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1、第七讲 地面变形地质灾害陈丽霞中国地质大学（武汉）地空学院地球信息科学与技术系主要内容1概述2地面变形地质灾害的类型3中国地面变形地质灾害的分布规律4地面塌陷5地面沉降6地裂缝一、概述地面变形地质灾害的定义广义：指因内、外动力地质作用和人类活动而使地面形态发生变形破坏，造成经济损失和（或）人员伤亡的现象和过程。 如，构造运动引起的山地台升和盆地下沉；抽取地下水、开采地下矿产等人类活动造成的地裂缝、地面沉降和塌陷等。狭义：指地面沉降、地裂缝和地面塌陷等以地面垂直变形破坏或地面标高改变为主的地质灾害。太太原原市市西安大雁塔西安大雁塔无锡市无锡市地地面面沉沉降降地面塌陷地面塌陷地裂缝地裂缝随着人类活
2、动的加强，人为因素已经成为地面变形地质灾害的重要原因。因此，在发展经济、进行大规模建设和矿产开采的过程中，必须对地面变形地质灾害及其可能造成的危害有充分的认识，加强地面变形地质灾害的成因、预测和防治措施的研究，有效减轻地面变形地质灾害造成的经济损失。基于SPOT-5图像解译的唐山市煤矿采矿沉陷区分布图（李成尊等，2006）二、地面变形地质灾害的类型1.1.按地面变形的形式分类按地面变形的形式分类l l地面沉降地面沉降l l地面塌陷地面塌陷l l地裂缝地裂缝l l渗透变形渗透变形l l特殊岩土胀缩变形特殊岩土胀缩变形2.2.按地面变形的成因分类按地面变形的成因分类内动力地面变形：内动力地面变形：
3、地震裂缝、地震塌陷、构造地裂缝、火山地面变形等地震裂缝、地震塌陷、构造地裂缝、火山地面变形等水动力地面变形：水动力地面变形：由地表水和地下水运动引起的地面变形，如由江河湖海波浪和由地表水和地下水运动引起的地面变形，如由江河湖海波浪和水流冲蚀而形成的库岸再造、岩溶水动态变化造成的岩溶塌陷、过量开采水流冲蚀而形成的库岸再造、岩溶水动态变化造成的岩溶塌陷、过量开采地下水引起的地面沉降、坡面流引起的地面冲刷等地下水引起的地面沉降、坡面流引起的地面冲刷等重力地面变形：重力地面变形：崩塌、滑坡、黄土湿陷等崩塌、滑坡、黄土湿陷等人类活动诱发地面变形：人类活动诱发地面变形：修路开挖边坡、采矿地面塌陷、城市建设
4、平整土地、农修路开挖边坡、采矿地面塌陷、城市建设平整土地、农业活动中的梯田改造等业活动中的梯田改造等三、中国地质灾害的分布规律东部地区（地势低平、人口密集、经济发达）东部地区（地势低平、人口密集、经济发达）l l长白山、燕山山地、松辽平原地面塌陷灾害区；长白山、燕山山地、松辽平原地面塌陷灾害区；l l华北平原、长江中下游平原地面沉降、地面塌陷灾害区；华北平原、长江中下游平原地面沉降、地面塌陷灾害区；l l东南沿海丘陵特殊岩土变形和地面塌陷灾害区；东南沿海丘陵特殊岩土变形和地面塌陷灾害区；l l台湾地震、地面沉降为主塌陷灾害区。台湾地震、地面沉降为主塌陷灾害区。中部地区（黄土高原、中低山）中部地
