隱伏巖溶地面塌陷地 災課程設(shè)計(田鵬程)

1、隱伏巖溶地面塌陷地 災課程設(shè)計姓 名：田鵬程班 級：051111 學 號：20111001727指導老師：晏鄂川1. 概述 所謂“巖溶地面塌陷”，是指隱伏在第四紀覆蓋層下的可溶巖中存在巖溶空洞，且存在與覆蓋層相連的通道。在某些自然因素或人為因素作用下，覆蓋層物質(zhì)沿著巖溶通道漏失到巖溶空洞中，引起覆蓋土體發(fā)生塌陷，導致地面出現(xiàn)塌陷的自然現(xiàn)象。這里要強調(diào)兩層含義，一是“地面塌陷”，二是“覆蓋層土體”塌陷，而非可溶巖溶洞塌陷。2.巖溶塌陷的形成條件及動力因素2.1巖溶塌陷的形成條件巖溶塌陷發(fā)育的基本條件是：巖溶洞隙的存在，一定厚度的松散蓋層和水動力條件易于改變的巖溶地下水。(1)巖溶洞隙是巖溶塌陷產(chǎn)

2、生的基礎(chǔ) 巖溶發(fā)育愈強烈，巖溶洞隙數(shù)量愈多，其規(guī)模也愈大，愈有利于巖溶塌陷的形成。巖溶洞隙的發(fā)育一般受巖溶地下水排濁基準面的控制，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(zhì)的儲集空間和運移通道。巖溶洞隙的開口程度是影響巖溶塌陷形成的重要因 素，巖溶地下水的活動，塌陷物質(zhì)的運移都是通過洞隙開口處進行的，因此，塌陷坑與開口洞隙存在著密切的垂向?qū)P(guān)系。實踐表明，洞隙規(guī)模愈大，塌陷也愈大；洞隙開口愈大，塌陷速度愈快。洞隙的平面展布形態(tài)對塌陷平面形態(tài)有著決定性影響，裂隙狀洞隙往往形成長條狀塌陷坑，沿地下河管道往往產(chǎn)生鏈狀或串珠狀 分布的塌陷坑群

3、。(2)一定厚度的松散蓋層 目前已知塌陷中土層塌陷占967，可見土層是塌陷的主要組成部分。土層可由粘土、砂、礫等各種組分組成，形成單層雙層或多層結(jié)構(gòu)。巖性結(jié)構(gòu)對塌陷的形成有著明顯的影響：均一的砂土由于其顆粒間無粘結(jié)力，在一定水頭的水流滲透作用下，其細小顆粒易于被潛蝕搬運進而淘空破壞，抗塌陷能力最差，塌陷數(shù)量相對 較多；雙層或多層結(jié)構(gòu)的土層，由于有粘性土的緩沖作用，其抗塌能力要稍好一些；均一粘性土或底部為粘性土的多層結(jié)構(gòu)土層，由于粘性土具有一定的凝聚力，抗塌能力較強，塌陷數(shù)量相對較少，塌陷的速度也要緩慢一些。 土層的厚度對塌陷的產(chǎn)生也有明顯的影響，據(jù)統(tǒng)計，土層厚度小于10m的塌陷占絕大多數(shù)；厚度

4、1030m的塌陷數(shù)量要少得多，而>30m的僅零星出現(xiàn)。 除蓋層為土層的塌陷外，受斷層破碎的第三系紅色砂巖、粉砂巖中產(chǎn)生塌陷。(3)易于改變的巖溶地下水動力條件 巖溶地下水一般具有賦存狀態(tài)復雜(集中管道狀或分散網(wǎng)絡(luò)狀)、動態(tài)變化迅猛、逕流通暢、流態(tài)多變的特點，這些特征在不同地段由于其補給、逕流、排泄條件的不同而又有明顯的差異。影響補、逕、排條件的因素除了地質(zhì)構(gòu)造外，主要受地形地貌、即碳酸鹽巖的出露條件、地形切割程度及水文網(wǎng)配置格局所控制，不同地貌 類型具有不同的巖溶地下水特征。據(jù)此可在宏觀上將巖溶地下水概括三種類型：巖溶山地(裸露型巖溶)的巖溶地下水，巖溶平原、盆地、谷地(復蓋型巖溶)的巖

