地质灾害地面塌陷

第九讲地面塌陷提纲一、概述二、我国地面面塌陷分布的的特点三、地面塌陷陷形成条件及及发生机理四、岩溶塌陷陷稳定性评价价五、地面塌陷陷的防治一、概述地面塌陷定义:天然洞穴或人人工洞室上覆覆岩土体失稳稳突然陷落，，导致地面快快速下沉、开开裂的现象和和过程。地下存在空洞洞是地面塌陷陷发生的先决决条件，地下下空洞可分为为天然洞穴和人人工洞室两类。天然洞洞穴是由自然然地质作用形形成的，包括括岩溶洞穴、、土洞（黄土土洞穴、红土土洞穴、冻胀胀丘融化形成成的土洞）。。人工洞室是是人工采掘活活动所形成的的，包括人防防工程、地铁铁、隧道、蚀蚀洞和采矿形形成的地下巷巷道系统。2010.4.2德国贝恩堡直径30m、深40m塌陷坑2010.4.8广西贺州一水水塘出现近20个塌陷坑2010.5.3四川宜宾半月月43个塌陷坑，最最大直径60米2010.5.26甘肃兰州高速速路塌陷坑2010.5.27湖南沅陵人行行道突然塌陷陷2010.5.28湖北武汉徐东大街路面面塌陷2010.5.30四川成都大邑新场镇、、崇州怀远镇镇连续多个天天坑2010.5.31危地马拉地面面塌陷形成大大坑深60m、径30m2010.6.3广西来宾地陷陷巨坑连成200m塌陷带2010.6.4江西南昌昌南南大道与迎宾宾北大道交叉叉口突然塌陷陷2010.6.4浙江衢州高速速公路巨坑直直径8米、深10m......一、概述地面塌陷的危危害一、概述（一）破坏地地面建筑、造造成人员伤亡亡（二）损毁铁铁路、公路和和水利设施（三）破坏农农田（四）引发矿矿井水患2009年7月22日，黑龙江鸡鸡西鑫永丰煤煤矿地面塌陷陷，引发矿井井水灾。黑龙江鹤岗煤煤矿，开采70多年来，已塌塌陷土地41.97km2，搬迁房屋总总建筑面积39.7×104m2，2000年4月6日，洪山区青青菱乡烽火村村地面塌陷。陷坑18个，最大陷坑坑长63米、深6－7米。倒塌，有有16栋民房出现不不同程度的开开裂、破损。。2008年11月15日杭州地铁一一号线地面塌塌陷事故，造造成75米的路面陷落落了15米，正在行驶驶的十一辆汽汽车包括一辆辆公交车陷入入坑内，17人死亡，4人失踪。二、我国地面面塌陷分布的的特点（一）岩溶地面塌陷陷分布岩溶塌陷主要要集中在扬子子地台和华北北地台的碳酸酸盐岩分布区区，可分为为南、北岩溶溶塌陷高发区区。二、我国地面面塌陷分布的的特点1、北方岩溶地地面塌陷区长江以北，由由于华北地台台大多为大型型宽缓的褶皱皱和断块构造造，气候较干干旱，降水量量少，岩溶发发育程度不高高，除古代的的岩溶洞穴系系统有部分残残留外，现代岩溶主要要以溶蚀裂隙隙为主。岩溶地面塌陷陷大多集中在在山区与平原原的过渡地带带，如辽宁省的的南部、山东东的泰安、枣枣庄、莱芜、、河北的唐山山、秦皇岛柳柳江盆地、江江苏的徐州、、安徽的淮南南、淮北等地地。分布有古代岩岩溶塌陷的痕痕迹——陷落柱。华北地台曾曾经历过多次次构造运动，，地下水的区区域排泄基准准面也多次变变迁，致使碳碳酸盐岩地层层形成大量的的洞穴。古代代岩溶塌陷主主要分布在晋晋、冀、鲁、、豫、陕等省省，太原西山山、汾河沿岸岸、河北太行行山一带的煤煤田中较为常常见。二、我国地地面塌陷分分布的特点点2、南方岩溶溶塌陷区位于长江以以南的广大大地区，是是我国碳酸酸盐岩分布布最集中、、面积最大大的区域，，总面积约约176.08×104km2。