地质灾害地面塌陷、地面沉降、地裂缝

地质灾害概述（二）地面塌陷、地面沉降、地裂缝,主讲人：赵其华成都理工大学环境与土木工程学院,地面塌陷指在人为和自然地质因素作用下，地表岩、土体中洞穴顶部向下断错坍塌，形成塌陷坑、塌陷洞、塌陷槽的一种地质现象。4.1地面塌陷成因地面塌陷，实质上是岩、土体内洞穴的抗塌力(洞穴顶部支撑力)小于致塌力的结果。地面塌陷形成的原因复杂而种类繁多。归纳主要有人为因素：抽取地下水、坑道排水、突水、地表水和大气降水渗入、荷载及振动等；自然因素：河流水位升降与地震等。现将地面塌陷成因类型分述如下：,四.地面塌陷,1.抽取地下水致地面塌陷洞穴的岩、土体位于地下水位中，产生对洞穴顶板的静水浮托力，当抽取地下水使之水位下降时，支撑洞顶岩、土体的浮托力随之降低。此外，洞穴空腔与松散介质接触上下侧水、气流体，因地下暗管道内的水流发生变化而产生的温差效应，为此，出现了与抽取地下水同步发展的塌陷现象。江西省景德镇硬石岭火车站附近，1984年前居民饮用水均抽取土层的潜水，未见地面塌陷。之后，距铁路50500米附近的工厂掘成深达120米的机井8口，抽水量达4820吨/天，水位下降至基底岩层面以下1718米，最大30米，于是在长3.72公里、宽0.5公用的范围内出现地面塌陷100多个。塌陷使铁路行车中断、房屋变形、道路裂缝、农田和果园遭到破坏，间接经济损失达1000万元。,昆明新机场岩溶强发育带中所见现象,在预报位置kh411：一场降雪后发生了长米、宽米、深30公分的长椭园形塌陷。,2地表水、大气降水渗入致地面塌陷当地表水、大气降水渗入地下时，水在岩、土体内的孔隙中运动，产生了一种垂向渗透力，改变了岩、土体的力学性质。当渗透压力值达到一定强度时，岩、土体结构遭到破坏，随着水流产生流土或管涌运移，进而形成土洞，最后导致地面变形、塌陷。地表渗水包括：河湖地表水、输水管渗漏或场地排水不畅引起地表水、工厂排污的化学污水和雨水等下渗。其中以雨水渗入致塌最为常见，尤其是碳酸盐岩分布的岩溶地区，人为挖掘的场地、机场、道路等降雨掺入后产生塌陷较为突出。1986年广西忻城大塘乡遭遇春旱，地下水位下降产生了40多个塌陷，4月底一场大雨后，塌陷增至140多个，使两幢房屋倾倒，地面多处裂缝。村舍变电所场地开挖后，雨水蓄积渗入，也导致地面塌陷。,3河水涨落致地面塌陷岩溶裂隙、洞穴管道中的地下水与附近河水相通时，随着河水位的升降，横向发育的岩溶裂隙、管道中的地下水位也随之升降，这种作用也可导致地面的塌陷。广西都安县位于红水河岸的一段公路，由于受河水涨落影响，公路路面上发生了塌陷。4振动致地面塌陷振动可引起砂质土的液化和粘质土由凝结状态发生液化而成为溶胶或悬液(即触变现象)与失去液化能力(即失去原有触变性的陈化现象)，土体强度降低、抗塌力减弱，在振动产生的波动、冲击波的破坏作用下，可导致潜伏洞穴的塌陷。,5荷载导致地面塌陷在有隐伏洞穴部位上人为增载(建筑物荷载、人为堆积荷载等)，当这些外部荷载超过洞穴拱顶的承受能力时，将引起洞穴直接受压破坏，从而致使地面塌陷。6矿山采空致地面塌陷地下采掘活动形成的采空区，其上方岩、土体失去支撑，导致地面塌陷。这种由于矿山采动引起地面塌陷的主要原因是人为活动。此类地面塌陷在许多矿区都有发生，并造成相当程度的危害，即损坏交通设施、水利设施、建筑物、道路、农田等，甚至引起山体滑坡和崩塌。,4.2地面塌陷分类根据地面塌陷成因的主要原因可分为：自然地面塌陷；人为地面塌陷；复合型（自然人为）塌陷。根据塌陷区是否在喀斯特地区的岩溶发育地段分为：岩溶地面塌陷；非岩溶地面塌陷。按塌陷坑数量分为：塌陷坑大于100个者为巨型塌陷、50100个者为大型塌陷、1050个者为中型塌陷、小于10个者为小型塌陷。在各类地面塌陷中，我国以岩溶地区塌陷分布最广，已有22个省(区)发生此类地面塌陷，危害最重。矿山采空区地面塌陷的分布和危害仅次于岩溶地面塌陷。