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1、环境地质学 主讲教师 曾斌 zengbin 19 分论 若干地质环境问题的论述 EnvironmentalGeology 地面塌陷 概述地面塌陷的危害我国地面塌陷的分布特点地面塌陷的形成条件及发生机理岩溶塌陷的稳定性评价地面塌陷的防治 主要内容 一 概述 定义 地面塌陷是指天然洞穴或人工洞室上覆岩土体失稳突然陷落 导致地面快速下沉 开裂的现象和过程 地面塌陷造成的地面变形量大 变形速度快 且具有突然性 事前往往很难准确判断发生的时间 加之 其发生过程可导致地面建筑物开裂 倒塌 甚至整体陷落 公路 桥梁扭曲错断 农田肢解以及大量的人员伤亡 所以 地面塌陷是人类面临的一种地质灾害 地面塌陷 地下存
2、在空洞是地面塌陷发生的先决条件 地下空洞可分为天然洞穴和人工洞室两类 目前面临的地面塌陷主要包括岩溶塌陷和采空区塌陷 矿山采空区地面塌陷是人为诱发地面塌陷的最主要类型 二 地面塌陷的危害 1 破坏地面建筑 造成人员伤亡 2009年8月8日 安徽省合肥市长江中路与徽州大道交叉口发生路面塌陷 一辆蓝色出租车掉入塌陷区中 2009年7月4日凌晨2时30分许 鄂州市汀祖镇刘云村陈盛湾村内 一幢占地面积百余平方米的平顶楼房部分向地下塌陷6米 户主30岁的儿子被埋遇难 安徽淮南采空区塌陷 黑龙江鹤岗煤矿 开采70多年来 已塌陷土地41 97km2 搬迁房屋总建筑面积39 7 104m2 目前山西省各类矿山
3、采空区已达2万多平方公里 以全省15 6万平方公里的土地面积计算 山西有近七分之一的地面已经成为 悬空区 使大面积土地塌陷 2000年4月6日下午4时 8时 洪山区青菱乡烽火村地面塌陷 陷坑18个 最大陷坑长63米 深6 7米 最小陷坑1 2长 深小于2米 陷坑带呈近东西向分布 散分在东西300米 南北250米的范围内 有2栋民房完全倒塌 有16栋民房出现不同程度的开裂 破损 西安70米长路面塌陷 9辆货运汽车掉进深约3米 长约70米的坑中附近群众以为地震 2 损毁铁路 公路和水利设施 2008年11月15日杭州地铁一号线地面塌陷事故 造成75米的路面陷落了15米 正在行驶的十一辆汽车包括一辆
4、公交车陷入坑内 17人死亡 4人失踪 我国东部岩溶区 铁路4010公里 岩溶塌陷376处 近十年间中断车1860小时 颠覆列车3次 3 引发矿井水患 2009年7月22日黑龙江省鸡西市鑫永丰煤矿发生采空区地面塌陷 形成面积约3000m2 深10余米的塌坑 由于正值降雨 水与流沙大量涌入坑内 使矿井淹没 23名当班矿工被困井下 4 破坏农田 三 我国地面塌陷分布的特点 一 岩溶地面塌陷分布据1993年的不完全统计 南方岩溶地面塌陷点已发现34072个 占全国总数的96 5 其中湖南省有14152个 居全国之首 其次为广东省和广西壮族自治区 分别为8751个 8735个 再其次为贵州 云南 四川
5、1 北方岩溶地面塌陷区长江以北 由于华北地台大多为大型宽缓的褶皱和断块构造 气候较干旱 降水量少 岩溶发育程度不高 除古代的岩溶洞穴系统有部分残留外 现代岩溶主要以溶蚀裂隙为主 岩溶地面塌陷大多集中在山区与平原的过渡地带 如辽宁省的南部 山东的泰安 枣庄 莱芜 河北的唐山 秦皇岛柳江盆地 江苏的徐州 安徽的淮南 淮北等地 分布有古代岩溶塌陷的痕迹 陷落柱 华北地台曾经历过多次构造运动 地下水的区域排泄基准面也多次变迁 致使碳酸盐岩地层形成大量的洞穴 古代岩溶塌陷主要分布在晋 冀 鲁 豫 陕等省 太原西山 汾河沿岸 河北太行山一带的煤田中较为常见 2 南方岩溶塌陷区位于长江以南的广大地区 是我国