5、区（黄土高原、中低山）l l黄土高原湿陷、地裂缝、地面沉降塌陷灾害区；黄土高原湿陷、地裂缝、地面沉降塌陷灾害区；l l秦岭、川鄂、横断山地区地面塌陷灾害区；秦岭、川鄂、横断山地区地面塌陷灾害区；l l长江上游平原、云贵高原岩溶塌陷区。长江上游平原、云贵高原岩溶塌陷区。西部地区（高山、高原、人烟稀少）西部地区（高山、高原、人烟稀少）l l内蒙高原、准葛尔盆地、塔里木盆地土地砂化和盐渍化地面变内蒙高原、准葛尔盆地、塔里木盆地土地砂化和盐渍化地面变形灾害区；形灾害区；l l天山、昆仑山地震地面变形灾害区；天山、昆仑山地震地面变形灾害区；l l大兴安岭北段山地冻融塌陷灾害区；大兴安岭北段山地冻融塌陷灾
6、害区；l l青藏高原山地岩土冻融、地震塌陷灾害区。青藏高原山地岩土冻融、地震塌陷灾害区。地地 裂裂 缝缝主要内容概述地裂缝的特征地裂缝的类型中国地裂缝的分布地裂缝的成因机制和形成条件地裂缝的危害地裂缝灾害的防治措施一、概述1.定义地裂缝是地表岩土体在自然因素和人为因素作用下，产生开裂并在地面形成一定长度和宽度裂缝的现象。地裂缝一般产生在第四系松散沉积物中，与地面沉降不同，地裂缝的分布没有很强的区域性规律，成因较多。1968年7月25日，山东莒县，郯城一带发生8.5级强烈地震时，郯城某乡学生李献玉的房内出现了地裂缝，随即他被陷入缝中，几次试图爬上来都没有成功。正当他无可奈何时，裂缝内突然喷涌出水
7、，一下子把他托出了水面，他趁势爬了出来，安然无恙。二、地裂缝的特征1.发育的方向性与延展性2.灾害的非对称性和不均一性3.灾害的渐进性4.灾害的周期性1、地裂缝发育的方向性与延展性地裂缝常沿一定方向延伸，在同一地区发育的多条地裂缝延伸方向大致相同。据统计（王景明，1994），河北平原的地裂缝以NE5和NW85最为发育。地裂缝造成的建筑物开裂通常由下向上，以横跨地裂缝或与其成大角度相交的建筑物破坏最为强烈。中国东部部分地区地裂缝分布示意图（王景明，2000）河北平原地裂缝走向玫瑰花图和组系图（王景明，2000）平面上：地裂缝多呈带状分布；且裂缝一般呈直线状、雁行状或锯齿状。剖面上：多呈弧形，V形
8、或放射状。规模上：多数地裂缝长度为几十米至几百米，长者可达几公里；宽度在几厘米到几十厘米之间，最宽可达1m以上；裂缝两侧垂直落差在几厘米到几十厘米，大者可达1m以上，但也有没有垂直落差者。如山西大同机车厂大同宾馆的地裂缝长达5KM。2.地裂缝灾害的非对称性和不均一性地裂缝的灾害效应在横向上由主裂缝向两侧致灾强度逐渐减地裂缝的灾害效应在横向上由主裂缝向两侧致灾强度逐渐减弱，且地裂缝两侧的影响宽度以及对建筑物的破坏程度具有弱，且地裂缝两侧的影响宽度以及对建筑物的破坏程度具有明显的明显的非对称性非对称性。 如，山西大同铁路分局地裂缝的南侧影响宽度明显比北侧如，山西大同铁路分局地裂缝的南侧影响宽度明显
9、比北侧的影响宽度大。的影响宽度大。同一条地裂缝的不同部位，地裂缝活动强度和破坏程度也有同一条地裂缝的不同部位，地裂缝活动强度和破坏程度也有差别。在转折和错列部位相对较重，显示出差别。在转折和错列部位相对较重，显示出不均一性不均一性。 如，西安大雁塔地裂缝，东段活动强度最大，塌陷灾害最如，西安大雁塔地裂缝，东段活动强度最大，塌陷灾害最严重，中段灾害次之，西段的破坏效应很不明显。严重，中段灾害次之，西段的破坏效应很不明显。（刘玉海，（刘玉海，1994）剖面上，危害程度自下而上逐渐加强，累计破坏效应集中于剖面上，危害程度自下而上逐渐加强，累计破坏效应集中于地基基础与上部结构交接部位的地表浅部十几米深
