地质灾害之地面塌陷（ppt39）

第九讲地面塌陷陷提纲一、概述述二、我国国地面塌塌陷分布布的特点点三、地面面塌陷形形成条件件及发生生机理四、岩溶溶塌陷稳稳定性评评价五、地地面塌塌陷的的防治治一、概概述地面塌塌陷定义:天然洞洞穴或或人工工洞室室上覆覆岩土土体失失稳突突然陷陷落，，导致致地面面快速速下沉沉、开开裂的的现象象和过过程。。地下存存在空空洞是是地面面塌陷陷发生生的先先决条条件，，地下下空洞洞可分分为天然洞洞穴和和人工工洞室室两类。。天然然洞穴穴是由由自然然地质质作用用形成成的，，包括括岩溶溶洞穴穴、土土洞（（黄土土洞穴穴、红红土洞洞穴、、冻胀胀丘融融化形形成的的土洞洞）。。人工工洞室室是人人工采采掘活活动所所形成成的，，包括括人防防工程程、地地铁、、隧道道、蚀蚀洞和和采矿矿形成成的地地下巷巷道系系统。。地面塌塌陷的的危害害一、概概述（一））破坏坏地面面建筑筑、造造成人人员伤伤亡（二））损毁毁铁路路、公公路和和水利利设施施（三））破坏坏农田田（四））引发发矿井井水患患二、我我国地地面塌塌陷分分布的的特点点（一））岩溶地地面塌塌陷分分布岩溶塌塌陷主主要集集中在在扬子子地台台和华华北地地台的的碳酸酸盐岩岩分布布区，，可可分为为南、、北岩岩溶塌塌陷高高发区区。二、我我国地地面塌塌陷分分布的的特点点1、北方方岩溶溶地面面塌陷陷区长江以以北，，由于于华北北地台台大多多为大大型宽宽缓的的褶皱皱和断断块构构造，，气候候较干干旱，，降水水量少少，岩岩溶发发育程程度不不高，，除古古代的的岩溶溶洞穴穴系统统有部部分残残留外外，现代岩岩溶主主要以以溶蚀蚀裂隙隙为主主。岩溶地地面塌塌陷大大多集集中在在山区区与平平原的的过渡渡地带带，如辽辽宁省省的南南部、、山东东的泰泰安、、枣庄庄、莱莱芜、、河北北的唐唐山、、秦皇皇岛柳柳江盆盆地、、江苏苏的徐徐州、、安徽徽的淮淮南、、淮北北等地地。分布有有古代代岩溶溶塌陷陷的痕痕迹——陷落柱柱。华北北地台台曾经经历过过多次次构造造运动动，地地下水水的区区域排排泄基基准面面也多多次变变迁，，致使使碳酸酸盐岩岩地层层形成成大量量的洞洞穴。。古代代岩溶溶塌陷陷主要要分布布在晋晋、冀冀、鲁鲁、豫豫、陕陕等省省，太太原西西山、、汾河河沿岸岸、河河北太太行山山一带带的煤煤田中中较为为常见见。二、我我国地地面塌塌陷分分布的的特点点2、南方方岩溶溶塌陷陷区位于长长江以以南的的广大大地区区，是是我国国碳酸酸盐岩岩分布布最集集中、、面积积最大大的区区域，，总面面积约约176.08××104km2。气候候温热热湿润润，植植被茂茂密，，地质质构造造多为为紧密密的褶褶皱和和密集集的断断块，，现代岩岩溶十十分发发育。裸露岩岩溶区区和半半裸露露岩溶溶区的的面积积占碳碳酸盐盐岩总总面积积的41.3%，主要要分布布于云云南、、贵州州、四四川、、广西西、湖湖南、、江西西、湖湖北等等省。。湖南南省岩岩溶塌塌陷居居全国国之首首，其其次为为广东东省和和广西西壮族族自治治区，，再其其次为为贵州州、云云南、、四川川。矿山排排水、、开采采地下下水、、水库库蓄水水等人为干干扰岩岩溶水水流场场的活活动，，是诱诱发岩岩溶地地面塌塌陷的的主导导力量量。二、我我国地地面塌塌陷分分布的的特点点（二））矿山山采空空区地地面塌塌陷的的分布布矿山采采空区区地面面塌陷陷是我我国地地面塌塌陷中中另一一种重重要形形式。。其中中煤矿矿开采采造成成的地地面塌塌陷比比例最最大。。目前我我国采采矿业业造成成的地地面塌塌陷主主要分分布在在全国国20个省区区市，，塌陷陷点总总数达达17138个，占占全国国各种种类型型地面面塌陷陷总点点数44.4%，其中中湖南南省为为12549个，再再其次次为内内蒙古古自治治区2800个，再再其次次分别别为山山西、、黑龙龙江、、安徽徽、河河南等等省。。