气候温热热湿润，植植被茂密，，地质构造造多为紧密密的褶皱和和密集的断断块，现代岩溶十十分发育。裸露岩溶区区和半裸露露岩溶区的的面积占碳碳酸盐岩总总面积的41.3%，主要分布布于云南、、贵州、四四川、广西西、湖南、、江西、湖湖北等省。。湖南省岩岩溶塌陷居居全国之首首，其次为为广东省和和广西壮族族自治区，，再其次为为贵州、云云南、四川川。矿山排水、、开采地下下水、水库库蓄水等人为干扰岩岩溶水流场场的活动，，是诱发岩岩溶地面塌塌陷的主导导力量。二、我国地地面塌陷分分布的特点点（二）矿山山采空区地地面塌陷的的分布矿山采空区区地面塌陷陷是我国地地面塌陷中中另一种重重要形式。。其中煤矿矿开采造成成的地面塌塌陷比例最最大。目前我国采采矿业造成成的地面塌塌陷主要分分布在全国国20个省区市，，塌陷点总总数达17138个，占全国国各种类型型地面塌陷陷总点数44.4%，其中湖南南省为12549个，再其次次为内蒙古古自治区2800个，再其次次分别为山山西、黑龙龙江、安徽徽、河南等等省。三、地面塌塌陷的形成成条件及发发生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。在洪水水位迅迅速回回落时时，岩岩溶地地下水水位回回落快快于潜潜水位位，对对洞隙隙上覆覆盖层层的浮浮托力力很快快消减减，通通过洞洞隙开开口处处从潜潜水含含水层层向岩岩溶洞洞隙产产生垂垂向的的渗透透潜蚀蚀作用用，在在盖层层中形形成土土洞进进而扩扩展形形成塌塌陷。。这种种现象象称之之为洪洪水倒倒灌潜潜蚀塌塌陷，，简称称为洪水塌塌陷。三、地地面塌塌陷的的形成成条件件及发发生机机理（3）地震震一是地地震力力可使使洞顶顶覆岩岩以及及洞壁壁的裂裂隙进进一步步扩大大，引引起岩岩层破破裂、、位移移加剧剧；二是洞洞隙上上覆松松散饱饱水细细粒物物质发发生““液化化”，，而形形成地地面塌塌陷。。2、人为为活动动的影影响人为激激发活活动主主要表表现在在地面面施加加荷载载、人人为爆爆破和和车辆辆振动动、水水库蓄蓄放水水的人人工调调节等等。对对于岩岩溶地地面塌塌陷，，除上上述人人为活活动外外，地地下水水的抽抽排、、回灌灌，尤尤其是是快速速、大大降深深的抽抽水活活动往往往是是引发发地面面塌陷陷最普普遍的的原因因。三、地地面塌塌陷的的形成成条件件及发发生机机理三、地地面塌塌陷的的形成成条件件及发发生机机理二、地地面塌塌陷发发生的的机理理（一））矿山山采空空区地地面塌塌陷的的机理理第一阶阶段为为掘进进和回回采的的初期期，存存在冒冒落带带、断断裂带带和弯弯曲带带；；第二阶阶段为为地裂裂缝发发展阶阶段，，仅存存在冒冒落带带和断断裂带带；第三阶阶段为为地面面塌陷陷阶段段，仅仅存在在冒落落带。。形成塌塌陷的的原因因很多多。如如潜蚀蚀、真真空吸吸蚀、、振动动、土土体软软化、、建筑筑荷载载。因因当地地条件件不同同，产产生塌塌陷的的原因因而不不同，，也可可能是是以一一种原原因为为主导导，多多种因因素综综合作作用的的结果果。1、潜蚀蚀作用用潜蚀论论是1898年俄国国学者者巴浦浦洛夫夫提出出。在覆盖盖型岩岩溶区区，下下伏存存在溶溶蚀空空洞，，地下下水经经覆盖盖层向向空洞洞渗流流(或地下下水位位下降降时，，水力力梯度度增大大)。