《岩溶土洞的形成机理研究》为岩溶土洞的勘察工作提供科学依据

近日，国家自然科学基金委员会发来通知，中国地质科学院岩溶地质研究所蒋小珍研究员承担的《岩溶土洞的形成机理研究》国家自然科学基金资助项目顺利结题。该项目对岩溶区普遍发育的岩溶土洞形成机理展开研究，为隐伏岩溶地区土洞的勘察工作提供了科学依据。

岩溶土洞作为岩溶区特有的不良地质现象,已成为我国覆盖型岩溶区基础工程建设面临的主要地质病害隐患。《岩溶土洞的形成机理研究》以岩溶土洞为研究对象，针对岩溶土洞发育的基本地质模式和形成机理这一关键技术问题进行系统研究。

项目首先以桂林、贵港、龙岩、鞍山和广州市为典型区，通过野外调查、雷达扫描、钻探、开挖等技术手段，根据发现土洞的位置、土层结构、地下水动力条件的不同，建立了两种岩溶土洞发育的地质模式：1.岩溶土洞发育在基岩面附近的地质模式（有含水层的多元结构土层）；2.岩溶土洞发育在波动带的地质模式（无含水层的单层结构土层）。然后，通过室内大型物理模型试验、矿物成分、渗透变形实验、崩解试验，深入分析岩溶土洞的形成机理，建立了单层土体结构岩溶土洞形成机理：土洞首先在基岩面形成，然后逐渐往地面扩展，其发育扩展过程可分为3个阶段：

①基岩面附近阶段，土洞形成与地下水位的承压状态和地下水位初始下降速度密切相关，此阶段土洞的形态是以缝（洞）的形式存在，形成通道，通道规模较小，施工（钻探）中难以发现。

②地下水包气带(季节变动带)阶段，土洞扩展以地下水反复浸泡下发生崩解作用为主,规模较大，施工（钻探）中易发现。

③近地表（垂直渗入带）阶段，土洞扩展以上部降雨入渗，洞顶剥落为主，崩塌块体较大。

此外，通过高精度的地下水动力监测手段，建立了岩溶土洞（塌陷）水动力条件的危险性评价指标：

①岩溶水位日变幅和水位恢复时间：前者反映地下水开采强度，后者反映地下水补给速度。评价时，将地下水动态变化对岩溶塌陷的影响按区划分为高、中、低三级：低影响区：岩溶水位日变幅度小于1.0米、恢复时间小于5.0小时；中等影响区：岩溶水位日变幅度1.0-3.0米、恢复时间在5.0-10.0小时之间；高影响区：岩溶水位日变幅度大于3.0米、恢复时间大于10.0小时。

②监测的岩溶水位最大瞬时下降速度：岩溶管道裂隙系统水气压力变化速度是触发土体破坏、并快速产生岩溶塌陷的关键指标。粘土破坏的瞬时临界速率约为180厘米/分，即，岩溶管道裂隙系统水气压力的瞬时变化速率高于该临界值越多，地表出现岩溶塌陷坑的时间越短。

该指标实现了开采井的抽水活动引发岩溶土洞（塌陷）危险性的定量评价，同时，也可以通过监测系统，监控开采井的水位动态，据此限定开采井的开采方式，实现地下水的安全开采。