Winter park 岩溶塌陷坑

提及岩溶塌陷，不得不说1981年5月8日，发生在美国佛罗里达州中部一个名为Orange的小城市Winter Park的巨型塌陷，该塌陷坑直径106m，深 30m，造成了街道、公用设施、娱乐设施、一栋房子和六辆汽车的损失，严重影响交通，损失超过400万美元。

这是历史上著名的一次岩溶塌陷事件，大多数关于岩溶塌陷的文献都有提及。塌陷发生后，当地政府对塌陷进行了十个月的详细调查，同时新闻媒体对其在全球范围内进行了迅速的传播，全世界成千上万的人专门到佛罗里达州中部的这个名为Orange的小城市参观winter park塌陷坑，甚至造成了当地的治安问题。大学里的地质钻探机的需求量迅速增加，出现了很多调查岩溶塌陷的专业社团、服务俱乐部等，佛罗里达大学因为此次塌陷成立了专门的岩溶塌陷研究所。

同时，由于出现了在此次塌陷中出现的保险覆盖面不够，很多个人损失没有受到法律保护的问题，1981年佛罗里达州迅速组织立法并通过了佛罗里达州法关于岩溶保险法的第627. 706项条款。该条款对岩溶塌陷进行了定义，将其定义为由水作用石灰岩或类似岩层导致的空洞引起的地面塌陷。同时规定办理个人财产保险的公司对由岩溶塌陷造成的房屋破坏提供适当的保险赔偿。此后，关于岩溶塌陷的保险法在美国不断被完善并推广。

另外，此次塌陷之后，1984年10月第一届岩溶塌陷、工程、环境影响国际会议也在佛罗里达州召开。往后岩溶塌陷、工程、环境影响国际会议每两年召开一次。并从第一届开始，连续三届在佛罗里达州的奥兰多举行。

Winter park塌陷在佛罗里达州引起如此大的影响并不是一个偶然事件，到2009年为止，佛罗里达州有详细记录的岩溶塌陷已有2360起，每年发生岩溶塌陷有500余次，且在每年进入旱季时发生较频繁。

图为一个深约185英尺(约合56米)的天坑，1994年出现在佛罗里达州的马尔伯里市里。这场灾难是佛罗里达州迄今为止最具破坏性的灾难之一。一个15层的天坑在8000万吨的有毒工业废料下面被撕开。有毒物污染了佛罗里达州90%的饮用水。200万立方英尺的洞很快就被昵称为“Journey to the Center of the Earth”。后来发现这是美国某公司在开采岩石以提取磷酸盐时，某环节造成了地下水的流失，从而导致的塌陷。

在佛罗里达乡间随处可见大大小小的落水洞，天坑以及胡泊。每个受灾房屋的主人平均要花费10～15万美元来处理岩溶塌陷造成的破坏，而这种受灾房屋也不计其数。佛罗里达州地质调查局从1965年开始就启动了专门报道该州岩溶塌陷事件的在线数据库（SIRs）。目前在佛罗里达州有大量的公司在开展风险性评估工作，这些公司主要采用岩溶塌陷指数( SI )和岩溶塌陷索赔指数( SCI)来反映岩溶塌陷的危险性，并建立了完善的在线数据库。SI反映的是房屋遭受岩溶塌陷灾害的可能性大小。SCI主要用于反映索赔程度的指数。也就是说，当地居民只需通过上网查询便可知道自己住所所在位置地发生岩溶塌陷的风险以及索赔程度。

通过评估系数 ( SI )和索赔指数( SCI)签订保险合同后，如果不幸发生了塌陷，便到了整个保险过程最重要的步骤，即判定塌陷是否为岩溶塌陷。要对塌陷进行判定，不仅需要给出岩溶塌陷的明确定义，还需要对塌陷进行详细调查，并了解岩溶塌陷的形成过程以及塌陷的机制。那么岩溶塌陷该如何定义，又是怎么形成的，为什么佛罗里达州每年会产生如此大量的岩溶塌陷，又为什么大量的岩溶塌陷发生在旱季？

