地质灾害防治工程电子教案5

第五章岩溶塌陷分析与防治中国地质大学（武汉）

概述岩溶塌陷的形成条件和地质模式岩溶塌陷的成因岩溶塌陷稳定性评价岩溶塌陷防治提要第一节概述

一、定义

岩溶：水（包括地表水和地下水）对可溶性岩石进行的以化学溶蚀作用为主的改造和破坏地质作用以及由此产生的地貌及水文地质现象的总称。

岩溶作用：以化学溶蚀为主，同时还包括机械破碎、沉积、坍塌、搬运等作用，是一个化学－物理相结合的综合作用。

可溶性岩石包括碳酸盐岩、硫酸盐岩、卤化物等。

岩溶现象：1、形成独特的地貌大的地貌形态及蚀变：峰丛（溶蚀）；峰林（溶盆）；溶蚀平原地表形态正形态：石林、石笋、峰林、孤峰。负形态：溶沟、溶孔、溶槽、溶水洞、漏斗、洼地、溶盆、溶原。地下形态：溶洞、溶隙、暗河。2、形成独特的水文地质现象：水文地质条件复杂化；透水性增大，流态、动态及不均匀性增大等。贵州省毕节县的织金洞，原名打鸡洞。位于县城东北23公里处织金洞是一个多格局、多层次、多类型的高位旱洞，洞内岩溶生长独特，景物规模宏大，雄伟壮观，千姿百态，精妙绝伦。全洞初勘长12.1公里，面积达70平方米，两壁最宽处173米，垂直高度多在50至60米，最高处达150米。洞内空间开阔，地形起伏迭宕，岩溶堆积物达40多种，囊括了世界溶洞所有的形态类别。阳朔银子岩溶洞

“天坑”是岩溶(又称“喀斯特”)地区地下河运行形成大面积塌陷造成的，它与常说的“岩溶漏斗”不同，岩溶漏斗一般是斜坡，上宽下窄，天坑则是四壁岩石峭立，深度百米至数百米以上，犹如一个巨大无比的“桶”。这个“桶”，口径从近百米至数百米不等，容积从10万立方米至1亿立方米以上。天坑形状奇特，地处僻壤，坑上坑下林木葱郁，如果能进入“桶”底，更觉神奇。天坑在国内外均有发现。我国重庆开隆县、奉节县，四川兴文县，广西乐业县、巴马县等地都先后发现了天坑，当地人分别称其为“石围”、“石院”、”岩湾”、“漩坑”、“龙缸”等，国外说法也不一样，一般称为Greatdoline(大漏斗)。我国有关专家认为称其为“天坑”最确切，故取名为“岩溶天坑”(Karst

tiankeng)，简称“天坑”。

二、我国岩溶分布特征

世界大陆75%为沉积岩，15%为碳酸盐岩，约4000万Km2为可溶岩。我我国碳酸盐分布面积334万Km2

，约占国土面积的36%。川、黥、桂、湘、鄂等是我国主要的岩溶区。我国地跨热带、亚热带和温带不同气候区，形成不同气候区独特的岩溶类型及特征。我国南方地区化学作用为主,地貌景观以石芽、石柱峰丛、峰林,大峡谷,溶洞等为特色。云台山地处位于河南省修武县

我国北方地区气温低，溶蚀速度要慢很多,水不是参与作用的主要原因，而是以断裂、崩塌等物理因素为主的破坏。三、岩溶工程地质研究的意义

一方面,岩溶地区形成优美的自然风景.充分利用岩溶洞穴作为地下工程等。另一方面,生态环境脆弱，水旱及地质灾害频繁发生。在该地区进行工程建设常常会遇到一些特殊的工程地质问题。主要有：岩溶渗漏，引发地区塌陷，造成坑道涌水、突水、滑落。