三、地地面塌塌陷的的形成成条件件及发发生机机理地面塌陷的的形成条件件（一）岩土土体的内部部条件1、地下存在在空洞具备一定规规模的地下下无岩土的的空间，即即空洞。地地下空洞的的存在有着着两方面的的意义：其一，它是是洞体顶板板、侧壁局局部冒落物物以及塌陷陷发生时坠坠落物的储储容空间，，在地下岩岩溶发育区区，地下洞洞穴以及溶溶蚀裂隙还还起着将洞洞穴暂时堆堆积物输移移到远处或或深处溶洞洞的通道作作用。其二，地下下空洞为具具有多个临临空面的空空腔，空洞洞的顶、底底板和侧壁壁在周围岩岩压的作用用下极易发发生应力集集中，而处处于稳定性性很差的状状态，一旦旦受到外力力干扰，容容易失稳而而发生覆岩岩的冒落，，甚至发生生波及地表表的塌陷。。地下空洞的的形成，可可以是自然然力，也可可以是人工工挖掘的结结果。在可溶盐岩岩分布区的的岩溶洞穴穴包括各种种形态的溶溶洞、溶隙隙、管道等等。一般而而言，当可可溶岩岩性性较纯，岩岩层厚度较较大，出露露分布广，，断层较发发育、岩层层较破碎时时，岩溶较较易发育。。岩溶洞隙的的发育一般般受岩溶地下水水排泄基准准面的控制制，多发育于于浅部，向向深部逐渐渐减弱。浅部岩溶洞洞隙由于地下下水活动频频繁，交替替强烈，一一般连通性较好好，成为塌陷陷物质的储储集空间和和运移通道道。塌陷坑坑与开口洞洞隙存在着着密切的垂垂向对应关关系。洞穴愈大，塌陷规模模也愈大；；洞隙开口愈大，塌陷速度度愈快。地下井巷系系统是最易易引发地面面塌陷的一一种人工洞洞室。三、地面塌塌陷的形成成条件及发发生机理（一）岩土土体的内部部条件2、洞穴围岩岩状况地下洞穴的的受力状况况如同梁的的受力，洞洞的顶板相相当于承载载上覆岩土土体自重的的梁，洞的的两侧如同同位于梁端端的两个支支点。是否发生塌塌陷取决于于顶板能够够形成稳定定的支撑拱拱。三、地面塌塌陷的形成成条件及发发生机理一般而论，，当洞穴埋埋藏深度与与洞穴高度度之比大于于25：1时，洞顶上上部就会形形成三个变变形特点不不同的带，，即冒落带带、裂隙带带和弯曲带带。（二）岩土土体的外部部条件1、自然影响响因素（1）大气降水水降雨入渗水水可以使洞洞顶覆岩的的含水层增增大，自重重加大；下渗水流会会湿润裂隙隙面，降低低岩石块体体间的抗滑滑阻力，从从而引起洞洞顶和洞壁壁的进一步步变形而失失稳。降雨强度大大、历时较较长时，入入渗的水流流进入围岩岩中的宽大大裂隙，形形成较大的的动水压力力和冲刷作作用。在岩溶地区区，降水入入渗对补给给封闭岩溶溶洞穴，快快速上升的的岩溶水会会压缩洞内内，形成上上挤的压力力，导致气气爆发生，，引发洞顶顶塌陷。三、地面塌塌陷的形成成条件及发发生机理（2）河、湖近近岸地带的的侧向倒灌灌作用河、湖近岸岸地带普遍遍分布着孔孔隙潜水与与岩溶水组组成的双层层含水介质质。汛期洪水位位急剧上升升的情况下下，河、湖湖水将向地地下水产生生侧向倒灌灌，地下水水位随之上上升。这时时岩溶地下下水对洞隙隙上覆盖层层土体产生生正压力或使使浮托力增增大。在洪水位迅迅速回落时时，岩溶地地下水位回回落快于潜潜水位，对对洞隙上覆覆盖层的浮浮托力很快快消减，通通过洞隙开开口处从潜潜水含水层层向岩溶洞洞隙产生垂垂向的渗透透潜蚀作用用，在盖层层中形成土土洞进而扩扩展形成塌塌陷。这种种现象称之之为洪水倒倒灌潜蚀塌塌陷，简称称为洪水塌陷。三、地面塌塌陷的形成成条件及发发生机理（3）地震一是地震力力可使洞顶顶覆岩以及及洞壁的裂裂隙进一步步扩大，引引起岩层破破裂、位移移加剧；二是洞隙上上覆松散饱饱水细粒物物质发生““液化”，，而形成地地面塌陷。。