唐山市岩溶塌陷的历史及形成条件
唐山市地面塌陷历史悠久。早在20世纪20年代，就因煤矿岩溶突水发生过严重的地面塌陷事故，损失惨重。新中国成立后，分两期发生了严重的岩溶塌陷。第一阶段是1976唐山大地震之后。发生了120以上的坍塌。主要分布在市区凤凰山西麓，即现在的17号居民区和郊区赵各庄中学、林西、黑鸭子、大庄坨、信托屯、小屯、沙河等地。其塌陷规模不一，大塌陷坑直径大于100m .第二阶段为1983 ~ 1988。其规模较大，约有19处有害崩塌(表13-1)。坑多为不规则圆形，直径5 ~ 10m，最大30 ~ 50m。一般深度为1 ~ 3m，最大5 ~ 7m。
岩溶塌陷主要分布在路北区西部和路南区北部，集中在以下两个区域:一是西部张格庄(6号住宅区)-体育场-啤酒厂区域，以中部体育场-兴隆区域最为严重。主要垮塌的有体育场垮塌、供热公司垮塌、京剧团垮塌、卫国路付强大厦垮塌、房管所垮塌。这些塌陷发生在1988左右。二是东边的大成山-凤凰山-人民公园，中间的西北井-地震展览馆最为严重。主要坍塌的有唐山十中坍塌和地震展览馆坍塌。这些塌陷主要发生在1984 ~ 1986和1988附近。除了上述两个密集塌陷区，龙华社区和王谢庄街道也有零星塌陷。
二、岩溶塌陷的形成条件及分布规律
(一)岩溶塌陷的形成条件
唐山市岩溶塌陷主要受地质构造、第四系覆盖层的性质和厚度、可溶岩的性质和地下水开采强度的控制。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
评价区位于陆机凹陷带北部和燕山褶皱带的结合部。这是一个构造活动极其活跃的地区。沉降区位于开平向斜西翼，陡河断层与唐山断层之间的隆起带。本区第四系沉积厚度小，基岩浅。由于多期构造应力场的反复作用，唐山隆起带断裂和节理构造十分发育。主要断层和裂缝的分布方向为北北东向、S-N向、北西向和东西向..基岩水力连通试验结果表明，奥陶系灰岩具有良好的连通性。
表13-1唐山市岩溶塌陷概况
评价区上述构造特征决定了该区基岩含水层具有良好的渗透性和导水性，表现为全区基岩地下水位变化的动态一致性。
2.可溶岩石性质与岩溶塌陷的关系。
可溶岩是岩溶塌陷的必要条件。评价区内有两套碳酸盐岩系:一套是雾迷山组白云岩、井儿峪组白云质灰岩和伏军山组豹纹灰岩；第二类为张夏组鲕状灰岩、孤山组和长山组泥灰岩和竹叶状灰岩、凤山组灰岩、叶莉组竹叶状灰岩、梁家山组白云岩和白云岩、马家沟组白云岩和页岩。这些可溶岩因其纯度、厚度和分布位置不同，岩溶发育程度也不同(表13-2)。所以对岩溶塌陷的作用也是不一样的。
表13-2唐山市可溶岩岩溶发育程度表
3.岩土性质和覆盖层厚度与岩溶塌陷的关系。
岩溶塌陷是覆盖土在各种致塌因素作用下的塌陷现象。因此，了解第四系盖层的岩性、结构特征、厚度分布和力学性质是研究岩溶塌陷的基础。
评价区第四系主要由砾质残积粘土、亚粘土、粘质粉土、粉砂、细砂、中砂、粗砂、砾石等组成。从湿陷条件分析，随着土颗粒的粗化，其抗湿陷性变差；随着含砂量的增加，其抗挤强度降低。结构均匀的粘土防塌效果最好。例如，普遍存在于盖层底部的残留粘土层对中部地区岩石崩塌的稳定性起着至关重要的作用(图13-1)，山西李楠市中地区就有一个残留粘土层缺失的窗口。那里的细砂层直接覆盖在奥陶系灰岩上，造成了市中地区的一个大型塌陷坑。
