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广州市地面塌陷成灾机制与危险性评价 摘要 地面塌陷是珠江三角洲城市地质灾害的主要类型之一。近年来，广州市经济高速发展， 城市化进程加快，人类活动剧烈，地面塌陷灾害尤其是人为工程塌陷灾害频繁发生，灾害 损失呈不断增长趋势，国民经济和人们生活的受到严重影响。本文借助g i s 技术，全面系 统地研究了广州市地面塌陷地质灾害成灾机制及其危险性评价问题。 地面塌陷具有系统性、地域性、群发性、周期性等特点，其形成机理主要有：潜蚀论、 真空吸蚀论、高压冲爆论、重力致塌论、振动致塌论、荷载致塌论、溶蚀致塌论、溶蚀致 塌论、根蚀致塌论。地面塌陷是一种动力地质现象，只有当它造成经济损失和人员伤亡时 才成为灾害，每一次完整的地面塌陷灾害过程包括三个因素：孕灾环境、致灾因子和承灾 体。 广州市地面塌陷灾害主要有岩溶塌陷和工程塌陷两种类型，其中岩溶塌陷数量多，但 工程塌陷损失最严重。广州市地面塌陷灾害孕灾环境复杂、致灾因子多样，承灾体脆弱， 灾害后果严重。人为因素是地面塌陷的主要诱发因素。岩溶塌陷主要是由于过量抽取地下 水或矿山疏干排水、地下采空、暴雨触发；工程塌陷主要是人类工程行为所致，其主要致 灾因子包括：排水疏干与突水( 突泥) 作用、人工加载、人工振动、人工开挖桩基、地表 渗水、地铁等地下工程掘进。 论文采用信息量数学模型与g i s 技术结合对主城区工程塌陷灾害进行危险性评估。选 取了断裂构造、地壳稳定性、第四系覆盖层厚度、基岩岩性、地下水动力条件、地表人类 活动强度和地下活动强度等7 个指标中的2 1 个变量构建了危险性评价的指标体系，应用 a r c g i s 软件参与了数据采集、数据管理、数据分析和评价结果表达等过程，将广州市地面 塌陷灾害危险性分为5 个等级：极不稳定级、不稳定级、次不稳定级、基本稳定级和稳定 级。极不稳定级主要分布在主城区西北角；不稳定级分布在主城区西北角的广花盆地隐伏 岩溶区、沿断裂带附近和地铁线路的交汇处；次不稳定级主要分布在珠江南北两条支流沿 岸及周边地区，分布面积最广；稳定级和基本稳定级主要分布在主城区东部、东北部和西 南角。 关键词：地面塌陷；成灾机制：危险性评价；信息量法；广州 广州大学颂士学位论文 a b s tr a c t g r o u n dc o l l a p s ei so n eo ft h em a j o rt y p e so fg e o l o g i c a ld i s a s t e r s ，w h i c hd os e r i o u sh a r mt o t h en a t i o n a le c o n o m ya n dp e o p l e sl i v e sa n dp r o p e r t ya n dh a m p e rt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f c i t i e s ，s ot h es t u d yo fi t sm e c h a n i s ma n df a t a l n e s sa p p r a i s a lh a si m p o r t a n tr e a l i s t i cs i g l l i f i c a n c e a n de x t e n s i v eu s i n gv a l u e i t sr e s u l ti su s e dw i d e l yi nr e d u c i n gn a t u r a ld i s a s t e r ss u c ha s p r o v i d i n gd i s a s t e rr e l i e f , c i v i la d m i n i s t r a t i o ns a l v a t i o n ，u r b a nc o n s t r u c t i o n ，c a l a m i t yi n s u r a n c e ， e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t h eb a s i ct h e o r yo ng r o u n dc o l l a p s ei sd i s c u s s e da tf i r s t g r o u n dc o l l a p s ei sp r o v i d e dw i t h t h e s ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha ss y s t e m i c ，r e g i o n a l i t y , c o e x i s t i n g ，p e r i o d i c i t y t h eg r o u n dc o l l a p s e a r ec a u s e db yg r o u n d w a t e rc o r r o s i o n ，v a c u u mc o r r o s i o n ，p r e s s u r