2、人为活动动的影响人为激发活活动主要表表现在地面面施加荷载载、人为爆爆破和车辆辆振动、水水库蓄放水水的人工调调节等。对对于岩溶地地面塌陷，，除上述人人为活动外外，地下水水的抽排、、回灌，尤尤其是快速速、大降深深的抽水活活动往往是是引发地面面塌陷最普普遍的原因因。三、地面塌塌陷的形成成条件及发发生机理三、地面塌塌陷的形成成条件及发发生机理二、地面塌塌陷发生的的机理（一）矿山山采空区地地面塌陷的的机理第一阶段为为掘进和回回采的初期期，存在冒冒落带、断断裂带和弯弯曲带；；第二阶段为为地裂缝发发展阶段，，仅存在冒冒落带和断断裂带；第三阶段为为地面塌陷陷阶段，仅仅存在冒落落带。形成塌陷的的原因很多多。如潜蚀蚀、真空吸吸蚀、振动动、土体软软化、建筑筑荷载。因因当地条件件不同，产产生塌陷的的原因而不不同，也可可能是以一一种原因为为主导，多多种因素综综合作用的的结果。1、潜蚀作用用潜蚀论是1898年俄国学者者巴浦洛夫夫提出。在覆盖型岩岩溶区，下下伏存在溶溶蚀空洞，，地下水经经覆盖层向向空洞渗流流(或地下水位位下降时，，水力梯度度增大)。在一定的的水压力作作用下，地下水对土土体或空隙隙中的充填填物进行冲冲蚀、掏空空。从而在洞洞体顶板处处的土体开开始形成土土洞,随着土洞的的不断扩大大，最终引引发动洞顶顶塌落。当当土层较厚厚或有一定定深度时，，可以形成成塌落拱而而维持上伏伏土层的整整体稳定。。当土堆较较薄时，土土洞不能形形成平衡。。三、地面塌塌陷的形成成条件及发发生机理（二）岩溶溶地面塌陷陷的机理三、地面塌塌陷的形成成条件及发发生机理2、真空吸蚀蚀效应我国徐卫国国等于1979年提出的，，国内也普普遍接受这这一论点。。岩溶网络的的封闭空腔腔（溶洞或或土洞）中中，当地下水位大大幅度下降降到空腔盖层层底面下时时，地下水由承承压转为无无压,空腔上部便便形成低气压状态态的真空，产生抽吸力力,吸蚀顶板的的土颗粒.同时内外压压作用，覆覆盖层表面面出现一种种“冲压””作用，从从而加速土土体破坏。。3、压强差效效应压强差是指指岩溶空腔腔与松散介介质（或土土洞）接触触面上下侧侧水、气流流体，因岩岩溶管道水水位变化而而产生相应应的压强差差值.4、自重效应应雨水入渗后后，盖层饱饱和容重比比干容重一一般增加30%-40%。使土拱承承受更大的的重量，导导致塌陷。。5、浮力效应应岩土体位于于地下水位位之中，当当地下水位位下降时，，除产生压压强差效应应外，土体体的浮托力力也随之减减小，产生生塌陷。6、土体强度度效应土体吸水饱饱和后，土土体抗剪强强度降低，，土拱抗塌塌力减小，，产生塌陷陷。7、其他效应应振动效应、、荷载效效应、酸液液效应三、地面塌塌陷的形成成条件及发发生机理岩溶塌陷稳稳定性的评评价包括：：塌陷堆积体体（简称塌塌陷体）、、土洞及浅浅埋岩溶洞洞隙等三个方面面的稳定性性评价。（一）塌陷陷体的稳定定性评价塌陷体的稳稳定性主要要根据塌陷陷的微地貌貌特征、堆堆积物的性性状及地下下水埋藏与与活动情况况等因素进进行定性评评价见表。。四、、岩岩溶溶塌塌陷陷稳稳定定性性评评价价（二二））土土洞洞稳稳定定性性的的评评价价休止止状状态态的的土土洞洞其其稳稳定定性性主主要要取取决决于于土土洞洞顶顶板板埋埋深深或或其其与与安安全全临临界界厚厚度度之之比比。。1．成成拱拱分分析析法法（（普普罗罗特特尼尼可可夫夫塌塌落落拱拱理理论论））当洞洞隙隙顶顶板板岩岩体体被被密密集集裂裂隙隙切切割割呈呈块块状状或或碎碎块块状状时时，，或或处处于于松松散散层层中中的的土土洞洞，，可可认认为为顶顶板板将将成成拱拱形形塌塌落落，，而而其其上上荷荷载载及及岩岩、、土土体体则则由由拱拱自自身身承承担担。。