10、的范围内。地基基础与上部结构交接部位的地表浅部十几米深的范围内。3.灾害的渐进性地裂缝灾害是因地裂缝的缓慢蠕动扩展而逐渐加剧的。因此，随着时间的推移，其影响和破坏程度日益加重，最后可能导致房屋及建筑物的破坏和倒塌。4.灾害的周期性 在时间序列上，地裂缝灾害往往表现出一定的周期性。在时间序列上，地裂缝灾害往往表现出一定的周期性。 当区域构造运动强烈或人类过量抽取地下水时，地裂缝活动加当区域构造运动强烈或人类过量抽取地下水时，地裂缝活动加剧，致灾作用增强，反之则减弱。剧，致灾作用增强，反之则减弱。垂直垂直变变形量形量/mm024681月至月至5月初月初5月至月至6月月6月至月至12月月0.67.5
11、1.3雨季及用水平衡期用水稳定期枯水期山西大同机车厂地裂缝垂直变形量的周期性变化趋势5.其他活动特性中期活动具有张合期，呈现南震北裂和北震南裂的交替变化在多数张合期中，华北地裂缝分布区内，存在前期是南部苏、鲁、皖、豫区多强震，而北部陕、晋、冀区则地裂缝活动强烈，这种现象成为南震北裂；到后期则位置对调呈现北震南裂现象。原因：地壳不同层位能量释放顺序的交替，反映地壳中深层能量释放的强震活动，与反映地壳浅表层能量释放的地裂缝活动，在华北南北部交替发生。三、地裂缝的类型按形成的动力条件分类：按形成的动力条件分类：1.内动力形成的构造地裂缝（构造型）内动力形成的构造地裂缝（构造型）2.外动力作用形成的地
12、裂缝（非构造型）外动力作用形成的地裂缝（非构造型）按应力作用方式分类：按应力作用方式分类：1.压性地裂缝压性地裂缝2.扭性地裂缝扭性地裂缝3.张性地裂缝张性地裂缝1.构造地裂缝构造地裂缝：构造地裂缝：由于地壳构造运动直接或间接在基岩或土由于地壳构造运动直接或间接在基岩或土层中所产生的开裂变形。层中所产生的开裂变形。 多数由断裂的缓慢蠕滑或快速粘滑而形成，断层的多数由断裂的缓慢蠕滑或快速粘滑而形成，断层的快速粘滑活动常伴有地震发生，因而快速粘滑活动常伴有地震发生，因而又称为地震地裂缝又称为地震地裂缝；褶皱构造作用和火山活动也可产生构造地裂缝。褶皱构造作用和火山活动也可产生构造地裂缝。 特点：特点
13、：（1）构造地裂缝延伸稳定，不受地表地形、岩土性质和）构造地裂缝延伸稳定，不受地表地形、岩土性质和其他地址条件影响，可切错山脊、陡砍、河流阶地等线状其他地址条件影响，可切错山脊、陡砍、河流阶地等线状地貌。地貌。（2）构造地裂缝活动具有明显的继承性和周期性。）构造地裂缝活动具有明显的继承性和周期性。（3）在平面上，呈断续的折线状、锯齿状或雁行状排列；）在平面上，呈断续的折线状、锯齿状或雁行状排列；在剖面上近于直立，呈阶梯状、地堑状、地垒状排列。在剖面上近于直立，呈阶梯状、地堑状、地垒状排列。截至2001年，我国已查明的具有一定规模的地裂缝1003处，6000多条，80%为构造裂缝（王景明等，20
14、01）。2. 非构造地裂缝非构造成因的地裂缝常伴随崩塌、滑坡及地面沉降等灾害而发生；矿山塌陷、岩溶塌陷以及特殊土的理化性质改变也会引发地裂缝。其纵剖面形态大多呈弧形、圈椅型或近于直立。四、中国地裂缝的分布中国东部部分地区地裂缝分布示意图（王景明，2000）中国地裂缝主要是断裂构造蠕变活动而产生的构造地裂缝。（王景明等，2000）汾渭盆地、太行山东麓平原和大别山东北麓平原形成了三个规模巨大的地裂缝发育地带。1982年，出现4条近SN向地裂缝，构成长约500m,深约2.5-3.0m,宽约15m的地裂缝带。四、中国地裂缝的分布中国东部部分地区地裂缝分布示意图（王景明，2000）中国地裂缝主要是断裂构
