黃土落水洞及其發(fā)展之間規(guī)律的研究

張國明 董蘭鳳

【摘要】落水洞是地表水流入地下的進(jìn)口，表面形態(tài)與漏斗相似，是地表及地下巖溶地貌的過渡類型。通過調(diào)研和查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)落水洞極易在黃土地區(qū)形成，并且在我校萃英山就分布著大量的落水洞。長久以來，與落水洞相關(guān)的工程事故時有發(fā)生且危害顯著。本項(xiàng)目組通過研究落水洞特征與其發(fā)展之間的規(guī)律關(guān)系從而有效的預(yù)測落水洞的孕育情況。統(tǒng)計(jì)分析大量的數(shù)據(jù)后建立起科學(xué)的模型，并且找到了傾角與深度的關(guān)系，描述了其規(guī)律關(guān)系，以此來預(yù)測落水洞的孕育及發(fā)展情況，并進(jìn)一步提出防治建議。

【關(guān)鍵詞】落水洞；傾角；深度；面積

一、引言

對落水洞的研究學(xué)者不在少數(shù)。有關(guān)黃土落水洞的成因、形成機(jī)理等間題，前人已有不少論述。本文以甘肅省蘭州市榆中縣翠英山上的黃土落水洞為例，測量其特征參數(shù)，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，分析其特征之間的規(guī)律關(guān)系，以及這些特征與其發(fā)展之間的關(guān)系，并且分析其成因。黃土落水洞，是黃土高原常見的一種常見的地貌，大小深淺各異，形態(tài)多樣。

二、實(shí)驗(yàn)區(qū)域的選擇以及數(shù)據(jù)的獲取

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域的選擇

本研究依托的倆個實(shí)驗(yàn)區(qū)域分別分布在蘭州市榆中縣的翠英山的防空洞的南側(cè)和北側(cè)。這倆個區(qū)域的落水洞分布比較集中，類型較為豐富，特征較為明顯。

2.2 數(shù)據(jù)的測量

經(jīng)過大量的前期工作，本研究針對落水洞的洞口的橫向長度以及縱向長度、深度、傾向、傾角、面積進(jìn)行了測量。在測量的過程中較為創(chuàng)新的借助了CAD以及fortran，極大地提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，客觀性，同時也提高了工作效率。測量長度的方法是在拍照的時候法放上直尺或者筆，將照片導(dǎo)入到CAD中，測得所放置的物體在圖片中的長度以及測得落水洞的長度，然后通過游標(biāo)卡尺測得所放物體的實(shí)際長度，從而換算出比例尺，然后算出落水洞的實(shí)際長度。

測量面積時將洞口按實(shí)際形狀分成多邊形，并且將其細(xì)化的分成三角形，然后按照測量長度的方式測出每個三角形的每個邊的實(shí)際長度，通過fortran編寫程序計(jì)算出洞口面積。

三、數(shù)據(jù)分析

研究過程共采集數(shù)據(jù)80多組，經(jīng)分析對比，選定25組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

3.1 數(shù)據(jù)分析

在數(shù)據(jù)處理過程中，經(jīng)過數(shù)據(jù)的比對，通過散點(diǎn)圖可以看看出，落水洞的傾角和洞深是有著極大的關(guān)系的。洞深除了傾角以外還受洞的年齡的影響。為了控制年齡，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時特別找出六個分布距離較近，洞內(nèi)植物類別以及長勢大致相同的洞的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

落水洞的深度和洞口的傾角關(guān)系是極大的，落水洞洞口的傾角受其所在地形的坡度的影響。并且坡度大的地形下形成的落水洞深度比較淺。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分類

為了研究的需要，將數(shù)據(jù)分成了五種類型，并統(tǒng)了計(jì)各個類型占總數(shù)據(jù)的比重。

可以看出在傾斜的地形下落水洞的分布密度比較大。

四、落水洞的分布及發(fā)展類型

在翠英山實(shí)地考察后，將落水洞的分布分成倆種情況。

4.1 落水洞分布在較為水平的地形上。

此時落水洞的洞口一般是水平的，洞的深度沿著垂直方向成長。一般在形成初期洞口較小，隨著不斷的積水，不斷的下陷，落水洞會向四周生長，從而造成內(nèi)部的空虛，最后形成塌陷。具體的

