地质灾害之地面塌陷t39

第九讲地面塌陷提纲一、概述二、我国地面塌陷分布的特点三、地面塌陷形成条件及发生机理四、岩溶塌陷稳定性评价五、地面塌陷的防治一、概述地面塌陷

定义:天然洞穴或人工洞室上覆岩土体失稳突然陷落，导致地面快速下沉、开裂的现象和过程。地下存在空洞是地面塌陷发生的先决条件，地下空洞可分为天然洞穴和人工洞室两类。天然洞穴是由自然地质作用形成的，包括岩溶洞穴、土洞（黄土洞穴、红土洞穴、冻胀丘融化形成的土洞）。人工洞室是人工采掘活动所形成的，包括人防工程、地铁、隧道、蚀洞和采矿形成的地下巷道系统。地面塌陷的危害一、概述（一）破坏地面建筑、造成人员伤亡（二）损毁铁路、公路和水利设施（三）破坏农田（四）引发矿井水患二、我国地面塌陷分布的特点（一）岩溶地面塌陷分布岩溶塌陷主要集中在扬子地台和华北地台的碳酸盐岩分布区，可分为南、北岩溶塌陷高发区。二、我国地面塌陷分布的特点1、北方岩溶地面塌陷区长江以北，由于华北地台大多为大型宽缓的褶皱和断块构造，气候较干旱，降水量少，岩溶发育程度不高，除古代的岩溶洞穴系统有部分残留外，现代岩溶主要以溶蚀裂隙为主。

岩溶地面塌陷大多集中在山区与平原的过渡地带，如辽宁省的南部、山东的泰安、枣庄、莱芜、河北的唐山、秦皇岛柳江盆地、江苏的徐州、安徽的淮南、淮北等地。

分布有古代岩溶塌陷的痕迹——陷落柱。华北地台曾经历过多次构造运动，地下水的区域排泄基准面也多次变迁，致使碳酸盐岩地层形成大量的洞穴。古代岩溶塌陷主要分布在晋、冀、鲁、豫、陕等省，太原西山、汾河沿岸、河北太行山一带的煤田中较为常见。二、我国地面塌陷分布的特点2、南方岩溶塌陷区

位于长江以南的广大地区，是我国碳酸盐岩分布最集中、面积最大的区域，总面积约176.08×104km2。气候温热湿润，植被茂密，地质构造多为紧密的褶皱和密集的断块，现代岩溶十分发育。裸露岩溶区和半裸露岩溶区的面积占碳酸盐岩总面积的41.3%，主要分布于云南、贵州、四川、广西、湖南、江西、湖北等省。湖南省岩溶塌陷居全国之首，其次为广东省和广西壮族自治区，再其次为贵州、云南、四川。矿山排水、开采地下水、水库蓄水等人为干扰岩溶水流场的活动，是诱发岩溶地面塌陷的主导力量。二、我国地面塌陷分布的特点（二）矿山采空区地面塌陷的分布

矿山采空区地面塌陷是我国地面塌陷中另一种重要形式。其中煤矿开采造成的地面塌陷比例最大。目前我国采矿业造成的地面塌陷主要分布在全国20个省区市，塌陷点总数达17138个，占全国各种类型地面塌陷总点数44.4%，其中湖南省为12549个，再其次为内蒙古自治区2800个，再其次分别为山西、黑龙江、安徽、河南等省。三、地面塌陷的形成条件及发生机理

地面塌陷的形成条件（一）岩土体的内部条件1、地下存在空洞具备一定规模的地下无岩土的空间，即空洞。地下空洞的存在有着两方面的意义：其一，它是洞体顶板、侧壁局部冒落物以及塌陷发生时坠落物的储容空间，在地下岩溶发育区，地下洞穴以及溶蚀裂隙还起着将洞穴暂时堆积物输移到远处或深处溶洞的通道作用。其二，地下空洞为具有多个临空面的空腔，空洞的顶、底板和侧壁在周围岩压的作用下极易发生应力集中，而处于稳定性很差的状态，一旦受到外力干扰，容易失稳而发生覆岩的冒落，甚至发生波及地表的塌陷。