15、造蠕变活动而产生的构造地裂缝。（王景明等，2000）汾渭盆地、太行山东麓平原和大别山东北麓平原形成了三个规模巨大的地裂缝发育地带。全长约800km，共400多处地裂缝，共涉及50个县市。河北平原地裂缝发育时间图四、中国地裂缝的分布中国东部部分地区地裂缝分布示意图（王景明，2000）中国地裂缝主要是断裂构造蠕变活动而产生的构造地裂缝。（王景明等，2000）汾渭盆地、太行山东麓平原和大别山东北麓平原形成了三个规模巨大的地裂缝发育地带。1976年唐山大地震前后，大别山北麓山前倾斜平原出现的大量地裂缝主要分布在豫东南和皖西南的11个县市，其范围南北宽近100km,东西长约150km中国各区地裂缝中国各
16、区地裂缝发育程度对比表发育程度对比表（王景明等（王景明等 20012001）五、地裂缝的成因机制和形成条件成因之争成因的研究，始于西安地裂缝的讨论。地面沉降成因论：认为西安地裂缝是因为过量抽取地下水而引起地面沉降所致，在差异沉降陡变带上，由于两侧变形差大于岩土体的极限应变能力而发生地表破裂，而局部地质构造只对其起控制作用。吴在宝，钟龙辉，1986年构造成因论：认为西安地裂缝是因为基底伸展断裂系在横向拉张应力场作用下，并同时叠加了地下水开采的影响。王景明，王兰生，彭建兵，1986,1994,2006五、地裂缝的成因机制和形成条件1. 构造地裂缝构造活动断层蠕滑构造活动形成地裂缝隐伏构造地裂缝采矿
17、、抽取地下水等人类活动非构造因素诱发地裂缝地震活动构造活动形成地裂缝构造地裂缝成因机制框图（1）构造地裂缝是在构造运动和外动力地质作用（自然和人为）共同作用的结果。决定地裂缝活动的决定地裂缝活动的性质和展布特征性质和展布特征决定地裂缝发决定地裂缝发生的时间生的时间/地段地段/发育程度发育程度构造地裂缝内因：构造地裂缝大都形成于隐伏活动断裂带之上。若断裂两盘发生差异活动导致地面拉张变形，或者因活动断裂走滑、倾滑诱发地震影响等均可在地表产生地裂缝。缓慢的构造应力积累使断裂发生蠕变活动而形成地裂缝。这种地裂缝分布广、规模大、危害最严重。区域应力场的改变，使土层中构造节理开启也可发展为地裂缝。如196
18、6年邢台地震后，华北平原在区域应力调整过程中出现了大范围的地裂缝灾害，并于1968年达到高潮。河北平原地裂缝和地震活动时间对比图构造地裂缝外因：（1）大气降水加剧地裂缝发展；（2）人为活动，因过度抽水或灌溉水渗入等都会加剧地裂缝的发展。如，西安地裂缝就是城市过量抽取地下水产生地面沉降，从而加剧地裂缝的发展。陕西泾阳地裂缝则是因为农田灌水渗入和降雨同时作用而诱发。2. 非构造地裂缝（1）崩塌、滑坡、岩溶塌陷等地质灾害（2）黄土湿陷、膨胀土胀缩、松散土潜蚀（3）干旱、冻融（4）矿山开采、过量开采地下水河北衡水地区地裂缝深度与地下水降深之间的关系（王秀艳等，2006） 实践表明，许多地裂缝并不是单一
