环境地质学第-九讲-地面塌陷.ppt

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 2010 4 2德国贝恩堡直径30m 深40m塌陷坑2010 4 8广西贺州一水塘出现近20个塌陷坑2010 5 3四川宜宾半月43个塌陷坑 最大直径60米2010 5 26甘肃兰州高速路塌陷坑2010 5 27湖南沅陵人行道突然塌陷2010 5 28湖北武汉徐东大街路面塌陷2010 5 30四川成都大邑新场镇 崇州怀远镇连续多个天坑2010 5 31危地马拉地面塌陷形成大坑深60m 径30m2010 6 3广西来宾地陷巨坑连成200m塌陷带2010 6 4江西南昌昌南大道与迎宾北大道交叉口突然塌陷2010 6 4浙江衢州高速公路巨坑直径8米 深10m 一 概述 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 2009年7月22日 黑龙江鸡西鑫永丰煤矿地面塌陷 引发矿井水灾 黑龙江鹤岗煤矿 开采70多年来 已塌陷土地41 97km2 搬迁房屋总建筑面积39 7 104m2 2000年4月6日 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 倒塌 有16栋民房出现不同程度的开裂 破损 2008年11月15日杭州地铁一号线地面塌陷事故 造成75米的路面陷落了15米 正在行驶的十一辆汽车包括一辆公交车陷入坑内 17人死亡 4人失踪 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 岩土体的内部条件2 洞穴围岩状况地下洞穴的受力状况如同梁的受力 洞的顶板相当于承载上覆岩土体自重的梁 洞的两侧如同位于梁端的两个支点 是否发生塌陷取决于顶板能够形成稳定的支撑拱 三 地面塌陷的形成条件及发生机理 一般而论 当洞穴埋藏深度与洞穴高度之比大于25 1时 洞顶上部就会形成三个变形特点不同的带 即冒落带 裂隙带和弯曲带 二 岩土体的外部条件1 自然影响因素 1 大气降水降雨入渗水可以使洞顶覆岩的含水层增大 自重加大 下渗水流会湿润裂隙面 降低岩石块体间的抗滑阻力 从而引起洞顶和洞壁的进一步变形而失稳 降雨强度大 历时较长时 入渗的水流进入围岩中的宽大裂隙 形成较大的动水压力和冲刷作用 在岩溶地区 降水入渗对补给封闭岩溶洞穴 快速上升的岩溶水会压缩洞内 形成上挤的压力 导致气爆发生 引发洞顶塌陷 三 地面塌陷的形成条件及发生机理 2 河 湖近岸地带的侧向倒灌作用河 湖近岸地带普遍分布着孔隙潜水与岩溶水组成的双层含水介质 汛期洪水位急剧上升的情况下 河 湖水将向地下水产生侧向倒灌 地下水位随之上升 这时岩溶地下水对洞隙上覆盖层土体产生正压力或使浮托力增大 在洪水位迅速回落时 岩溶地下水位回落快于潜水位 对洞隙上覆盖层的浮托力很快消减 通过洞隙开口处从潜水含水层向岩溶洞隙产生垂向的渗透潜蚀作用 在盖层中形成土洞进而扩展形成塌陷 这种现象称之为洪水倒灌潜蚀塌陷 简称为洪水塌陷 三 地面塌陷的形成条件及发生机理 3 地震一是地震力可使洞顶覆岩以及洞壁的裂隙进一步扩大 引起岩层破裂 位移加剧 二是洞隙上覆松散饱水细粒物质发生 液化 而形成地面塌陷 2 人为活动的影响人为激发活动主要表现在地面施加荷载 人为爆破和车辆振动 水库蓄放水的人工调节等 对于岩溶地面塌陷 除上述人为活动外 地下水的抽排 回灌 尤其是快速 大降深的抽水活动往往是引发地面塌陷最普遍的原因 三 地面塌陷的形成条件及发生机理 三 地面塌陷的形成条件及发生机理 二 地面塌陷发生的机理 一 矿山采空区地面塌陷的机理 第一阶段为掘进和回采的初期 存在冒落带 断裂带和弯曲带 第二阶段为地裂缝发展阶段 仅存在冒落带和断裂带 第三阶段为地面塌陷阶段 仅存在冒落带 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 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 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 三 地面塌陷的形成条件及发生机理 二 岩溶地面塌陷的机理 三 地面塌陷的形成条件及发生机理 2 真空吸蚀效应我国徐卫国等于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 三 地面塌陷的形成条件及发生机理 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 