地下空洞的形成，可以是自然力，也可以是人工挖掘的结果。在可溶盐岩分布区的岩溶洞穴包括各种形态的溶洞、溶隙、管道等。一般而言，当可溶岩岩性较纯，岩层厚度较大，出露分布广，断层较发育、岩层较破碎时，岩溶较易发育。岩溶洞隙的发育一般受岩溶地下水排泄基准面的控制，多发育于浅部，向深部逐渐减弱。浅部岩溶洞隙由于地下水活动频繁，交替强烈，一般连通性较好，成为塌陷物质的储集空间和运移通道。塌陷坑与开口洞隙存在着密切的垂向对应关系。洞穴愈大，塌陷规模也愈大；洞隙开口愈大，塌陷速度愈快。地下井巷系统是最易引发地面塌陷的一种人工洞室。三、地面塌陷的形成条件及发生机理（一）岩土体体的内部条件件2、洞穴围岩状状况地下洞穴的受受力状况如同同梁的受力，，洞的顶板相相当于承载上上覆岩土体自自重的梁，洞洞的两侧如同同位于梁端的的两个支点。。是否发生塌陷陷取决于顶板板能够形成稳稳定的支撑拱拱。三、地面塌陷陷的形成条件件及发生机理理一般而论，当当洞穴埋藏深深度与洞穴高高度之比大于于25：1时，洞顶上部部就会形成三三个变形特点点不同的带，，即冒落带、、裂隙带和弯弯曲带。（二）岩土体体的外部条件件1、自然影响因因素（1）大气降水降雨入渗水可可以使洞顶覆覆岩的含水层层增大，自重重加大；下渗水流会湿湿润裂隙面，，降低岩石块块体间的抗滑滑阻力，从而而引起洞顶和和洞壁的进一一步变形而失失稳。降雨强度大、、历时较长时时，入渗的水水流进入围岩岩中的宽大裂裂隙，形成较较大的动水压压力和冲刷作作用。在岩溶地区，，降水入渗对对补给封闭岩岩溶洞穴，快快速上升的岩岩溶水会压缩缩洞内，形成成上挤的压力力，导致气爆爆发生，引发发洞顶塌陷。。三、地面塌陷陷的形成条件件及发生机理理（2）河、湖近岸岸地带的侧向向倒灌作用河、湖近岸地地带普遍分布布着孔隙潜水水与岩溶水组组成的双层含含水介质。汛期洪水位急急剧上升的情情况下，河、、湖水将向地地下水产生侧侧向倒灌，地地下水位随之之上升。这时时岩溶地下水水对洞隙上覆覆盖层土体产产生正压力或使浮浮托力增大。在洪水位迅速速回落时，岩岩溶地下水位位回落快于潜潜水位，对洞洞隙上覆盖层层的浮托力很很快消减，通通过洞隙开口口处从潜水含含水层向岩溶溶洞隙产生垂垂向的渗透潜潜蚀作用，在在盖层中形成成土洞进而扩扩展形成塌陷陷。这种现象象称之为洪水水倒灌潜蚀塌塌陷，简称为为洪水塌陷。三、地面塌陷陷的形成条件件及发生机理理（3）地震一是地震力可可使洞顶覆岩岩以及洞壁的的裂隙进一步步扩大，引起起岩层破裂、、位移加剧；；二是洞隙上覆覆松散饱水细细粒物质发生生“液化”，，而形成地面面塌陷。2、人为活动的的影响人为激发活动动主要表现在在地面施加荷荷载、人为爆爆破和车辆振振动、水库蓄蓄放水的人工工调节等。对对于岩溶地面面塌陷，除上上述人为活动动外，地下水水的抽排、回回灌，尤其是是快速、大降降深的抽水活活动往往是引引发地面塌陷陷最普遍的原原因。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、浮浮力力效效应应岩土土体体位位于于地地下下水水位位之之中中，，当当地地下下水水位位下下降降时时，，除除产产生生压压强强差差效效应应外外，，土土体体的的浮浮托托力力也也随随之之减减小小，，产产生生塌塌陷陷。。6、土土体体强强度度效效应应土体体吸吸水水饱饱和和后后，，土土体体抗抗剪剪强强度度降降低低，，土土拱拱抗抗塌塌力力减减小小，，产产生生塌塌陷陷。。7、其其他他效效应应振动动效效应应、、荷荷载载效效应应、、酸酸液液效效应应三、、地地面面塌塌陷陷的的形形成成条条件件及及发发生生机机理理岩溶溶塌塌陷陷稳稳定定性性的的评评价价包包括括：：塌陷陷堆堆积积体体（（简简称称塌塌陷陷体体））、、土土洞洞及及浅浅埋埋岩岩溶溶洞洞隙隙等三三个个方方面面的的稳稳定定性性评评价价。。