珠江三角洲地面塌陷的成災(zāi)機制及致災(zāi)因子分析

1、珠江三角洲地面塌陷的形成機理及致災(zāi)因子分析以廣州市為例1 引言地面塌陷是指地表土體或巖體在自然和人為因素作用下陷落或沉陷的一種動力地質(zhì)現(xiàn)象,當(dāng)它作用于人類社會時,造成人員傷亡、財產(chǎn)損失、經(jīng)濟活動停頓或生態(tài)環(huán)境破壞。地面塌陷是珠江三角洲城市地質(zhì)災(zāi)害的主要類型之一。廣州市位于廣東省中部偏南、珠江三角洲的北緣,地處海陸結(jié)合部,地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,淤泥質(zhì)軟土廣泛分布。近年來,廣州市經(jīng)濟高速發(fā)展,城市化進程加快,人類活動劇烈,地面塌陷災(zāi)害尤其是工程地面塌陷災(zāi)害頻繁發(fā)生,災(zāi)害損失呈不斷增長趨勢。由圖1看出，過去10年呈明顯的波浪狀上升趨勢,1999年以來,數(shù)量更多、頻率更高。這一時期為厄爾尼諾多發(fā)期,氣候異常,

2、多暴雨和洪水,易于誘發(fā)地面塌陷等各種地質(zhì)災(zāi)害。同時,由于城市地鐵等地下工程建設(shè)全面展開,地下施工震動大,過量抽取地下水,對巖土層破壞顯著,地表失穩(wěn),工程地面塌陷災(zāi)害頻繁發(fā)生。（據(jù)劉江龍，廣州市地面塌陷的形成原因與時空分布.2007.12.災(zāi)害學(xué).）地面塌陷災(zāi)害與高度發(fā)達的經(jīng)濟、完善的城市基礎(chǔ)設(shè)施相耦合,必然放大災(zāi)害的破壞效應(yīng),使國民經(jīng)濟發(fā)展的受到嚴(yán)重影響。據(jù)不完全統(tǒng)計3,19952005年廣州市發(fā)生的經(jīng)濟損失超過5萬元的人為工程地面塌陷達26次,直接經(jīng)濟損失達1500萬元以上。截止到2006年9月，南沙近期重點發(fā)展區(qū)已發(fā)生軟基沉降災(zāi)害87處，沉降面積達182.96km2，沉降量5130cm不等

3、，沉降體積1.10108m3，損毀房屋658棟，損毀路段長16.55km，損毀橋梁6座、港口碼頭1座、堤壩2.1km、底下管線130m。地面沉降嚴(yán)重影響工業(yè)與民用建筑工程、堤圍水利工程、地下供水供電網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施的正常使用，或使路面凹凸不平不能發(fā)揮正常運營。廣州市荔灣區(qū)大坦沙及周邊僅數(shù)平方公里范圍內(nèi)，頻繁發(fā)生巖溶地面塌陷等災(zāi)害，僅2008年發(fā)生9次，造成了較大的經(jīng)濟損失和嚴(yán)重的社會影響。據(jù)不完全統(tǒng)計，區(qū)內(nèi)地面塌陷所造成的損失累計超過200億元。2008年1月17日下午3時，廣州地鐵五號線大西盾構(gòu)區(qū)間2#聯(lián)絡(luò)通道在施工中突然涌水發(fā)生塌方，造成雙橋路和珠江大橋的引橋交界處花圃內(nèi)的地面塌方，面積10

4、0m2，深約5m，事故過程沒有人員傷亡，但對地鐵施工造成了重大阻礙，地面交通被迫暫時封閉，27條公交線路臨時調(diào)整，數(shù)千群眾受到影響。2005年11月25日，白云區(qū)石井街滘心村一棟在建的村民樓，突然塌陷1.5米深，整座樓體傾斜30度變成了“比薩斜塔”。 2008年12月20日，廣州白云區(qū)石井夏茅經(jīng)濟聯(lián)合社“沙園坊”地陷塌樓事故災(zāi)害，共致73棟房屋受到影響，涉及面積5000多平方米，其中12棟房屋出現(xiàn)不同程度塌陷、傾斜、裂紋等現(xiàn)象，導(dǎo)致381人生活受到影響，直接經(jīng)濟損失約300多萬元。因此，對成災(zāi)機制和致災(zāi)因子進行正確分析并做出恰當(dāng)危險性評價對珠江三角洲城市建設(shè)與規(guī)劃、資源利用、環(huán)境保護和公共安全

