環(huán)境地質(zhì)學(xué)分論--地面塌陷

1、環(huán)境地質(zhì)學(xué),主講教師：曾斌,zengbin_19@126.com,分論——若干地質(zhì)環(huán)境問題的論述,Environmental Geology,,,地面塌陷,概 述地面塌陷的危害我國地面塌陷的分布特點(diǎn)地面塌陷的形成條件及發(fā)生機(jī)理巖溶塌陷的穩(wěn)定性評價地面塌陷的防治,主要內(nèi)容,一、概述,定義:地面塌陷是指天然洞穴或人工洞室上覆巖土體失穩(wěn)突然陷落，導(dǎo)致地面快速下沉、開裂的現(xiàn)象和過程。地面塌陷造成的地面變形量大，變形速度快，且

2、具有突然性，事前往往很難準(zhǔn)確判斷發(fā)生的時間，加之，其發(fā)生過程可導(dǎo)致地面建筑物開裂、倒塌，甚至整體陷落，公路、橋梁扭曲錯斷，農(nóng)田肢解以及大量的人員傷亡，所以，地面塌陷是人類面臨的一種地質(zhì)災(zāi)害。,地面塌陷,地下存在空洞是地面塌陷發(fā)生的先決條件，地下空洞可分為天然洞穴和人工洞室兩類。 目前面臨的地面塌陷主要包括巖溶塌陷和采空區(qū)塌陷。礦山采空區(qū)地面塌陷是人為誘發(fā)地面塌陷的最主要類型。,二、地面塌陷的危害,1、破壞地面建筑、造成人員傷亡,

3、2009年8月8日，安徽省合肥市長江中路與徽州大道交叉口發(fā)生路面塌陷，一輛藍(lán)色出租車掉入塌陷區(qū)中,2009年7月4日凌晨2時30分許，鄂州市汀祖鎮(zhèn)劉云村陳盛灣村內(nèi)，一幢占地面積百余平方米的平頂樓房部分向地下塌陷6米，戶主30歲的兒子被埋遇難。,安徽淮南采空區(qū)塌陷,黑龍江鶴崗煤礦，開采70多年來，已塌陷土地41.97km2，搬遷房屋總建筑面積39.7×104m2，,目前山西省各類礦山采空區(qū)已達(dá)2萬多平方公里，以全省15.6萬平方

4、公里的土地面積計算，山西有近七分之一的地面已經(jīng)成為“懸空區(qū)”，使大面積土地塌陷。,,2000年4月6日下午4時－8時，洪山區(qū)青菱鄉(xiāng)烽火村地面塌陷。陷坑18個，最大陷坑長63米、深6－7米；最小陷坑1－2長，深小于2米。陷坑帶呈近東西向分布，散分在東西300米、南北250米的范圍內(nèi)。有2棟民房完全倒塌，有16棟民房出現(xiàn)不同程度的開裂、破損。,西安70米長路面塌陷，9輛貨運(yùn)汽車掉進(jìn)深約3米、長約70米的坑中附近群眾以為地震,2、損毀鐵路、公

5、路和水利設(shè)施,2008年11月15日杭州地鐵一號線地面塌陷事故，造成75米的路面陷落了15米，正在行駛的十一輛汽車包括一輛公交車陷入坑內(nèi)，17人死亡，4人失蹤。,我國東部巖溶區(qū)，鐵路4010公里，巖溶塌陷376處，近十年間中斷車1860小時，顛覆列車3次。,3、引發(fā)礦井水患,2009年7月22日黑龍江省雞西市鑫永豐煤礦發(fā)生采空區(qū)地面塌陷，形成面積約3000m2、深10余米的塌坑，由于正值降雨，水與流沙大量涌入坑內(nèi)，使礦井淹沒，23名當(dāng)班

