，使取水量急剧增加，至1981年开采量最高峰达到15.1×104m3/a，加之1978～1981年连续干旱，从1978年起，岩溶水和第四系孔隙水水位以每年6mm的速度大幅下降，形成了双层降落漏斗，其水位差不断增加，最大可达到46m，大量的土洞形成并发生密集的岩溶塌陷。1983年以后，由于采取了限制开采的措施，加之1984～1987年降雨充沛，使岩溶水位得到回升，造成大幅度震荡和强烈入渗作用，使土层饱和、软化，降低其抗塌强度，已形成的土洞纷纷塌落，形成了1988年的塌陷高峰。由此可见，岩溶水水位的剧烈变化是引起地面塌陷的又一个重要原因。
三、危险度评估
即对本区塌陷发生的可能概率进行分析，对塌陷发生危险度进行计算或评估。
根据本区可溶岩地层分布和岩溶发育程度、上覆土层厚度、已有塌陷发育特征及分布、地形地貌特征等情况，利用上述岩溶塌陷危险性评价及危险度的计算方法，计算出本区塌陷发生的危险度pi分布见图9－6－1。

图9－6－1 唐山市岩溶地面塌陷危险度分布图

四、风险评估
(1)危害评估:研究区岩溶塌陷将造成的危害有:破坏建筑物、土地和生态，毁坏生活和生产设施，造成人员伤亡和财产损失等。由于要获得各项数字是非常难的，且危害评估又带有某种虚拟性质(即评估假设塌陷发生后可能的危害)，因此，在进行本项危害评估时，从地面人口密度、人均产值、个人财产等方面来核算。
研究区主要是唐山市中心路北区和路南区，是人口密度最大、财产集中、居民比较富裕、人均收入较高的地带。通过对唐山年鉴和“中国唐山网”及相关文献的查阅，结合实地调查访问，得到2006年研究区人口密度2100～3800人/km2(具体小区有所差距)、人均产值2.8万元、人均财产20万/人。
也就是说，按照2006年数据评估，在研究区内岩溶塌陷威胁到(包括生命和财产安全)的人员为2100～3800人/km2、2.8万元/人·a、人均财产20万/人。
(2)风险核算:按照风险度的计算式“风险度(Risk)=危险度(Haz-ard)×危害损失(Loss)”，结合上述危害评估结果，对区内岩溶塌陷风险进行计算，结果见图9－6－2。

图9－6－2 唐山市岩溶地面塌陷风险分区图

五、风险评判
本例所谓的塌陷危险度或概率，并不是数学意义的概率，而是一种相对可能性大小，其分布也只具有相对意义。所核算出的风险值，表明了单位面积(平方千米)上威胁到的人数、发生后可能引起的财产损失，并没有落实到户或人。事实表明，评价区多年来一直有塌陷发生，已造成伤亡或财产损失，这种事故摊在一个小区或政府，似乎不是太大的风险。但要是塌陷事故的风险由某家庭或某人来承受，则是难以想像的或不能承受的。
六、风险控制
要避免或降低塌陷风险，减少人员伤亡或财产损失，必须根据岩溶塌陷形成原因和诱发因素来提出回避或降低风险的对策或措施。根据研究区的实际情况，风险控制措施主要有:
(1)加大地质勘察力度，查明塌陷易发(概率高、危险度大)地区隐伏岩溶和土洞的发育程度、覆盖土层的工程性质和厚度、地下水动力条件等，找出将要发生的塌陷的具体地点，采取工程措施加固或搬迁以避免伤亡和损失。
(2)停止在危险区开采地下水和不合理的地下开挖，避免新的塌陷产生。
(3)对已经出现塌陷迹象，并造成房屋开裂等危险建筑，且又没有及时搬走的住户或单位，要注意观测塌陷发生动向，随时准备避让。