据广西39个岩溶山地县统计，在已建的260座大水库中，有明显渗漏的（设计效益与实际效益相比低于80％者）有92座。1.水利水电工程渗漏、溃坝、诱发地震

广西龙州县金龙水库岩溶渗漏广西苹果县敢怀水库岩溶渗漏

2.道路工程路基、站场、桥梁地基稳定性、地基塌陷

我国东部岩溶区，铁路4010公里，岩溶塌陷376处，近十年间中断车1860小时，颠覆列车3次。3.地下工程

涌水、突水、岩溶冒落4.工民建

地基稳定性、塌陷问题

自1977年至今，武汉地区先后发生6次岩溶地面塌陷：1977年，汉阳中南轧钢常堆料场塌陷；1988年，武昌陆家街塌陷和阮家巷塌陷；1999年，毛坦村小学塌陷；2000年2月，武昌司法学校塌陷；2000年4月，青菱乡烽火村塌陷

1988年5月10日，武昌陆家街地面塌陷，圆形塌坑，直径22M，深10余米，十间民房、大树、电线杆等塌入坑中，引起附近工厂、学校、住宅墙体、地坪变形、开裂。

2000年4月6日下午4时－8时，洪山区青菱乡烽火村地面塌陷。陷坑18个，最大陷坑长63米、深6－7米；最小陷坑1－2长，深小于2米。陷坑带呈近东西向分布，散分在东西300米、南北250米的范围内。有2栋民房完全倒塌，有16栋民房出现不同程度的开裂、破损。该村196户、990余名村民无一人伤亡。桂林至梧州市高速公路与桂林市外环高速路段相接处，发现大量岩溶塌陷。这一罕见的岩溶地面塌陷群发生在位于临桂县会仙镇马面村以南约2公里处正在施工的路基。已发现有85个塌陷溶洞，分布在2公里长新辟的路基上，直径最小为1米，大至10多米，最浅的为1米，最深的3米多。

几乎所有的塌陷洞内都涌积清澈的地下水，水位埋深1～3米，可测水深达3米多，不少塌陷洞内可见基岩出露。洞内的水位抽几天都不见下降。经压路机碾压过的泥土路基，陷坑分布密度惊人，仅在1处约100多米长的路段，就发现有32个。在今年4月修路基时就陆续发现塌陷，修涵洞时就遇到过2个溶洞，投了100多立方石头才填满。现在看到的塌陷大部分都经挖掘机车清理，准备填充石料。据了解随着工程施工铺开，近日又新出现了10多个塌陷。佛罗里达州温特帕克的落水洞（a）开始沉下去不久，注意昂贵的赛车掉入坑内。（b）从空中看，这个坑几乎完全对称。（c）堵塞后的景观，落水洞地区现在成了一个城市公园。第二节岩溶塌陷的形成条件和地质模式一、岩溶塌陷的条件主要有：发育有浅层开口岩溶洞、隙可溶岩。一定厚度的松散覆盖层，如松软土层或破碎似松散体的基岩。易于改变的地下水动力条件。二、岩溶区特征1．岩溶发育程度分区在了解区域岩溶发育与分布规律的基础上，综合分析物探、钻探及各项测试资料，研究确定岩溶的发育程度和分布特征，进行岩溶发育程度分区。对于覆盖岩溶区，划分标志主要考虑钻孔岩溶率、钻孔遇洞率、富水性及覆盖层下隐伏岩溶形态的发育情况。2．松散覆盖层的岩性结构类型与厚度及其分布研究确定覆盖层岩性结构类型与分布特征及其厚度变化，进行岩性结构类型与厚度分区。松散沉积物的厚度一般可分为以下四级：薄：厚度＜10m；中厚：厚度10～30m；厚：厚度30～50m；巨厚：厚度＞50m。3．岩溶地下水的赋存状态与动力特征确定岩溶水系统的结构，补、径、排条件与分布特征，富水层（带）或主径流带的位置，岩溶水的水力状态与动力特征。通过不同时期等水位线图，确定岩溶地下水的流向、坡降及其与其它类型地下水和地表水的补排转换关系。对覆盖岩溶区，着重调查研究第四系潜水与岩溶水组成双层含水层的分布及其特征。确定岩溶水动力条件易变及其作用较活跃的地段，这些地段主要有：岩溶水主径流带、岩溶水排泄区或与地表水转换密切的地段、第四系潜水和岩溶水双层含水结构分布的地段、水位较浅而变幅较大或水位在基岩面附近波动频繁的地段、以及抽排水降落漏斗影响范围内等。三、岩溶塌陷的地质模式岩溶塌陷的地质模式是其形成条件组合特征的概括，反映其形成条件的差异。其划分主要考虑塌陷盖层的岩性结构、含水结构、岩溶水位与基岩面及上覆土层水的关系。当覆盖层厚度变化较大时，还可按其厚度作进一步划分。岩溶塌陷地质模式中各形成条件的组合因子列于下表，可根据实际的组合情况具体划分，并根据其分布确定主要的几种地质模式。岩溶塌陷地质模式的组合因子第三节岩溶塌陷的成因