eb l a s t i n g ，g r a v i t y , v i b r a t i o n ， l o a d i n g ，r o o tc o r r o s i o n o r c h e m i s t r yd i s s o l v e i n g a t t h es a m et i m et h eg r o u n dc o l l a p s e g c o d i s a s t e ri ss t u d i e df r o mt h ep e r s p e c t i v eo fn a t u r a ld i s a s t e r s ac o m p l e t ed i s a s t e rp r o c e s s i n c l u d e st h r e ef a c t o r s ：t h ee n v i r o n m e n tp r e g n a n c y i n gd i s a s t e r , t h ec a u s eo fl e a d i n gd i s a s t e r , t h e d i s a s t e ro b j e c t g u a n g z h o ui sl o c a t e di np e a r lr i v e rd e l t a g r o u n dc o l l a p s eh a sb e e nv e r ys e r i o u s c o m p l e x g e o l o g y e n v i r o n m e n ta n do b v i o u sf a u l ts t r u c t u r ea n dd r a s t i ch u m a na c t i v i t yl e a dt ot h i ss i t u a t i o n g r o u n dc o l l a p s ei ng u a n g z h o uh a ss o m eo b v i o u sc h a r a c t e r ss u c ha sl a t e n t n e s s ，r e g i o n a l i t y , s o c i a l i t ya n dl o s sg r a v e n e s s g r o u n dc o l l a p s ei ng u a n g z h o ui s d i v i d e di n t ot w ot y p e s ：k a r s t c o l l a p s ea n dh u m a n e n g i n e e r i n gc o l l a p s e ，t h ef o r m e rh a sl a r g ea m o u n tb u tt h el a t e rh a st h em o s t s e r i o u sl o s s e s i nr e c e n ty e a r s ，t h el o s s e so fg r o u n dc o l l a p s ed i s a s t e ri ng u a n g z h o uh a v er i d d e n t h eg r o w i n gt r e n d h u m a na c t i v i t yi so n eo ft h em a i nf a c t o r s 。i ng u a n g h u ab a s i nk a r s tc o l l a p s ei s m a i n l yd u et oe x c e s s i v e l yp u m p i n gg r o u n d w a t e r , m i n i n go rh e a v yr a i n s ；h u m a n e n g i n e e r i n g c o l l a p s ei nm a i nu r b a na t t r i b u t e sp r i m a r i l yt oh u m a na c t i v i t yi n c l u d i n gd r a i n a g er o l e ，a r t i f i c i a l l o a d i n g , a r t i f i c i a lv i b r a t i o n ，a r t i f i c i a le x c a v a t i n g ，s u r f a c ew a t e rs e e p a g eo rs u b w a yc o n s t r u c t i o n - t h em a t h e m a t i c a lm o d e l sa n dg i sa r eu s e df o r t h ef a t a l n e s sa p p r a i s a ls t u d yo f h u m a n e n g i n e e r i n gc o l l a p s e i nm a i nu r b a na r e a t h ea p p r a i