此此时时破破裂裂拱拱高高h为：：式中中，，h————破裂裂拱拱高高（（安安全全临临界界高高度度，，m）；；h0————洞隙隙高高度度（（m）；；b————洞隙隙宽宽度度之之半半（（m）；；Φ————内摩摩擦擦角角（（度度））；；f————坚固固系系数数（（普普氏氏系系数数））；；R————岩石石单单轴轴饱饱和和抗抗压压强强度度（（MPa）；；σn————粘性性土土剪剪切切面面上上的的正正压压力力；；c————土的的粘粘聚聚力力。。四、、岩岩溶溶塌塌陷陷稳稳定定性性评评价价2．坍坍塌塌平平衡衡法法土洞洞顶顶板板土土体体的的平平衡衡条条件件（（见见图图））是是：：式中中，，G——————ABDC土体体自自重重；；F——————侧壁壁摩摩擦擦阻阻力力；；H0——————极限限平平衡衡时时的的顶顶板板厚厚度度（（安安全全临临界界厚厚度度））；；D——————土洞洞跨跨度度；；γ——————土体体密密度度；；λ——————侧压压力力系系数数；；φ——————内摩摩擦擦角角。。四、、岩岩溶溶塌塌陷陷稳稳定定性性评评价价3．顶顶板板坍坍塌塌堵堵塞塞法法对于于顶顶板板较较破破碎碎的的洞洞隙隙或或土土洞洞顶顶板板，，在在洞洞内内无无水水流流搬搬运运迁迁移移的的情情况况下下，，坍坍落落后后其其体体积积松松胀胀，，当当坍坍塌塌到到一一定定高高度度时时，，洞洞体体将将被被完完全全堵堵塞塞，，此此时时可可认认为为洞洞体体空空间间已已被被支支撑撑，，不不再再向向上上扩扩展展。。其其所所需需的的坍坍塌塌高高度度（（即即安安全全临临界界高高度度））h1可估估算算如如下下：：四、、岩岩溶溶塌塌陷陷稳稳定定性性评评价价（三三））浅浅埋埋岩岩溶溶洞洞隙隙的的稳稳定定性性评评价价1、浅浅埋埋岩岩溶溶洞洞隙隙稳稳定定评评价价的的原原则则当岩岩溶溶洞洞隙隙基基岩岩顶顶板板厚厚度度过过薄薄或或软软弱弱破破碎碎时时，，将将会会丧丧失失稳稳定定而而垮垮塌塌。。对对浅浅埋埋的的岩岩溶溶洞洞隙隙，，除除主主要要受受洞隙隙规规模模影响响外外，，还还受受基岩岩埋埋深深、、覆覆土土的的岩岩性性结结构构与与性性状状及及地地下下水水位位埋埋深深等等因素素的的影影响响。。洞隙隙稳稳定定性性的的评评价价一一般般采采用用定定性性评评价价与与半半定定量量评评价价相相结结合合的的方方法法。。定定性性评评价价是是洞洞隙隙稳稳定定条条件件的的地地质质分分析析，，是是评评价价的的基基础础；；半半定定量量评评价价尽尽管管计计算算方方法法比比较较严严密密，，但但限限于于条条件件的的概概化化难难以以完完全全符符合合实实际际，，其其边边界界和和参参数数的的确确定定也也难难以以达达到到足足够够的的精精度度，，因因此此只只能能起起到到补补充充和和核核对对的的作作用用。。四、、岩岩溶溶塌塌陷陷稳稳定定性性评评价价2、洞洞隙隙稳稳定定性性的的定定性性评评价价根据据洞洞隙隙的的稳稳定定条条件件和和影影响响稳稳定定的的各各种种因因素素，，综综合合分分析析评评价价其其稳稳定定性性见见表表。。洞隙隙稳稳定定性性定定性性评评价价四、、岩岩溶溶塌塌陷陷稳稳定定性性评评价价3、洞洞隙隙稳稳定定性性的的半半定定量量评评价价（1）洞洞隙隙顶顶板板的的安安全全厚厚度度评评价价对于于比比较较完完整整的的微微风风化化坚坚硬硬岩岩石石组组成成的的洞洞隙隙顶顶板板，，根根据据大大量量的的洞洞隙隙地地基基工工程程实实例例调调查查统统计计，，其其安安全全厚厚度度主主要要与与洞洞跨跨有有关关，，一一般般洞洞隙隙厚厚跨跨比比，，即即为为稳稳定定安安全全。。