防灾减灾科学与工程 课件 第8章-地面沉降与塌陷灾害

第8章地面沉降与塌陷灾害目录8.1

地面沉降8.2

地面塌陷第8章地面沉降与塌陷灾害知识目标（1）掌握地面沉降与塌陷的含义、成因及危害（2）熟悉地面沉降与塌陷的防治手段能力目标（1）掌握利用有效应力原理分析地面沉降与塌陷成因的能力（2）具备应用本章所提出的计算模型计算地面沉降量的能力【本章学习目标】目录8.1

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地面塌陷第8章地面沉降与塌陷灾害8.1地面沉降地面沉降及分布——国外分布地面沉降的地域分布具有明显的地带性，主要位于厚层松散堆积物分布地区国名地点沉降面积（km2）最大沉降速率（cm/a）最大沉降量（m）发生沉降的主要时间诱发因素州或省市具体地点日本东京江东及城北工业区29019.54.231892－1968开发地下水大阪——16.32.81925－1968九州佐贺县白石平原8820—1954－1965尼崎———3.1—伊朗克胡兹斯坦省黑兰盆地—250.332005－2008抽取地下水—马什哈德谷—30—2003－2005墨西哥墨西哥城—7560427.51890－1957抽取地下水意大利—波河三角洲80030>0.251953－1960开采石油国名地点沉降面积（km2）最大沉降速率（cm/a）最大沉降量（m）发生沉降的主要时间诱发因素州或省市具体地点美国加州圣克拉拉流域600213.901915－1967开发地下水圣华金流域900046.08.551935－1968洛斯贝诺斯－开脱尔曼市2330404.88－1955邱拉里华兹科—>303.961926－1954长滩市威明顿油田327191926－1968开采石油内华达州拉斯维加斯500—11935－1963抽取地下水圣克拉拉流域600213.901915－1967亚利桑那州凤凰城310—31952－1970得克萨斯州休斯顿－加尔维斯顿10000—1－21943－1969路易斯安那州巴吞鲁日500—0.31934－1965大型沉积平原第8章地面沉降与塌陷灾害8.1地面沉降地面沉降及分布——国内分布在我国东部平原地区、尤其以沿海城市、华北平原和汾渭盆地等地区最为严重省（区、市）沉降面积（km2）最大沉降量（mm）主要城市成因北京1800850北京抽水天津88003140天津以抽取地下水为主，其次为构造下沉和天然固结黑龙江——哈尔滨、大庆、齐齐哈尔、佳木斯采油、采水吉林——长春—辽宁——沈阳、抚顺、锦州、通辽、营口、盘山—内蒙古——包头、呼和浩特、赤峰—河北（沧州）48550①2089沧州、唐山、衡水、廊坊、保定、邯郸、邢台、任丘、河间、黄骅、张家口、霸州以抽取地下水为主，其次为构造下沉山东2038①387①菏泽、济宁、德州、东营、滨州、潍坊以抽取地下水为主山西（太原）1083700太原、大同、榆次、临汾、运城、侯马以抽取地下水为主陕西（西安）1772600西安、咸阳以抽取地下水为主，其次为构造下沉宁夏——银川—省（区、市）沉降面积（km2）最大沉降量（mm）主要城市成因河南200337①洛阳、许昌、开封、安阳、濮阳、郑州、商丘—安徽4101400阜阳、淮北、寿县以抽取地下水为主江苏56002800苏州、无锡、常州、张家港、江阴、南通、盐城、启东、东台、大丰、镇江、扬州、淮阴、徐州等以抽取地下水为主上海10692630上海以抽取地下水为主，其次为工程基础设施施工、构造下沉浙江（嘉兴）3170836.6杭州、嘉兴、湖州、宁波、温州等抽水湖北——武汉—福建9①678.9①福州、龙岩、泉州、漳州过量开采地下热水广东690②110②广州、湛江—海南（海口）——海口过量开采地下水云南300282.4昆明—合计72921—全国共82个城市—太原盆地地面沉降速率分区图来源：《山西太原盆地地面沉降防控分区划分评价》第8章地面沉降与塌陷灾害8.1地面沉降地面沉降含义与分类地面沉降：因自然因素和人为活动引发松散地层压缩所导致的地面高程降低的地质现象，包括在其发育过程中伴生的地裂缝现象自然因素：构造升降运动以及地震、火山活动等。