5、 溶地下水和河湖近岸地帶的巖溶地下水。需要指出的是，在華南復蓋巖溶區(qū)的上復粘性土層常與殘坡積或坡洪積成因，多含有砂礫質(zhì)且垂直裂隙發(fā)育，具有不均一的含水性，往往組成弱含水層，居民多取之供生活用水。其特征是含水不均，水位隨地形而變化，水量較小，干旱年份甚至干涸。這一類土層水的水位一般高于下伏的巖溶地下水位，尤其在雨季，其水位差達 到最大，在其作用下，沿土層中的垂向裂隙和粗大孔隙產(chǎn)生垂向滲透補給巖溶地下水，其水力坡度較大，可在土層中產(chǎn)生潛蝕作用，將土的細小顆粒隨水帶走，形成土洞，進而擴展形成塌陷。 地下水的動力條件是指地下水的賦存(含水介質(zhì)類型)和水力條件(承壓、非承壓)及其以水位(水頭)、流速、水

6、力坡降等要素表征的條件。在巖溶地下水埋藏較淺、循環(huán)交替強烈的地段，巖溶地下水動力條件易于改變，地下水活動變化強烈，有利于塌陷的形成。這些地段有：水位埋藏較淺，多具承壓性，變化幅度較大，或 在基巖面附近波動的地段；逕流較通暢的集中逕流帶或主逕流帶；地下水的排泄帶；具有潛水(包括土層水)和巖溶水雙層含水層結(jié)構(gòu)分布地段；與潛水或地表水體 聯(lián)系密切、交替強烈地段；降落漏斗影響范圍內(nèi)。2.2巖溶塌陷形成的動力因素巖溶塌陷是在具備上述三個基本條件的基礎(chǔ)上，受到各種自然或人為的動力因素的作用而產(chǎn)生。2.2.1巖溶地下水的作用： 巖溶地下水的活動在巖溶塌陷的形成中具有多種作用，是一種十分重要的動力因素，可以在

7、自然條件下由于氣候季節(jié)的干、濕變化引起，也可以由于人工抽水、礦坑排水、水庫蓄水、引水、灌溉和給排水工程的滲漏引起。（1） 溶蝕作用：水對可溶巖的溶蝕過程極為緩慢。據(jù)觀測計算，我國巖溶區(qū)其溶蝕量每千年為數(shù)十至百余毫米。作為巖溶塌陷基礎(chǔ)的巖溶洞隙都是在漫長的地質(zhì)歷史時期中形成。但在石膏、巖鹽類巖石分布地區(qū)，因采礦、水庫興建或其它人類活動的影響可使其產(chǎn)生強烈的溶蝕作用，使新巖溶快速發(fā)育，為塌陷提供必要的條件。（2）改變土體的狀態(tài)：巖土體中含水量隨地下水位的升降而變化，含水量的增加一方面使巖土體的重度增大，如達到飽和，重度可增加約1525；另一方面對于粘性土因塑性狀態(tài)發(fā)生變化而使其變軟，強度降低。這些

8、變化將使洞隙頂板的力學平衡狀態(tài)惡化。（3）地下水的浮托作用：處于地下水位以下的巖土體都受到地下水浮托力的作用。當水位上升，浮托力按其增加的水頭值增大，產(chǎn)生正壓效壓，如上復蓋層較薄、上升水頭較高時，就可能頂破蓋層產(chǎn)生塌陷；當水位下降時浮托力消減，對于不透水的粘性土或砂土，其消減值為全部的下降水頭或(0607)倍下降水頭，其作用相當于使蓋層增加 一個同值的附加荷載，對于粘性土一般可達到其自重的40左右。這樣可使蓋層的穩(wěn)定性降低甚至直接導致失穩(wěn)塌陷。（4）地下水的滲透潛蝕作用：潛蝕作用是指地下水流在其流徑上對土、巖顆粒產(chǎn)生的動水壓力使其移動帶走的作用，動力水的大小取決于地下水的坡降，產(chǎn)生潛蝕作用的起