s e m e n ti n d e x e sa r ec o n c e i v e d t h r o u g hc h o o s e i n gt h e f a c t o r ss u c ha sf a u l t ，t h es t a b i l i t yo ft h ee a r t h sc r u s t ，t h eq u a t e r n a r y s e d i m e n tl i t h o l o g ya n dt h i c k n e s s ，b e d r o c kl i t h o l o g y , g r o u n d w a t e rd y n a m i c sc o n d i t i o n s ，s u r f a c e a n du n d e r g r o u n di n t e n s i t yo fh u m a na c t i v i t i e s a r c g i ss o f t w a r ei sa p p l i c a t e di n v o l v i n gi nd a t a c o l l e c t i o n ，d a t am a n a g e m e n t ，d a t aa n a l y s i s a n de v a l u a t i o np r o c e s s ，e x p r e s s i n g f i n a l l y , t h e f a t a l n e s sc l a s s i f i c a t i o nc h a r to fg r a d ea b o u tg r o u n dc o l l a p s ei ng u a o g z h o ui sp r o d u c e d t h er e s u l t t e l l su st h a tt h e r ea r ef i v ef a t a l n e s sg r a d e si nm a i nu r b a na r e a ，t h em o s td a n g e r o u sz o n ed i s t r i b u t e i t 广州市地面塌陷成灾帆制与危险性评价 i nt h es o u t ho fg u a n g h u ab a s i n ，t h em o r ed a n g e r o u sz o n ed i s t r i b u t et h ew e s t 。n o r t ho fm a i nu r b a n ， i ng u a n g c o n gf a u l t ，o rt h ei n t e r s e c t i o no fs u b w a y , t h eb a s i cs t a b l eg r a d ez o n ed i s t r i b u t ei nt h e c e n t e ro fm a i nu r b a na r e a ，t h em o s ts t a b l eg r a d ez o n ed i s t r i b u t ei nt h ep e r i p h e r yo fe a s ta n d n o r t h t h ec h a r a c t e ra n di n n o v a t i o no ft h es t u d yc o n s i s t ：( 1 ) i t st h ef i r s tt i m et od i s c u s s g u a n g z h o ug r o u n dc o l l a p s et y p e ，c a l a m i t yc h a i nc h a r a c t e r p r e g n a n tc a l a m i t ye n v i r o n m e n t ， i n d u c i n gc a l a m i t yf a c t o r , c a l a m i t ym e c h a n i s m ，e s p e c i a l l yt oe m p h a s i z et h ei n f l u e n c eo f t h e a r t i f i c i a lg e o l o g i cp r o c e s s ( 2 ) a d o p tt h ei n f o r m a t i o nm o d e lt os e tu pc o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c s m o d e l ，d e v e l o ps p e c i a l i z e df a t a l n e s sa p p r a i s a lm o d u l ei n t e g r a t i n gw i t hg i s i t st h ef i r s tt i m et o u s et h i sm e t h o df o rt h es t u d yo fg r o u