1．岩溶洞穴是塌陷产生的基础
岩溶地下地貌以地下洞穴、溶隙为主，向上开口的溶洞和裂隙是接受塌陷物质的门窗，塌陷坑的大小与溶洞的大小普遍存在垂直方向上的对应关系，大洞形成大坑，小洞形成小坑，裂隙形成长条状陷坑。
2．岩溶塌陷主要沿岩溶强烈发育地段分布
塌陷主要发育在岩性较纯的层位，断裂破碎带、褶皱轴部，可溶岩与非可溶岩接触带等。
3．第四系松散沉积物是塌陷体的主要组成部分
其中土层塌陷占96.7%，可由黏土、砂、砾各种成分组成，少数由破碎松软的基岩构成。
4．塌陷主要产生于土层厚度较薄地段
绝大多数产生于土层厚度小于10m的地段，以厚度小于5m的地方塌陷产生密度最大，土层厚度10～30m时要少得多，土层厚度＞30m时仅个别零星出现，如桂林市93%的塌陷产生于土层厚度＜10m的地方。
5．岩土层结构对塌陷的影响
主要取决于黏粒含量，黏粒含量多则不易产生塌陷。
易陷土层为均一砂性土，夹砂砾石的层状非均质土次之，底部有黏性土的层状非均质土塌陷很少。
均一黏性土产生塌陷相对缓慢一些，在黏性土中全新统的比更新统的容易发生塌陷。
6．土洞是潜在的塌陷
第四系沉积物中，尤其是黏性土中，常发育有土洞，直径0.1～0.2m到10～20m，以1～2m为多，主要分布在岩土接触界面附近和地下水位季节变动带内。土洞中水位变化容易引起地面塌陷。
7．地下水活动对塌陷形成的控制和影响
1）溶蚀作用改变岩土体状态。随含水量增加，岩土体由坚硬状态变为可塑状态，当地下水位下降时易于向下部溶洞移动形成土洞。
2）改变容重。土层饱水之后，容重增大1/2～1/3.5，容易形成塌陷。
3）地下水浮托作用与岩土体侵入水的体积成正比，一旦地下水浮托力失去，则土体自重将大大增大。
4）侵蚀搬运作用，指地下水流动对岩土体的直接侵蚀搬运作用。
5）地下水的渗流潜蚀作用，使土体的土粒不断被带走，破坏土体结构，形成土洞。
6）地下水位升降引起溶洞空间的正负压力变化。地下水位上升，使溶洞空间气体受压，这种正压力可冲破岩土体，引起气爆或地面崩陷；相反，地下水位下降产生负压，可吸蚀周围土体。
7）地下水集中渗漏点是塌陷集中产生的地方。集中渗漏点分布在溶洞裂隙上方的孔隙含水层中。

一、唐山市岩溶塌陷活动历史

唐山市地面塌陷历史悠久，早在本世纪20年代，由于煤矿岩溶水突水就发生过严重地面塌陷事故，造成重大损失。新中国成立以后，严重的岩溶塌陷集中发生在两个时期。第一阶段是1976年唐山大地震以后。共发生塌陷120多处。其主要分布在市区的凤凰山西麓，即现在的17号居民小区以及郊区的赵各庄中学、林西、黑鸦子、大庄坨、信任屯、小屯、沙河等地。它的塌陷规模大小不一，大的塌陷坑直径达100m以上。第二阶段是1983～1988年。其规模较大，造成危害的塌陷共约19处（表13-1）。陷坑多为不规则的圆形，一般直径5～10m，最大达30～50m；一般深1～3m，最大5～7m。

岩溶塌陷主要分布在路北区的西部和路南区的北部，集中发育在以下两个地带：一是西部的张各庄（6号居民小区）—体育场—啤酒厂一带，以中段的体育场—兴隆区附近最严重。主要塌陷有体育场塌陷、热力公司塌陷、京剧团塌陷、卫国路富强楼塌陷、房管所塌陷。这些塌陷集中发生在1988年前后。二是东部的大城山—凤凰山—人民公园一带，以中段的西北井—地震陈列馆附近最严重。主要塌陷有唐山十中塌陷、地震陈列馆塌陷等。这些塌陷主要发生在1984～1986年和1988年前后。除以上两个密集塌陷带外，在龙华小区、王谢庄大街等地有零星塌陷分布。

二、岩溶塌陷形成条件与分布规律

（一）岩溶塌陷形成条件

唐山市岩溶塌陷主要受地质构造、第四系覆盖层性质和厚度、可溶岩性质、地下水开采强度等条件控制。这些因素决定了岩溶塌陷的分布规律和活动强度。

1.地质构造与岩溶塌陷的关系

评估区位于冀鲁拗陷带北部与燕山褶皱带的结合部位。这是构造活动异常活跃的地区。塌陷区坐落在开平向斜的西翼，陡河断裂与唐山断裂之间的隆起地带。这一带第四系沉积厚度较小，基岩埋深较浅，受多期构造应力场的反复作用，使唐山隆起带上的断层和节理构造十分发育。其主要断裂和裂隙的展布方向为NNE向、S-N向、NW向和E-W向。基岩水力连通试验结果揭示了奥陶系灰岩具有较好的连通性。

表13-1　唐山市岩溶塌陷概况表

评估区内上述构造特征决定了本区基岩含水层具有很好的渗透性和导水性，表现在基岩地下水位变化的全区动态一致性特征。

2.可溶岩性质与岩溶塌陷的关系

可溶岩是岩溶塌陷形成的必要条件。评估区发育有两套碳酸盐岩系列：其一是雾迷山组的白云岩、景儿峪组的白云质灰岩、府君山组的豹皮灰岩；其二是张夏组的鲕状灰岩，崮山组和长山组的泥灰岩和竹叶状灰岩，凤山组灰岩，冶里组的竹叶状灰岩，亮甲山组的白云质灰岩和白云岩以及马家沟组的白云质灰岩和页岩。这些可溶岩由于纯度不同、厚度不一、分布位置差异等决定了其岩溶发育程度的不一致性（表13-2）。由此，对岩溶塌陷的作用也是不同的。

