唐山市岩溶塌陷活动历史与形成条件

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。