塌陷和生長方向和地形式有關(guān)系。大致可以分為三種情況。

4.1.1 落水洞所在地局部水平

在此情況下，生長方向大致與相對整體的地形走勢相同。在相對整體地形較為連續(xù)的情況下，這時的落水洞深度相對較淺，反而會順著相對地形的走勢形成暗洞，最終在相對不連續(xù)的地形形成出口，也就是另一個伴生落水洞。在相對整體地形連續(xù)長度比較長時容易塌陷并形成較長的溝壑，溝壑深度往往會和局部水平地形相對相對整體地形的高度有關(guān)。

在此種情況下，當(dāng)黃土的濕陷性連續(xù)的情況下，容易不斷的向四周發(fā)展，最終形成較大面積的塌陷，此時深度一般比較淺。圖五的洞口底部和上邊的植被類型基本相同，由于荒漠生態(tài)系統(tǒng)植被、土壤及其相關(guān)性特征必將會因立地類型、群落特征而存在差異，因此類比可以知道洞口底部和

上面的土壤環(huán)境相近，即黃土的濕陷性連續(xù)。

在黃土不連續(xù)的情況下，形成的落水洞洞口相對比較小，落水洞一般垂直生長，前期會有相對明顯的垂直剪理，在后期也會伴隨想著四周生長的趨勢，但是一般不明顯，最終形成的洞比較深，倘若在下層地層有傾角，會順著走勢形成暗洞，造成下層土壤液化，從而容易導(dǎo)致較大面積的滑坡的發(fā)生。

4.2 洞口所在地形傾斜

這時洞口一般是傾斜的，生長方向和地形傾斜的角度基本一致，落水洞一般深度比較淺，多分布在山坡上，成珠串狀分布，塌陷后會形成溝壑。

4.3 洞口傾斜與洞口水平一起出現(xiàn)

上一個落水洞的出水的口很可能會出現(xiàn)在洞口水平的落水洞內(nèi)壁，從而會使水平落水洞的深度持續(xù)加深。

4.4 落水洞的生長

在水的作用下，落水洞會形成二次發(fā)育，這種類型的落水洞，一般位于較為傾斜的地方，且在匯水面較容易出現(xiàn)，水流順勢而下，流入到落水洞，在流水的一側(cè)一般會加深。特征為，有著流水明顯沖刷的痕跡，且在痕跡的一側(cè)有著明顯的深度生長，位于水平面上的落水洞生長則一般較為均勻。

五、成因分析

5.1 濕陷性黃土

5.1.1 對萃英山黃土類型的判定

在一定壓力下受水浸濕，土的結(jié)構(gòu)迅速破壞并產(chǎn)生顯著附加下沉的黃土叫濕陷性。濕陷性黃土的主要特征，可歸納為：黃色是基本色調(diào)，通常為黃褐、褐黃、灰黃、棕黃等顏色；含鹽量較大，特別是碳酸鹽含量尤為突出，另外硫酸鹽、氯化物等含量也都比較高；礦物組成主要為石英、粘土礦物等；一般具有大孔性，大孔隙常常肉眼可見。孔隙比常在1.0左右，呈松散結(jié)構(gòu)狀態(tài)；在天然剖面上，具有垂直節(jié)理；具有濕陷性。濕陷性黃土由于它的特定生成環(huán)境、發(fā)生原因，地質(zhì)歷史、埋萃產(chǎn)狀、地理地貌位置、氣候條件、物質(zhì)成分，尤其是它的特殊的結(jié)構(gòu)，特殊的組成情況等等，致使壓力和水的作用下發(fā)生濕陷班象，產(chǎn)生濕陷變形。經(jīng)過特征對比，可以確認(rèn)實(shí)驗(yàn)區(qū)萃英山包含濕陷性質(zhì)黃土和非濕陷性質(zhì)黃土。

