地質災害地面塌陷

1、第九講地面塌陷,提 綱,一、概述二、我國地面塌陷分布的特點三、地面塌陷形成條件及發(fā)生機理四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價五、地面塌陷的防治,一、概述,地面塌陷,定義:天然洞穴或人工洞室上覆巖土體失穩(wěn)突然陷落，導致地面快速下沉、開裂的現(xiàn)象和過程。 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。天然洞穴是由自然地質作用形成的，包括巖溶洞穴、土洞（黃土洞穴、紅土洞穴、凍脹丘融化形成的土洞）。人工洞室是人工

2、采掘活動所形成的，包括人防工程、地鐵、隧道、蝕洞和采礦形成的地下巷道系統(tǒng)。,2010.4.2 德國貝恩堡直徑30m、深40m塌陷坑2010.4.8 廣西賀州一水塘出現(xiàn)近20個塌陷坑2010.5.3 四川宜賓半月43個塌陷坑，最大直徑60米2010.5.26 甘肅蘭州高速路塌陷坑2010.5.27 湖南沅陵人行道突然塌陷2010.5.28 湖北武漢徐東大街路面塌陷2010.5.30 四川成都大邑新場鎮(zhèn)、崇州懷遠鎮(zhèn)連續(xù)多個天坑

3、2010.5.31 危地馬拉地面塌陷形成大坑深60m、徑30m 2010.6.3 廣西來賓地陷巨坑連成200m塌陷帶2010.6.4 江西南昌昌南大道與迎賓北大道交叉口突然塌陷2010.6.4 浙江衢州高速公路巨坑直徑8米、深10m......,一、概述,地面塌陷的危害,一、概述,（一）破壞地面建筑、造成人員傷亡（二）損毀鐵路、公路和水利設施（三）破壞農田 （四）引發(fā)礦井水患,2009年7月22日，黑龍江雞西鑫永豐煤礦地面塌

4、陷，引發(fā)礦井水災。,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，,2000年4月6日，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。倒塌，有16棟民房出現(xiàn)不同程度的開裂、破損。,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，17人死亡，4人失蹤。,二、我國地面塌陷分布的特

5、點,（一）巖溶地面塌陷分布 巖溶塌陷主要集中在揚子地臺和華北地臺的碳酸鹽巖分布區(qū) ，可分為南、北巖溶塌陷高發(fā)區(qū)。,二、我國地面塌陷分布的特點,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造，氣候較干旱，降水量少，巖溶發(fā)育程度不高，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

6、、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)歷過多次構造運動，地下水的區(qū)域排泄基準面也多次變遷，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、河北太行山一帶的煤田中較為常見。,二、我國地面塌陷分布的特點,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176.0

7、8×104km2。氣候溫熱濕潤，植被茂密，地質構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力量。,二、我國地面塌陷分布的

8、特點,（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，塌陷點總數(shù)達17138個，占全國各種類型地面塌陷總點數(shù)44.4%，其中湖南省為12549個，再其次為內蒙古自治區(qū)2800個，再其次分別為山西、黑龍江、安徽、河南等省。,三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機理,地面塌陷的形成條件（一）巖

9、土體的內部條件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處或深處溶洞的通道作用。 其二，地下空洞為具有多個臨空面的空腔，空洞的頂、底板和側壁在周圍巖壓的作用下極易發(fā)生應力集中，而處于穩(wěn)定性很差的狀態(tài)，一旦受到外力干擾，容易失

10、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基準面的控制，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，交替強烈，一般連通性較好，成為塌陷物質的儲集空間

11、和運移通道。塌陷坑與開口洞隙存在著密切的垂向對應關系。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。,三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機理,（一）巖土體的內部條件2、洞穴圍巖狀況 地下洞穴的受力狀況如同梁的受力，洞的頂板相當于承載上覆巖土體自重的梁，洞的兩側如同位于梁端的兩個支點。是否發(fā)生塌陷取決于頂板能夠形成穩(wěn)定的支撐拱。,三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機理,一般

12、而論，當洞穴埋藏深度與洞穴高度之比大于25：1時，洞頂上部就會形成三個變形特點不同的帶，即冒落帶、裂隙帶和彎曲帶。,（二）巖土體的外部條件1、自然影響因素（1）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一步變形而失穩(wěn)。 降雨強度大、歷時較長時，入滲的水流進入圍巖中的寬大裂隙，形成較大的動水壓力和沖刷作用。

13、 在巖溶地區(qū)，降水入滲對補給封閉巖溶洞穴，快速上升的巖溶水會壓縮洞內，形成上擠的壓力，導致氣爆發(fā)生，引發(fā)洞頂塌陷。,三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機理,（2）河、湖近岸地帶的側向倒灌作用 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。 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

14、時，巖溶地下水位回落快于潛水位，對洞隙上覆蓋層的浮托力很快消減，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而擴展形成塌陷。這種現(xiàn)象稱之為洪水倒灌潛蝕塌陷，簡稱為洪水塌陷。,三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機理,（3）地震 一是地震力可使洞頂覆巖以及洞壁的裂隙進一步擴大，引起巖層破裂、位移加?。?二是洞隙上覆松散飽水細粒物質發(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

