地質災害之地面塌陷三

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)。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(nóng)田（四）引發(fā)礦井水患二、我國地面塌陷分布的特點（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、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176.08×104km2。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。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、位移加劇；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等因素進行定性評價見表。四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價（二）盞土洞穩(wěn)母定性的霜評價休止意狀態(tài)麗的土鑼洞其劃穩(wěn)定撐性主污要取努決于痕土洞亡頂板遙埋深轟或其閣與安暫全臨垂界厚惱度之世比。1．成拱分句析法（普竹羅特尼可借夫塌落拱光理論）當洞隙頂致板巖體被爭密集裂隙況切割呈塊們狀或碎塊甚狀時，或辰處于松散廳層中的土奔洞，可認堤為頂板將落成拱形塌偶落，而其訓上荷載及嗎巖、土體價則由拱自廣身承擔。霞此時破裂寇拱高h為：式中年，h—葉—破裂拱高晌（安全臨桂界高度，m）；h0銜——洞隙高度翠（m）；b—寒—洞隙嫂寬度黎之半烏（m）；Φ——內摩擦幼角（度醫(yī)）；f—番—堅固尖系數(shù)類（普蝕氏系現(xiàn)數(shù)）次；R——巖石道單軸靜飽和姨抗壓鳳強度們（M義Pa）；σn賓——粘性土蒙剪切面震上的正乎壓力；c——土的粘肺聚力。四、科巖溶象塌陷陜穩(wěn)定詳性評候價2．坍塌平掌衡法土洞頂板臉土體的平田衡條件（枕見圖）是膽：式中，G——蕉—AB嘩DC土體自重恭；F—達——側壁摩擦敢阻力；H0磁———極限平備衡時的芹頂板厚鵲度（安氧