6、礦工被困井下。,4、破壞農(nóng)田,三、我國地面塌陷分布的特點(diǎn),（一）巖溶地面塌陷分布 據(jù)1993年的不完全統(tǒng)計，南方巖溶地面塌陷點(diǎn)已發(fā)現(xiàn)34072個，占全國總數(shù)的96.5%。其中湖南省有14152個，居全國之首，其次為廣東省和廣西壯族自治區(qū)，分別為8751個、8735個，再其次為貴州、云南、四川。,1、北方巖溶地面塌陷區(qū) 長江以北，由于華北地臺大多為大型寬緩的褶皺和斷塊構(gòu)造，氣候較干旱，降水量少，巖溶發(fā)育程度不高

7、，除古代的巖溶洞穴系統(tǒng)有部分殘留外，現(xiàn)代巖溶主要以溶蝕裂隙為主。 巖溶地面塌陷大多集中在山區(qū)與平原的過渡地帶，如遼寧省的南部、山東的泰安、棗莊、萊蕪、河北的唐山、秦皇島柳江盆地、江蘇的徐州、安徽的淮南、淮北等地。 分布有古代巖溶塌陷的痕跡——陷落柱。華北地臺曾經(jīng)歷過多次構(gòu)造運(yùn)動，地下水的區(qū)域排泄基準(zhǔn)面也多次變遷，致使碳酸鹽巖地層形成大量的洞穴。古代巖溶塌陷主要分布在晉、冀、魯、豫、陜等省，太原西山、汾河沿岸、河北太行山一

8、帶的煤田中較為常見。,2、南方巖溶塌陷區(qū) 位于長江以南的廣大地區(qū)，是我國碳酸鹽巖分布最集中、面積最大的區(qū)域，總面積約176.08×104km2。氣候溫?zé)釢駶?，植被茂密，地質(zhì)構(gòu)造多為緊密的褶皺和密集的斷塊，現(xiàn)代巖溶十分發(fā)育。 裸露巖溶區(qū)和半裸露巖溶區(qū)的面積占碳酸鹽巖總面積的41.3%，主要分布于云南、貴州、四川、廣西、湖南、江西、湖北等省。湖南省巖溶塌陷居全國之首，其次為廣東省和廣西壯族自治區(qū)，再其次為

9、貴州、云南、四川。 礦山排水、開采地下水、水庫蓄水等人為干擾巖溶水流場的活動，是誘發(fā)巖溶地面塌陷的主導(dǎo)力量。,（二）礦山采空區(qū)地面塌陷的分布 礦山采空區(qū)地面塌陷是我國地面塌陷中另一種重要形式。其中煤礦開采造成的地面塌陷比例最大。 目前我國采礦業(yè)造成的地面塌陷主要分布在全國20個省區(qū)市，塌陷點(diǎn)總數(shù)達(dá)17138個，占全國各種類型地面塌陷總點(diǎn)數(shù)44.4%，其中湖南省為12549個，再其次為

10、內(nèi)蒙古自治區(qū)2800個，再其次分別為山西、黑龍江、安徽、河南等省。,四、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機(jī)理,（一）地面塌陷的形成條件1、巖土體的內(nèi)部條件（1）地下存在空洞 具備一定規(guī)模的地下無巖土的空間，即空洞。地下空洞的存在有著兩方面的意義： 其一，它是洞體頂板、側(cè)壁局部冒落物以及塌陷發(fā)生時墜落物的儲容空間，在地下巖溶發(fā)育區(qū)，地下洞穴以及溶蝕裂隙還起著將洞穴暫時堆積物輸移到遠(yuǎn)處或深處溶洞的通道作用。 其二，

11、地下空洞為具有多個臨空面的空腔，空洞的頂、底板和側(cè)壁在周圍巖壓的作用下極易發(fā)生應(yīng)力集中，而處于穩(wěn)定性很差的狀態(tài)，一旦受到外力干擾，容易失穩(wěn)而發(fā)生覆巖的冒落，甚至發(fā)生波及地表的塌陷。,地下空洞的形成，可以是自然力，也可以是人工挖掘的結(jié)果。 在可溶鹽巖分布區(qū)的巖溶洞穴包括各種形態(tài)的溶洞、溶隙、管道等。一般而言，當(dāng)可溶巖巖性較純，巖層厚度較大，出露分布廣，斷層較發(fā)育、巖層較破碎時，巖溶較易發(fā)育。 巖溶洞隙的發(fā)育一般受巖溶地下水排泄