,我国岩溶塌陷分布区域,贵州构件厂抽水塌陷（1993.5.2(据岩溶所）,云南乌东德岩溶洼地,广州地下通道施工造成路面塌陷,广西合山电厂灰场塌陷1999年5月6日,广西玉林莲塘塌陷,桂林体育场塌陷1996年,岩溶塌陷形成演化过程示意图,4.3岩溶地基处理方法1岩溶地基处理的一般原则(1)重要建筑物宜避开岩溶强烈发育区；(2)当地基含石膏、岩盐等易溶岩时，应考虑溶蚀继续作用的不利影响；(3)不稳定的岩溶洞隙应以地基处理为主，并可根据其形态、大小及埋深，采用清爆换填、浅层楔状填塞、洞底支撑、梁板跨越、调整柱距等方法处理；(4)岩溶水的处理宜采取疏导的原则；(5)在未经有效处理的隐伏土洞或地表塌陷影响范围内不应作天然地基。对土洞和塌陷宜采用地表截流、防渗堵漏、挖填灌填岩溶通道、通气降压等方法进行处理，同时采用梁板跨越。对重要建筑物应采用桩基或墩基；(6)应采取防止地下水排泄通道堵截造成动水压力对基坑底板、地坪及道路等不良影响以及泄水、涌水对环境的污染的措施；,(7)当采用桩(墩)基时，宜优先采用大直径墩基或嵌岩桩，并应符合下列要求：1)桩(墩)以下相当桩(墩)径的3倍范围内，无倾斜或水平状岩溶洞隙的浅层洞隙，可按冲剪条件验算顶板稳定；2)桩(墩)底应力扩散范围内，无临空面或倾向临空面的不利角度的裂隙面可按滑移条件验算其稳定；3)应清除桩(墩)底面不稳定石芽及其间的充填物。嵌岩深度应确保桩(墩)的稳定及其底部与岩体的良好接触。,2岩溶的处理(1)地基不均性的处理：参考地基处理有关部分的内容。(2)洞隙塌滑不稳定的处理1)结构措施在结构措施中，应选用有利于与上部结构共同工作，并可适应小范围塌落变位、整体性好的基础形式，如配筋的十字交叉条基筏基、箱基等，同时采取必要的结构加强措施，如砖石结构加强圈梁设置、单层厂房基础梁与柱连成整体，并加强柱间支撑系统等。当洞隙深大，而两侧有可靠岩体时，可采用跨越结构，根据荷载及跨度，可选用调整柱距，有足够支承的梁、板、拱及悬挑等方式。,2)地基基础措施当条件允许时，尽量采用浅基，充分利用上覆性能较好的土层为持力层或使基底与洞体间保留相当厚度的完好岩体。当以岩石作持力层时，局部加深基础，通过钻孔灌注桩或墩穿过单个洞体，使基础荷载传递到下部完好的岩体上对已外露的浅埋洞隙，可采用挖填置换，清理洞隙后以碎石或混凝土回填。当洞体深度较大，而两侧岩体完好，可挖填至一定深度，回填体断面呈倒梯形，对有地下水活动的洞体，应回填反滤层并留有水流排泄之通道。当顶板薄、跨度大时，可在洞底设置附加支撑以减少洞跨，也可加固洞顶，用浆砌块石嵌补洞顶岩体及洞隙边坡。当洞体开口较小，开挖清理困难时，可用灌浆填塞，灌填材料视要求而定，可选用砂石砂浆或混凝土，也可用小压力灌浆法加固基底下一定厚度的溶隙及破碎岩体。3)水的整治对水的处理应贯彻宜疏勿堵的原则，对地表水做好有组织的排水，对地下水以疏导为主，即使堵也应留有出路，设置反滤层以减少淘蚀。,3岩溶塌陷（土洞）地表塌陷的处理(1)地表水形成的土洞它的形成和发展往往与人类活动有关，如排水不畅，水流集中下渗所致。应认真做好地面水截留、防渗、补渗，杜绝水流人建筑区。对已形成之土洞，可采用挖填配合梁板跨越处理。(2)地下水形成的土洞1)浅埋土洞：洞体浅，其底部往往有松软土，当地下水位高时，其厚度可能较大。全部清除困难时，可在余土上抛石夯实，其上做反滤层。由于残留土的变形及地下水的活动，处理后常可再发生，故而其上还得做梁板，据广西地区经验，每边支承长度不小于1.015m。2)深埋土洞：清除填土困难较大，广西地区的经验可采用钻孔灌砂(或压力灌注细石混凝土)与梁板跨越联合处理。贵州有些工程，在岩面上用爆破桩头以堵塞土洞与岩溶的通道，其上回填砂或粘土。,3)人工降水形成的岩溶塌陷（土洞）由人工降水形成的土洞与塌陷，可在极短时间内成群出现，工程措施原则应是观测和预防。一旦发生即使处理了，由于并未停止水动力条件的改变，仍可再生。