形成塌陷的原因很多。如潜蚀、真空吸蚀、振动、土体软化、建筑荷载。目前认识尚不一致。因当地条件不同，产生塌陷的原因而不同，也可能是以一种原因为主导，多种因素综合作用的结果。

1、潜蚀作用

潜蚀论是1898年俄国学者巴浦洛夫提出的，在国内外地质界长期被接受并加以应用。

在覆盖型岩溶区，下伏存在溶蚀空洞，地下水经覆盖层向空洞渗流(或地下水位下降时，水力梯度增大)。在一定的水压力作用下，地下水对土体或空隙中的充填物进行冲蚀、掏空。从而在洞体顶板处的土体开始形成土洞,随着土洞的不断扩大，最终引发动洞顶塌落。当土层较厚或有一定深度时，可以形成塌落拱而维持上伏土层的整体稳定。当土堆较薄时，土洞不能形成平衡。2真空吸蚀效应

真空吸蚀论是我国徐卫国等于1979年提出的，国内也普遍接受这一论点。

岩溶网络的封闭空腔（溶洞或土洞）中，当地下水位大幅度下降到空腔盖层底面下时，地下水由承压转为无压,空腔上部便形成低气压状态的真空，产生抽吸力,吸蚀顶板的土颗粒.同时内外压作用，覆盖层表面出现一种“冲压”作用，从而加速土体破坏。3压强差效应

压强差是指岩溶空腔与松散介质（或土洞）接触面上下侧水、气流体，因岩溶管道水位变化而产生相应的压强差值.4自重效应

雨水入渗后，盖层饱和容重比干容重一般增加30%-40%。使土拱承受更大的重量，导致塌陷。5浮力效应

岩土体位于地下水位之中，当地下水位下降时，除产生压强差效应外，土体的浮托力也随之减小，产生塌陷。6土体强度效应土体吸水饱和后，土体抗剪强度降低，土拱抗塌力减小，产生塌陷。7其他效应振动效应荷载效应酸液效应由于抽水引起灰岩充填物的地下侵蚀:

A.水位下降前的平衡状态；B.水位下降，随着向上侵蚀过程使通道被排空，出现活跃的地下侵蚀（潜蚀进入开阔的洞穴）；C.洞穴的顶部逐渐坍陷，可能短期内受钙化砾石层的抑制；D.最后的拱顶坍陷，形成了被同心球状张力裂缝包围的落水洞第四节岩溶塌陷稳定性评价