n dc o l l a p s eg e o l o g i c a lc a l a m i t ya th o m e ( 3 ) t h ef a t a l n e s s a p p r a i s a lo ft h eg r o u n dc o l l a p s ed i s a s t e ri ng u a n g z h o uc i t yi sc a r r i e do u tf o rt h e f i r s tt i m e ，a n d t h ef a t a l n e s sg r a d ec h a r ti sd r a w n k e yw o r d s ：g r o u n dc o l l a p s e ，d i s a s t e r m e c h a n i s m ，f a t a l n e s sa p p r a i s a l ，i n f o r m a t i o n v a l u e m o d e l ；g u a n g z h o u l i l 广州大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本沦文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 墨主塞妻龛喜豢：“旷1 印日期：k 以年，月2 扫 广州大学学位论文版权使用授权书 本人授权广州大学有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 广州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者繇嘶百 晚年月日 翱签名：彬彳日期：加日缉歹月如日 广卅l 市地面塌陷成灾机制与危险性评价 1 问题的提出 第章绪论 联合国国际减灾十年委员会( i d n a r ) 在1 9 9 1 年提出的国际减轻自然灾害十年 的灾害预防、减少和环境保护纲要方案中，把灾害评估作为i d n a r 要具体实现的三项目 标中的第一项。该文件指出：“各个国家应该对自然灾害进行评估，即评价灾害危险性和 脆弱性，内容包括：总体上评价哪些自然灾害具有危险性；评价每种灾害的地理分布、 发生间隔及其影响程度：评价最重要的人口密集区和资源集中地的易灾性”。 我国自然地理环境复杂，人类活动剧烈，地质灾害类型众多、分布广泛、发生频繁， 是世界上地质灾害严重的国家之一【“。2 0 0 4 年，全国共发生中等规模以上地质灾害8 7 5 起， 其中滑坡5 7 2 起，崩塌1 8 1 起，泥石流7 7 起，地面塌陷2 5 起，地裂缝1 3 起，造成6 8 8 人死亡，1 7 2 人失踪，4 2 6 人受伤，直接经济损失2 0 5 亿元。1 。可见地质灾害已成为阻碍 我国经济增长和可持续发展的重要因素之一。 国r 勾# l , a t 地质灾害的研究历史久远，但是对其危险性评价研究则是近几十年的事情。 随着危险性评估理论和方法的深入，其在防灾减灾中的作用也越来越明显1 4 j 。但是，传统 的灾害评估的一些弊端和缺陷也显现出来：各种数据资料绝大多数是以文字报告、统 计图表和专题地图的形式保存，大大限制了成果充分便捷的利用；危险性评估过程中 涉及大量的自然、社会和经济数据，使用传统方法评估，误差大：传统评估方法的时 效性差，远远不能适应绝大多数地质灾害突发性特点而要求的迅速、准确的灾情评估。 广州大学地理科学学院自然灾害防治工程研究所承担了“广州市城市地质灾害风险评 价及预警模型研究”课题为本论文的完成提供了良好的设备、资料及物质基础。在课题研 究过程中发现，地面塌陷地质灾害对广州市的经济建设和城市发展造成了较大的阻碍，所 以有必要对该地区的地面塌陷地质灾害起因、分布、发育规律和成灾机制进行深入研究、 并对其危险性等级进行划分。 2 广州市地面塌陷地质灾害研究的意义 广州位于广东中部偏南、珠江三角洲的北缘，接近珠江流域下游入海口地处海陆结 合部，是广东省政治、经济、文化、教育、科技与交通中心。其地质环境复杂第四纪沉 积物厚度大、分布广。近年来，城市化进程加快，工程丌发由地上转为地下，人类活动剧 烈，地面塌陷灾害尤其是人为工程塌陷灾害频繁发生，灾害损失呈不断增长趋势，国民经 济发展的受到严重影响。因此，广州市地面塌陷成灾机理及其危险性评估是一项极具现实 意义的研究课题和减轻灾害损失的非： 程性措施。 理论意义：工程塌陷是大城市尤其是特大城市主要地质灾害之一，在城市化进程加快 广州大学硕士学位论文 的今天，造成的危害非常严重。因此，从自然灾害学的角度对其基本理论、成灾机制的研 究，突破了以往的研究者单纯关注岩溶塌陷、采空塌陷的局限，引起研究者对其理论更加 深入完善的研究。 应用价值：其研究成果将在防灾减灾、民政救助、水利工程、环境保护、城市建设、 国土资源等部门与行业中得到广泛应用。主要体现在：为广州市发展规划、土地利用、 基础设施布局和环境安全战略提供基础背景资料；为防灾减灾提供服务：为灾害保险 及发生次生灾害的可能性及损失提供参考依据；为环境保护和可持续发展提供依据。 