12、基準(zhǔn)面的控制，多發(fā)育于淺部，向深部逐漸減弱。淺部巖溶洞隙由于地下水活動頻繁，交替強(qiáng)烈，一般連通性較好，成為塌陷物質(zhì)的儲集空間和運(yùn)移通道。塌陷坑與開口洞隙存在著密切的垂向?qū)?yīng)關(guān)系。洞穴愈大，塌陷規(guī)模也愈大；洞隙開口愈大，塌陷速度愈快。 地下井巷系統(tǒng)是最易引發(fā)地面塌陷的一種人工洞室。,（2）洞穴圍巖狀況 地下洞穴的受力狀況如同梁的受力，洞的頂板相當(dāng)于承載上覆巖土體自重的梁，洞的兩側(cè)如同位于梁端的兩個支點(diǎn)。是否發(fā)生塌陷取決于頂板

13、能夠形成穩(wěn)定的支撐拱。,一般而論，當(dāng)洞穴埋藏深度與洞穴高度之比小于25：1時，洞頂上部就會形成三個變形特點(diǎn)不同的帶，即冒落帶、裂隙帶和彎曲帶。,2、巖土體的外部條件（1）自然影響因素（a）大氣降水 降雨入滲水可以使洞頂覆巖的含水層增大，自重加大； 下滲水流會濕潤裂隙面，降低巖石塊體間的抗滑阻力，從而引起洞頂和洞壁的進(jìn)一步變形而失穩(wěn)。 降雨強(qiáng)度大、歷時較長時，入滲的水流進(jìn)入圍巖中的寬大裂隙，形成較大的動水壓力和沖刷作用。 在巖

14、溶地區(qū)，降水入滲對補(bǔ)給封閉巖溶洞穴，快速上升的巖溶水會壓縮洞內(nèi)，形成上擠的壓力，導(dǎo)致氣爆發(fā)生，引發(fā)洞頂塌陷。,（b）河、湖近岸地帶的側(cè)向倒灌作用 河、湖近岸地帶普遍分布著孔隙潛水與巖溶水組成的雙層含水介質(zhì)。 汛期洪水位急劇上升的情況下，河、湖水將向地下水產(chǎn)生側(cè)向倒灌，地下水位隨之上升。這時巖溶地下水對洞隙上覆蓋層土體產(chǎn)生正壓力或使浮托力增大。 在洪水位迅速回落時，巖溶地下水位回落快于潛水位，對洞隙上覆蓋層

15、的浮托力很快消減，通過洞隙開口處從潛水含水層向巖溶洞隙產(chǎn)生垂向的滲透潛蝕作用，在蓋層中形成土洞進(jìn)而擴(kuò)展形成塌陷。這種現(xiàn)象稱之為洪水倒灌潛蝕塌陷，簡稱為洪水塌陷。,（c）地震 一是地震力可使洞頂覆巖以及洞壁的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，引起巖層破裂、位移加??； 二是洞隙上覆松散飽水細(xì)粒物質(zhì)發(fā)生“液化”，而形成地面塌陷。 2、人為活動的影響 人為激發(fā)活動主要表現(xiàn)在地面施加荷載、人為爆破和車輛振動、水庫蓄放水的人工調(diào)節(jié)等。對于巖溶地面塌陷

16、，除上述人為活動外，地下水的抽排、回灌，尤其是快速、大降深的抽水活動往往是引發(fā)地面塌陷最普遍的原因。,（二）地面塌陷的發(fā)生機(jī)理,1、礦山采空區(qū)地面塌陷的機(jī)理,第一階段為掘進(jìn)和回采的初期，存在冒落帶、斷裂帶和彎曲帶 ；第二階段為地裂縫發(fā)展階段，僅存在冒落帶和斷裂帶；第三階段為地面塌陷階段，僅存在冒落帶。,2、巖溶地面塌陷的機(jī)理,巖溶：水（包括地表水和地下水）對可溶性巖石進(jìn)行的以化學(xué)溶蝕作用為主的改造和破壞地質(zhì)作用以及由此產(chǎn)生的地貌及水