9、始水力坡降稱為臨界水力坡降，它的大小取決于土的組成成分與結(jié)構(gòu)，一般粘性土因其具有凝聚力，比砂性土要大。 沿著巖溶地下水流方向上的水平滲透潛蝕，在自然條件下因其水力坡降較小一般不易產(chǎn)生，主要出現(xiàn)于人工抽排水巖水位急劇下降的過程中，這時地下水的坡降流速增大，從而對巖溶洞隙通道中的松散充填物和復蓋會產(chǎn)生潛蝕、沖刷和淘空作用。其結(jié)果，巖溶洞隙充填物被帶走，在復蓋層底部的洞隙開口處形成空洞，成為土洞 的雛形。并在巖溶水位下降到基巖頂板之前繼續(xù)受到潛蝕、沖刷而逐漸擴展。在雙層含水層結(jié)構(gòu)分布地區(qū),潛水或土層水向巖溶地下水的垂向滲透，以及降雨和地表水的垂向入滲，可產(chǎn)生垂向滲透潛蝕作用，這時入滲水流向著洞隙開口

10、處匯聚和集中滲透。這種作用在抽排巖溶地下水水位急速下降的情況下最為顯著，因上復土層的滲透性比巖溶含水層要小得多，其水位的下降速度也就要慢得多。這樣水位 差將隨著巖溶水位的下降而增大，當水位降至復蓋層底板時，其水力坡度達到最大(可接近1)，浸蝕作用也最強。在上述作用下土洞不斷向上擴展而導致失穩(wěn)塌陷。（5） 巖溶地下水位變化引起巖溶洞隙空間的正負壓力作用：巖溶地下水位上升時，封閉較好的巖溶洞隙空間的氣體受壓形成高壓氣團，對其周圍的巖土體產(chǎn)生正壓作用，當蓋層較薄時，可沖破蓋層巖土體，形成氣爆，造成塌陷。這類塌陷稱之與沖爆塌陷，主要見于巖溶山地地下河的通道上。 巖溶地下水位大幅度下降可在封閉的巖溶洞隙

11、空間產(chǎn)生負壓，對復蓋層土體產(chǎn)生附加吸力而使其遭到吸蝕剝落并向下遷移。對于上復土體中所含的水，負壓使其增加了向下滲透的附加水頭，從而加劇了對土體的潛蝕作用，加速土體的破壞和土洞的形成和擴展。負壓的大小取決于復蓋層的封閉程度和水位的下降速度，在安全封閉 條件下，其理論最大值為一個大氣壓，實際上復蓋層的封閉性只是相對的，地下水位下降速度除礦坑突水驟降外一般也是較緩慢的。因此其作用有限，完全由負壓吸蝕產(chǎn)生的塌陷只有在極特殊的條件下才有可能出現(xiàn)。（6）巖溶地下水位波動的散解作用巖溶地下水位波動使巖溶洞隙上復蓋巖土體處于頻繁的干濕交替狀態(tài)，使其發(fā)生崩解和剝落，促進土洞的發(fā)育和擴展。形成于地下水位波動帶中的

12、土洞除了入滲水流的潛蝕作用外主要與此種作用有關(guān)。(7) 巖溶地下水的水擊作用:巖溶管道中的地下水流經(jīng)常處于不穩(wěn)定狀態(tài)，管道中因塌陷物的堵塞或充填物的沖決，使水流速度突然變化，水流的動能將轉(zhuǎn)化為壓力，形成一種向來水方向傳播的彈性波即水擊波，從而產(chǎn)生水擊作用，沖擊巖溶洞隙管道系統(tǒng)，引起與之相通的上方復蓋巖土體的擊穿與塌陷。據(jù)計算，巖溶管道中水流速度突然降低1m/s時， 產(chǎn)生的水擊壓力可達到120m水頭以上，可見其力之大。(8) 地下水的侵蝕和搬運作用 :在洞隙管道中流動的地下水，一般具有和地表水一樣的侵蝕作用，而且由于管道系統(tǒng)形態(tài)的曲折多變，多有渦流形成而具有很強的沖蝕、掏蝕能力。在洞隙的開口處，