3 国内外研究进展 3 1 地质灾害危险性评价研究进展 3 1 1 国外研究现状及其发展趋势 根据联合国人道主义事务部1 9 9 2 年公布的自然灾害风险的定义，风险评价包括危险度 评价和易损度评价8 1 。世界各国地质调查局在2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年代初，纷纷推出新 一代的国家地质填图计划，包括灾害分区图、灾害风险图和地质生态图等，这些图件主要 用于地质灾害风险评估，乌克兰、俄罗斯、美国、澳大利亚等纷纷开展相应研究”+ “。近 年来，世界各国纷纷实施城市地质灾害研究计划，如：加拿大自然资源部、美国科学基金 会、英国自然环境委员会、澳大利亚等国均实施了有关的城市地质计划，研究的热点主要 有”1 ：城市主要地质灾害风险评价，城市多层地下空间开发利用的工程地质评价，城市 含水层对建筑和基础设施影响评价等。例如j e f f e r i e s 等1 9 9 6 年提出了用b a y e s i a n 方法 进行风险概率的评估；c r o s s 于1 9 9 8 年采用滑坡敏感性指数作为定量化指标进行滑坡灾害 危险性区划，并在英国d e r b y s h i r e 地区进行了实践：r a g o z i n 等于2 0 0 0 年提出了应用于滑 坡灾害风险评价的危险性指标和易损性指标以及相应的表达式；j o h n s o n 等在2 0 0 0 年把地 质灾害危险性、易损性和风险评价作为一体，以g i s 软件为技术平台，分别采用平而和三维 评价系统，对c a ir n s 地区进行了崩滑流地质灾害的危险性分析和风险区划研究。 目前，国外地质灾害的风险研究主要有3 个趋势“：地质灾害数据库及灾害风险填图： 地质灾害实时监控与定量评价及其灾害预警系统研究：城市主要地质灾害风险评价研究。 3 1 2 国内研究现状及其发展趋势 2 0 世纪8 0 年代以前，我国地质灾害研究主要局限于对灾害分布规律、形成机理、趋 势预测等方面的分析。8 0 年代以后，地质灾害研究开始突破传统的研究模式，研究水平不 断提高，研究内容日益丰富，灾害风险评价开始起步“。经过2 0 多年的发展，在理论和实 践方面都取得了较丰富成果，但还未形成系统完善的理沦与方法体系，也没有统一的评价 标准，国内在这一领域的研究还较薄弱“”。各专业灾害评估仍处于日益深入的探讨和总结 过程中。主要表现在： 广州市地面塌陷成灾机制与危险性评价 ( 1 ) 地质灾害危险性评估内容研究1 1 8 - 2 2 1 地质灾害危险性评价和风险评估的研究尚处于探讨阶段，成果主要集中在山区滑坡危 险性分析和风险评估等方面，如：刘希林“”对四川省泥石流进行了风险评价；史培军“”提 出区域灾害系统论的观点，认为灾情( 灾害损失) 是由孕灾环境、致灾因子、承灾体之间相 互作用形成的，其轻重取决于孕灾环境的稳定性、致灾因子的风险性及承灾体的脆弱性三 个因素共同决定的：罗元华，等“认为地质灾害风险评价系统由地质灾害危险性评价、易 损性评价、破坏损失评价和防治工程效益评价构成，并认为危险性评价和易损性评价是灾 害风险性评价的基础，破坏损失评价是灾害风险评价的核心，防治工程效益评价是灾害风 险评价的应用；张梁，等。”认为地质灾害风险评价是对某种不确定性进行定量评估与制图， 一般包括风险的危险性评价、受险对象的易损性评价和可能灾情( 期望损失) 评价三个部 分：向喜琼，等“”将风险评价和风险管理的一般步骤分为五步：风险鉴别、风险量化与度量、 风险评价、风险接受和风险管理。 ( 2 ) 地质灾害危险性评估方法( 模型) 研究0 9 1 随着危险性评价研究的进展，研究方法也不断发展，除了灾害动力学分析外，开始融入 多种数理分析和社会经济评价方法。极值分析、概率分析、相关分析、趋势分析、聚类 分析、系统分析、层次分析、模糊分析、神经网络分析、信息分析和g i s 技术分析等，使 地质灾害危险性评价不断向定量化发展。如：蒋维，等1 提出了灾害概率风险的概念；黄 崇福。”引入了灾害可能性风险的概念；张梁，等。”根据环境经济学理论，初步论证了地质 灾害的属性特征和风险评价的经济分析方法；张业成，等啷硎以灾害度为指标，评价了亡f 国地质灾害危险分布特征，还对云南省东川市泥石流灾害进行了风险分析；罗元华、柳源， 金晓梅、樊运晓等“”对地质灾害属性特征、风险构成、易损性及其在灾害风险评价中的碰 位进行了研究；殷坤龙、晏同珍，等“9 o 对滑坡灾害危险性和斜坡不稳定性的空问预测占 区划进行了系统研究，先后提出了定量评价的信息分析模型、多因素回归分析模型、判另 分析模型等，并对秦巴山区和三峡库区滑坡灾害进行了危险性分析与区划；范文，等”姐 过建立多级指标体系，应用主成分分析法对某高速公路沿线地质灾害危险性进行分段综 评价，较好地进行了地质灾害分区；阮沈勇，等。2 1 将信息量模型与6 i s 系统结合，实现x 地质灾害数据的分层管理，开发地质灾害危险性区划模块，进行地质灾害危险性区划。! 保生”、杨建军，等”闫满存，等“5 删利用在选定地质灾害危险性评价指标体系后，充分j 虑地质灾害危险性评价因素不确定性的需求，应用模糊数学方法对其进行建模评价。 ( 3 ) 地质灾害危险性评估发展趋势“ 当前，地质灾害危险性评估研究方兴未艾，今后发展将更加迅速，其研究内容将更加， 泛，理论方法更加丰富、先进。