基于物理模型的桂林岩溶塌陷水文过程灾变机制研究

我国是世界上岩溶塌陷发育最广泛、受害最严重的国家之一，岩溶塌陷区面积约为330×10⁴km²。从黑龙江到海南岛，从青海盐湖到东海海滨，都有程度不同的岩溶塌陷分布，特别是广西、贵州等省分布更为广泛（袁道先，1994；Sweeting and Marjorie，1995；Lei et al.，2015）。

广西岩溶分布面积约占全区总面积的41％，岩溶塌陷大致分布在以柳州为中心，北起桂林、阳朔，南到黎塘，东南到贵县、桂平、玉林、灵山等浅层岩溶与土洞发育地，岩溶塌陷等灾害问题频繁发生（朱真，2002）。

严重的岩溶塌陷问题将会威胁到城市的规划和发展（Bottrell et al.，1991），而桂林市则更是由于频繁多发的岩溶塌陷灾害给城市建设、交通运输、矿山开采、农田水利和生态环境带来了严重的危害，造成了重大的经济损失的同时也给当地百姓生活造成了风险（袁道先，2015）。

岩溶塌陷成因较复杂、影响因素众多，同时，近年来受人类工程活动和极端气候双重影响，岩溶塌陷地质灾害呈高发频发态势，其时空分布、损失程度、影响深度和广度也出现了新变化，隐蔽性、突发性、反复性和难以预见性日显突出，加之很多地区缺少长时间的岩溶塌陷记录，影响了岩溶塌陷成灾机制的深入研究（Kacaroglu et al.，1999；袁道先，2009；Waele et al.，2011），因此，加强岩溶塌陷的研究不仅具有重要的现实意义，而且具有重要的学术价值。

传统岩溶塌陷研究方法如地质勘查、地质测绘、地质钻探、物探等手段和技术的应用都存在一定局限性，在进行工程实践时往往难以取得满意结果。

岩溶塌陷的调查主要从岩溶地质、工程地质和水文地质条件调查的出发，以野外调查和测绘、地质钻探和物探等手段来揭露地下隐伏岩溶的发育程度、覆盖层的结构及水动力条件。为了对岩溶塌陷进行精确探测，当前，区域岩溶塌陷调查已经引入激光雷达（LIDAR）、合成孔径雷达（INSAR）等新型航空技术，而联合物探技术如地面地质雷达（GPR）、瞬变电磁法（TEM）、电阻率程序（ERT）、地震折射（SRFR）和微重力（Microgravity）等不同方法的综合运用则有效解决了不同深度岩溶塌陷探测问题（Zhu et al.，2020；Nam et al.，2020；Hu et al.，2022；刘道涵等，2022），同时，跨孔CT、钻孔雷达、核磁MRI、基于井中超声波成像（蒙彦等，2019；贾龙等，2022）等技术的运用也初步解决了微小尺度上岩溶塌陷精细化探测问题。但岩溶塌陷的历时演化全过程的可视化观测尚难以达成，对岩溶塌陷成灾过程及其机制研究带来困难，还有诸多有待进一步深入研究和探讨的问题

因此，研究岩溶塌陷的形成机理，在从地貌特征、地层岩性、水文地质及工程地质情况等多方面着手的同时，还要结合物探方法和室内多尺度可视化模型实验等方法进行综合研究。特别需要引入有效的观测技术来研究岩溶塌陷的历时演化过程，为进一步研究岩溶塌陷成灾机制提供更为丰富的信息和直观可靠的观测数据。

（1）资料收集与野外调查

收集和分析桂林地表既有典型岩溶塌陷相关文献和水文地质资料，理论上分析岩溶塌陷形成的地质背景条件，在此基础上并开展野外调查，清楚桂林市岩溶塌陷空间分布的基本特征，概括典型岩溶塌陷土层结构组合和岩性特点，岩溶塌陷发育特征。

（2）桂林典型岩溶塌陷地质模型概化

综合地质资料、踏勘成果和取样分析结果等相关成果，建立桂林典型岩溶塌陷地质概化模型，总结塌陷土体成分、结构、类型、渗透性和变形指标等性质。

（3）开展多尺度室内物理模拟

建立物理模型开展室内试验，直观观测岩溶塌陷水文过程引发土体颗粒位移、土体变形情况；分析模型中塌陷全过程的土层内部结构变化特征和塌陷形成过程。

前人研究者将我国岩溶塌陷形成机制归纳为重力致塌模式、潜蚀致塌模式、真空吸蚀致塌模式、冲爆致塌模式、振动致塌模式、荷载致塌模式、溶蚀致塌模式和根蚀致塌模式等8种模式（徐卫国等，1981；康彦仁，1992；李前银，2009），形成了我国岩溶塌陷研究的基本理论。国外对岩溶塌陷的成因机理研究较为关注的是水的潜蚀和侵蚀作用，影响因素包括暴雨、抽水、地表径流、下水管道渗漏等（杨立中，1997；Benson et al.，2016；Santolo et al.，2018；Gkkaya et al.，2021）。后人在此基础上，结合各自研究区特点，借助数学、力学和数值模拟等手段在机理定量化表达和特殊致塌因素分析等方面进行了深入研究，特别是极限平衡拱理论和盖层薄顶板稳定性评价的引入使得土洞型岩溶塌陷临界条件的量化研究有了明显提升（程星等，2002a，2002b；王滨等，2011；贺可强等，2017；李新华等，2021；Jia et al.；2020；Jia et al.；2021）。