图13-1汤山市岩溶塌陷区残积粘土层厚度分区图(根据王洪涛)
1 ——粘土层厚度< < 1m的地区；2-粘土层厚度为1 ~ 2m的区域；3-粘土层厚度为3 ~ 4m的区域；4-粘土层厚度> 4m的区域。
除覆盖层性质外，覆盖层厚度对岩溶塌陷也有重要影响。实践证明，覆盖层越薄，越容易坍塌。坍塌的临界厚度一般小于30m。因此，根据厚度和类型的不同，根据我国部分地区塌陷的实际资料，并根据塌陷的形成条件，将地表覆盖层的稳定条件分为四个等级:ⅰ极不稳定；ⅱ不稳定；ⅲ局部不稳定；ⅳ基本稳定(表13-3，表13-4)。
表13-3不同厚度和不同类型土壤的坍塌分布统计表
表13-4地表覆盖稳定条件划分表
4.岩溶水开采强度与塌陷的关系。
过度超采岩溶水是造成塌陷的主要因素。根据资料分析，20世纪70年代以前，唐山供水以浅层水为主，岩溶水未大量开采，大部分地区岩溶水承压。这一时期虽有岩溶塌陷，但规模小，频率低。唐山市中心区高频塌陷出现在1978之后，其分布范围从凤凰山公园逐渐向外扩展，与岩溶水无压带的扩展相一致，是岩溶水过度超采的结果。图13-2显示了岩溶水产量、地下水位变化和岩溶塌陷之间的对应关系。从图中可以看出，随着开采量的增加，岩溶地下水水位从+5m下降到-—29.0m，经过一个急剧下降期后，出现一个塌陷高峰期。
(2)唐山市岩溶塌陷的形成机制
尽管许多学者对唐山岩溶塌陷的形成机理进行了研究，但至今仍存在较大分歧。当然，谁也不能排除人为因素造成的破坏，即过度过度开采岩溶水。然而，分歧集中在1976地震的作用上。这次地震的作用有多大，其方向和影响是如何体现的？这种观点的主要理由是:几乎所有的岩石崩塌都发生在地震之后；岩石崩塌的分布与活动断层直接相关(表13-5)。在唐山活动断裂与岩石崩塌关系的空间分析研究中，通过GIS系统的距离查询，发现约一半的崩塌点发生在距活动断裂50m以内，约70%发生在距活动断裂150m以内。
我们认为，唐山市岩石崩塌的机理应从宏观和微观两方面进行分析:
表13-5唐山市六个主要塌陷点概况
图13-2唐山市岩溶水开采量、水位与塌陷分布的关系
1.总体分析
唐山大地震主要表现在宏观功能上，主要表现在以下三个方面。首先，它破坏了相对稳定的岩溶洞穴。由于强烈地震力的影响，原有的空腔填充物发生松动甚至移动。这为后期开采岩溶水提供了一个很好的渠道。第二，溶洞上方稳定且固结良好的粘土层被破坏。该层粘土厚约1 ~ 6m，是上部第四系潜水与下部岩溶水之间的良好隔水层。地震力后受扰动变形，岩溶水开采后期未能分层止水，导致岩溶水开采强度不断加大，形成天窗，为岩石崩塌提供了动力和空间。再次，地震力还破坏了上覆松散土体的结构，断裂地裂缝的形成为地表水和地下水的连接提供了通道，塌陷坑的形成有利于集水和入渗。
2.显微分析
众所周知，在岩石崩塌的三个条件中，地下水动力条件(岩溶水位下降速度、岩溶水动力状态和水力梯度)的变化起着至关重要的作用。当岩溶水急剧下降时，覆盖层的扬压力减小，导致失去支撑和荷载作用；同时，由于坡度增大，侧向渗透压力增大，导致渗透变形，逐渐形成大小不一的土洞。当上部土压力增加时，形成岩石崩塌。