岩溶塌陷稳定性的评价包括：塌陷堆积体（简称塌陷体）、土洞及浅埋岩溶洞隙等三个方面的稳定性评价。一、塌陷体的稳定性评价

塌陷体的稳定性主要根据塌陷的微地貌特征、堆积物的性状及地下水埋藏与活动情况等因素进行定性评价见表。二、土洞稳定性的评价（一）土洞稳定性的定性评价土洞的稳定性主要取决于土洞的发育状况，还和它的埋藏深度有关。土洞的发育状况可分为①正在持续扩展的土洞；②正在间歇性地缓慢扩展的土洞；③处于休止状态的土洞和④处于消亡状态的土洞。其稳定性的定性评价如下表。从表可见，处于休止状态的土洞其稳定性主要取决于土洞顶板埋深或其与安全临界厚度之比。前者作为定性评价的指标，是一个概略的经验值。由于缺乏系统深入的研究和资料积累，还难以充分考虑土体岩性结构和性状等因素的影响，尚待在今后的实践中补充完善。（二）土洞稳定性的半定量评价主要是计算土洞顶板的安全临界厚度。由于受勘探测试手段的限制，很难查清土洞的实际形态和取得完全符合实际的土体物理力学参数，因此其计算是半定量的。1．成拱分析法（普罗特尼可夫塌落拱理论）当洞隙顶板岩体被密集裂隙切割呈块状或碎块状时，或处于松散层中的土洞，可认为顶板将成拱形塌落，而其上荷载及岩、土体则由拱自身承担（图）。此时破裂拱高h为：式中，h——破裂拱高（安全临界高度，m）；

h0——洞隙高度（m）；

b——洞隙宽度之半（m）；

Φ——内摩擦角（度）；

f——坚固系数（普氏系数）；

R——岩石单轴饱和抗压强度（MPa）；

σn——粘性土剪切面上的正压力；

c——土的粘聚力。A—天然拱；B—压力拱；C—破坏拱2．坍塌平衡法

土洞顶板土体的平衡条件（见图）是：式中，G———ABDC土体自重；

F———侧壁摩擦阻力；

H0———极限平衡时的顶板厚度（安全临界厚度）；

D———土洞跨度；

γ———土体密度；

λ———侧压力系数；

φ———内摩擦角。如为圆形土洞，洞径为D，则：3．顶板坍塌堵塞法对于顶板较破碎的洞隙或土洞顶板，在洞内无水流搬运迁移的情况下，坍落后其体积松胀，当坍塌到一定高度时，洞体将被完全堵塞，此时可认为洞体空间已被支撑，不再向上扩展。其所需的坍塌高度（即安全临界高度）h1可估算如下：三、浅埋岩溶洞隙的稳定性评价（一）浅埋岩溶洞隙稳定评价的原则当岩溶洞隙基岩顶板厚度过薄或软弱破碎时，将会丧失稳定而垮塌，如基岩埋藏较浅、覆土厚度不大，则可能造成地面塌陷，成为基岩塌陷。因此，对浅埋的岩溶洞隙，需要进行稳定性评价。确定评价与否的洞隙埋深值，除主要受洞隙规模影响外，还受基岩埋深、覆土的岩性结构与性状及地下水位埋深等因素的影响，一般可考虑为10m～20m。当上述因素的组合有利于洞隙的稳定时，可考虑选用小值；当各因素的组合不利时，可考虑选用大值。在一般情况下，也可考虑选用中间值15m。洞隙稳定性的评价一般采用定性评价与半定量评价相结合的方法。定性评价是洞隙稳定条件的地质分析，是评价的基础；半定量评价尽管计算方法比较严密，但限于条件的概化难以完全符合实际，其边界和参数的确定也难以达到足够的精度，因此只能起到补充和核对的作用。（二）洞隙稳定性的定性评价

根据洞隙的稳定条件和影响稳定的各种因素，综合分析评价其稳定性见表。洞隙稳定性定性评价（三）洞隙稳定性的半定量评价

1．洞隙顶板的安全厚度评价对于比较完整的微风化坚硬岩石组成的洞隙顶板，根据大量的洞隙地基工程实例调查统计，其安全厚度主要与洞跨有关，一般洞隙厚跨比，即为稳定安全，有的甚至可达到