（一一））塌塌陷陷体体的的稳稳定定性性评评价价塌陷陷体体的的稳稳定定性性主主要要根根据据塌塌陷陷的的微微地地貌貌特特征征、、堆堆积积物物的的性性状状及及地地下下水水埋埋藏藏与与活活动动情情况况等等因因素素进进行行定定性性评评价价见见表表。。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————极限平衡时的的顶板厚度（（安全临界厚厚度）；D———土洞跨度；γ———土体密度；λ———侧压力系数；；φ———内摩擦角。四、岩溶塌陷陷稳定性评价价3．顶板坍塌堵堵塞法对于顶板较破破碎的洞隙或或土洞顶板，，在洞内无水水流搬运迁移移的情况下，，坍落后其体体积松胀，当当坍塌到一定定高度时，洞洞体将被完全全堵塞，此时时可认为洞体体空间已被支支撑，不再向向上扩展。其其所需的坍塌塌高度（即安安全临界高度度）h1可估算如下：：四、岩溶塌陷陷稳定性评价价（三）浅埋岩岩溶洞隙的稳稳定性评价1、浅埋岩溶溶洞隙稳定评评价的原则当岩溶洞隙基基岩顶板厚度度过薄或软弱弱破碎时，将将会丧失稳定定而垮塌。对对浅埋的岩溶溶洞隙，除主主要受洞隙规模影响外，还受受基岩埋深、覆覆土的岩性结结构与性状及及地下水位埋埋深等因素的影响。。洞隙稳定性的的评价一般采采用定性评价价与半定量评评价相结合的的方法。定性性评价是洞隙隙稳定条件的的地质分析，，是评价的基基础；半定量量评价尽管计计算方法比较较严密，但限限于条件的概概化难以完全全符合实际，，其边界和参参数的确定也也难以达到足足够的精度，，因此只能起起到补充和核核对的作用。。四、岩溶塌陷陷稳定性评价价2、洞隙稳定定性的定性评评价根据洞隙的稳稳定条件和影影响稳定的各各种因素，综综合分析评价价其稳定性见见表。洞隙稳定性定定性评价四、岩溶塌陷陷稳定性评价价3、洞隙稳定定性的半定量量评价（1）洞隙顶板的的安全厚度评评价对于比较完整整的微风化坚坚硬岩石组成成的洞隙顶板板，根据大量量的洞隙地基基工程实例调调查统计，其其安全厚度主主要与洞跨有有关，一般洞洞隙厚跨比，，即为稳稳定安全。（2）结构力学近近似分析法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．当裂隙位位于支座处处，而顶板板较完整时时，按简支支梁计算：：C．若支座和和顶板岩石石均较完整整、裂隙胶胶结良好时时，按两端端因定梁计计算：四、岩溶塌塌陷稳定性性评价抗弯验算：：（（对对于矩形梁梁：））故式中，M————弯矩（kN·m）；q————顶板所受总总荷载，q＝q1＋q2＋q3；q1————顶板厚为h的岩石自重重（kN／m）；q2————顶板覆土层层自重（kN／m）；q3————顶板上附加加荷载（kN／m）；l————洞隙跨度（（m）；σ———弯曲应力（（kPa）；［σ］———抗弯强度（（kPa），对灰岩岩一般取抗抗压强度的的1．10～0．125；b————梁板的宽度度（m）；h————顶板岩层厚厚度（m）。四、岩溶塌塌陷稳定性性评价（2）按洞隙隙顶板抗剪剪的安全厚厚度验算：：由下列极限限平衡条件件计算顶板板厚度h：式中，F———上部荷载传传至顶板的的竖向力（（kN）；G———顶板岩土自自重（kN）；U———洞体顶板处处平面周长长（m）；frv———顶板岩体的的抗剪强度度，对灰岩岩一般取抗抗压强度的的0.06～0.13（kPa）。除上述计算算公式外，，应用于土土洞稳定性性评价的成成拱分析法法，坍塌平平衡法及坍坍塌堵塞法法等计算公公式，也可可利用。