表13-2　唐山市可溶岩岩溶发育程度表

3.覆盖层岩土性质、厚度与岩溶塌陷的关系

岩溶塌陷是盖层土体在各种致塌因素作用下所产生的塌落现象。为此，认识第四系盖层的岩性、结构特征、厚度分布以及力学性质是研究岩溶塌陷的基础。

评估区第四系主要为洪积成因的含砾残积粘土、亚粘土、亚砂土、粉砂和细砂、中砂、粗砂、砾石等。从致塌条件分析，随土的颗粒变粗，其抗塌性能变差；随含砂量的增加，其抗塌性降低。均匀结构的粘土具有最好的抗塌性，例如盖层底部普遍存在的残积粘土层对中心区岩塌稳定起着至关重要的作用（图13-1），而位于山西南里的十中一带存在一个残积粘土层缺失的窗口。那里的粉细砂层直接覆盖于奥陶系灰岩之上，致使十中一带出现较大的塌陷坑。

图13-1　唐山市岩溶塌陷区残积粘土层厚度分区图（据王洪涛）

1—粘土层厚＜1m区；2—粘土层厚1～2m区；3—粘土层厚3～4m区；4—粘土层厚＞4m区

除覆盖层性质外，覆盖层厚度对岩溶塌陷具有重要影响。实践证明覆盖层愈薄，愈易塌陷。塌陷的临界厚度一般小于30m。为此，可按不同等级厚度与类型，依据我国部分地区塌陷的实际资料，按塌陷的形成条件将地表覆盖层的稳定条件划分为四级：Ⅰ极不稳定；Ⅱ较不稳定；Ⅲ局部不稳定；Ⅳ基本稳定（表13-3、表13-4）。

表13-3　不同厚度、不同类型土体中塌陷分布统计表

表13-4　地表覆盖层稳定条件划分表

4.岩溶水开采强度与塌陷的关系

过量超采岩溶水是致塌的主要因素。据资料分析，唐山市在70年代以前，供水主要以浅层水为主，岩溶水未被大量开采，绝大部分地区岩溶水呈承压状态。这段时间虽也出现过岩溶塌陷，但出现呈规模小、频率低。唐山市中心区的高频率塌陷出现在1978年之后，其塌陷分布范围从凤凰山公园逐步向外扩展，与岩溶水无压区的扩展一致，是过量超采岩溶水的结果。图13-2给出了岩溶水开采量、地下水位变化和岩溶塌陷的对应关系。从图中可以看出随着开采量的增加，岩溶地下水水位不断下降，由＋5m降至—29.0m。对应岩溶水水位的一个急剧下降期之后，就有一个塌陷高峰期。

（二）唐山市岩溶塌陷形成机理

唐山岩溶塌陷形成机理虽有众多学者研究，但至今尚存在着重大分歧。当然，谁也不排斥人为因素的破坏，即过量超采岩溶水所致。但分歧点集中在1976年大地震的作用方面。这次地震究竟作用多大，其作用方向与影响如何表现的？持这种观点的主要理由是：几乎所有岩塌均发生在大地震之后；岩塌分布与活动断裂有着直接的关系（表13-5）。石建省在对唐山活动断裂与岩塌关系的空间分析的研究中，经过GIS系统距离查询得出，大约有半数的塌陷点发生在距活动断裂50m以内，而距活动断裂150m以内的塌陷点约占70%。

我们认为：唐山市岩塌机理应从宏观与微观两方面进行分析：

表13-5　唐山市六个重点塌陷点概况表

图13-2　唐山市岩溶水开采量、水位与塌陷分布关系图

1.宏观分析

唐山地震主要表现在宏观作用上，主要表现以下三方面。首先，它破坏了较为稳定的岩溶腔。由于强大的地震力冲击，将原有的腔内充填物松动乃至搬移。这就给后来开采岩溶水时提供了良好的通道。其次，破坏了岩溶腔上方既稳定又固结十分良好的粘土层。这层粘土厚约1～6m，是上部第四系潜水与下部岩溶水的良好隔水层。经地震力作用，使其扰动、变形，后期在岩溶水开采中又未能分层止水，致使岩溶水开采强度不断加大，形成天窗，为岩塌既提供了动力又提供了空间。第三，地震力的作用，还破坏了上覆松散土体的结构，断裂地裂缝的产生又为地表水与地下水的连通提供了路径，塌坑的形成又利于集水下渗。