。

2．结构力学近似分析法（1）按洞隙顶板抗弯厚度计算按板梁受力情况，其受力弯矩按下列情况计算：

A．当顶板跨中有裂缝，顶板两端支座岩石坚固完整时，按悬臂梁计逄：

B．当裂隙位于支座处，而顶板较完整时，按简支梁计算：

C．若支座和顶板岩石均较完整、裂隙胶结良好时，按两端因定梁计算：抗弯验算：（对于矩形梁：）故式中，M———弯矩（kN·m）；

q———顶板所受总荷载，q＝q1＋q2＋q3；

q1———顶板厚为h的岩石自重（kN／m）；

q2———顶板覆土层自重（kN／m）；

q3———顶板上附加荷载（kN／m）；

l———洞隙跨度（m）；

σ———弯曲应力（kPa）；［σ］———抗弯强度（kPa），对灰岩一般取抗压强度的1．10～0．125；

b———梁板的宽度（m）；

h———顶板岩层厚度（m）。（2）按洞隙顶板抗剪的安全厚度验算：由下列极限平衡条件计算顶板厚度h：式中，F———上部荷载传至顶板的竖向力（kN）；

G———顶板岩土自重（kN）；

U———洞体顶板处平面周长（m）；

frv———顶板岩体的抗剪强度，对灰岩一般取抗压强度的0.06～0.13（kPa）。除上述计算公式外，应用于土洞稳定性评价的成拱分析法，坍塌平衡法及坍塌堵塞法等计算公式，也可利用。一、防治规划

岩溶塌陷的防治应在勘查成果的基础上，制订统一的防治规划，按其轻重缓急，逐步实施，以取得最优的效果。一）岩溶塌陷防治规划的依据

1.岩溶塌陷的形成模式岩溶塌陷的形成模式包括塌陷的成因、形成条件和形成机理的主导效应等三个因素，这是塌陷的“病根”。从而确定防治的对象。

2.岩溶塌陷的评价预测分区通过评价预测分区，了解岩溶塌陷可能发生发展的地段及其危险程度，从而估计其危害性和防治的迫切性，确定防治的部位及布署。当地经济与工程建设的现状及其发展规划。一方面，从中了解当地对塌陷防治的需要及其程度；另一方面，也从中了解人为动力因素在今后的变化及其对地质环境的影响，以便更好地预测塌陷的发展趋势，使塌陷防治更能满足资源开发和环境保护的需要。第五节岩溶塌陷防治二）岩溶塌陷防治规划的主要内容

岩溶塌陷的防治方案及其可行性论证。

岩溶塌陷的监测预报及预警系统。

岩溶塌陷的预防措施。

岩溶塌陷的治理措施。

岩溶塌陷防治工程的布署及其实施步骤与要求。

岩溶塌陷防治工程的管理与质量监督。二、岩溶塌陷的预防岩溶塌陷的预防应针对不同的塌陷形成模式和不同的工程类型，分别采取不同的措施。一）城市及工业民用建筑地区的塌陷预防

1．工程建筑区的总体布置应使主要建筑物避开已有的土洞、塌陷地段，并尽量避开极易塌陷的危险区。

2．对可能塌陷的地段，做好地表排水设施，防止渗漏，对具化学侵蚀性的污水，应在严格处理后排放，以免腐蚀排水设施而渗漏。

3．对城市及建筑区的抽水井（孔），应统一严格管理，以地下水管理模型宏观控制地下水位，按优化采水方案和临界水位控制井（孔）距、抽水量和降深以及抽水井（孔）段。

4．对塌陷危险区的建筑物结构，应采取防塌设计。防塌尺寸可根据当地已塌坑的优势尺寸并考虑土层厚度影响加以修正。

5．对塌陷危险区已有的重要建筑物，如其地基无可靠的防塌性能时，可采取防塌的预处理措施。一般常用的方法是在建筑物地基的薄弱地段，采取钻孔灌浆或旋喷桩加固处理。二）供水源地的塌陷预防建立地下水的管理模型，以塌陷作为约束条件，提出最优的采水方案，包括以下措施：