17、文地質(zhì)現(xiàn)象的總稱。 巖溶作用：以化學(xué)溶蝕為主，同時還包括機(jī)械破碎、沉積、坍塌、搬運(yùn)等作用，是一個化學(xué)－物理相結(jié)合的綜合作用。 可溶性巖石包括碳酸鹽巖、硫酸鹽巖、鹵化物等。,（1）潛蝕作用 地下水位下降時，水力梯度也隨之增大，地下水流速加快，動水壓力增強(qiáng)，當(dāng)動水壓力大于土體內(nèi)聚力與顆粒間摩擦力，土顆粒開始被滲流帶動遷移，這一現(xiàn)象稱為潛蝕或管涌。 在覆蓋型巖溶區(qū)，下伏存在溶蝕空洞，地下水經(jīng)覆蓋層向空洞滲流

18、(或地下水位下降時，水力梯度增大)。在一定的水壓力作用下，地下水對土體或空隙中的充填物進(jìn)行沖蝕、掏空。從而在洞體頂板處的土體開始形成土洞,隨著土洞的不斷擴(kuò)大，最終引發(fā)動洞頂塌落。當(dāng)土層較厚或有一定深度時，可以形成塌落拱而維持上伏土層的整體穩(wěn)定。當(dāng)土堆較薄時，土洞不能形成平衡。,形成塌陷的原因很多。如潛蝕、真空吸蝕、振動、土體軟化、建筑荷載。因當(dāng)?shù)貤l件不同，產(chǎn)生塌陷的原因而不同，也可能是以一種原因為主導(dǎo)，多種因素綜合作用的結(jié)果。,A.水位

19、下降前的平衡狀態(tài)；B.水位下降，隨著向上侵蝕過程使通道被排空，出現(xiàn)活躍的地下侵蝕(潛蝕進(jìn)入開闊的洞穴)；C.洞穴的頂部逐漸坍陷，可能短期內(nèi)受鈣化礫石層的抑制；D.最后的拱頂坍陷，形成了被同心球狀張力裂縫包圍的落水洞。,,（2）真空吸蝕效應(yīng) 我國徐衛(wèi)國等于1979年提出的，國內(nèi)也普遍接受這一論點(diǎn)。 巖溶網(wǎng)絡(luò)的封閉空腔（溶洞或土洞）中，當(dāng)?shù)叵滤淮蠓认陆档娇涨簧w層底面下時，地下水由承壓轉(zhuǎn)為無壓,空腔上部便形成低氣壓狀

20、態(tài)的真空，產(chǎn)生抽吸力,吸蝕頂板的土顆粒.同時內(nèi)外壓作用，覆蓋層表面出現(xiàn)一種“沖壓”作用，從而加速土體破壞。（3）壓強(qiáng)差效應(yīng) 壓強(qiáng)差是指巖溶空腔與松散介質(zhì)（或土洞）接觸面上下側(cè)水、氣流體，因巖溶管道水位變化而產(chǎn)生相應(yīng)的壓強(qiáng)差值.,(4)自重效應(yīng) 雨水入滲后，蓋層飽和容重比干容重一般增加30%-40%。使土拱承受更大的重量，導(dǎo)致塌陷。(5)浮力效應(yīng) 巖土體位于地下水位之中，當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r，除產(chǎn)生壓強(qiáng)差效應(yīng)外，