6、碳酸盐岩分布最集中 面积最大的区域 总面积约176 08 104km2 气候温热湿润 植被茂密 地质构造多为紧密的褶皱和密集的断块 现代岩溶十分发育 裸露岩溶区和半裸露岩溶区的面积占碳酸盐岩总面积的41 3 主要分布于云南 贵州 四川 广西 湖南 江西 湖北等省 湖南省岩溶塌陷居全国之首 其次为广东省和广西壮族自治区 再其次为贵州 云南 四川 矿山排水 开采地下水 水库蓄水等人为干扰岩溶水流场的活动 是诱发岩溶地面塌陷的主导力量 二 矿山采空区地面塌陷的分布矿山采空区地面塌陷是我国地面塌陷中另一种重要形式 其中煤矿开采造成的地面塌陷比例最大 目前我国采矿业造成的地面塌陷主要分布在全国20个省区
7、市 塌陷点总数达17138个 占全国各种类型地面塌陷总点数44 4 其中湖南省为12549个 再其次为内蒙古自治区2800个 再其次分别为山西 黑龙江 安徽 河南等省 四 地面塌陷的形成条件及发生机理 一 地面塌陷的形成条件1 岩土体的内部条件 1 地下存在空洞具备一定规模的地下无岩土的空间 即空洞 地下空洞的存在有着两方面的意义 其一 它是洞体顶板 侧壁局部冒落物以及塌陷发生时坠落物的储容空间 在地下岩溶发育区 地下洞穴以及溶蚀裂隙还起着将洞穴暂时堆积物输移到远处或深处溶洞的通道作用 其二 地下空洞为具有多个临空面的空腔 空洞的顶 底板和侧壁在周围岩压的作用下极易发生应力集中 而处于稳定性很
8、差的状态 一旦受到外力干扰 容易失稳而发生覆岩的冒落 甚至发生波及地表的塌陷 地下空洞的形成 可以是自然力 也可以是人工挖掘的结果 在可溶盐岩分布区的岩溶洞穴包括各种形态的溶洞 溶隙 管道等 一般而言 当可溶岩岩性较纯 岩层厚度较大 出露分布广 断层较发育 岩层较破碎时 岩溶较易发育 岩溶洞隙的发育一般受岩溶地下水排泄基准面的控制 多发育于浅部 向深部逐渐减弱 浅部岩溶洞隙由于地下水活动频繁 交替强烈 一般连通性较好 成为塌陷物质的储集空间和运移通道 塌陷坑与开口洞隙存在着密切的垂向对应关系 洞穴愈大 塌陷规模也愈大 洞隙开口愈大 塌陷速度愈快 地下井巷系统是最易引发地面塌陷的一种人工洞室 2
9、 洞穴围岩状况地下洞穴的受力状况如同梁的受力 洞的顶板相当于承载上覆岩土体自重的梁 洞的两侧如同位于梁端的两个支点 是否发生塌陷取决于顶板能够形成稳定的支撑拱 一般而论 当洞穴埋藏深度与洞穴高度之比小于25 1时 洞顶上部就会形成三个变形特点不同的带 即冒落带 裂隙带和弯曲带 2 岩土体的外部条件 1 自然影响因素 a 大气降水降雨入渗水可以使洞顶覆岩的含水层增大 自重加大 下渗水流会湿润裂隙面 降低岩石块体间的抗滑阻力 从而引起洞顶和洞壁的进一步变形而失稳 降雨强度大 历时较长时 入渗的水流进入围岩中的宽大裂隙 形成较大的动水压力和冲刷作用 在岩溶地区 降水入渗对补给封闭岩溶洞穴 快速上升的
10、岩溶水会压缩洞内 形成上挤的压力 导致气爆发生 引发洞顶塌陷 b 河 湖近岸地带的侧向倒灌作用河 湖近岸地带普遍分布着孔隙潜水与岩溶水组成的双层含水介质 汛期洪水位急剧上升的情况下 河 湖水将向地下水产生侧向倒灌 地下水位随之上升 这时岩溶地下水对洞隙上覆盖层土体产生正压力或使浮托力增大 在洪水位迅速回落时 岩溶地下水位回落快于潜水位 对洞隙上覆盖层的浮托力很快消减 通过洞隙开口处从潜水含水层向岩溶洞隙产生垂向的渗透潜蚀作用 在盖层中形成土洞进而扩展形成塌陷 这种现象称之为洪水倒灌潜蚀塌陷 简称为洪水塌陷 c 地震一是地震力可使洞顶覆岩以及洞壁的裂隙进一步扩大 引起岩层破裂 位移加剧 二是洞隙
11、上覆松散饱水细粒物质发生 液化 而形成地面塌陷 2 人为活动的影响人为激发活动主要表现在地面施加荷载 人为爆破和车辆振动 水库蓄放水的人工调节等 对于岩溶地面塌陷 除上述人为活动外 地下水的抽排 回灌 尤其是快速 大降深的抽水活动往往是引发地面塌陷最普遍的原因 二 地面塌陷的发生机理 1 矿山采空区地面塌陷的机理 第一阶段为掘进和回采的初期 存在冒落带 断裂带和弯曲带 第二阶段为地裂缝发展阶段 仅存在冒落带和断裂带 第三阶段为地面塌陷阶段 仅存在冒落带 2 岩溶地面塌陷的机理 岩溶 水 包括地表水和地下水 对可溶性岩石进行的以化学溶蚀作用为主的改造和破坏地质作用以及由此产生的地貌及水文地质现象