（2）结结构构力力学学近近似似分分析析法法①按洞隙隙顶板抗弯厚厚度计算按板梁受力情情况，其受力力弯矩按下列列情况计算：：A．当顶板跨中中有裂缝，顶顶板两端支座座岩石坚固完完整时，按悬悬臂梁计逄：：B．当裂隙位于于支座处，而而顶板较完整整时，按简支支梁计算：C．若支座和顶顶板岩石均较较完整、裂隙隙胶结良好时时，按两端因因定梁计算：：四、岩溶塌陷陷稳定性评价价抗弯验算：（（对对于矩形梁梁：））故式中，M———弯矩（kN·m）；q———顶板所受总荷荷载，q＝q1＋q2＋q3；q1————顶板厚为h的岩石自重（（kN／m）；q2————顶板覆土层自自重（kN／m）；q3————顶板上附加荷荷载（kN／m）；l———洞隙跨度（m）；σ———弯曲应力（kPa）；［σ］———抗弯强度（kPa），对灰岩一一般取抗压强强度的1．10～0．125；b———梁板的宽度（（m）；h———顶板岩层厚度度（m）。四、岩溶塌陷陷稳定性评价价（2）按洞隙顶顶板抗剪的安安全厚度验算算：由下列极限平平衡条件计算算顶板厚度h：式中，F———上部荷载传至至顶板的竖向向力（kN）；G———顶板岩土自重重（kN）；U———洞体顶板处平平面周长（m）；frv———顶板岩体的抗抗剪强度，对对灰岩一般取取抗压强度的的0.06～0.13（kPa）。除上述计算公公式外，应用用于土洞稳定定性评价的成成拱分析法，，坍塌平衡法法及坍塌堵塞塞法等计算公公式，也可利利用。四、岩溶塌陷陷稳定性评价价五、地面塌陷陷的防治“以防为主、及及时治理”一、岩溶地面面塌陷的防治治（一）岩溶地地面塌陷灾害害预防1、查明洞穴分分布：调查工工作应在查明明区域地质、、水文地质背背景的基础上上，运用钻探探和物探手段段确定浅表洞洞穴的分布情情况，并从危危险性的角度度进行分区。。对松散堆积积物厚度不大大，且直接覆覆盖在溶洞和和隙宽较大溶溶隙开口处的的那些地段，，要予以高度度重视，不应应布设任何建建筑物。2、对已出现地地面变形，但但尚未塌陷的的地点，要圈圈围出警戒区区，及时撤离离人员。3、拟建的以岩岩溶水为开采采对象的供水水源地布设地地点，场地选选择时，应事事先进行致塌塌危险性的充充分论证，并并尽可能远离离村镇和人口口密集区。4、对分散开采采的农村井机机，应强调小小流量小降深深逐渐过渡到到预定开采量量的操作方法法，以避免洞洞穴负压的形形成。5、在可能出现现塌陷的地段段，要防止地地表水的进入入，对严重漏漏水的河溪、、库塘进行铺铺底防漏或人人工改道。6、加强对岩溶溶水位，尤其其是地面变形形的监测，要要注意宣传，，加强群测群群报的工作。。五、地面塌陷陷的防治五、地面塌陷陷的防治（二）岩溶地地面塌陷的治治理（1）清除填堵法法常用于相对较较浅的塌坑或或埋藏浅的土土洞。清除其其中的松土，，填入块石、、碎石形成反反滤层，其上上覆盖以粘土土并夯实。广西桂林榕城城回填堵塞法法治理岩溶地地面塌陷（2）跨越法用于较深大的的塌陷坑或土土洞。对建筑筑物地基而言言，可采用梁梁式基础、拱拱形结构，或或以刚性大的的平板基础跨跨越、遮盖溶溶洞，避免塌塌陷危害。对对道路路基而而言，可选择择塌陷坑直径径较小的部位位，采用整体体网格垫层的的措施进行整整治。铁道部门用扣扣轨梁跨越岩岩溶塌陷（4）钻孔充气法法随着地下水位位的升降，溶溶洞空腔中的的水气压力产产生变化，经经常出现气爆爆或冲爆塌陷陷，设置各种种岩溶管道的的通气调压装装置，破坏真真空腔的岩溶溶封闭条件，，平衡其水、、气压力，减减少发生冲爆爆塌陷的机会会。湖南白洋湾水水库用卧管和和烟筒通气法法防治岩溶塌塌陷（3）强夯法在土体厚度较较小、地形平平坦的情况下