四 岩溶塌陷稳定性评价 二 土洞稳定性的评价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 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 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 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 n 粘性土剪切面上的正压力 c 土的粘聚力 四 岩溶塌陷稳定性评价 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 土体密度 侧压力系数 内摩擦角 四 岩溶塌陷稳定性评价 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 四 岩溶塌陷稳定性评价 三 浅埋岩溶洞隙的稳定性评价1 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 对浅埋的岩溶洞隙 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 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 四 岩溶塌陷稳定性评价 2 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 四 岩溶塌陷稳定性评价 3 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 2 结构力学近似分析法 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 四 岩溶塌陷稳定性评价 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 弯曲应力 kPa 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 四 岩溶塌陷稳定性评价 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 四 岩溶塌陷稳定性评价 五 地面塌陷的防治 以防为主 及时治理 一 岩溶地面塌陷的防治 一 岩溶地面塌陷灾害预防1 查明洞穴分布 调查工作应在查明区域地质 水文地质背景的基础上 运用钻探和物探手段确定浅表洞穴的分布情况 并从危险性的角度进行分区 对松散堆积物厚度不大 且直接覆盖在溶洞和隙宽较大溶隙开口处的那些地段 要予以高度重视 不应布设任何建筑物 2 对已出现地面变形 但尚未塌陷的地点 要圈围出警戒区 及时撤离人员 3 拟建的以岩溶水为开采对象的供水源地布设地点 场地选择时 应事先进行致塌危险性的充分论证 并尽可能远离村镇和人口密集区 4 对分散开采的农村井机 应强调小流量小降深逐渐过渡到预定开采量的操作方法 以避免洞穴负压的形成 5 在可能出现塌陷的地段 要防止地表水的进入 对严重漏水的河溪 库塘进行铺底防漏或人工改道 6 加强对岩溶水位 尤其是地面变形的监测 要注意宣传 加强群测群报的工作 五 地面塌陷的防治 五 地面塌陷的防治 二 岩溶地面塌陷的治理 1 清除填堵法常用于相对较浅的塌坑或埋藏浅的土洞 清除其中的松土 填入块石 碎石形成反滤层 其上覆盖以粘土并夯实 广西桂林榕城回填堵塞法治理岩溶地面塌陷 2 跨越法用于较深大的塌陷坑或土洞 对建筑物地基而言 可采用梁式基础 拱形结构 或以刚性大的平板基础跨越 遮盖溶洞 避免塌陷危害 对道路路基而言 可选择塌陷坑直径较小的部位 采用整体网格垫层的措施进行整治 铁道部门用扣轨梁跨越岩溶塌陷 4 钻孔充气法随着地下水位的升降 溶洞空腔中的水气压力产生变化 经常出现气爆或冲爆塌陷 设置各种岩溶管道的通气调压装置 破坏真空腔的岩溶封闭条件 平衡其水 气压力 减少发生冲爆塌陷的机会 湖南白洋湾水库用卧管和烟筒通气法防治岩溶塌陷 3 强夯法在土体厚度较小 地形平坦的情况下 采用强夯砸实覆盖层的方法消除土洞 提高土层的强度 五 地面塌陷的防治 五 地面塌陷的防治 5 灌注填充法在溶洞埋藏较深时 通过钻孔灌注水泥砂浆 填充岩溶孔洞或缝隙 隔断地下水流通道 达到加固建筑物地基的目的 灌注材料主要是水泥 碎料 砂 矿渣等 和速凝剂 水玻璃 氧化钙 等 山东泰安车站用灌浆堵塞岩溶裂隙防治地面塌陷 6 深基础法对于一些深度较大 跨越结构无能为力的土洞 塌陷 通常采