其基本趋势是向着评价定量化，综合化、管理空间化的方f 发展。主要表现为“”：研究内容上，除对灾害危险性分析定量化外，对承灾体易损性f 广州大学硕士学位论文 分析也不断加强；从单纯的风险评价理论研究发展为风险评价与减灾管理相结合、风险评 价与防治相结合；研究对象上：从历史与现状分析趋向预测与研究相结合；从个体分 析趋向个体与区域研究相结合；研究方法和手段上：从定性分析趋向定量化评价；3 s 技术的发展将逐步取代传统的调查统计与手工制图，并向网络技术化发展。 3 2 地面塌陷研究进展 3 2 1 国外研究进展 由于国外工业化进程早于中国，大量开采地下水用于工业生产，因此塌陷灾害大量发 生也早于中国，对这问题的关注和研究早于我国2 0 3 0 年。特别是2 0 世纪7 0 年代以来，召 开了多次与塌陷有关的国际会议，1 9 7 3 年在德国汉诺威首次举行了“岩溶塌陷与沉陷一与 可溶岩有关的工程地质问题”国际讨论会“，这次会议使岩溶地面塌陷成为国际性问题， 并开始从各个方面开展研究。1 9 8 0 年在土耳其举行的“在可溶岩上建筑的工程地质问题国 际讨论会”也涉及到岩溶塌陷的工程地质问题“”。1 9 8 4 年、1 9 9 1 年召开的第三届、第四届 国际地面沉降会议上，岩溶塌陷成为议题之一。1 9 5 4 、1 9 5 7 、1 9 8 9 、1 9 9 3 、1 9 9 5 、1 9 9 7 年 先后在美国佛罗里达州、密苏里州举行了6 届岩溶塌陷及其环境影响的多学科国际讨论会。 国外研究比较注重实用性“，主要包括：在塌陷灾害保险、立法问题上，美国1 9 8 1 年制定了灾害保险法，明确了塌陷的定义、责任、赔偿等问题；在塌陷数据库与 地理信息系统( g i s ) 应用方面“5 ，美国1 9 8 1 年在各州相继建立了岩溶塌陷数据库和地理信 息系统，加强对塌陷资料的管理、交流工作；潜在塌陷的探测、监测、预报方面“”， 1 9 8 4 年，美国首先将地质雷达运用到潜在塌陷的探测中，并在铁路沿线潜在塌陷控测中发 挥重要作用。运用地质雷达解决土洞、土层扰动带、基岩面起伏以及随时间土层结构变化 问题：塌陷风险评价方面，1 9 8 9 年由美国国家科学院的全国研究理事会( n r c ) 及联邦 所属科学和减灾机构召集，有1 7 位成员组成的国家委员会分工协作，制定减灾十年计划； 塌陷坑的工程处理方面，国外主要还是采取清坑、覆盖、土石回填的办法。 3 2 2 国内研究进展 ( 1 ) 岩溶塌陷形成机理 近3 0 年来，我国对岩溶塌陷的研究全面展开，1 9 8 3 1 9 8 6 年，1 9 8 4 1 9 8 5 年，1 9 8 6 1 9 8 9 年，岩溶地质研究所先后开展了“中国南方岩溶塌陷研究”、“长江流域岩溶塌陷研 究”和“中国北方岩溶塌陷研究”等项目”。5 “，基本摸清了我国岩溶塌陷发育的现状和宏 观分布规律，确定了我国岩溶塌陷基本类型，提出了我国岩溶塌陷的基本分类方案。指出 岩溶塌陷发育的多机制特性，编辑出版了1 ：6 0 0 万中国岩溶塌陷分布图。1 9 8 5 1 9 8 9 年，铁道部第二勘测设计院开展了“铁路沿线岩溶塌陷及防治”项目的研究工作“，对贵 昆线小哨秧田冲段、分宜车站、泰安车站等5 0 余处岩溶塌陷严重发育区进行全面勘察、 治理，取得了良好的效果。1 9 9 7 年在桂林举办了首届“地面塌陷及其对工程建设的影响与 4 广州市地面塌陷成灾机制与危险性评价 防治”学术讨论会。原国家计委也拨出资金用于重点城市岩溶地面塌陷勘查的专项研究。 此外，大量的有关岩溶塌陷问题的研究文章、著作相继发表和出版。康彦仁，等所著中 国南方岩溶研究一书较全面地论述了岩溶塌陷的类型及成因机制；陈国亮，等所著的岩 溶地面塌陷的成因与防治一书对岩溶塌陷的成因作了较全面的阐述；纪万斌，等主编的 塌陷学丛书( 塌陷学概论、塌陷与生态、塌陷与国民经济、塌陷与建筑、 工程塌陷与治理) 对我国地面塌陷的研究做了较系统的研究与探讨。 ( 2 ) 岩溶塌陷预测、探测方法m 1 目前国内学者主要采用多元统计分析方法，如多元回归分析、相关分析、数量化理论 等，也有学者采用模糊综合评判法及地理信息系统。还有一些学者从优化管理地下水流场 以控制岩溶地面塌陷灾害发生的角度进行了研究，并取得了一定的效果。在岩溶塌陷的探 测方法上，包括地质雷达、浅层地震和电磁波、声波透视( c t ) 等技术在内的综合物探方法， 在地矿部门组织实藏的武汉、唐山、湘潭、玉林、桂林、深圳等城市的岩溶塌陷防治勘察 以及铁道部门组织的贵昆、南昆线铁路岩溶段岩溶塌陷勘察工作中发挥重要作用。 ( 3 ) 岩溶塌陷灾害风险评估和灾害信息管理 这方面国内起步较晚，主要以m a p i n f o 桌面地图信息系统为平台，如：中科院环境地 质所完成的“东南亚地质灾害信息管理系统”中，岩溶塌陷作为一种灾害类型被列入其中。 雷明堂、蒋小珍，等”利用g i s 的距离分析、标量分析、网格叠加分析、分级分组分析等功 能，对桂林市岩溶塌陷危险性进行评价及分区。1 9 9 7 年，在桂林市建设规划局资助下，中 国地质科学院岩溶所塌陷组以m a p i n f o 为平台开发了“桂林岩溶塌陷信息管理系统”，建 立了相应的数据库，为桂林岩溶塌陷防治、城市规划提供了有力条件。