21、土體的浮托力也隨之減小，產(chǎn)生塌陷。(6)土體強(qiáng)度效應(yīng) 土體吸水飽和后，土體抗剪強(qiáng)度降低，土拱抗塌力減小，產(chǎn)生塌陷。(7)其他效應(yīng) 振動效應(yīng)、 荷載效應(yīng)、酸液效應(yīng),五、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價,（一）巖溶塌陷的地質(zhì)模式 巖溶塌陷的地質(zhì)模式是其形成條件組合特征的概括，反映其形成條件的差異。其劃分主要考慮塌陷蓋層的巖性結(jié)構(gòu)、含水結(jié)構(gòu)、巖溶水位與基巖面及上覆土層水的關(guān)系。,巖溶塌陷地質(zhì)模式的組合因子,巖溶塌陷穩(wěn)定性的評價包

22、括：塌陷堆積體（簡稱塌陷體）、土洞及淺埋巖溶洞隙等三個方面的穩(wěn)定性評價。,塌陷體的穩(wěn)定性主要根據(jù)塌陷的微地貌特征、堆積物的性狀及地下水埋藏與活動情況等因素進(jìn)行定性評價見表。,（二）巖溶塌陷的穩(wěn)定性評價,1、塌陷體的穩(wěn)定性評價,2、土洞穩(wěn)定性的評價 休止?fàn)顟B(tài)的土洞其穩(wěn)定性主要取決于土洞頂板埋深或其與安全臨界厚度之比。,（1）成拱分析法（普羅特尼可夫塌落拱理論） 當(dāng)洞隙頂板巖體被密集裂隙切割呈塊狀或碎塊狀時，或處于松

23、散層中的土洞，可認(rèn)為頂板將成拱形塌落，而其上荷載及巖、土體則由拱自身承擔(dān)。此時破裂拱高h(yuǎn)為：,式中，h ——破裂拱高（安全臨界高度，m）； h0 ——洞隙高度（m ）； b ——洞隙寬度之半（m）； Φ——內(nèi)摩擦角（度）； f ——堅固系數(shù)（普氏系數(shù)）； R ——巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度（M Pa）； σn——

24、粘性土剪切面上的正壓力； c ——土的粘聚力。,（2）坍塌平衡法 土洞頂板土體的平衡條件（見圖）是：,式中，G ———A B D C 土體自重； F ———側(cè)壁摩擦阻力； H 0 ———極限平衡時的頂板厚度（安全臨界厚度）； D ———土洞跨度； γ———土體密度； λ———側(cè)壓力系數(shù)；

25、 φ———內(nèi)摩擦角。,六、地面塌陷的防治,“以防為主、及時治理”,（一）巖溶地面塌陷的防治1、巖溶地面塌陷災(zāi)害預(yù)防 （1）查明洞穴分布：調(diào)查工作應(yīng)在查明區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)背景的基礎(chǔ)上，運(yùn)用鉆探和物探手段確定淺表洞穴的分布情況，并從危險性的角度進(jìn)行分區(qū)。對松散堆積物厚度不大，且直接覆蓋在溶洞和隙寬較大溶隙開口處的那些地段，要予以高度重視，不應(yīng)布設(shè)任何建筑物。 （2）對已出現(xiàn)地面變形，但尚未塌陷的地點(diǎn)，要圈圍出警戒區(qū)，及時撤離人

26、員。,（3）擬建的以巖溶水為開采對象的供水源地布設(shè)地點(diǎn)，場地選擇時，應(yīng)事先進(jìn)行致塌危險性的充分論證，并盡可能遠(yuǎn)離村鎮(zhèn)和人口密集區(qū)。（4）對分散開采的農(nóng)村井機(jī)，應(yīng)強(qiáng)調(diào)小流量小降深逐漸過渡到預(yù)定開采量的操作方法，以避免洞穴負(fù)壓的形成。（5）在可能出現(xiàn)塌陷的地段，要防止地表水的進(jìn)入，對嚴(yán)重漏水的河溪、庫塘進(jìn)行鋪底防漏或人工改道。（6）加強(qiáng)對巖溶水位，尤其是地面變形的監(jiān)測，要注意宣傳，加強(qiáng)群測群報的工作。,2、巖溶地面塌陷的治理,（