所形成的地面沉降范围大，速率小。将此因素引起的地面沉降归属于地壳形变或构造运动的范畴，作为一种自然动力现象加以研究人为因素：开采地下水和油气资源以及局部性增加荷载。引起的地面沉降一般范围较小，但速率和幅度较大。把此因素引起的地面沉降归属于地质灾害现象进行研究和防治开采地下水引起的地面沉降土层受荷压缩第8章地面沉降与塌陷灾害8.1地面沉降地面沉降含义与分类——自然地面沉降一是地表松散或半松散沉积层，重力作用下由松散到致密的成岩过程另一种是由于地质构造运动、地震等引起的地面沉降类别成因软土层的自重压密固结软土层是在地理、气候、环境变化及人工作用下形成的，经过自然作用的影响缓慢压实而造成的地面沉降地壳新构造运动地壳新构造运动，是指第三纪以来地球上发生的构造运动，它包括五种最基本的运动类型，即水平运动（板块运动）、垂直运动、断裂活动、火山活动和地震等，这里所指的是地壳近期的断裂下陷运动地震、火山活动地震和火山爆发时释放的巨大能量常常使地面发生沉降、裂缝等严重变形。地震作用下产生的沉降大体可分为两类：一类是动力荷载作用下，土体中的不排水残余应变所引起的瞬时变形，另一类是地震期间，由于土层液化引发的地面下沉海平面上升海平面上升导致的地面下沉是指地面标高的相对降低，这种沉降一旦发生也难以恢复，造成的危害（尤其是对沿海城市）甚至更大沉积岩形成过程第8章地面沉降与塌陷灾害8.1地面沉降地面沉降含义与分类——人为地面沉降自然地面沉降具有区域性，其年沉降率都非常小，仅占总沉降量的2%-4%而人类活动因素诱发的地面沉降，已大大超过自然因素的影响，成为全球地面沉降的主要原因类别表现实例过量开采地下水引发地面沉降的最主要因素。目前，全国至少有40座城市的地面沉降是不合理开采地下水引起如上海、天津、北京、沧州、苏州、无锡、常州等地区过量开采地下矿产资源地下矿产资源不断被开采，形成地下采空区，从而发生地面沉降、地裂缝及地面塌陷辽宁抚顺煤田引起地表沉降面积已达200km2以上城市建设地表荷载增加随着城市建设速度加快，大量地面高层建筑导致建筑荷载增大，从而引起地层压缩近年在上海市和天津市被监测到地下工程兴建地表下沉地下交通工程不断兴建，地下空间引起的顶层下沉等地面沉降效应逐渐凸显过量抽取地下热流体随着地热资源开采兴起，过量抽取地下热流体引起的地面沉降现象逐渐显现如西藏羊八井、云南昆明市、福建福州市等都因开采地下热水引起地面沉降第8章地面沉降与塌陷灾害8.1地面沉降地面沉降危害地面标高损失：造成地表雨季积水，防泄洪能力下降，尤其沿海地区相对海平面上升，将加剧海水侵袭和风暴潮等灾害，还导致观测和测量标志失效重大线性工程破坏：城市轨道交通、市政管网、高速铁路、防汛设施等重大线性工程因地面不均匀沉降遭到破坏，直接威胁城市生产生活安全建（构）筑物损毁：地面差异沉降导致建筑物墙体开裂、高楼脱空、深井管上升等危害，严重时可影响建（构）筑物安全运营和使用寿命防汛通航能力下降：地面沉降易造成既有堤坝或防汛墙的防洪抗涝能力下降，河道桥下净空减小致通航能力降低，港口码头失效等生态环境恶化：地面沉降致使海平面相对上升，造成海水倒灌，土地盐碱化等一系列生态环境问题不利于城市建设和资源开发：地面沉降地区属于地层不稳定地带，在进行城市建设和资源开发时，需要更多的建设投资，而且生产能力也受到限制第8章地面沉降与塌陷灾害8.1地面沉降地面沉降机理抽水作用下的土层变形机理根据有效应力原理可知，土中由覆盖层荷载引起的总应力是由孔隙中的水和土颗粒骨架共同承担的由孔隙水承担的部分称为孔隙水压力（Pw），它不能引起土层的压密由土颗粒骨架承担的部分能够直接造成土体的压密，故称为有效应力（Ps）在孔隙水承压含水层中，抽取地下水所引起的承压水位的降低，必然要使含水层本身及其上、下相对隔水层中的孔隙水压力随之减小假定抽水过程中土层内部应力不变，那么孔隙水压力的减小必然导致土中有效应力等量增大，结果就会引起孔隙体积减小，从而使土层压缩第8章地面沉降与塌陷灾害8.1地面沉降地面沉降机理抽水作用下的土层变形机理砂层中，随着承压水头降低和多余水分排出，有效应力迅速增至与承压水位降低后相平衡的程度，砂层压密是“瞬时”完成的粘性土层中，压密过程进行得十分缓慢，往往需要几个月甚至几十年的时间。