13、對上復土層的侵蝕?？尚纬赏炼措r形，并參與土洞的擴展過程。淺部巖溶洞隙常有松散沉積物充填，由于水動力條件的改變，地下水水力坡降加大，流速加快，這些充填物被遷移搬運，并在塌陷發(fā)育過程中不斷將塌落物質(zhì)帶走，這樣塌陷才能不斷發(fā)展，直至達到新的平衡。2.2.2降雨及表水(庫水、灌溉水、渠運管道滲漏水、建筑物地面排水等)的入滲作用入滲水流對塌陷的形成有以下幾方面的作用：(1) 洞隙蓋層巖土體充水增重和軟化作用；(2) 垂直滲透潛蝕作用；(3) 地下水位上升使巖溶洞隙空間氣團受壓產(chǎn)生正壓力；(4) 水庫蓄水庫水對庫盤的靜水壓力形成附加荷載。2.2.3河、湖近岸地帶的側(cè)向倒灌作用 河、湖近岸地帶多有階地發(fā)育，

14、普遍分布著孔隙潛水與巖溶水組成的雙層介質(zhì)。一般情況下地下水向河、湖排泄。其水位隨河、湖水位的起落而波動。但在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復蓋層土體產(chǎn)生正壓力或使浮托力增大。在洪水位迅速 回落時，巖溶地下水位由于其逕流較通暢亦隨之很快下降，對洞隙上復蓋層的浮托力很快消減，而潛水位因滲透性相對較弱下降較緩慢，使?jié)撍慌c巖溶水位之間的雙層水位差增大，從而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，一般在自然條件下即可形成，如有人為因素的

15、疊加，可加快塌陷的發(fā)展速度。2.2.4地震與振動作用 地震對塌陷的形成主要有兩方面的作用：地震力使洞隙蓋層巖土體產(chǎn)生破裂、位移形成塌陷；洞隙上復淺埋的松散飽水細粒砂層“液化”而形成塌陷，砂土液化是指飽水松散砂、土在震動作用下有變得 緊密的趨勢，導致其孔隙水壓力驟然升高，砂粒間接觸點上傳遞的壓力減小甚至消失，這時砂粒之間就會脫離接觸而完全懸浮于水中像液體一樣流動的作用和現(xiàn)象，其特點是伴隨有噴水冒砂現(xiàn)象。除了構(gòu)造地震外，巖溶區(qū)的塌陷地震和大型水庫蓄水誘發(fā)的塌陷地震時有發(fā)生，一般其強度較低，為12級，影響范圍較小，不致于引起塌陷，但在特殊情況下也 可產(chǎn)生塌陷。人為的爆破和車輛振動，也可造成洞隙頂板的

16、塌落而形成塌陷，主要見于隱伏土洞發(fā)育地區(qū)，這些土洞頂板已接近極限平衡狀態(tài)，在強度不大的振動力使用下產(chǎn)生附加荷載效應而導致塌陷。2.2.5重力和荷載作用重力是在塌陷形成過程中自始至終起作用的一種內(nèi)力、自然條件下的基巖塌陷都是以重力作用為主導而產(chǎn)生的。隱伏土洞的突然塌陷，大多也是土洞在多種因素作用下不斷向上擴展，直到土洞頂板在重力作用下其強度難以支承而失穩(wěn)塌落。荷載產(chǎn)生附加壓力，其作用與重力作用類似。荷載壓穿洞隙或土洞頂板引起塌陷主要見于頂板接近于極限平衡狀態(tài)的隱伏土洞地區(qū)。2.2.6酸堿液的化學潛蝕作用 在現(xiàn)代人類經(jīng)濟工程活動中，廢酸堿液的排放日益增多，它對巖溶地區(qū)的巖土體產(chǎn)生強烈的溶蝕和潛蝕破

17、壞作用，大量溶解帶走可溶性物質(zhì)，改變巖土結(jié)構(gòu)，降低強度，導致塌陷。3. 巖溶塌陷機理 不同地質(zhì)條件具有不同的塌陷機理。最早流行的是“潛蝕”機理，上世紀80年代出現(xiàn)了“真空吸蝕”機理，本文提出“潛蝕液化漏失”機理。實際情況是三種機理并存，不同地質(zhì)條件下的塌陷符合不同機理。3.1潛蝕機理 所謂“潛蝕”是泛指地下水在運動過程中不斷帶走土中物質(zhì)的機械作用過程。巖溶地面塌陷過程中的“潛蝕”一般是發(fā)生在土巖接合面附近的土中。最有利于發(fā)生潛蝕的條件是覆蓋層為粘性土，且?guī)r溶地下水位已脫離基巖頂面降至巖體中而在地下水位以上存在飽氣帶，亦即巖面上下地下水的垂直循環(huán)帶。 由于基巖面的高低變化，特別是在溶溝、溶槽中易