5、具有十分重要的意義。2 廣州市地面塌陷的主要類型及特征2 1主要類型結(jié)合近年來廣州市地面塌陷情況的調(diào)查和研究,按照塌陷形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，廣州市地面塌陷災(zāi)害可分為巖溶型塌陷、土洞型塌陷、冒頂型塌陷三種；按照形成機理又可分為自然塌陷和誘發(fā)塌陷。必須指出，塌陷形成的原因往往是多方面綜合作用的結(jié)果，形成的物質(zhì)基礎(chǔ)也有可能是兩種或多種的組合。如巖溶型塌陷是由于巖石中存在巖溶洞隙而產(chǎn)生。在可溶巖石上有松散土層覆蓋的巖溶區(qū)，塌陷主要產(chǎn)生在土層，稱為土層塌陷；當(dāng)組成洞隙頂板的各類巖石破碎時，也可發(fā)生頂板陷落的“基巖塌陷”。又如誘發(fā)地面塌陷是指由于城市化進程的加快、城市經(jīng)濟活動和工程強度加大，地表、地下基礎(chǔ)工程建

6、設(shè)直接誘發(fā)或間接導(dǎo)致的地面塌陷，這些塌陷往往形成于有利于巖溶發(fā)育的地帶。廣州市荔灣區(qū)雙橋公園土洞型塌陷白云區(qū)石井街滘心村巖溶型塌陷廣州市荔灣區(qū)大坦沙城西花園土洞型塌陷2008年白云區(qū)石井街下茅村巖溶型塌陷2 2基本特征對19952005年廣州市地面塌陷進行分析,主要體現(xiàn)為以下特征:隱伏性,其發(fā)育發(fā)展情況、規(guī)模大小、可能造成地表塌陷的時間及地點具有極大的隱伏性,發(fā)生之前很難被人意識到。突發(fā)性,一次完整的塌陷過程可能就是1min左右4,往往使人們在塌陷發(fā)生時措手不及,造成財產(chǎn)損失和人員傷亡。群發(fā)性與復(fù)發(fā)性,地面塌陷災(zāi)害往往不是孤立存在的,常在同一地區(qū)或某一時段集中形成災(zāi)害群。如:1995年6月11

7、日至7月18日,白云區(qū)人和鎮(zhèn)矮崗村附近發(fā)生數(shù)10處地面塌陷。20012004年,僅幾千米的廣州黃埔大道就發(fā)生數(shù)10處塌陷點。損害的嚴(yán)重性,近10年來,廣州市地面塌陷災(zāi)害造成城市房屋地基失穩(wěn),建筑物受到破壞、地下管網(wǎng)受損,交通、供水、供電中斷等事故發(fā)生,并奪去多人生命,造成重大的經(jīng)濟損失。3廣州市地面塌陷的空間分布特征巖溶塌陷災(zāi)害的隱患點主要分布在廣花盆地內(nèi)花都區(qū),白云區(qū)江高鎮(zhèn)、石井鎮(zhèn),從化市的良口、石嶺和石塘等隱伏巖溶區(qū)(圖3)。分布特征表現(xiàn)為:多發(fā)生在斷裂帶或褶皺軸部;多發(fā)生在隱伏溶斗、落水洞等負地形上方;多發(fā)生在隱伏灰?guī)r上方或覆蓋層較薄且無穩(wěn)定隔水層之處;多發(fā)生在地下水位變化強烈地區(qū)或地下

8、水主要補給方向上游地區(qū)9。土洞地面塌陷主要分布在廣州市中心城區(qū)(圖4),包括越秀區(qū)、荔灣區(qū)、海珠區(qū)、天河區(qū)、蘿崗區(qū)、番禺區(qū),其大致范圍是珠江兩岸環(huán)市高速公路環(huán)繞地區(qū),面積約為290km2。比較集中分布的有幾個典型的塌陷群,如:康王路塌陷群、黃浦大道塌陷群、鵝掌坦塌陷群、工業(yè)大道塌陷群等。冒頂型塌陷則主要集中在采空區(qū)，地鐵等地下空間利用區(qū)。其中采空區(qū)主要集中在4廣州市地面塌陷的致災(zāi)因子分析塌陷的形成是多因子異變耦合的結(jié)果，內(nèi)在因子是塌陷形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，外在因子的影響進一步加速了內(nèi)在因子的成熟，導(dǎo)致塌陷的形成和失穩(wěn)，同時內(nèi)外因子間互相制約，對塌陷的形成是灰色的9-10。在地學(xué)中，很多因素都不是能以