15、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節(jié)等。對于巖溶地面塌陷，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。,三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機理,三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機理,二、地面塌陷發(fā)生的機理（一）礦山采空區(qū)地面塌陷的機理,第一階段為掘進和回采的初期，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

16、存在冒落帶。,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?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，多種因素綜合作用的結果。1、潛蝕作用 潛蝕論是1898年俄國學者巴浦洛夫提出。 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(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行沖蝕、掏空。從而在洞體頂板處的土體開始形成土洞,隨著

17、土洞的不斷擴大，最終引發(fā)動洞頂塌落。當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。當土堆較薄時，土洞不能形成平衡。,三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機理,（二）巖溶地面塌陷的機理,三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機理,2、真空吸蝕效應 我國徐衛(wèi)國等于1979年提出的，國內也普遍接受這一論點。 巖溶網(wǎng)絡的封閉空腔（溶洞或土洞）中，當?shù)叵滤淮蠓认陆档娇涨簧w層底面下時，地下水由承壓轉為無壓,空腔上部便形成低氣壓

18、狀態(tài)的真空，產(chǎn)生抽吸力,吸蝕頂板的土顆粒.同時內外壓作用，覆蓋層表面出現(xiàn)一種“沖壓”作用，從而加速土體破壞。3 、壓強差效應 壓強差是指巖溶空腔與松散介質（或土洞）接觸面上下側水、氣流體，因巖溶管道水位變化而產(chǎn)生相應的壓強差值.,4、自重效應 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，導致塌陷。5 、浮力效應 巖土體位于地下水位之中，當?shù)叵滤幌陆禃r，除產(chǎn)生壓強差效應

19、外，土體的浮托力也隨之減小，產(chǎn)生塌陷。6 、土體強度效應 土體吸水飽和后，土體抗剪強度降低，土拱抗塌力減小，產(chǎn)生塌陷。7 、其他效應 振動效應、 荷載效應、酸液效應,三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機理,巖溶塌陷穩(wěn)定性的評價包括：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。,（一）塌陷體的穩(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

20、等因素進行定性評價見表。,四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價,（二）土洞穩(wěn)定性的評價 休止狀態(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，或處于松散層中的土洞，可認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。此時破裂拱高h 為：,式中，h ——破裂拱高（安全臨界高度，m）； h0 ——洞

21、隙高度（m ）； b ——洞隙寬度之半（m）； Φ——內摩擦角（度）； f ——堅固系數(shù)（普氏系數(shù)）； R ——巖石單軸飽和抗壓強度（M Pa）； σn——粘性土剪切面上的正壓力； c ——土的粘聚力。,四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價,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

22、C 土體自重； F ———側壁摩擦阻力； 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———側壓力系數(shù)； φ———內摩擦角。,四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價,3．頂板坍塌堵塞法 對于頂板較破碎的洞隙或土洞頂板，在洞內無水流搬運遷移的情況下，坍落后其體積松

23、脹，當坍塌到一定高度時，洞體將被完全堵塞，此時可認為洞體空間已被支撐，不再向上擴展。其所需的坍塌高度（即安全臨界高度）h1 可估算如下：,四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價,（三）淺埋巖溶洞隙的穩(wěn)定性評價1、 淺埋巖溶洞隙穩(wěn)定評價的原則 當巖溶洞隙基巖頂板厚度過薄或軟弱破碎時，將會喪失穩(wěn)定而垮塌。對淺埋的巖溶洞隙，除主要受洞隙規(guī)模影響外，還受基巖埋深、覆土的巖性結構與性狀及地下水位埋深等因素的影響。 洞隙穩(wěn)定性的評價

24、一般采用定性評價與半定量評價相結合的方法。定性評價是洞隙穩(wěn)定條件的地質分析，是評價的基礎；半定量評價盡管計算方法比較嚴密，但限于條件的概化難以完全符合實際，其邊界和參數(shù)的確定也難以達到足夠的精度，因此只能起到補充和核對的作用。,四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價,2、 洞隙穩(wěn)定性的定性評價 根據(jù)洞隙的穩(wěn)定條件和影響穩(wěn)定的各種因素，綜合分析評價其穩(wěn)定性見表。,洞隙穩(wěn)定性定性評價,四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價,3、 洞隙穩(wěn)定性的半

25、定量評價（1）洞隙頂板的安全厚度評價 對于比較完整的微風化堅硬巖石組成的洞隙頂板，根據(jù)大量的洞隙地基工程實例調查統(tǒng)計，其安全厚度主要與洞跨有關，一般洞隙厚跨比 ， 即為穩(wěn)定安全。,（2）結構力學近似分析法 ① 按洞隙頂板抗彎厚度計算 按板梁受力情況，其受力彎矩按下列情況計算： A．當頂板跨中有裂縫，頂板兩端支座巖石堅固完整時，按懸臂梁計