如前所述，1981年佛罗里达州众议院通过的627. 706项条款将岩溶塌陷定义为由水作用石灰岩或类似岩层导致的空洞引起的地面塌陷。我国1990年发布的国家标准《岩溶地质术语》中将岩溶塌陷定义为在岩溶地区，由于下部岩体中的洞穴扩大而导致顶板岩体的塌落；或上覆土层中的土洞顶板因自然或人为因素失去平衡产生下沉或塌落的通称。而我国铁道部则提出“开口岩溶洞隙与上覆土层中的水、气对盖层发生的力学效应，导致的地面塌落” 的定义。有定义认为岩溶塌陷主要是指岩溶化岩层上部土洞顶板的塌落。土洞即发育在可溶岩上覆土层中的空洞。

《岩溶地质术语》将溶洞扩大导致的溶洞顶板的塌落也囊括在岩溶塌陷的范畴，而实际上大部分岩溶上部都存在覆盖层，一般所指的岩溶塌陷均表示覆盖层的塌落，我国《建筑地基基础设计规范》涉及到岩溶地基基础设计的部分则将岩溶与土洞分开描述。下图为岩溶塌陷形成过程的示意图，可见溶洞顶板坍塌是上覆有覆盖层时岩溶塌陷最终形成的前期过程。本文所述的岩溶塌陷均为存在覆盖层时的岩溶塌陷。

岩溶塌陷形成过程

1981年627. 706项条款和铁道部均从作用机制的角度进行定义，627. 706项条款定义可以总结为溶洞引起的地面塌陷，这样定义还是过于笼统，铁道部则提到了水、气对盖层的力学效应，不过没有明确指出具体的效应。

通过对我国岩溶塌陷的大量调查研究，在国外研究成果的基础上，我国学者将塌陷形成机理归纳为以下几种：潜蚀效应、真空吸蚀效应、压强差效应、重力效应、垂直渗压效应、土体强度效应、气爆效应、土壤液化效应、动力加荷效应、浮力效应、荷载效应、根蚀效应、溶蚀效应等。实际发生的岩溶塌陷通常都是几种效应耦合作用的结果。

常见的岩溶塌陷主要由重力效应、荷载效应、潜蚀效应、真空吸蚀效应导致。重力效应致塌以及荷载效应致塌常见于地下水位较低的情况。所谓重力致塌就是指土洞顶板在自重作用下塌落。荷载致塌则是在土洞顶板上存在附加荷载的情况。

1.原始土洞 2 重力作用下土洞扩大 3 土洞进一步发展 4 塌陷产生

重力致塌过程

荷载致塌过程

潜蚀是在渗流作用下单个土颗粒发生独立移动的现象，在多数情况下发生在渗透性较好的土层中，如粉质粘土、砂土、砾石等。

潜蚀效应致塌则是指土层在地下水的渗流作用下，产生的渗透力引起土层的潜蚀、冲刷和掏空，出现管涌和流土，造成土层破坏形成土洞，使地面变形的过程和现象。潜蚀效应致塌是岩溶地区土层塌陷形成中最主要的塌陷模式。

1.地下水位下降，潜蚀作用产生 2 土洞形成 3 土洞扩大 4 塌陷产生

潜蚀效应致塌过程

不难理解，上文所述的A·Ⅱ·巴甫洛夫提到的地下水溶滤和冲击下垫层岩层的易溶部分以及Sweeting教授提出管涌导致的塌陷均为潜蚀效应导致，而Bengtsson、Mylroie、Veni等认为的抽水和修筑构筑物则是抽水导致的潜蚀或真空吸蚀效应以及荷载效应导致的塌陷。

总结一下，根据岩溶塌陷的定义，要产生岩溶塌陷必须存在发育中的可溶岩或者说存在地下岩溶洞隙，其次必须得有覆盖层，另外覆盖层之上的荷载，渗流导致的对覆盖层的潜蚀以及地下水位的波动导致的渗流加剧或地下封闭岩溶空腔内的压强变化等均会催发岩溶塌陷的产生。

佛罗里达州地形图

整个佛罗里达州台地大约800×400平方公里，主要由几乎水平成层的沉积岩组成，沉积岩主要由碎屑及泥质海洋石灰岩、砂岩和页岩等组成。且佛罗里达州的地表在中部隆起，形成中间高两边低的地形，如上图所示，这方便了地表径流，地下水流动和补给。另外，佛罗里达州每年有大约130cm的降雨，大量的降雨不断补给地下水，地下岩溶发育广泛，并且在每年的四月和五月进入旱季，降雨量减少，地下水位下降较快，潜蚀以及真空吸蚀作用加剧，因此大量的岩溶塌陷也是发生在这个时期。下图是Winter park塌陷的地质剖面图。