D———土洞跨度；

γ———土體密度；

λ———側壓力系數(shù)；

φ———內摩擦角。四、朋巖溶毀塌陷訴穩(wěn)定咳性評軟價3．頂板凈坍塌堵線塞法對于脆頂板睜較破劍碎的蟻洞隙罵或土耐洞頂劣板，演在洞窩內無判水流巧搬運披遷移聰?shù)那榈駴r下皮，坍產(chǎn)落后悄其體禁積松梯脹，納當坍曬塌到落一定震高度訴時，長洞體滿將被共四、默巖溶仗塌陷匠穩(wěn)定則性評埋價（三）乎淺埋巖鏡溶洞隙胳的穩(wěn)定貞性評價1、淺埋繳巖溶洞隙秋穩(wěn)定評價攪的原則當巖溶洞神隙基巖頂逝板厚度過瞞薄或軟弱川破碎時，問將會喪失凍穩(wěn)定而垮眠塌。對淺梯埋的巖溶擱洞隙，除據(jù)主要受洞隙規(guī)含模影響外潤，還受基巖埋襯深、覆祖土的巖飛性結構酬與性狀嗚及地下借水位埋荷深等因素的事影響。洞隙穩(wěn)賞定性的雀評價一搬般采用毀定性評牧價與半首定量評仔價相結皇合的方恒法。定緒性評價濤是洞隙每穩(wěn)定條托件的地猴質分析驅，是評悅價的基揚礎；半精定量評而價盡管給計算方廟法比較伏嚴密，步但限于乎條件的業(yè)概化難意以完全些符合實芽際，其煙邊界和籌參數(shù)的清確定也勿難以達史到足夠四、巖體溶塌陷羊穩(wěn)定性麥評價2、洞窄隙穩(wěn)定寬性的定霞性評價根據(jù)輸洞隙盛的穩(wěn)碧定條撒件和謊影響榮穩(wěn)定織的各宣種因跟素，蛋綜合宗分析胃評價償其穩(wěn)裁定性段見表唱。洞隙穩(wěn)定鎮(zhèn)性定性評甩價四、巖溶略塌陷穩(wěn)定閃性評價3、播洞隙蠶穩(wěn)定歪性的劉半定字量評罷價（1）洞隙愈頂板的首安全厚闖度評價對于比恨較完整抖的微風仆化堅硬家?guī)r石組冷成的洞利隙頂板煙，根據(jù)威大量的雹洞隙地嚇基工程畜實例調旦查統(tǒng)計計，其安替全厚度判主要與孟洞跨有辦關，一燒般洞隙再厚跨比麻，即拐為穩(wěn)定戶安全。（2）結尋構力摸學近壩似分雁析法①梢按洞隙閃頂板抗鏡彎厚度暑計算按板梁液受力情善況，其像受力彎鵝矩按下元列情況無計算：A．當頂拳板跨中約有裂縫狗，頂板講兩端支抗座巖石藍堅固完確整時，仰按懸臂柱梁計逄既：B．當訪裂隙饅位于聞支座否處，囑而頂療板較勁完整平時，習按簡刊支梁彈計算仿：C．若辣支座廈和頂捧板巖紀石均蕉較完豎整、計裂隙濟膠結血良好挽時，果按兩山端因汁定梁扎計算衡：四、巖溶榆塌陷穩(wěn)定隔性評價抗彎驗算耀：吼（也對于矩形賄梁：敢）故式中，M——息—彎矩（kN·m）；q——擺—頂板所受生總荷載，q＝q1＋q2＋q3；q1蠶———頂板厚雅為h的巖石自低重（kN／m）；q2淡———頂板磚覆土柴層自容重（kN／m）；q3—王——頂板上爬附加荷絕載（kN／m）；l骨——唱—洞隙怒跨度莫（m）；σ———彎曲應卡力（kPa）；［σ］———抗彎強度滾（kPa），對灰棒巖一般取曾抗壓強度哀的1．10～0．12影5；b——譯—梁板傍的寬反度（m）；h怕——窄—頂板巖鞭層厚度標（m）。四、巖檔溶塌陷優(yōu)穩(wěn)定性蓬評價（2）按釣洞隙頂于板抗剪晚的安全癢厚度驗然算：由下列牽極限平團衡條件腔計算頂肝板厚度h：式中，F(xiàn)———上部荷豈載傳至辰頂板的代豎向力師（kN）；G——原—頂板巖土群自重（kN）；U——薪—洞體訪頂板劫處平奶面周橋長（m）；frv———頂板巖體踢的抗剪強擴度，對灰優(yōu)巖一般取除上述計算公式外，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、頓巖溶霧塌陷駝穩(wěn)定勵性評批價五、地面直塌陷的防鎮(zhèn)治“以防珍為主含、及儲時治月理”一、巖群溶地面堅塌陷的援防治（一）巖購溶地面塌船陷災害預份防1、查明加洞穴分法布：調存查工作艇應在查趣明區(qū)域斯地質、之水文地顆質背景謙的基礎嘩上，運主用鉆探糾和物探窮手段確暑定淺表抱洞穴的瘡分布情饞況，并碑從危險慮性的角重度進行鑰分區(qū)。奏對松散餡堆積物濫厚度不胸大，且兵直接覆瓶蓋在溶周洞和隙勤寬較大池溶隙開服口處的疏那些地疊段，要鎖予以高橫度重視醬，不應挨布設任壯何建筑猜物。2、對歷已出顏現(xiàn)地猛面變挑形，抬但尚3、擬建幅的以巖脆溶水為部開采對釋象的供防水源地乏布設地海點，場濁地選擇閃時，應奮事先進捷行致塌披危險性滾的充分灶論證，藝并盡可泊能遠離姓村鎮(zhèn)和講人口密貸集區(qū)。4、對頸分散剩開采話的農(nóng)牧村井務機，愧應強拌調小鐘流量嘉小降蘋深逐廊漸過冷渡到補預定幸開采帥量的牌操作鞠方法封，以胖避免息洞穴眼負壓播的形荒成。5、在可辜能出現(xiàn)鬧塌陷的若地段，慶要防止哭地表水侵的進入癢，對嚴維重漏水果的河溪普、庫塘顆進行鋪喪底防漏也或人工做改道。6、加強觸對巖溶計水位，壘尤其是慮地面變卻形的監(jiān)殊測，要兼注意宣確傳，加五、館地面求塌陷換五、地面副塌陷的防竿治（二）巖拴溶地面塌焰陷的治理（1）清收除填份堵法常用于相擦對較淺的隨塌坑或埋隸藏淺的土懂洞。清除東其中的松換土，填入儀塊石、碎臣石形成反憑濾層，其室上覆蓋以靜粘土并夯浮實。廣西桂林膚榕城回填何堵塞法治失理巖溶地絞面塌陷（2）跨越瓦法用于較意深大的素塌陷坑摟或土洞籃。對建們筑物地檔基而言眉，可采肺用梁式?；A、智拱形結然構，或磨以剛性扎大的平期板基礎糟跨越、嚷遮蓋溶義洞，避嘉免塌陷祝危害。學對道路拉路基而堡言，可寧鐵道恨部門般用扣論軌梁州跨越坑巖溶滿塌陷（4）鉆慮孔充艙氣法隨著惱地下問水位獵的升封降，悶溶洞侵空腔級中的專水氣伍壓力蠟產(chǎn)生坐變化泛，經(jīng)諒常出裳現(xiàn)氣策爆或卵沖爆磨塌陷妄，設礙置各喂種巖甜溶管安道的悅通氣徐調壓泰裝置扭，破福壞真配空腔封的巖京溶封閱閉條宣件，副平衡內其水期、氣掘壓力生，減失少發(fā)唉生沖書爆塌青陷的擴機會核。湖南白洋脊灣水庫用嬸臥管和煙裂筒通氣法膏防治巖溶易塌陷（3）強夯痕法在土體量厚度較百小、地調形平坦財?shù)那闆r傻下，采翠用強夯弊砸實覆蟲蓋層的懷方法消歲除土洞交，提高熔土層的鳥強度。五、跌地面稠塌陷玻的防唇治五、地面盜塌陷的防（5）灌診注填眾充法在溶選洞埋保藏較決深時慣，通域過鉆黃孔灌吹注水峽泥砂您漿，撿填充紅巖溶域孔洞拾或縫詞隙、靠隔斷騰地下拜水流趟通道秧，達新到加兩固建幅筑物贏地基禿的目示的。翅灌注東材料蛛主要譜是水蝴泥、波碎料宮（砂西、礦控渣等腦）才和速瓶凝劑勢（水漁玻璃贊、、虜氧化勾鈣）鴉等卷。山東泰集