5.1.2 對萃英山黃土的分析

濕陷程度強(qiáng)弱不一的黃土體在浸水以后，濕陷性強(qiáng)的土單元會因濕陷產(chǎn)生松弛，作用在其上的應(yīng)力將部分分擔(dān)給周邊濕陷性弱的土單元，也即濕陷時會產(chǎn)生應(yīng)力重新分布，濕陷性弱的土單元最終將承擔(dān)更大的上覆應(yīng)力，濕陷性強(qiáng)的土單元承擔(dān)更少的上覆應(yīng)力。吸水后黃土顆粒結(jié)構(gòu)會迅速變化，由粗顆粒變成細(xì)顆粒，由質(zhì)地疏松進(jìn)而變化為質(zhì)地緊密，因此體積會變小，與此同時位于水平地形的濕陷性黃土吸水后濕陷性降低，從而會承擔(dān)更大的應(yīng)力，因此這部分黃土?xí)鲁?，從而形成落水洞，在后續(xù)水的作用下，這部分黃土的濕陷性程度逐漸降低，承受的應(yīng)力不斷變大，于是洞會越來越深。

洞壁上部由濕陷性黃土組成時，濕陷性黃土是一種土質(zhì)疏松孔隙、裂隙發(fā)育，主要由粉粒組成的特殊土，其細(xì)微顆粒遇水極易崩解并遭受潛蝕被水流帶走。黃土中含大量的可溶鹽，如CaC03當(dāng)遇到含有CO2的水時，就會變成可溶性的Ca（HCO3）2從而發(fā)生溶蝕作用，破壞黃土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使之變得更加松散，加大對地表水的滲透，增強(qiáng)滲流作用的能力和機(jī)械潛蝕。這時的落水洞會向四周生長，最終造成大面積的塌陷。

5.2 水動力作用

萃英山地勢陡峭，因此當(dāng)降水后產(chǎn)生的流水具有可觀的動能。大雨、高強(qiáng)度暴雨及持續(xù)性降雨對洞穴的發(fā)育有很大影響，高強(qiáng)度和短歷時的雨、暴雨，有利于地表徑流匯集和沖刷，因而有利于溝蝕和洞穴的發(fā)育；在山坡上可以沖刷形成串珠狀的落水洞。長歷時的持續(xù)性降雨，有利于徑流下滲，尤其是沿黃土裂隙或裂縫中和不同土層間水分增多時，很容易形成陷穴侵蝕和坡、崩塌等重力侵蝕。在這時流水會在較為水平的匯水面聚集，進(jìn)而造成落水洞水平落水洞的垂直形成。當(dāng)平面是局部水平的時候，在水的滲流作用下，一般會形成暗洞，或者在薄弱的環(huán)節(jié)，形成出水洞。

黃土的濕陷性在水的作用下才能表現(xiàn)出來，二者在落水洞的成型過程中缺一不可。

5.3 地形的作用

地形在黃土的成型過程中，對其形態(tài)發(fā)育方向有著極大的影響。在水平地下一般落水洞會垂直發(fā)展，在坡度較大的地形時一般會形成串珠狀落水洞。地形主要通過改變水的徑流方向來影響落水洞的成型。

六、結(jié)論

6.1 落水洞所在地局部水平

當(dāng)相對整體地形較為連續(xù)，一般會順著相對整體地形的坡度形成較長的暗洞。最終造成另一地方的沉降。洞的深淺往往受局部水平地形的相對高度制約。

當(dāng)相對整體地形不連續(xù)時，極易在端口出形成出水洞口。

6.2 當(dāng)落水洞所在地相對水平

黃土濕陷性連續(xù)時，這時洞會向四周擴(kuò)散，一般較淺，最后形成大面積的塌陷。洞較淺

當(dāng)黃土濕陷性不連續(xù)的時，一般會垂直向下發(fā)育，洞口較小，洞深較深。

6.3 落水洞所在地傾斜的時候

這時一般會形成珠串狀落水洞，洞較淺。

參考文獻(xiàn)：

[1]RuthBE，伍鎮(zhèn)基，落水洞塌陷的預(yù)測，水文地質(zhì)工程地質(zhì)譯叢1991第6期P12-14

[2]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范（GB500252004）[S]，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[3]馮連昌，鄭晏武，《鐵路特殊工程地質(zhì)技術(shù)叢書》，1982.10，北京：中國鐵道出版

[4]鄭建國，鄧國華，劉爭宏，陳冉升，范寒光，李開超，黃土濕陷性分布不連續(xù)對濕陷變形的影響研究巖土工程學(xué)報2015第37卷第1期P165-1701000-4548

[5]張世武，韓慶憲，白曉華，黃土落水洞的初步研究，中國水土保持1992第6期P22-23，491000-0941

作者簡介：張國明，男，1996-，本科，蘭州大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)。