如何确定塌陷区的位置以确定建筑安全距离，目前尚研究得不够，有些仅对场地选择，取(排)水点位置及取水方案提出一些防治意见。选择在地势较高的地段及地下水静动水位均低于基岩面的地段进行建筑。场地应与取(排)水点中心有一定距离。塌陷范围小于抽水井的降落漏斗，据已有资料，大面积降水时，塌陷范围约在降落漏斗中心的0.30.7直径范围之内合理控制取(排)水工程的水位降深值，据某工程资料，塌陷区边缘地下水降深值大于2.0m，塌陷范围l与水位降深S和渗透系数K之乘积有较好的相关关系。塌陷区内不宜把土层作为基础持力层，一般多采用柱(墩)基。广东某工程采用钢桁架代替排架，金属挂板代替围护墙，尽量减轻结构自重，并能承受20m范围的塌陷变形。,地面沉降与地裂缝作为地质灾害的一种灾种，区别于崩塌滑坡，它是地面岩土体在自重应力场（或构造应力场的参与）条件下垂向变形破坏及向深部架空或潜在空间方向的运动。5.1地面沉降的分类美国地质调查局（USGS）1999年出版的美国地面沉降研究报告中将地面沉降按引发的原因（未考虑构造因素造成的区域性沉降）分为:地下水开采型（MiningGroundWater-Introduction）;土壤疏干型（DrainageofOrganicSoils-Introduction）；洞穴塌陷型（CollapsingCavities-Introduction）。,五.地面沉降与地裂缝,我国地面沉降主要发育分布在我国东部沿海河流三角州及中部内陆盆地一带。按成因机制，地面沉降分为：1固结压密沉降型:下伏土层中地下水位的降落，有效应力的降低造成固结压密而引起地面沉降。这类地面沉降多为区域性的，在一定条件下随沉降伴生地裂缝;2洞穴塌陷型：包括岩溶塌陷和地下采掘洞穴塌陷，塌陷的范围局限于洞穴和地下洞室的影响带;3土壤胀缩型;4构造重力扩展型:与盆地扩展和断裂活动有关.2004年资料，江汉平原正在持续沉降（近三年的监测资料，据朱干章），沉降速度为每年5至10毫米，且沉降速度有加大的趋势。,5.2地面沉降与地裂缝的危害（）地面沉降及地裂缝会造成建筑物的直接破坏，如房屋、桥梁破裂跨塌，地下管道、通道的断裂和破损等。（）地面沉降可能造成近海和河流附近地面低于海潮或洪水警戒线而造成海潮和洪水袭击及海水倒灌恶化地下水质，造成土壤盐碱化等。（）地面沉降引起的地裂缝往往可成为地面污染源侵入深部地下水源的通道，造成水质污染。（）城市地下水位大面积、大幅度的降落，改变了地质体的热容量，可能会造成热岛现象，破坏了原有的生态环境。（）地裂缝常常可成为深部有害气体逸出地面的通道，尤其是氡气的超标，对人体的健康的危害是极为严重的。,5.3我国地面沉降的发展及现状自20世纪50年代以来，区域性地面沉降及地裂缝已成为我国城市发展中的重大地质灾害之一，国土资源部已将它列为地质灾害危害性评估的六大灾害之一。我国对地下水开采引起地面沉降的研究始于20世纪60年代上海市地面沉降的研究。上海市的地面沉降从1921年至1965年间处于一个发展期，1965年以来，经采取压缩地下水的开采量，进行人工回灌措施，逐步得到控制。但自从20世纪80年代以来，随着城市建设的加速发展，地面沉降已波及到50多个城市，其中包括了滨海平原及河流三角洲地区的城市如上海、天津、沧州、宁波、嘉兴、湛江、海口、台北、基隆等；东部近海冲积平原，如长江下游的苏州、无锡、常州，黄淮海河平原的北京、德州、沧州、郑州、阜阳、荷泽、邯郸等，松辽平原的沈阳、哈尔滨、佳木斯等；以及一些内陆盆地城市，如西安、太原、大同、包头等。,5.4不同地面沉降类型的致灾特征岩溶塌陷和地下采掘引发的陷落大多是突发性的，而区域性的地面沉降造成的危害除突发性的地裂缝可能发生突发性事故以外，主要是通过缓慢而累进性下沉的后果致灾。然而一旦灾害形成，则往往是大范围的综合性的灾害，造成生态环境的严重破坏，且难于恢复早先的状态。