刘启仁在唐山研究岩石崩塌机理时，做了一个模拟试验。试验表明，粘性土的临界破坏速度为0.65厘米/秒；沙害临界速度为0.146厘米/秒；/s；溶洞负压为7.86kPa
综上所述，可以认为其形成机理是多种机理综合作用的结果，其中以渗透和潜流为主，其次是地表水浸泡、软化、加载和真空吸附。
(3)唐山市岩溶塌陷分布规律
1.地面沉降集中在可溶岩发育区。
唐山岩溶地层最发育的是中奥陶统马家沟组的厚层灰岩、白云岩灰岩和白云岩，其次是寒武系的竹叶灰岩、鲕粒灰岩、豹皮灰岩和蓟县白云岩。现有地面沉降发生在这三类岩石发育区。
2.断裂带附近的岩溶塌陷最为严重。
断裂构造带既是岩溶发育带，又是地下水径流强烈带，因此岩溶特别发育，地面沉降活动特别严重。城市地面沉降的两个分布带是沿着两条重要的断裂带形成的。张格庄-体育场-啤酒厂塌陷带呈北东向展布在陡河断裂带F0断层的东南翼。大成山-凤凰山-人民公园沉降带也呈ne向分布在唐山断裂带F1断层的西北翼。断裂构造的复合作用对地面塌陷也有明显的控制作用。许多崩塌点，如体育场第二训练馆、火电公司九个崩塌点，都分布在F0和F1、两条主断层和其他断层的复合部位，或与断层伴生的二级向斜的转折部位。
受地质构造和水文地质条件的影响，塌陷区岩溶特别发育。比如根据体育场第二训练馆塌陷坑周围6个勘探孔的数据；上第四系厚度39.01 ~ 43.19m，下伏基岩为寒武系灰白色白云岩和钙质白云岩，含燧石条带状白云岩。钻孔揭露的所有可溶岩段均有不同程度的溶蚀，特别是在顶板下至约65 m深的浅部可溶岩中，钻孔平均速率为12.9%，所钻洞穴高度一般为0.6~5.8m，最高为11.17m..
3.地面沉降主要发生在第四系覆盖层较薄、隐伏土洞发育的地区。
唐山市第四系厚度变化较大。f集中了两个岩溶塌陷带，在断层与F1断层之间北北东向延伸的投影上，此处覆盖层厚度小于50m。其岩性为粘土、亚粘土、粉细砂夹中粗砂和砾石层。结构松散，抗坍塌能力差，土洞发育。同时，第四系孔隙水与下部岩溶水关系密切，形成了统一的双层介质含水系统。因此，当地下水位急剧升降，地下水动力条件频繁变化时，就会产生强烈的渗透侵蚀，进而导致地面塌陷。
4.岩溶塌陷集中在地下水降落漏斗区。
除地震活动外，唐山岩溶塌陷的诱发因素主要是城市供水和矿井排水对地下水的持续超强度开采。唐山是一座严重缺水的城市。自20世纪60年代末以来，地下水超采日益严重。到1985，城市和郊区共开采地下水4.76×108m3，开采强度为50× 104m3/a km2，超采率为100。自1970以来，地下水位以每年1.5 ~ 6.0m的速度持续下降，至1985时已下降30m以上，形成大面积的地下水降落漏斗区。唐山市的漏斗中心位于唐山钢铁公司焦化厂、齐新水泥厂、唐山矿煤研究院一带。中心区第四系孔隙水水位埋深29 ~ 43m，孔隙水已排尽或接近排尽。岩溶水埋深48 ~ 58m。市区地面沉降集中在地下水降落漏斗的中心或邻近区域。其原因是地下水位下降的漏斗区水力梯度过高，地下水流速增大，地下水加强了对第四系松散沉积物和可溶岩岩溶充填物的潜在侵蚀和搬运，从而导致地面塌陷或不均匀沉降。这种动力活动在地下水流入方向和漏斗区构造破碎带附近尤为强烈，因此地面塌陷也最为集中。