Winter park塌陷地质剖面图

在Winter park塌陷所在位置，海平面以上27m以内有18m厚的堆积层，由从松散到致密的砂、黏土砂以及轻度胶结的砂组成。在这以下是大约27m厚的疏松至非常致密的粘土砂，夹杂粉砂、贝壳磷酸盐和白云石碎片，层积在奥卡拉群的石灰岩上。这张剖面反应了佛罗里达州中部普遍的地质情况。

几乎水平成层的可溶沉积岩，广泛发育的岩溶洞隙以及松散的覆盖层，中部隆起的地形，加上每年大量的降雨，佛罗里达州不可避免地成为岩溶塌陷频繁发生的重灾地。

岩溶塌陷问题是一个在世界范围内广泛存在的问题，据不完全统计全球已有 19个国家及地区包括中国、美国、法国、南斯拉夫、德国、波兰、南非、希腊、前苏联地区、英国、比利时、土耳其、以色列、加拿大、西班牙、捷克、保加利亚以及多米尼加共和国等存在严重的岩溶塌陷问题。

2008年5月7日，德克萨斯州戴斯特附近出现的一个巨大的坑，这个天坑吞没了油田设备和一些车辆。

2010年5月30日在危地马拉城市出现了一个直径20米，深约90米的巨坑，事故造成15人死亡。

2010年6月15日，湖南戴成桥清泉小学附近，一名当地居民朝天坑里扔石头。这个坑有150米宽50米深，它的出现摧毁了至少二十间房屋。

我国岩溶地貌分布图

在我国，岩溶地貌分布面积达363万平方公里，约占国土面积的1/3，岩溶塌陷主要分布在广西、广东、贵州、湖南、云南、湖北、四川及北京、山东、山西、辽宁、河北、陕西等地。尤其是西南地区较为集中。已经存在的塌陷坑已超过4万多个，每年仍以惊人的速度递增。

我国岩溶塌陷分布图

相比于美国，到目前为止我国还没有专门涉及地质灾害独立险种的法律法规，市场上的几家保险公司开办地质灾害保险业务都是将塌陷、崩塌、泥石流等保险责任列在财产保险综合险的保险责任范围之内承保。对于岩溶塌陷灾害的判断及认定主要还是靠政府部门牵头，多个部门共同承担，没有相对独立的中立评估机构，更没有完备的在线岩溶塌陷数据库，因此，大多数小型岩溶塌陷损失还是由受灾者自己承担。

虽然在岩溶塌陷保险法方面尚有很大缺口，但是随着我国几十年的基础设施和城市建设的不断推进，在岩溶塌陷预测评价领域取得了不小的成绩。岩溶塌陷的预测评价方法分不确定性和确定性两种。

根据前述可知，岩溶塌陷的产生是由于自重效应，荷载效应，潜蚀效应等各种效应的作用。但是影响岩溶塌陷产生的因素通常是不确定的，比如岩溶发育的程度，覆盖层的性质，厚度，地下水的情况及变化，降雨等自然气候条件等等。那么如何应用风险性评价的方法预测评价岩溶塌陷发生的风险大小呢？下图为岩溶塌陷风险性评价的一般流程图。

　岩溶塌陷不确定性预测评价思路图

以唐山市为例：

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-野鸡坨深断裂；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 ～ 93 m 的第四纪沉积物覆盖。

影响唐山市岩溶塌陷发生的因素主要有：岩溶发育程度、覆盖层厚度及性质、活动断裂、地震以及地下水开采。确定影响因素后需确定岩溶塌陷灾害的风险性及风险评价因子。为对岩溶塌陷的产生是否构成灾害进行评价，胡瑞林等将岩溶塌陷产出状况与当地的社会经济状况相联系后，提出风险评价因子包括：