在一一定的的水压压力作作用下下，地下水水对土土体或或空隙隙中的的充填填物进进行冲冲蚀、、掏空空。从而而在洞洞体顶顶板处处的土土体开开始形形成土土洞,随着土土洞的的不断断扩大大，最最终引引发动动洞顶顶塌落落。当当土层层较厚厚或有有一定定深度度时，，可以以形成成塌落落拱而而维持持上伏伏土层层的整整体稳稳定。。当土土堆较较薄时时，土土洞不不能形形成平平衡。。三、地地面塌塌陷的的形成成条件件及发发生机机理（二））岩溶溶地面面塌陷陷的机机理三、地地面塌塌陷的的形成成条件件及发发生机机理2、真空空吸蚀蚀效应应我国徐徐卫国国等于于1979年提出出的，，国内内也普普遍接接受这这一论论点。。岩溶网网络的的封闭闭空腔腔（溶溶洞或或土洞洞）中中，当当地下水水位大大幅度度下降降到空腔腔盖层层底面面下时时，地下水水由承承压转转为无无压,空腔上上部便便形成成低气压压状态态的真真空，产生抽抽吸力力,吸蚀顶顶板的的土颗颗粒.同时内内外压压作用用，覆覆盖层层表面面出现现一种种“冲冲压””作用用，从从而加加速土土体破破坏。。3、压强强差效效应压强差差是指指岩溶溶空腔腔与松松散介介质（（或土土洞））接触触面上上下侧侧水、、气流流体，，因岩岩溶管管道水水位变变化而而产生生相应应的压压强差差值.4、自重重效应应雨水入入渗后后，盖盖层饱饱和容容重比比干容容重一一般增增加30%-40%。使土土拱承承受更更大的的重量量，导导致塌塌陷。。5、浮力力效应应岩土体体位于于地下下水位位之中中，当当地下下水位位下降降时，，除产产生压压强差差效应应外，，土体体的浮浮托力力也随随之减减小，，产生生塌陷陷。6、土体体强度度效应应土体吸吸水饱饱和后后，土土体抗抗剪强强度降降低，，土拱拱抗塌塌力减减小，，产生生塌陷陷。7、其他他效应应振动效效应、、荷荷载效效应、、酸液液效应应三、地地面塌塌陷的的形成成条件件及发发生机机理岩溶塌塌陷稳稳定性性的评评价包包括：：塌陷堆堆积体体（简简称塌塌陷体体）、、土洞洞及浅浅埋岩岩溶洞洞隙等三个个方面面的稳稳定性性评价价。（一））塌陷陷体的的稳定定性评评价塌陷体体的稳稳定性性主要要根据据塌陷陷的微微地貌貌特征征、堆堆积物物的性性状及及地下下水埋埋藏与与活动动情况况等因因素进进行定定性评评价见见表。。四、岩岩溶塌塌陷稳稳定性性评价价（二））土洞洞稳定定性的的评价价休止状状态的的土洞洞其稳稳定性性主要要取决决于土土洞顶顶板埋埋深或或其与与安全全临界界厚度度之比比。1．成拱拱分析析法（（普罗罗特尼尼可夫夫塌落落拱理理论））当洞隙隙顶板板岩体体被密密集裂裂隙切切割呈呈块状状或碎碎块状状时，，或处处于松松散层层中的的土洞洞，可可认为为顶板板将成成拱形形塌落落，而而其上上荷载载及岩岩、土土体则则由拱拱自身身承担担。此此时破破裂拱拱高h为：式中，，h———破裂拱拱高（（安全全临界界高度度，m）；h0————洞隙高高度（（m）；b———洞隙宽宽度之之半（（m）；Φ———内摩擦擦角（（度））；f———坚固系系数（（普氏氏系数数）；；R———岩石单单轴饱饱和抗抗压强强度（（MPa）；σn——粘性土土剪切切面上上的正正压力力；c———土的粘粘聚力力。四、岩岩溶塌塌陷稳稳定性性评价价2．