18、形成土層底部的小徑流，在漫長的潛蝕過程中將土中物質(zhì)帶入溶洞中，在上覆粘性土層中形成“土洞”。當土洞頂板土層超越自撐能力時，發(fā)生地面塌陷。土洞形成要兩個重要條件，一是巖溶地下水位低于土巖界面，二是土巖界面高差較大。因此，土洞多數(shù)分布在山前或山間谷地。 3.2潛蝕滲流或振動液化漏失機理 這是一種混合類型。當覆蓋層為二元結(jié)構(gòu)沖積層且沖積層下部飽和粉土、砂、礫石層直接蓋在巖面之上時，在粉土、砂、礫石層中的孔隙水與可溶巖中的巖溶裂隙、管道水發(fā)生直接聯(lián)系，形成統(tǒng)一運動情況下，由于水位不斷升降變化，尤其是巖溶地下水位或承壓水頭低于孔隙水位時，發(fā)生垂直滲流。 先是在粉土、砂、礫石層中發(fā)生潛蝕作用，形成“漏斗狀

19、疏松體”，進而因垂直滲流加劇，局部水力坡度加大，砂、礫石土呈液化狀態(tài)流入巖溶空洞，地面出現(xiàn)塌陷坑。另一種液化是打樁采用重錘沖擊，產(chǎn)生振動液化。3.3真空吸蝕機理 所謂“真空吸蝕”是指巖溶地下水在大量抽取或因礦井大量排水后水位在短時間內(nèi)急劇下降過程中的“活塞”作用下形成負壓至真空狀態(tài)。在這種負壓或真空作用下，覆蓋土層對應巖溶地下通道的薄弱位置在瞬間產(chǎn)生陷坑或陷洞。這種由負壓或真空對覆蓋層的抽吸作用稱為“真空吸蝕”。是否會發(fā)生真空吸蝕，主要有兩個特殊條件：其一是大量抽排巖溶地下水，水位在短時間內(nèi)急劇下降；其二是覆蓋層對地下巖溶有良好的封閉作用，能使在水位下降的過程中形成充分的負壓或真空。這兩個條件

20、就決定了這類塌陷分布的特殊地域性。比如在巖溶地下水的補給區(qū)和排泄區(qū)（可溶巖出露區(qū)）和不存在水位急降條件的地區(qū)，就不易發(fā)生這類塌陷。 上述三種機理是指三種不同地質(zhì)條件下的塌陷過程特點，也就是說不同條件符合不同機理。其共同特點是，必須具備巖溶空洞及聯(lián)系通道和地下水的運動，所不同的是覆蓋土層與巖溶的組合性質(zhì)不同和觸發(fā)因素不同。前兩者機理是以自然因素為基本因素，最后一種則以人為因素為主。4. 巖溶塌陷的分類 巖溶地面塌陷基本上分為三種類型： (1)飽和松散層（粉土、砂、礫石）“漏失”型，即飽和松散層在地下水位變化過程中發(fā)生潛蝕液化，直接漏失到巖溶空洞中，造成地面塌陷。此類塌陷規(guī)模大，突發(fā)性強，危害最大

21、。 (2)“土洞塌陷型”，即粘性土(多為Q3-Q2老粘性土)在土巖界面上長期受地下水潛蝕而形成土洞。當土洞頂板土層厚度減小到不能自撐時，受某種觸發(fā)因素（強降雨、抽水或打樁、爆破振動或地震）作用產(chǎn)生塌陷。此種塌陷一般規(guī)模不大，地表陷坑直徑為幾米至十幾米，數(shù)量取決于土洞數(shù)目。 (3)“真空吸蝕塌陷型”，無論是飽和粉土、砂、礫石覆蓋層，還是粘性土覆蓋層，都可能在巖溶地下水位急劇、大幅度下降過程中由于真空負壓作用而發(fā)生地面塌陷。在自然條件下很少發(fā)生地下水急劇、大幅度下降過程，而多半是人為活動(抽水或礦井排水)引起的。如湖北應城的湯池溫泉，在石灰?guī)r中抽取熱水時，當水位降至土巖界面以下一定深度(取水量1600T/d)便發(fā)生地面塌陷。5. 防治對策、措施（1）繞避、及時回填（