9、數(shù)字來表示的，往往只能用某一方面的標(biāo)準(zhǔn)來反映其相對大小。4.1地層巖性從溶洞發(fā)育與地層、巖性的關(guān)系來看,溶洞發(fā)育與巖性具明顯專屬性,在質(zhì)純、層厚的可溶巖中巖溶作用最強烈,含雜質(zhì)多、層薄的可溶巖中巖溶作用相對變?nèi)?。巖溶層以中上泥盆統(tǒng)和石炭系分布最廣,而且石炭系比泥盆系的可溶性更好。另外，土層的性質(zhì)4.2活動的斷裂構(gòu)造受加里東構(gòu)造運動、海西運動、燕山運動和喜山運動等多期構(gòu)造運動作用,廣州地區(qū)構(gòu)造格局非常復(fù)雜。廣州市斷裂構(gòu)造發(fā)育且均為活動性斷裂。它們不僅控制著區(qū)域地殼的升降運動、地貌景觀差異和大地構(gòu)造單元,而且會誘發(fā)地震。具有明顯活動性的斷裂有3組6,即ew向組:瘦狗嶺斷裂、廣三斷裂;nne向組:廣

10、從斷裂;nnw-nw向組:石榴崗斷裂、化龍斷裂和文沖斷裂。曾作過統(tǒng)計，4.3水文條件對碳酸鹽溶洞發(fā)育的控制數(shù)量多、規(guī)模大、延伸長的大型溶洞主要分布在河流岸邊和中上游地區(qū)(如陽春崆峒巖、凌霄巖,云浮的蟠龍洞)。這是由于在水系發(fā)育地帶,河流流域多是下切較深的谷地,在岸邊地帶地下水水力梯度大,水交替強烈,并有外源地表水和遠處地下水的補給。外源水不但從水量上增強降水的作用,而且來自非巖溶地區(qū)的水具有較低的碳酸鹽飽和度,對碳酸鹽介質(zhì)溶蝕和侵蝕能力強。遠離水系相對水力梯度變小,匯水面積小,巖溶作用相對較弱,一般發(fā)育的溶洞規(guī)模也較小。在河流的中上游地區(qū)地勢較高,河流切割深度大,常常導(dǎo)致梯度很大的水動力條件,

11、有利于巖溶作用,常形成大型的豎井、溶洞及地下河。另外,中上游地區(qū)地形變化小,溶蝕洼地和巖溶谷地發(fā)育,降水主要匯入這些負地形中補給地下水,有利于形成集中徑流,形成較大規(guī)模的溶洞。下游地區(qū)是山地、丘陵向平原的過渡帶,地形坡度小,地表溝谷發(fā)育,降水主要形成地表徑流排泄,不利于形成大的溶洞。4.4土地利用現(xiàn)狀在兩面臨空的地形條件下，危巖體上硬下軟的巖體結(jié)構(gòu)易于在重力作用下蠕變潰屈，并產(chǎn)生向臨空方向的卸荷。劉傳正等將重力卸荷機制表現(xiàn)歸結(jié)為三方面：1脫皮；2“劈條子”，它起因于重力或構(gòu)造作用向臨空方向的拉裂卸荷，也可以包含采空造成的懸板效應(yīng)與彎矩作用；3脫層，從下向上開裂1。重力卸荷作用與危巖體規(guī)模正相關(guān)

12、。危巖體規(guī)模的大小直接影響致災(zāi)的嚴(yán)重程度，與影響危巖穩(wěn)定性計算的地震力、重力緊密相關(guān)。危巖體規(guī)模愈大，失穩(wěn)的可能性愈大。4.5 人類活動（1）人類活動強度雨季是危巖失穩(wěn)的多發(fā)季節(jié)，降雨強度越大、歷時越長越易發(fā)生。地表水的入滲量與巖石的裂隙大小、深度及密度息息相關(guān)。（2）工程活動強度地下水對邊坡的影響總的說來表現(xiàn)在物理、化學(xué)2 個方面，前者表現(xiàn)在地下水壓力使有效正應(yīng)力減小，后者表現(xiàn)在地下水的軟化使巖石的粘結(jié)力和摩擦力減小，二者均使邊坡的穩(wěn)定性減弱。hoek 和bray11 進行的實例分析表明（坡前無積水），巖坡滑動安全系數(shù)隨張裂隙積水的增多迅速降低。穩(wěn)定系數(shù)從張裂隙無水時的1.34 （穩(wěn)定） 驟

13、然降到張裂隙滿水時的0.77 （不穩(wěn)定或已破壞），幾乎降低了一半（圖3）。另外，由于地下水的存在，使邊坡可能破壞，飽和巖坡抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)急劇降低（圖4）。同時考慮了地表水(降雨、河流沖刷)和地下水，根據(jù)三峽庫區(qū)地下水的分布情況，將地下水埋深情況分為3等:好（埋藏深）、中等和差（埋藏淺）。1.6 風(fēng)化作用邊坡巖體在溫度場、水、日照、風(fēng)等因素的長期作用下發(fā)生風(fēng)化，使巖體更加破碎，不利危巖穩(wěn)定。風(fēng)化越厲害，巖體越破碎，危巖越易失穩(wěn)。邊坡不同巖層的差異風(fēng)化，也會導(dǎo)致危巖發(fā)育。由于砂巖、泥巖軟硬巖性造成的差異風(fēng)化，是危巖形成的一個重要因子。為了量化其指標(biāo)的方便，風(fēng)化程度按形成的危巖體巖腔體積與危巖體的體