坍塌塌平衡衡法土洞顶顶板土土体的的平衡衡条件件（见见图））是：：式中，，G—————ABDC土体自自重；；F—————侧壁摩摩擦阻阻力；；H0—————极限平平衡时时的顶顶板厚厚度（（安全全临界界厚度度）；；D—————土洞跨跨度；；γ————土体密密度；；λ————侧压力力系数数；φ————内摩擦擦角。。四、岩岩溶塌塌陷稳稳定性性评价价3．顶板板坍塌塌堵塞塞法对于顶顶板较较破碎碎的洞洞隙或或土洞洞顶板板，在在洞内内无水水流搬搬运迁迁移的的情况况下，，坍落落后其其体积积松胀胀，当当坍塌塌到一一定高高度时时，洞洞体将将被完完全堵堵塞，，此时时可认认为洞洞体空空间已已被支支撑，，不再再向上上扩展展。其其所需需的坍坍塌高高度（（即安安全临临界高高度））h1可估算算如下下：四、岩岩溶塌塌陷稳稳定性性评价价（三））浅埋埋岩溶溶洞隙隙的稳稳定性性评价价1、浅浅埋岩岩溶洞洞隙稳稳定评评价的的原则则当岩溶溶洞隙隙基岩岩顶板板厚度度过薄薄或软软弱破破碎时时，将将会丧丧失稳稳定而而垮塌塌。对对浅埋埋的岩岩溶洞洞隙，，除主主要受受洞隙规规模影响外外，还还受基岩埋埋深、、覆土土的岩岩性结结构与与性状状及地地下水水位埋埋深等等因素的的影响响。洞隙稳稳定性性的评评价一一般采采用定定性评评价与与半定定量评评价相相结合合的方方法。。定性性评价价是洞洞隙稳稳定条条件的的地质质分析析，是是评价价的基基础；；半定定量评评价尽尽管计计算方方法比比较严严密，，但限限于条条件的的概化化难以以完全全符合合实际际，其其边界界和参参数的的确定定也难难以达达到足足够的的精度度，因因此只只能起起到补补充和和核对对的作作用。。四、岩溶溶塌陷稳稳定性评评价2、洞隙隙稳定性性的定性性评价根据洞隙隙的稳定定条件和和影响稳稳定的各各种因素素，综合合分析评评价其稳稳定性见见表。洞隙稳定定性定性性评价四、岩溶溶塌陷稳稳定性评评价3、洞隙隙稳定性性的半定定量评价价（1）洞隙顶顶板的安安全厚度度评价对于比较较完整的的微风化化坚硬岩岩石组成成的洞隙隙顶板，，根据大大量的洞洞隙地基基工程实实例调查查统计，，其安全全厚度主主要与洞洞跨有关关，一般般洞隙厚厚跨比，，即为为稳定安安全。（2）结构力力学近似似分析法法①按按洞隙顶顶板抗弯弯厚度计计算按板梁受受力情况况，其受受力弯矩矩按下列列情况计计算：A．当顶板板跨中有有裂缝，，顶板两两端支座座岩石坚坚固完整整时，按按悬臂梁梁计逄：：B．当裂隙隙位于支支座处，，而顶板板较完整整时，按按简支梁梁计算：：C．若支座座和顶板板岩石均均较完整整、裂隙隙胶结良良好时，，按两端端因定梁梁计算：：四、岩溶溶塌陷稳稳定性评评价抗弯验算算：（（对对于矩形形梁：））故式中，M————弯矩（kN·m）；q————顶板所受受总荷载载，q＝q1＋q2＋q3；q1————顶板厚为为h的岩石自自重（kN／m）；q2————顶板覆土土层自重重（kN／m）；q3————顶板上附附加荷载载（kN／m）；l————洞隙跨度度（m）；σ————弯曲应力力（kPa）；［σ］———抗弯强度度（kPa），对灰灰岩一般般取抗压压强度的的1．10～0．125；b————梁板的宽宽度（m）；h————顶板岩层层厚度（（m）。