岩溶塌陷影响因素包括暴雨、抽水、地表径流、下水管道渗漏等（杨立中，1997；Benson et al.，2016；Santolo et al.，2018；Gkkaya et al.，2021），其他因素还包括钻探（Tihansky，1999）、爆破和地震（Giampaolo et al.，2016；Kuniansky et al.，2016；Kuniansky et al.，2017）等。

从大量岩溶塌陷的实例可发现，地下水的动态变化是引发塌陷或加速塌陷变形的主要原因。地下水位的变动具体包括两种影响：1）地下水位下降，人类活动区开采地下水、矿井抽水、建筑基坑降水等是引起地下水位下降的主要原因；由于水浮托力的降低和覆盖层内瞬时孔隙水压力梯度提高，增加覆盖层顶板压力的同时，也使得顶板松散物质迁移性増大，大部分的岩溶地面塌陷形成于水位下降环境（雷明堂等，1993；程星等，2002），武汉、广州和唐山等城市抽排地下水，引发了大量岩溶塌陷的案例（刘道涵，2022；贺可强等，2017）。刘之葵等（2004）统计桂林市岩溶区人为塌陷中90%以上为人工抽水所致，水力梯度是决定潜蚀作用的关键，而水位变幅速率是覆盖层崩解速率的关键。死海地区，地下水位下降引起的海水侵入，加速岩溶溶蚀，沿岸以色列和约旦等国的岩溶塌陷明显増加（Yechieli et al.，2006）。2）地下水位抬升；如水利水电工程库区，地下水位抬升普遍存在的，库水可能沿岩溶管道反灌，亦会加大岩溶溶蚀速率，使裂隙加宽（Gutiérrez，2010）；降雨入渗会形成垂向渗透力导致盖层土体破坏，但引起的地下水位抬升是否会触发岩溶塌陷的讨论仍存在争议，传统的饱和土渗流分析无法准确描述降雨过程中塌陷体孔隙水压力的动态变化，目前缺乏更直观的观测手段予以支持（贺可强等，2002；冯永，2009；刘长礼等，2013，2021）。

岩溶塌陷具有突发性、隐蔽性、复杂性等特点，往往给工程带来巨大危害。因此，对岩溶塌陷监测预警、对其发育特征和变化规律的掌握具有重要意义。在地表，一般运用激光雷达、合成孔径雷达、热红外（TI）、全球定位系统（GPS）和地面地质雷达等航空遥感及物探方法进行定期扫描监测（Benson et al.，2011；Gutiérrez et al.，2011；Jiang et al.，2016）；在地下，监测预警方法主要是对上覆盖层土体的物理力学性质进行监测，包括应力应变监测、土壤含水率监测等，地下水动力条件监测也是常用的地下预警方法（Meng et al.，2014），具有易推广、成本低等优点，但其难点在于预警判据的获取，可以借助地下水数值模拟、力学分析模拟或通过室内物理模型模拟方法确定预警阈值，GMS、FLAC ^3D等模拟软件在临界条件研究方面应用较广泛（Van Dyk et al.，2016；蒙彦等，2018）。

因此目前岩溶塌陷机理研究可以从以下方面切入：开展历时的、动态的研究，岩溶塌陷的演化是基于水文过程和岩溶过程的量变到质变的发展，有效的监测手段、直接可视化的模型试验对岩溶塌陷的成灾过程重现具有重要的提升效果。

伴随桂林入围全国第二批系统化全域推进海绵城市建设示范城市，城市建设正在提速，重大工程全面布局，岩溶塌陷造成的经济损失愈加严重，严重制约国土规划和社会经济发展。而以往关于桂林市岩溶塌陷技术手段限制还有些问题研究不够深入，对岩溶塌陷灾害的成因机理和演化机制还有待深化。现阶段相关研究仍以定性分析为主，不能满足桂林城市发展的实际需求，因此，基于定量化的岩溶塌陷灾害问题研究十分必要和迫切。因此，本研究在调查桂林市岩溶塌陷灾害分布特征的基础上，以桂林阳朔县峰林平原、拓木镇等区域发育的多个典型岩溶塌陷为研究对象，开展野外调查，多点实时监测地下水位变化情况，并在此基础上建立桂林典型岩溶塌陷地质概化模型，开展室内物理模型试验，从而实现岩溶塌陷灾害成灾过程可视化观测，揭示桂林典型岩溶塌陷的形成模式和成因机制，为岩溶塌陷预测与评估提供科学依据。

本研究基于文献研究和野外调查，建立桂林典型岩溶塌陷地质概化模型，建立物理模型开展室内模型试验，利用可视化技术监测岩溶塌陷水文过程引发土体颗粒位移、土体变形过程，，全面系统的讨论了地下水位波动等地下水动力条件改变影响下岩溶塌陷的影响及其发展规律。

1.技术路线

图1  技术路线图

2.拟解决的问题

（1）基于系统的室内岩溶塌陷模型试验，实现地下水渗流和地下水动态变化等条件下岩溶塌陷发育演化全过程的监测。

（2）基于物理模拟结果，结合文献研究、野外调查，阐述地下水位波动、流量变化等水动力条件改变影响下岩溶塌陷的影响及其发展规律，分析桂林典型岩溶塌陷成因机制。

3.预期成果

（1）通过对桂林市区及周边岩溶塌陷区域进行现场调查，掌握岩溶水文地质条件和地下水位波动情况，实测土层结构和岩性等数据，建立典型岩溶塌陷地质概化模型。

（2）发表学术论文1篇，提交成果报告。

1. 2024年4月~2024年8月

文献资料查阅、实验方案编制及实验准备；

2. 2024年9月~2024年12月

开展实验并利用、实验数据分析与整理，撰写科研论文初稿；

3. 2025年1月~2025年3月

完成科研论文，撰写实验报告。