直到应力转变过程最终完成之前，粘土层中始终存在超孔隙水压力较低应力下砂层的压缩性小且主要是弹性、可逆的，而粘土层的压缩性大得多且主要是非弹性的永久变形在较低的有效应力增长条件下，粘性土层的压密在地面沉降中起主要作用在水位回升过程中，砂层的膨胀回弹则具有决定意义土层的压缩量还与土层的预固结应力（即先期固结应力）、土层的应力应变性状有关。由于抽取地下水量不等而表现出来的地下水位变化类型和特点也对土层压缩产生一定的影响第8章地面沉降与塌陷灾害8.1地面沉降地面沉降机理地面沉降的产生条件厚层松散细粒土层的存在：在广大的平原、山前倾斜平原、山间河谷盆地、滨海地区及河口三角洲等地区分布有很厚的第四系和第三系松散或未固结的沉积物长期过量开采地下流体：抽水过程中，由于含水层的水头降低，上、下隔水层中的孔隙水压力较高，因而向含水层排出部分孔隙水，结果使上、下隔水层的水压力降低。在上覆土体压力不变的情况下，粘土层的有效应力加大，地层受到压缩，孔隙体积减小新构造运动的影响：平原、河谷盆地等低洼地貌单元多是新构造运动的下降区，因此，由新构造运动引起的区域性下沉对地面沉降的持续发展也具有一定的影响城市建设对地面沉降的影响：降、排水常作为基坑等开挖工程的配套工程措施，旨在预先疏干作业面，需要大量抽取地下水，进而引发地面沉降第8章地面沉降与塌陷灾害8.1地面沉降地面沉降预测与防治地面沉降量估算方法分层总和法粘性土及粉土：砂土：单位变形量法单位形变量：比单位形变量：预测沉降量：发展趋势预测法时间因素：固结度：预测某时刻t月后地面沉降量：分层总和法示意图第8章地面沉降与塌陷灾害8.1地面沉降地面沉降预测与防治地面沉降计算模型——渗流模型二维渗流模型：该方法对于含水层考虑平面方向的渗流，而对于低渗透系数的弱透水层，仅考虑其垂直方向的渗流。土体变形以太沙基一维固结理论为基础：准三维渗流模型：我国自20世纪80年代中期开始进行地下水渗流和土层变形耦合的准三维计算，还考虑流变特性建立了渗流—变形—沉降耦合的包括主固结和次固结的计算模型真三维渗流模型：在尝试采用三维地下水渗流与地面沉降的一体化分析法，考虑三维方向的渗流和一维固结，并考虑储水率的变化，储水率的变化与曲线的斜率、有效应力和孔隙比有关，于是同时对含水层和弱透水层建立渗流方程不足之处：1）土层变形采用一维模型并不能表达现场的实际情况；2）不能考虑现场初始的应力条件；3）不能考虑地裂缝；4）对土体采用线弹性模型并不合适；5）由于土体变形的滞后性，使得土体的变形特性非常复杂，这与模型中的假定有一定的差距。第8章地面沉降与塌陷灾害8.1地面沉降地面沉降预测与防治地面沉降计算模型——土体变形模型和比奥固结模型两步计算模型：地下水渗流与地面沉降分析是分两步进行的，即先由基于轴对称假定的三维地下水流模型分析计算地下水头变化。然后，根据地下水头计算有效应力的变化，进而计算各土层的变形量，变形量之和就是地面沉降部分耦合模型：仅考虑垂直方向变形，而水平方向只考虑渗流，不考虑变形，对弱透水层不建立水流方程，渗流做源汇项处理完全耦合模型：考虑了土体的变形和地下水运动的相互作用，即孔隙水压力的变化对土体变形的影响以及土体变形对孔隙水压力的影响。将土的变形模型和地下水流动模型统一于相同的物理空间，孔隙水压力和变形同时算出比奥固结模型：比奥（Biot）于1941年从较严格的固结机理出发，推导了准确反映孔隙压力消散与土骨架变形相互关系的三维固结方程，一般称为“真三维固结理论”第8章地面沉降与塌陷灾害8.1地面沉降地面沉降预测与防治地面沉降监测精密水准测量：利用精密水准仪可测得基准点与监测点之间的高差，从而计算出监测点的高程值。