14、積之比值來確定5影響因子權(quán)重的確定通過以上庫區(qū)危巖形成因素的分析，根據(jù)資料的有效性和可獲得性，選取地形地貌、巖性、巖體結(jié)構(gòu)、危巖體規(guī)模、水體作用、風(fēng)化作用 、土地利用類型7 個影響崩塌發(fā)生的因素作為評價指標(biāo)，根據(jù)層次分析法，建立指標(biāo)層關(guān)于準(zhǔn)則層的判斷矩陣（表 1），矩陣每個元素的取值根據(jù) 19 標(biāo)度法獲得，判斷矩陣的最大特征根 max 及對應(yīng)的特征向量（即層次單排序w）,可以采用方根法求出7-10。表1 層次分析法計算各影響因子的權(quán)重系數(shù)ab.1 weight of influnce factors in ahp method巖體結(jié)構(gòu)地形地貌巖性危巖體規(guī)模水文地質(zhì)土地利用風(fēng)化作用wi求積開方a

15、i(ta)i(ta)i/ai特征值巖體結(jié)構(gòu)1345675126003.8527180.4061612.9697937.311868地形地貌 1/3123343721.8421850.1942071.4191557.307455巖性 1/4 1/21234391.3687380.1442951.068047.4017867.353774危巖體規(guī)模 1/5 1/3 1/2123 1/20.10.7196860.0758710.5569557.34086水文地質(zhì) 1/6 1/3 1/3 1/213 1/20.0138890.5428340.0572270.40717.113833土地利用 1/7 1

16、/4 1/3 1/3 1/31 1/30.0004410.3316060.0349590.2630917.525811風(fēng)化作用 1/5 1/3 1/322310.2666660.8279330.0872820.6524187.474805 為了保持判別思維的一致性， 還需要對每個層次單排序進行一致性檢驗。采用一致性指標(biāo) ci= (max-n)/(n-1)（1），其中：max 為判斷矩陣的最大特征根，n 為矩陣階數(shù)。利用判斷矩陣的一致性指標(biāo) ci和平均隨機一致性指標(biāo) ri（可查表獲?。┑谋戎颠M行因子權(quán)重的一致性檢驗：cr=ci/ri。 當(dāng) cr 的值小于 0.1 時，認為矩陣具有滿意的一致性，因

17、子權(quán)重的選取合理，否則要調(diào)整矩陣元素取值。經(jīng)檢驗:=/=1/(7-1)(7.354-7)=0 .059,查表=1.32,=0 .059/1.32=0.044712基巖巖性 (0.15)花崗巖礫巖泥巖砂泥巖互層灰?guī)r構(gòu)造條件（0.144)斷裂發(fā)育情況無斷裂發(fā)育微弱發(fā)育中等全境發(fā)育斷裂交匯與褶皺方位關(guān)系水文地質(zhì)（0.076)地下水類型基巖裂隙水層狀裂隙水埋藏型巖溶水覆蓋型巖溶水松散孔隙水與河流距離很遠下游較遠較近近近且上游水位變動幅度土地利用地上植被建筑等輕靜載建筑等重靜載交通等動荷載交匯區(qū)地下未利用商場等靜止利用地鐵等動利用廢棄采空區(qū)活動采空區(qū)人類活動（0.035）人類活動強度極不強烈不強烈比較強

18、烈強烈特別強烈工程活動強度極不強烈不強烈比較強烈強烈特別強烈4 危巖體穩(wěn)定性模糊評價的指數(shù)模型及實例4.1 危巖體穩(wěn)定性模糊評價的指數(shù)模型危巖體穩(wěn)定性程度可以用穩(wěn)定性指數(shù)來表示，它是危巖體穩(wěn)定性的具體數(shù)量化指標(biāo)，其數(shù)值越大，表示危險性越大。本文對研究區(qū)危巖體穩(wěn)定性指數(shù)的計算采取指標(biāo)權(quán)重加法，其基本原理是以權(quán)重來反映各評價指標(biāo)在穩(wěn)定性評價中的不同地位?；灸Ｐ徒⑷缦隆ＴO(shè)有 m 個評價因子， x1，x2，xm；rn 為危巖體的穩(wěn)定性指數(shù)；w1，w2， wi 為各評價因子的權(quán)重，則模型表示為：（2）。式中：wi 為所選評價指標(biāo)的權(quán)重，其值由層次分析法確定；xi 為所選評價指標(biāo)概化分級并標(biāo)準(zhǔn)化后的值。 根據(jù)（2）式進行運算得出危巖體