四、岩溶塌塌陷稳定性性评价五、地面塌塌陷的防治治“以防为主、、及时治理理”一、岩溶地地面塌陷的的防治（一一））岩岩溶溶地地面面塌塌陷陷灾灾害害预预防防1、查查明明洞洞穴穴分分布布：：调调查查工工作作应应在在查查明明区区域域地地质质、、水水文文地地质质背背景景的的基基础础上上，，运运用用钻钻探探和和物物探探手手段段确确定定浅浅表表洞洞穴穴的的分分布布情情况况，，并并从从危危险险性性的的角角度度进进行行分分区区。。对对松松散散堆堆积积物物厚厚度度不不大大，，且且直直接接覆覆盖盖在在溶溶洞洞和和隙隙宽宽较较大大溶溶隙隙开开口口处处的的那那些些地地段段，，要要予予以以高高度度重重视视，，不不应应布布设设任任何何建建筑筑物物。。2、对对已已出出现现地地面面变变形形，，但但尚尚未未塌塌陷陷的的地地点点，，要要圈圈围围出出警警戒戒区区，，及及时时撤撤离离人人员员。。3、拟拟建建的的以以岩岩溶溶水水为为开开采采对对象象的的供供水水源源地地布布设设地地点点，，场场地地选选择择时时，，应应事事先先进进行行致致塌塌危危险险性性的的充充分分论论证证，，并并尽尽可可能能远远离离村村镇镇和和人人口口密密集集区区。。4、对分分散开开采的的农村村井机机，应应强调调小流流量小小降深深逐渐渐过渡渡到预预定开开采量量的操操作方方法，，以避避免洞洞穴负负压的的形成成。5、在可可能出出现塌塌陷的的地段段，要要防止止地表表水的的进入入，对对严重重漏水水的河河溪、、库塘塘进行行铺底底防漏漏或人人工改改道。。6、加强强对岩岩溶水水位，，尤其其是地地面变变形的的监测测，要要注意意宣传传，加加强群群测群群报的的工作作。五、地地面塌塌陷的的防治治五、地地面塌塌陷的的防治治（二））岩溶溶地面面塌陷陷的治治理（1）清除除填堵堵法常用于于相对对较浅浅的塌塌坑或或埋藏藏浅的的土洞洞。清清除其其中的的松土土，填填入块块石、、碎石石形成成反滤滤层，，其上上覆盖盖以粘粘土并并夯实实。广西桂桂林榕榕城回回填堵堵塞法法治理理岩溶溶地面面塌陷陷（2）跨越越法用于较较深大大的塌塌陷坑坑或土土洞。。对建建筑物物地基基而言言，可可采用用梁式式基础础、拱拱形结结构，，或以以刚性性大的的平板板基础础跨越越、遮遮盖溶溶洞，，避免免塌陷陷危害害。对对道路路路基基而言言，可可选择择塌陷陷坑直直径较较小的的部位位，采采用整整体网网格垫垫层的的措施施进行行整治治。铁道部部门用用扣轨轨梁跨跨越岩岩溶塌塌陷（4）钻孔孔充气气法随着地地下水水位的的升降降，溶溶洞空空腔中中的水水气压压力产产生变变化，，经常常出现现气爆爆或冲冲爆塌塌陷，，设置置各种种岩溶溶管道道的通通气调调压装装置，，破坏坏真空空腔的的岩溶溶封闭闭条件件，平平衡其其水、、气压压力，，减少少发生生冲爆爆塌陷陷的机机会。。湖南白白洋湾湾水库库用卧卧管和和烟筒筒通气气法防防治岩岩溶塌塌陷（3）强夯法在土体厚度度较小、地地形平坦的的情况下，，采用强夯夯砸实覆盖盖层的方法法消除土洞洞，提高土土层的强度度。五、地面塌塌陷的防治治五、地面塌塌陷的防治治（5）灌注填充充法在溶洞埋藏藏较深时，，通过钻孔孔灌注水泥泥砂浆，填填充岩溶孔孔洞或缝隙隙、隔断地地下水流通通道，达到到加固建筑筑物地基的的目的。灌灌注材料主主要是水泥泥、碎料（（砂、矿渣渣等）和和速凝剂（（水玻璃、、、氧化钙钙）等。。山东泰安车车站用灌浆浆堵塞岩溶溶裂隙防治治地面塌陷陷（6）深基础法法对于一些深深度较大，，跨越结构构无能为力力的土洞、、塌陷，通通常采用桩桩基工程，，将荷载传传递到基岩岩上。五、地面塌塌陷的防治治（7）旋喷加固固法在浅部