岩溶所从1 9 9 7 年起 陆续建立了桂林市、玉林市、六盘水市以及中国岩溶塌陷地理信息系统，并对唐山市、湘 潭市、六盘水市的岩溶塌陷进行了危险性评价”1 。 ( 4 ) 工程塌陷 目前的地面塌陷研究对岩溶塌陷关注较多，研究理论、方法也较成熟；近年来，随着 城市化进程的加快，城市经济活动和工程强度加大，由于地表、地下工程建设导致的工程 探险人为工程塌陷的危害已日益显现，已引起政府部f 7 i - u 相关的专家学者的高度关注，但 对工程塌陷的研究还相当薄弱，今后应大力加强这方面的研究。 ( 5 ) 发展趋势 地面塌陷灾害研究将大力加强危险性评估工作，并且从原来单纯的危险性评价转变为 风险评价，把潜在塌陷的危险与人类生活条件、社会经济条件结合起来。开展环境地质学、 土木工程学、地理学、城市规划与社会经济学等多领域、多学科协作，对潜在塌陷的危险 性、生态系统的敏感性、社会经济的易损性进行综合分析，达到对地面塌陷灾害进行风险 评价的目的。“3s ”技术( 地理信息系统、遥感技术和全球定位系统) 将是这一工作的支 广州大学硕士学位论文 撑技术。 4 主要内容及创新之处 4 1 主要内容 地面塌陷概念、类型、特点和形成机理； 广州市地面塌陷灾害类型、分布、主要特征及其危害； 广州市地面塌陷灾害孕灾环境、致灾因子和承灾体等成灾机制； 分析地面塌陷灾害的危险性因子、建立广州市主城区地面塌陷数据库、构建危险性 评价指标体系与数学模型： 运用信息量法对广州市地面塌陷灾害危险性进行评价和等级划分； 对广州市地面塌陷灾害提出简要的防治对策。 4 2 创新之处 本论文以广州市为例，其特色与创新之处表现在： 系统地研究广卅f 市地面塌陷灾害的类型、特点、分布，探讨了地面塌陷尤其是城市 内部人为工程塌陷的形成机理和成灾机制。 采用信息量法建立相应的数学模型，并与g i s 集成，这是首次运用该方法于地面塌 陷灾害研究中。 对广州市主城区工程塌陷灾害进行危险性评估，并得出其危险性等级划分图。 5 主要方法及技术线路 通过查阅有关文献、年鉴、图片和网络。收集相关的自然背景资料、社会经济资料和 塌陷灾害现状资料，建立基于g i s 的基础信息图层和相应的空问属性数据库：同时，通过 对主城区工程塌陷成灾机制的研究，确定危险性评价指标体系；运用信息量数学模型，与 g i s 系统集成，对广州市主城区工程塌陷灾害进行危险性评估，最后得出其危险性等级分 布图，并对其进行结果的分析，提出相应的防治对策。 典型研究区的选择和资料的收集：根据典型性、代表性和实用性原则，对广花盆地及 广州市主城区的地面塌陷成灾机制进行研究，对主城区工程塌陷灾害进行危险性评估， 收集相关的基础图件和地质背景资料，收集历史地面塌陷的相关资料。 研究区地面塌陷现状和成灾机制研究：收集研究区已经发生的地面塌陷灾害，分析形 成机理、演化特征和成灾机制。 主城区工程塌陷危险性评价指标体系的确立：根据对主城区工程塌陷孕灾环境和的研 究致灾因子，建立工程塌陷危险性评价的指标体系。 建立基于g i s 的数据库：应用a r c g i s 将基础纸质地图数字化，提取相关的信息，建立 空问数据库；将有关的统计数据、文字和图片等资料分类录入，建立属性数据库；实 广州市地面塌陷成灾机制与危险性评价 现空间数据与属性数据的相互关联。 地面塌陷危险性评价数学模型的建立：采用信息量法评价主城区工程塌陷，建立地面 塌陷危险性评价模型。 对广州市主城区人为工程塌陷灾害危险性等级进行评估与分析，探讨相应的防治对策。 图卜1 技术路线流程图 广州大学硕士学位论文 1 地面塌陷的概念 第二章地面塌陷的基本理论 地面塌陷的概念和内涵很广，目前对岩溶塌陷研究较多，但其概念说法不一。 国家标准睁8 j 中解释为“在岩溶地区，由于下部洞穴扩大而导致顶板岩体塌陷，或上覆 土层中的土洞顶板因自然或人为因素失去平衡产生下沉或塌陷的通称”。这个定义实际上 包含两部分内容，前者指基岩洞穴顶板的坍塌，后者指土洞顶板的塌落。 项式均，等【”l 提出“岩溶塌陷机制是指由隐伏岩溶洞隙的岩土体覆盖层及赋存其中的 水、气所组成的综合体系，由于所作用的外动力因索的变化而产生的各种破坏其稳定平衡 状态的力学效应”。这一定义是针对塌陷机理而言。 康彦仁，等【删提出“岩溶塌陷是岩溶洞隙上方的岩、土体在自然或人为因素作用下引 起变形破坏，并在地面形成塌陷坑( 洞、的一种岩溶动力地质作用与现象”。这一提法缺乏 塌陷机制的内容。 铁道部颁布的铁路工程地质岩溶勘测规则1 6 1 】中提出“岩溶塌陷是开口岩溶洞隙与 上覆土层( 少数为松软岩层) 中的水、气对盖层发生的力学效应，导致的地面塌陷”。这个 定义包含了发生岩溶地面塌陷的基本条件、形成机理、作用与效果。 本文认为地面塌陷是指地表土体或岩体在自然和人为因素作用下向下陷落或沉陷的 一种动力地质现象。其中的“自然因素”是指来自于地球系统的各种动力作用，如火山喷 发、地震、暴雨等；“人为因素”主要是指来自于人类各种工程经济技术活动的人为动力， 如矿山开采、地下水抽取、各种地上或地下工程建设等。 2 地面塌陷的分类 地面塌陷的形成原因复杂，种类繁多，目前还没有一个明确统一的分类。 表2 1 总结了国内不同领域的研究者对地面塌陷的一些分类方法“。