27、1）清除填堵法 常用于相對較淺的塌坑或埋藏淺的土洞。清除其中的松土，填入塊石、碎石形成反濾層，其上覆蓋以粘土并夯實。,廣西桂林榕城回填堵塞法治理巖溶地面塌陷,（2）跨越法 用于較深大的塌陷坑或土洞。對建筑物地基而言，可采用梁式基礎(chǔ)、拱形結(jié)構(gòu)，或以剛性大的平板基礎(chǔ)跨越、遮蓋溶洞，避免塌陷危害。對道路路基而言，可選擇塌陷坑直徑較小的部位，采用整體網(wǎng)格墊層的措施進(jìn)行整治。,鐵道部門用扣軌梁跨越巖溶塌陷,（4）鉆孔充氣法

28、 隨著地下水位的升降，溶洞空腔中的水氣壓力產(chǎn)生變化，經(jīng)常出現(xiàn)氣爆或沖爆塌陷，設(shè)置各種巖溶管道的通氣調(diào)壓裝置，破壞真空腔的巖溶封閉條件，平衡其水、氣壓力，減少發(fā)生沖爆塌陷的機(jī)會。,湖南白洋灣水庫用臥管和煙筒通氣法防治巖溶塌陷,（3）強(qiáng)夯法 在土體厚度較小、地形平坦的情況下，采用強(qiáng)夯砸實覆蓋層的方法消除土洞，提高土層的強(qiáng)度。,（5）灌注填充法 在溶洞埋藏較深時，通過鉆孔灌注水泥砂漿，填充巖溶孔洞或縫隙、隔斷地下水流通

29、道，達(dá)到加固建筑物地基的目的。灌注材料主要是水泥、碎料（砂、礦渣等） 和速凝劑（水玻璃、、氧化鈣） 等。,山東泰安車站用灌漿堵塞巖溶裂隙防治地面塌陷,（6）深基礎(chǔ)法 對于一些深度較大，跨越結(jié)構(gòu)無能為力的土洞、塌陷，通常采用樁基工程，將荷載傳遞到基巖上。,（7）旋噴加固法 在淺部用旋噴樁形成一“硬殼層”，在其上再設(shè)置筏板基礎(chǔ)?！坝矚印?厚度根據(jù)具體地質(zhì)條件和建筑物的設(shè)計而定，一般10 ～20 m 即可。,鐵道部門用旋噴

30、樁加固軟土地基防治巖溶塌陷,（二）礦山采空區(qū)地面塌陷的防治1、采空區(qū)地面塌陷危害的預(yù)防（1）礦山開采前應(yīng)結(jié)合開采方式、開采進(jìn)度，運(yùn)用采動理論估算不同開采期，地面變形的范圍和程度，做出風(fēng)險評估。（2）要明確禁采區(qū)和限采區(qū)，對地表重要建筑物、水庫和城鎮(zhèn)所在地要結(jié)合采深采厚和地質(zhì)條件分析，拿出危害后果最小的開采方案。（3）開采過程中要對不同區(qū)塊的地面變形進(jìn)行監(jiān)測預(yù)報，及時撤離人員。,（4）礦坑排水設(shè)計必須考慮地面塌陷的可能地點(diǎn)、規(guī)模

31、，避免單純追求疏干工期的做法。（5）改進(jìn)井巷頂板管理方法，在條件允許的情況下，盡可能采用充填法。在一般情況下，為減少地面變形造成的損失，應(yīng)留有足夠數(shù)量的保安礦柱，而且禁止對礦柱的回采。,2、采空區(qū)地面塌陷的治理（1）對破壞的土地應(yīng)進(jìn)行整理、平復(fù)，以防滑坡、崩塌的出現(xiàn)。（2）危房改造必須到位，嚴(yán)重?fù)p毀的房屋必須拆除。（3）對進(jìn)入充分采動階段（冒落帶發(fā)育到地表）的地段，土地整理工作至少應(yīng)在塌陷后兩年進(jìn)行，由于殘余變形將持續(xù)很長時間，