(1)前提风险因子:有无覆盖型岩溶分布是岩溶塌陷能否形成的前提条件, 即所谓的前提因子。

(2)强度风险因子:确定岩溶塌陷是否发生, 强度或规模究竟多大，主要包括岩性、地层结构、覆盖层厚度和活动断裂发育程度等方面。

(3)诱发风险因子:诱发因子分为自然和人为两种。本地区的自然诱发因子主要是地震活动，而人为诱发因子主要是地下水开采引起的水位波动。

(4)灾损敏感因子:反映不同损失程度的因素或指标，被称之为“灾损敏感因子”。

(5)抗损风险因子:指衡量研究区所拥有的抵抗灾害发生或减轻灾害损失的能力指标。

风险因子中所包含的各种影响因素称为该风险因子的风险成分。由于各因子及成份对岩溶塌陷风险产生的贡献率不同，采用风险比值描述各风险因子及成份的贡献率。可以根据木桶原理确定各风险比值，如下图的多短板型结构。

多短板型结构

确定风险因子、风险成分及风险比值后，便要建立合适的风险评价模型。风险评价模型有很多，常见的有三类：分别为半经验模型、统计模型和机器学习模型。其中半经验模型包括模糊综合评价模型、灰色模糊综合评判模型等，统计模型包括信息量模型、证据权模型等，机器学习模型包括人工神经网络模型、支持向量机模型等。胡瑞林等采用如下图所示的鱼骨模型。

　风险评价鱼骨模型

图中“大骨”对应于风险因子，“小骨”对应于风险成分，则唐山市某个特定区域发生岩溶塌陷的风险度就为各组成要素（大骨）也即各风险因子的风险比值之和。

不同类别的评价模型理论基础迥异，分析处理资料数据的角度也各有侧重，评价结论普遍存在不一致性，评价风险性时须谨慎挑选。

岩溶塌陷确定性预测评价以相关力学理论为基础，根据塌陷的形成机理建立力学模型，推导出塌陷的确定性数学平衡表达式。根据前述，岩溶塌陷成因多种多样，因此对应的力学模型也必然各不相同。但是岩溶塌陷的产生都是最终表现为岩溶上方土洞顶板的塌落，因此如果能找到土洞塌落时的土洞临界高度，便可以此为依据评价特定岩溶土洞的安全性。

岩溶塌陷产生前，上方土洞是由内向外不断扩大的一个过程，在寻求土洞顶板坍塌的临界高度前，先认识一下平衡拱原理。在这之前，幼年时期的小编长久以来对柔软的蚯蚓游走在存在很大地应力的地下却没有被压死百思不得其解。

下图为Ali Ahmadi和Ehsan Seyedi Hosseininia做的一个试验，试验采用无粘性砾石以及塑料珠子进行。

试验所采用无粘性材料

砾石试验过程

平衡状态

可见，试验最终能形成一个稳定的拱。同时试验也发现，随着下部开口的增大，拱的高度也随之增大，最终当开口宽度达到一定值时，将不再能形成稳定的拱。该开口宽度对应的拱的高度，也即我们要寻求的土洞的临界高度。

平衡拱原理在地下结构工程中应用广泛，迄今为止我国的隧道衬砌结构设计依然依据这一原理。贺可强，王滨等利用这一原理，针对枣庄岩溶塌陷、唐山市体育场岩溶塌陷问题，建立了临界土洞高度表达式，并对枣庄市及唐山体育场的岩溶塌陷进行了验证分析与评价，得到了较好的结果。

开口岩溶洞穴与临界土洞示意图

完

参考文献：

[1]THE WINTER PARK SINKHOLE AND CENTRAL FLORIDA SINKHOLE TYPE SUBSIDENCE;

[2]William G. Salomone. Part 1: The applicability of the Florida Mandatory Endorsement for Sinkhole Collapse Coverage-Legal aspects [ C ] / /The First Multidisciplinary Conference on Sinkholes and the Engineer;

[2]张丽芬，我国岩溶塌陷研究综述；

[4]万佳威，岩溶塌陷不确定性预测评价综述；

[5]胡瑞林，唐山市岩溶塌陷区域风险评价；

[6]Ali Ahmadi, Ehsan Seyedi Hosseininia，An experimental investigation on stable arch formation incohesionless granular materials using developed trapdoor test；

[7]王滨，贺可强，岩溶塌陷临界土洞的极限平衡高度公式；