2.微观分析

众所周知，在岩塌形成的三大条件中，其中地下水动力条件的变化（岩溶水位下降速度、岩溶水动力状态、水力梯度大小）有着至关重要的作用。当岩溶水急剧下降时，导致上覆盖层浮托力减小，从而产生失托加荷效应；同时由于梯度不断加大，促使侧向渗透压力加大，不断产生渗透变形，逐渐形成大小不等的土洞，当上部土体压力增大，从而形成岩塌。

刘启仁在研究唐山岩塌机理时，曾做过模拟试验。通过试验得知：粘性土破坏的临界速度为0.65cm/s；砂土破坏的临界速度为0.146cm/s；岩溶空腔的负压为7.86kPa。

综上所述，可以认为：其形成机理是多机制综合作用的结果，其中以渗透潜蚀作用为主，其次为地表水浸泡软化增荷与真空吸蚀等。

（三）唐山市岩溶塌陷分布规律

1.地面塌陷集中分布在可溶岩发育区

唐山市岩溶最发育的地层为中奥陶统马家沟组厚层灰岩、白云质灰岩、白云岩，其次是寒武系竹叶状灰岩、鲕状灰岩、豹皮状灰岩及蓟县系白云岩。已有地面塌陷集中发生在这三类岩石发育区。

2.断裂带附近是岩溶塌陷最严重的地带

断裂构造带既是岩溶发育带，又是地下水强烈径流带，所以岩溶尤其发育，地面塌陷活动特别严重。市区两个地面塌陷分布带正是沿着两条重要断裂带形成的。张各庄－体育场－啤酒厂塌陷带呈NE向分布在陡河断裂带的F₀断裂的东南翼。大城山－凤凰山－人民公园塌陷带亦呈NE向分布在唐山断裂带的F₁断裂的西北翼。断裂构造的复合作用对地面塌陷也有明显控制作用。许多塌陷点，如体育场第二训练馆、热力公司等9处塌陷点均分布在F₀、F₁这两条主干断裂与其它断裂的复合部位或与断裂伴生的次级向斜的转折部位。

受地质构造和水文地质条件影响，塌陷地区岩溶特别发育。例如，据体育场第二训练馆塌陷坑周围6个勘探孔资料；其上部第四系厚39.01～43.19m，下伏基岩为寒武系灰白色白云岩、灰质白云岩，含燧石条带白云岩。所有钻孔所揭露的可溶岩段均有不同程度的溶蚀现象，特别是在顶板向下至65m左右深度的浅层可溶岩的岩溶更为发育。平均钻孔洞率达12.9%，钻遇溶洞高度一般为0.6～5.8m，最高达11.17m。

3.地面塌陷多发生在第四系覆盖层厚度较薄，隐伏土洞发育地带

唐山市区第四系厚度变化很大。两个岩溶塌陷带集中分布在F。断裂与F₁断裂之间的NNE向延伸的凸起上，这里覆盖层厚度小于50m。其岩性为粘土、亚粘土、粉细砂夹中粗砂、砂砾卵石层。它的结构松散，抗塌能力差，土洞发育。与此同时，第四系孔隙水与下部岩溶水水力联系密切，构成双层介质的统一含水系统。因此，在地下水位剧烈升降，地下水动力条件频繁变化时，产生比较强烈的渗透潜蚀作用，从而进一步导致地面塌陷。

4.岩溶塌陷集中分布在地下水降落漏斗区内

唐山岩溶塌陷的诱发因素除地震活动外，主要是为城镇供水和矿井疏干而出现的持续性超强度开采地下水。唐山是一个严重缺水的城市，为满足急剧增长的供水要求，自60年代后期，地下水超采日益严重，到1985年市区和郊区共开采地下水4.76×10⁸m³，开采强度达50×10⁴m³/a·km²以上，超采率达100%以上。自1970年开始，地下水位以每年1.5～6.0m速率持续下降，到1985年已累计下降30m以上，形成大面积地下水降落漏斗区。唐山市区内的漏斗中心位于焦化厂、唐钢、启新水泥厂、唐山矿、煤研所一带。中心区第四系孔隙水水位埋深29～43m，孔隙水已被疏干或接近疏干。岩溶水水位埋深48～58m。市区内地面塌陷集中分布在地下水降落漏斗中心或邻近地带。之所以如此，是由于在地下水位降落漏斗区内，水力坡度加太，地下水流速增加，地下水对第四系松散沉积物及可溶岩岩溶充填物的潜蚀和搬运作用加强，因此导致地面塌陷或不均匀沉降。这种动力活动在漏斗区内地下水来水方向及构造破碎带附近尤其强烈，所以地面塌陷也最为集中。