四、岩溶溶塌陷稳稳定性评评价（2）按洞洞隙顶板板抗剪的的安全厚厚度验算算：由下列极极限平衡衡条件计计算顶板板厚度h：式中，F———上部荷载载传至顶顶板的竖竖向力（（kN）；G———顶板岩土土自重（（kN）；U———洞体顶板板处平面面周长（（m）；frv———顶板岩体体的抗剪剪强度，，对灰岩岩一般取取抗压强强度的0.06～0.13（kPa）。除上述计计算公式式外，应应用于土土洞稳定定性评价价的成拱拱分析法法，坍塌塌平衡法法及坍塌塌堵塞法法等计算算公式，，也可利利用。四、岩溶溶塌陷稳稳定性评评价五、地面面塌陷的的防治“以防为为主、及及时治理理”一、岩溶溶地面塌塌陷的防防治（一）岩岩溶地面面塌陷灾灾害预防防1、查明洞洞穴分布布：调查查工作应应在查明明区域地地质、水水文地质质背景的的基础上上，运用用钻探和和物探手手段确定定浅表洞洞穴的分分布情况况，并从从危险性性的角度度进行分分区。对对松散堆堆积物厚厚度不大大，且直直接覆盖盖在溶洞洞和隙宽宽较大溶溶隙开口口处的那那些地段段，要予予以高度度重视，，不应布布设任何何建筑物物。2、对已出出现地面面变形，，但尚未未塌陷的的地点，，要圈围围出警戒戒区，及及时撤离离人员。。3、拟建的的以岩溶溶水为开开采对象象的供水水源地布布设地点点，场地地选择时时，应事事先进行行致塌危危险性的的充分论论证，并并尽可能能远离村村镇和人人口密集集区。4、对分散散开采的的农村井井机，应应强调小小流量小小降深逐逐渐过渡渡到预定定开采量量的操作作方法，，以避免免洞穴负负压的形形成。5、在可能能出现塌塌陷的地地段，要要防止地地表水的的进入，，对严重重漏水的的河溪、、库塘进进行铺底底防漏或或人工改改道。6、加强对对岩溶水水位，尤尤其是地地面变形形的监测测，要注注意宣传传，加强强群测群群报的工工作。五、地面面塌陷的的防治五、地面面塌陷的的防治（二）岩岩溶地面面塌陷的的治理（1）清除填填堵法常用于相相对较浅浅的塌坑坑或埋藏藏浅的土土洞。清清除其中中的松土土，填入入块石、、碎石形形成反滤滤层，其其上覆盖盖以粘土土并夯实实。广西桂林林榕城回回填堵塞塞法治理理岩溶地地面塌陷陷（2）跨越法法用于较深深大的塌塌陷坑或或土洞。。对建筑筑物地基基而言，，可采用用梁式基基础、拱拱形结构构，或以以刚性大大的平板板基础跨跨越、遮遮盖溶洞洞，避免免塌陷危危害。对对道路路路基而言言，可选选择塌陷陷坑直径径较小的的部位，，采用整整体网格格垫层的的措施进进行整治治。铁道部门门用扣轨轨梁跨越越岩溶塌塌陷（4）钻孔充充气法随着地下下水位的的升降，，溶洞空空腔中的的水气压压力产生生变化，，经常出出现气爆爆或冲爆爆塌陷，，设置各各种岩溶溶管道的的通气调调压装置置，破坏坏真空腔腔的岩溶溶封闭条条件，平平衡其水水、气压压力，减减少发生生冲爆塌塌陷的机机会。湖南白洋洋湾水库库用卧管管和烟筒筒通气法法防治岩岩溶塌陷陷（3）强夯法法在土体厚厚度较小小、地形形平坦的的情况下下，采用用强夯砸砸实覆盖盖层的方方法消除除土洞，，提高土土层的强强度。五、地面面塌陷的的防治五、地面面塌陷的的防治（5）灌注填填充法在溶洞埋埋藏较深深时，通通过钻孔孔灌注水水泥砂浆浆，填充充岩溶孔孔洞或缝缝隙、隔隔断地下下水流通通道，达达到加固固建筑物物地基的的目的。。灌注材材料主要要是水泥泥、碎料料（砂、、矿渣等等）和和速凝剂剂（水玻玻璃、、、氧化钙