1．控制抽水井（孔）布局，使井（孔）距合理化。

2．以临界水位控制抽水量和降深。

3．控制抽水层位和井（孔）段深度，应封浅采深。

4．设置合理的井（孔）管过滤器，防止或减少水流携带砂土颗粒进入井（孔）内，导致土体流失而塌陷。

5．制定合理的抽水制度，减少水位波动的频率和变幅。如尽量避免时抽时停，使水位剧烈波动；水位降深由小到大，缓慢下降，避免一次性大降深抽水。三）疏排水矿区塌陷的预防疏排水矿区的塌陷预防，关键是解决矿坑疏干排水强度、井下突水和地表水倒灌问题。

1．以临界水力坡降控制疏排水强度，避免强排疏干，以防止地下水位突然大幅度下降，出现过大的水力坡降。应采取缓排稳排方法，使水位缓慢下降、降落漏斗缓慢扩展，使其水力坡降控制在临界范围内。

2．对于井巷的采掘，应采取超前探水与掌子面封堵出水点的措施，防止突水；对于突水点，应采用封堵突水点，并安设带闸门导管，化突水为人工控制放水。

3．对地表河流可能塌陷倒灌的地段，可根据具体情况，采取混凝土铺底，填堵塌陷坑、落水洞，围截塌陷坑、落水洞或改河道等措施。

4．在地下水主要迳流方向上，选择较狭窄的过水断面，设置灌浆帷幕截断地下水，既可减少疏排水量，又可把疏干降落漏斗限制在小范围内，避免或减少大范围的塌陷。以上措施也适用于交通隧洞、人防工程等地下工程建筑的塌陷预防。四）水库塌陷的预防

水库塌陷的预防主要是解决库水渗漏和岩溶管道水气压力变化引起塌陷的问题。

1．坝前及库底人工铺盖，可防止或减少库底裂隙性渗漏，可防止或减缓塌陷的产生。但对于存在管道性渗漏的库底则无效。

2．对库区内的落水洞或塌陷漏斗进行围截或填堵。前者效果较好但有时工程量过大；后者易受其下岩溶管道水气压力的活动而破坏失效，应与通气调压措施配合使用。

3．对库内的岩溶管道系统设置通气调压装置，可防止塌陷的发育。

4．对于有渗漏现象的坝基，在长期的渗透潜蚀作用下可能产生坝基塌陷造成毁坝的严重事故。应采取帷幕灌浆以阻止渗漏。对于坝基基岩接触面上的溶沟、溶槽未作彻底处理而产生渗漏时，应在上游面沿坝基开挖清理作截水墙，并沿基岩接触面作固结灌浆。五）交通干线的塌陷预防

1．在可能塌陷地段，设置完善的地面排水系统，以避免在其附近产生地表水的强烈渗漏，引起塌陷。

2．在可能塌陷地段的两侧一定范围内设置防护带，禁止人工抽、排水活动。防护带的范围应根据当地的岩溶水文地质条件和抽、排水点的具体情况确定，以地下水人工流场的变化不致引起塌陷为原则。

3．对通过有塌陷危险的地段，可采用钻孔注浆加固结合地面排水的预处理措施。如成昆线对其中可能产生岩溶塌陷的197.4km地段，进行了以综合物探为主与部分钻探验证相结合的岩溶复查工作，查出异常点2817处，对其中最危险的异常点，采取了以钻孔注浆加固为主，结合地面排水的整治措施。其主要经验如下：（1）注浆深度：对溶隙、溶蚀破碎带在基岩面以下5m；对溶洞10～15m。（2）注浆孔距5m。（3）注浆压力：基岩0.3～0.4MPa，不小于0.3MPa；土层：0．1～0.2MPa，不小于0.1MPa。三岩溶塌陷的治理一）治理原则

1．对于土洞和塌陷，除已充分论证其确属稳定不再发展的以外，都需要