19、成因的，而是以一种原因为主，同时又受其他因素影响的综合作用的结果。 总体而言，控制地裂缝活动的首要条件是现今构造活动程度，其次是崩塌、滑坡、塌陷等灾害动力活动程度以及动力活动条件等。六、地裂缝的危害构造应力构造应力裂缝蠕滑、错动裂缝蠕滑、错动表土破坏、地基破坏表土破坏、地基破坏地下工程破坏地下工程破坏地表建筑破坏地表建筑破坏重力重力地裂缝成灾机理框图主要危害：房屋开裂地面设施破坏农田漏水截至2001年，我国地裂缝造成的经济损失约为91.2亿元，其中华北地区的损失占70%。西安市及近郊地区地裂缝分布图地裂缝穿越91座工厂，40所学校60多处公用设施、41个村寨；破坏道路60处、围墙427处，13
20、2栋楼房受破坏和影响，1057间平房受毁，18处文物古迹受损，仅民用住房损失达2164.6万元。西安地裂缝闻名中外，影响范围超过150km2.西安地裂缝灾害逐渐加重对比表（王景明，2001）中国部分省区地裂缝灾害损失表（王景明，2001）七、地裂缝灾害的防治措施地裂缝灾害多数发生在由主要地裂缝所组成的地裂地裂缝灾害多数发生在由主要地裂缝所组成的地裂缝带内，所有横跨主裂缝的工程和建筑都可能受到缝带内，所有横跨主裂缝的工程和建筑都可能受到破坏。破坏。防治原则：防治原则：（1 1）人为成因的地裂缝：）人为成因的地裂缝：预防预防为主、为主、合理规划合理规划、严、严格禁止地裂缝附近的开采行为。格禁止地裂
21、缝附近的开采行为。（2 2）自然成因的地裂缝：）自然成因的地裂缝：避让避让为主；加强调查和研为主；加强调查和研究，开展地裂缝易发区的究，开展地裂缝易发区的区域评价区域评价。1.1.控制人为因素的诱发作用控制人为因素的诱发作用对于这种非构造地裂缝，针对发生的原因，采取对于这种非构造地裂缝，针对发生的原因，采取各种措施来防治和减少地裂缝的发生。各种措施来防治和减少地裂缝的发生。（1 1）崩塌、滑坡产生的地裂缝）崩塌、滑坡产生的地裂缝采取工程措施采取工程措施（2 2）地下水开采引发的地裂缝）地下水开采引发的地裂缝控制措施控制措施（3 3）黄土湿陷裂缝）黄土湿陷裂缝防治降水和工业生活用水的防治降水和工
22、业生活用水的下渗和冲刷。下渗和冲刷。（4 4）矿井开采引发的地裂缝）矿井开采引发的地裂缝控制开采范围，增控制开采范围，增多或增大预留保护柱，防止矿井坍塌。多或增大预留保护柱，防止矿井坍塌。2.2.建筑设施避让建筑设施避让开发建设时开发建设时工程地质勘察调查研究区域构造和断层活动历史查明拟建区地裂缝发育带及隐伏地裂缝潜在发育区城镇规划合理布局严格限制永久性建筑设施横跨地裂缝；一般避让宽度不少于410m.最小安全避让距离（王兰生等，1994）已建设施已建设施加固加固跨越地裂缝的管道工程：跨越地裂缝的管道工程： 外廊隔离、内悬支座式管外廊隔离、内悬支座式管道道+ +活动软接头。活动软接头。以遭受地裂
23、缝严重破坏的设施：局部拆除或全部拆以遭受地裂缝严重破坏的设施：局部拆除或全部拆除，以防止对整体建筑物或相邻建筑物造成更大破坏除，以防止对整体建筑物或相邻建筑物造成更大破坏3.3.监测预测措施监测预测措施预测预报地裂缝的预测预报地裂缝的发展方向、速率及可能的危发展方向、速率及可能的危害范围害范围。l l地面勘察地面勘察l l地形变测量地形变测量l l断层位移测量断层位移测量l l音频大地电场测量音频大地电场测量l l高分辨率纵波反射测量高分辨率纵波反射测量课堂作业 按照地裂缝发生成因分类，包括哪几类按照地裂缝发生成因分类，包括哪几类？西安市区地裂缝是什么原因导致的？西安市区地裂缝是什么原因导致的？