26、逄： B．當裂隙位于支座處，而頂板較完整時，按簡支梁計算： C．若支座和頂板巖石均較完整、裂隙膠結良好時，按兩端因定梁計算：,四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價,抗彎驗算： （ 對于矩形梁： ）故,式中，M ———彎矩（kN·m）； q ———頂板所受總荷載，q ＝q1 ＋q2 ＋q3 ；

27、 q1 ———頂板厚為h 的巖石自重（kN／m）； q2 ———頂板覆土層自重（kN／m）； q3 ———頂板上附加荷載（kN／m）； l ———洞隙跨度（m）； σ———彎曲應力（kPa）； ［σ］ ———抗彎強度（kPa），對灰?guī)r一般取抗壓強度的1．10 ～0．125 ； b ———梁板的寬度（m）；

28、 h ———頂板巖層厚度（m）。,四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價,（2） 按洞隙頂板抗剪的安全厚度驗算： 由下列極限平衡條件計算頂板厚度h ：,式中，F(xiàn)———上部荷載傳至頂板的豎向力（kN）； G ———頂板巖土自重（kN）； U ———洞體頂板處平面周長（m）； frv ———頂板巖體的抗剪強度，對灰?guī)r一般取抗壓強度的0.06 ～0.13 （

29、kPa）。 除上述計算公式外，應用于土洞穩(wěn)定性評價的成拱分析法，坍塌平衡法及坍塌堵塞法等計算公式，也可利用。,四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價,五、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（一）巖溶地面塌陷災害預防1、查明洞穴分布：調查工作應在查明區(qū)域地質、水文地質背景的基礎上，運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

30、處的那些地段，要予以高度重視，不應布設任何建筑物。2、對已出現(xiàn)地面變形，但尚未塌陷的地點，要圈圍出警戒區(qū)，及時撤離人員。,3、擬建的以巖溶水為開采對象的供水源地布設地點，場地選擇時，應事先進行致塌危險性的充分論證，并盡可能遠離村鎮(zhèn)和人口密集區(qū)。4、對分散開采的農村井機，應強調小流量小降深逐漸過渡到預定開采量的操作方法，以避免洞穴負壓的形成。5、在可能出現(xiàn)塌陷的地段，要防止地表水的進入，對嚴重漏水的河溪、庫塘進行鋪底防漏或人工改道。

31、6、加強對巖溶水位，尤其是地面變形的監(jiān)測，要注意宣傳，加強群測群報的工作。,五、地面塌陷的防治,五、地面塌陷的防治,（二）巖溶地面塌陷的治理,（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、拱形結構，或以剛性大的平板基礎跨越、遮蓋溶洞，

32、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)格墊層的措施進行整治。,鐵道部門用扣軌梁跨越巖溶塌陷,（4）鉆孔充氣法 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，設置各種巖溶管道的通氣調壓裝置，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）強夯法 在土體厚度較小、地形平坦的情況下，采用強夯砸實覆

33、蓋層的方法消除土洞，提高土層的強度。,五、地面塌陷的防治,五、地面塌陷的防治,（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、隔斷地下水流通道，達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）深基礎法 對于一些深度較大，跨越結構無能為力的土洞、塌陷，通常采用樁基工程，將荷載傳遞到基巖上。,

34、五、地面塌陷的防治,（7）旋噴加固法 在淺部用旋噴樁形成一“硬殼層”，在其上再設置筏板基礎。“硬殼層” 厚度根據(jù)具體地質條件和建筑物的設計而定，一般10 ～20 m 即可。,鐵道部門用旋噴樁加固軟土地基防治巖溶塌陷,五、地面塌陷的防治,二、礦山采空區(qū)地面塌陷的防治（一）采空區(qū)地面塌陷危害的預防1、礦山開采前應結合開采方式、開采進度，運用采動理論估算不同開采期，地面變形的范圍和程度，做出風險評估，必要時修改原有開采方式和流程

35、。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)所在地要結合采深采厚和地質條件分析，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)塊的地面變形進行監(jiān)測預報，及時撤離人員。,五、地面塌陷的防治,4、礦坑排水設計必須考慮地面塌陷的可能地點、規(guī)模，避免單純追求疏干工期的做法。 5、改進井巷頂板管理方法，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，應留有足夠數(shù)量的保安礦柱，而且禁止對礦

36、柱的回采。 （二）采空區(qū)地面塌陷的治理 1、對破壞的土地應進行整理、平復，以防滑坡、崩塌的出現(xiàn)。 2、危房改造必須到位，嚴重損毀的房屋必須拆除。 3、對進入充分采動階段（冒落帶發(fā)育到地表）的地段，土地整理工作至少應在塌陷后兩年進行，由于殘余變形將持續(xù)很長時間，這些地段短期內一般不宜建造永久性建筑物。對仍處于非充分采動階段的地段，不宜開展正規(guī)的土地整理，以免前功盡棄，或采用鉆孔灌注法，填充地下空腔，使之達到穩(wěn)