也许正是这一特点，人们容易对这一灾害的危害程度及需要及早采取系统的控制措施缺乏足够的认识，这是在防治这类灾害工作中应引以为鉴的。,5.5近年我国地面沉降与地裂缝灾情近年来我国城市区域性地面沉降灾害及防治工作有以下值得关注的事例：(1)西安市区出现新的地裂缝(2)北京市区地裂缝仍在继续活动(3)大同、临汾一带地裂缝活动(4)沿海平原地带的地面沉降,（1）西安市出现新的地裂缝西安市的地面沉降与地裂缝从上个世纪50年代以来一直是该市的主要地质灾害之一，市区有十一条长大裂缝，呈NEE向分布。裂缝出露于梁与洼地交接部位，总长超过70Km，延伸长度115Km。抽水引起的地面沉降以地裂缝为边界，由此引起地裂缝的活动量占总量的8。据不完全统计，截止1999年地裂缝活动已毁坏楼房170多座，厂房57座，民房1800多间，道路90多处，错动供水、供气管道50余次。西安古城墙，大雁塔等著名古迹也形成不同程度的损坏，西安钟楼已下沉了一米之多，大雁塔向西北方向倾斜了近一米。,西安市地裂缝群分布图,地裂缝钻孔剖面图,西安市地裂缝对房屋的破坏,(2)内陆盆地构造型地裂缝有所活跃近几年盆地构造型地裂缝似乎有趋于活跃的趋势，如西安、北京、大同、临汾等，是否与构造活动活跃、平静的周期规律有关，很值得注意。北京市顺义区木林塔河一带1985年开始发现地裂缝。裂缝基本上沿着3055方向展布，断续出露约25km。在不同地段，地裂缝带的宽度出现较明显的变化，在北彩到仙庄之间，地裂缝带最宽可达800余。在探槽剖面图中，随着裂缝由深部向浅部延伸，其宽度逐渐变窄，数目明显增多，倾角逐渐变缓，大致呈扇形散开，可见明显逆冲位错，但位错量不大。1985年以来地裂缝一直在继续活动，并造成建筑物破坏。已有测试表明年平均沉降量为5.3mm，并有右旋错位，有差异沉降，可达100mm左右。研究表明地裂缝主要与其邻近断裂的活动有关。,北京市顺义区木林-塔河一带地质环境略图(赵忠海，2001),顺义城区西南地裂缝剖面图(赵忠海，2001),(3)大同、临汾一带地裂缝活动大同市地裂缝分布略图1大同机车厂地裂缝;2新添堡地裂缝;3南凿井对地裂缝;4文化里地裂缝;5振华街地裂缝;6322医院地裂缝;7机电公司地裂缝;8安益街地裂缝;9铁路分局地裂缝,临汾盆地地裂缝,杨景春，等，1999,山西断陷带构造略图及地裂缝分布(姜振泉,等，1997),(4)沿海平原地带的地面沉降浙江杭嘉湖平原到沿海地带普遍地面沉降，根据浙江地质环境监测总站报道，90年代以来浙江乡镇企业工业用水大幅增加，超采地下水资源引发杭嘉湖平原至沿海地带地面沉降加重，嘉兴地区因地面沉降近几年已遭受了多次洪水侵袭，所造成的后果已难于恢复。此外，海南省海口市地面沉降，面临海水倒灌，土地盐碱化威胁；天津港人工港区地面沉降严重影响港区地面的稳定性。这些地面沉降都与过量地下水开采有关，已引起有关部门的重视和采取相应的措施。,苏锡常地区地形变地质灾害图,上海外滩防汛墙不断加高的过程从侧面反映了市区地面沉降的演化历史！,上海中心城区地面沉降历史,19211965年快速沉降时期19662000年沉降控制时期,5.6地面沉降涵义(1)广泛涵义：系指地壳表面在自然力作用下或人类经济活动影响下造成区域性的总体下降运动。其特点是以向下的垂直运动为主体，而只有少量或基本上没有水平向位移。其速度和沉降量值以及持续时间和范围均因具体诱发因素或地质环境的不同而异。(2)工程涵义：目前国内外工程界所研究的地面沉降主要是指由抽取液体(以地下水为主，也包括油、气)所引起的区域性地面沉降。我国岩土工程勘察规范中规定的：在较大面积(100km2以上)内由于抽取地下水引起水位下降或水压下降而造成的地面沉降。,5.7区域性地面沉降区域性地面沉降的成因及主要类型，分为自然因素和人为因素两大类：(1)自然因素分析1)新构造运动可使地面随基底面升降以垂直升降为主的新构造运动可使地面随基底而升降。中国天津、西安和大同等城市66地面沉降均受到新构造运动的影