12、的总称 岩溶作用 以化学溶蚀为主 同时还包括机械破碎 沉积 坍塌 搬运等作用 是一个化学 物理相结合的综合作用 可溶性岩石包括碳酸盐岩 硫酸盐岩 卤化物等 1 潜蚀作用地下水位下降时 水力梯度也随之增大 地下水流速加快 动水压力增强 当动水压力大于土体内聚力与颗粒间摩擦力 土颗粒开始被渗流带动迁移 这一现象称为潜蚀或管涌 在覆盖型岩溶区 下伏存在溶蚀空洞 地下水经覆盖层向空洞渗流 或地下水位下降时 水力梯度增大 在一定的水压力作用下 地下水对土体或空隙中的充填物进行冲蚀 掏空 从而在洞体顶板处的土体开始形成土洞 随着土洞的不断扩大 最终引发动洞顶塌落 当土层较厚或有一定深度时 可以形成塌落拱而
13、维持上伏土层的整体稳定 当土堆较薄时 土洞不能形成平衡 形成塌陷的原因很多 如潜蚀 真空吸蚀 振动 土体软化 建筑荷载 因当地条件不同 产生塌陷的原因而不同 也可能是以一种原因为主导 多种因素综合作用的结果 A 水位下降前的平衡状态 B 水位下降 随着向上侵蚀过程使通道被排空 出现活跃的地下侵蚀 潜蚀进入开阔的洞穴 C 洞穴的顶部逐渐坍陷 可能短期内受钙化砾石层的抑制 D 最后的拱顶坍陷 形成了被同心球状张力裂缝包围的落水洞 2 真空吸蚀效应我国徐卫国等于1979年提出的 国内也普遍接受这一论点 岩溶网络的封闭空腔 溶洞或土洞 中 当地下水位大幅度下降到空腔盖层底面下时 地下水由承压转为无压
14、空腔上部便形成低气压状态的真空 产生抽吸力 吸蚀顶板的土颗粒 同时内外压作用 覆盖层表面出现一种 冲压 作用 从而加速土体破坏 3 压强差效应压强差是指岩溶空腔与松散介质 或土洞 接触面上下侧水 气流体 因岩溶管道水位变化而产生相应的压强差值 4 自重效应雨水入渗后 盖层饱和容重比干容重一般增加30 40 使土拱承受更大的重量 导致塌陷 5 浮力效应岩土体位于地下水位之中 当地下水位下降时 除产生压强差效应外 土体的浮托力也随之减小 产生塌陷 6 土体强度效应土体吸水饱和后 土体抗剪强度降低 土拱抗塌力减小 产生塌陷 7 其他效应振动效应 荷载效应 酸液效应 五 岩溶塌陷稳定性评价 一 岩溶塌
15、陷的地质模式岩溶塌陷的地质模式是其形成条件组合特征的概括 反映其形成条件的差异 其划分主要考虑塌陷盖层的岩性结构 含水结构 岩溶水位与基岩面及上覆土层水的关系 岩溶塌陷地质模式的组合因子 岩溶塌陷稳定性的评价包括 塌陷堆积体 简称塌陷体 土洞及浅埋岩溶洞隙等三个方面的稳定性评价 塌陷体的稳定性主要根据塌陷的微地貌特征 堆积物的性状及地下水埋藏与活动情况等因素进行定性评价见表 二 岩溶塌陷的稳定性评价 1 塌陷体的稳定性评价 2 土洞稳定性的评价休止状态的土洞其稳定性主要取决于土洞顶板埋深或其与安全临界厚度之比 1 成拱分析法 普罗特尼可夫塌落拱理论 当洞隙顶板岩体被密集裂隙切割呈块状或碎块状时
16、 或处于松散层中的土洞 可认为顶板将成拱形塌落 而其上荷载及岩 土体则由拱自身承担 此时破裂拱高h为 式中 h 破裂拱高 安全临界高度 m h0 洞隙高度 m b 洞隙宽度之半 m 内摩擦角 度 f 坚固系数 普氏系数 R 岩石单轴饱和抗压强度 MPa n 粘性土剪切面上的正压力 c 土的粘聚力 2 坍塌平衡法土洞顶板土体的平衡条件 见图 是 式中 G ABDC土体自重 F 侧壁摩擦阻力 H0 极限平衡时的顶板厚度 安全临界厚度 D 土洞跨度 土体密度 侧压力系数 内摩擦角 六 地面塌陷的防治 以防为主 及时治理 一 岩溶地面塌陷的防治1 岩溶地面塌陷灾害预防 1 查明洞穴分布 调查工作应在查明区域地质 水文地质背景的基础上 运用钻探和物探手段确定浅表洞穴的分布情况 并从危险性的角度进行分区 对松散堆积物厚度不大 且直接覆盖在溶洞和隙宽较大溶隙开口处的那些地段 要予以高度重视 不应布设任何建筑物 2 对已出现地面变形 但尚未塌陷的地点 要圈围出警戒区 及时撤离人员 3 拟建的以岩溶水为开采对象的供水源地布设地点 场地选择时 应事先进行致塌危险性的充分论证 并尽可能远离村镇和人口密集区