对于前两种分类 标志，例如对特大塌陷、重大塌陷、一般塌陷的划分，这些是具体应用中客观存在的事实， 并不涉及科学概念的根本分歧，基本上没有太多争议。 动力学因素分类方法，自然塌陷与人为塌陷并无绝对界限，两类塌陷有可能互为因果、 彼此叠加。有的塌陷很难说是受到自然的或人为的或人为一自然复合因素的影响。由于人 类活动对地表自然界干预的加剧，导致了人地关系的失调，破坏了地表自然界的动态平衡， 特别是人类工程活动加剧，即工程塌陷已经发生，这种地面塌陷前人未曾论述。 根据承灾体对地面塌陷分类是一个复杂的问题，因为承灾体可以按照不同性质来区 分，这种区分主要是按照人类社会系统划分来进行的。不过，由于人类社会系统可以按照 不同的性质划分为不同类型的予系统，所以地面塌陷的承灾体分类也是各种各样的。 r 广州市地面塌陷成灾机制与危险性评价 表2 - 1 地面塌陷的分类体系 t a b2 - 1s y s t e mo fg r o u n dc o ll a s p e 本论文的研究综合运用地面塌陷的动力因素分类和成因分类方法，结合广州市近年来 地面塌陷发生的具体情况，将广州市地面塌陷分为岩溶塌陷和工程塌陷两大类。 3 地面塌陷基本特征 3 1 系统性 地面塌陷系统与外界环境相互反馈相互协调。当这些因素发生变化，塌陷系统即做出 反馈，塌陷发生。如地壳运动导致地震和火山爆发时作用于塌陷系统，产生地震塌陷、火 山塌陷等：人类的各种工程活动作用于塌陷系统，产生采矿塌陷、工程塌陷等。 3 2 地域性 地面塌陷具有明显的地域性，如：岩溶塌陷主要分布在岩溶强烈及中等发育的覆盖型 碳酸盐岩地区，采矿塌陷主要分布于东部沿海城市和大型工矿企业及周围地区，黄土湿陷 主要分布于湿陷性黄土发育区“。另外，人为塌陷明显地受控于人类活动，随着人类生产 力空间布局上的转移，其发育分布区域也将随之迁移，其地域分布具有动态性。 3 3 周期性 地面塌陷发育具有周期性”“，其周期性受控于地壳运动周期性、气候演化周期性和社 会经济发展周期性。过去的全球变化研究表明，气候演化具有明显的周期性，使得洪水、 暴雨、干旱等气象灾害也具有明显的周期性。而洪水、暴雨、干旱等气候事件往往是塌陷 的诱发因素，从而使得岩溶塌陷、特殊岩土类塌陷等塌陷具有周期性。人类社会的发展表 明，社会经济的发展呈现周期性的繁荣和萧条，当经济繁荣时，各种矿产资源的需求量就 大，资源丌采的强度也大，产生的采矿塌陷就多；反之，采矿塌陷就少。 3 4 群发性 在岩溶发育地区，岩溶塌陷常常成群出现，形成塌陷群。塌陷群在平丽上以岛状、面 状分布，或以带状分布。当岩溶塌陷沿构造断裂带发育时，塌陷群表现出明显的方向性“。 4 地面塌陷的形成机理 地面塌陷的实质是塌陷力与抗塌力综合作用的结果”。塌陷力大于抗塌力时，塌陷将 随之发生，反之盖层仍保持平衡。塌陷成因的各种观点均是以致塌力为主要论据提出的。 9 广州大学硕士学位论文 4 1 潜蚀论 在覆盖层为砂砾土等混合物时，水对其中细小颗粒的不断搬运，在盖层底部或其中形 成土洞，土洞的不断扩大及向上扩展，使洞顶土体失去平衡，产生地面开裂、下沉、塌陷 等”1 。水的潜蚀作用可以是地下水，但多为地表水渗入造成塌陷，这种水动力的作用可以 是水平或向下的。潜蚀式塌陷是土层塌陷形成中最主要的致塌模式之一，它可以在一次 或多次潜蚀作用下形成。 4 2 真空吸蚀论 在封闭的岩溶裂隙和通道中，因承压水被快速抽排后，其中出现真空负压。产生以下 三种破坏盖层的作用：真空吸盘吸蚀作用；真空吸蚀作用：旋吸漏斗吸蚀作用。 这是强调了气动力的作用，当水或泥沙向下运移时，由于地球的自转影响，便可形成旋涡 流，这种旋涡在北半球为顺时针的“右旋”，在南半球为逆时针的“左旋”，在我国所具的 这种旋吸作用全为“右旋”，这在野外可直接观测到。 4 3 高压冲爆论 在相对封闭的岩溶地段，雨季时地下暗河或岩溶管道中水位暴涨，使岩溶管道中被封 闭的气体汇集并受到压缩，形成高压气团，当其积蓄的总能超过上覆盖层的强度时，便沿 薄弱部位产生冲爆，冲击波使附近地段的岩体产生破坏，出现应力的突然释放现蒙，从而 有可能导致连续性的地面塌陷“。这种现象在地下水位大幅度下降时也可发生。 4 4 重力致塌论 岩溶洞穴上覆盖层在自身的重力作用下，逐层剥落或整体下陷造成塌陷的过程和现 象，称为重力塌陷“。重力塌陷主要发生在地下水位埋藏深，溶洞、土洞发育直径大的地 方，很多古岩溶陷落柱属于这种塌陷模式，现代也有这种重力致塌的实例。 4 5 振动致塌论 振动会使岩土体产生破裂位移、土体液化等效应，使岩土体强度降低，导致塌陷的形 成，称为振动塌陷”“。这种塌陷常常是由于地震、爆破和机械的振动引起的。其中重要的 是要有破裂位移或振动液化效应出现，造成岩土体强度降低并使之陷落。 4 6 荷载致塌论 由于溶洞、土洞上部荷载增加，产生的附加应力超过了岩洞( 土洞) 顶板的允许强度时， 压穿溶洞、土洞的过程和现象，称为荷载效应。由此导致的塌陷叫荷载塌陷嘲”1 。 4 7 溶蚀致塌论 在含可溶盐成份较高的土层中或一些蒸发岩地区，因地下水( 包括排放的酸碱废液) 的 溶蚀分解作用，使地下溶洞扩大或解散土体，造成岩土体破坏现象和过程，称溶蚀效应。 最后在岩土体自重作用下，导致的塌陷叫溶蚀塌陷”。 1 0 广州市地面塌陷成灾机制与危险