通过长期观测，即可得到监测点周期内的高程变化值，该值即为地面沉降量GNSS监测：GNSS监测的原理是基于卫星导航信号的相位测量和时间测量，通过对观测信号的相位和数字信号进行分析，就可以高精度地计算出接收器位置的三维坐标信息和时间信息地下水位监测：在监测地各个含水层中建立地下水动态监测井，组成平面上以监测中心地区和地下水集中开采区为重点，覆盖全部监测范围的地下水动态监测井网，以掌握区域地下水的动态变化合成孔径雷达干涉测量技术：是利用合成孔径雷达（SAR）数据中的相位信息进行干涉测量处理，结合雷达参数和卫星位置信息反演地表三维及其变化信息的遥感技术第8章地面沉降与塌陷灾害8.1地面沉降地面沉降预测与防治地面沉降防控措施主要有调整开采层次、控制地下水开采量、人工回灌、以地表水代替原地下水源地等沉降区域应对措施对已发生地面沉降的地区减少地下水开采量和水位降深，调整开采层次，合理开发，当地面沉降发展剧烈时，应暂时停止开采地下水限制工程建设中的人工降低地下水位，改建城市给、排水系统和输油、气管线，从新布局因沉降而被破坏的交通线路等线性工程，使之适应地面沉降后的情况对地下水进行人工补给，回灌时应控制回灌水源的水质标准，以防止地下水被污染对可能发生地面沉降的地区建立健全的地面沉降监测网络，加强地下水动态和地面沉降监测工作根据抽水压密试验、渗透试验、先期固结压力试验、流变试验、载荷试验等的测试成果和沉降观测资料，计算分析地面沉降量和发展趋势提出合理开采地下水资源，限制人工降低地下水位及在地面沉降区内进行工程建设应采取措施的建议目录8.1

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地面塌陷非岩溶地面塌陷又根据塌陷区岩、土体的性质可分为黄土塌陷、火山熔岩塌陷和冻土塌陷等许多类型第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷地面塌陷含义与分类地面塌陷：上覆岩层发生破坏，岩土体下陷或塌落在地下空洞中，并在地表形成不同形态的塌坑在塌陷区往往伴随有围绕塌坑的若干裂缝，形成大小不等的环形或弧形开裂。由于下陷的不均一性，有时候会在塌陷区内形成一些起伏不平的鼓丘或不规则开裂地面塌陷自然塌陷人为塌陷地表岩、土体由于自然因素作用、如地震、降雨、自重等，向下陷落而成。由于人为作用导致的地面塌落。非岩溶地面塌陷地面塌陷岩溶地面塌陷主要发育在陷伏岩溶地区，是由于隐伏岩溶洞隙上方岩、土体在自然或人为因素作用下，产生陷落而形成的地面塌陷。根据塌陷区是否有岩溶发育，可划分为：根据诱发因素，可划分为：第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷岩溶地面塌陷岩溶：水对可溶性岩石进行以化学溶蚀作用和特征的综合地质作用以及由此产生的现象的统称地表表现形式：洼地、槽谷、漏斗、落水洞、石芽、石柱、溶峰等地下表现形式：大溶洞、小溶洞、填充型溶洞、无填充型溶洞、有水溶洞、无水溶洞、溶隙、溶沟、溶槽、暗河及岩溶管道等岩溶地面塌陷：开口岩溶洞隙与上覆土层中的水、气压力对盖层发生的力学效应导致的地面塌落我国可溶性岩，70％以上被第四纪松散堆积物覆盖，岩溶地面塌陷灾害遍布我国23个省，主要岩溶地面塌陷点数量在900处以上，塌陷坑总数超过3.2万个。岩溶现象图第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷岩溶地面塌陷毁坏城镇村庄各种建筑设施，造成房屋倒塌和破坏，甚至造成人员伤亡，诱发地震危害工农业生产毁坏农田、灌渠、鱼塘等，影响正常的农业生产，特别是，岩溶塌陷还会对城市交通和地下管线（如通讯、水电等）构成极大的威胁主要危害与成因机理破坏地表环境，致使地表径流条件改变，破坏耕地，恶化水文地质条件、土质，从而增强岩溶地下水的污染，破坏地下水资源，增加矿坑的涌水量影响资源开发，制约国民经济建设的发展地面塌陷物质条件、诱因、作用力与塌陷机理间关系第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷岩溶地面塌陷岩溶洞隙是塌陷产生的基础：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，地下形成错综复杂的洞隙网络系统。有不厚的未固结沉积物覆盖层：岩溶塌陷大多数产生于土层厚度小于10m地段，而且以厚度小于5m的地方塌陷产生密度最大，数量最多；均一砂性土最易产生塌陷，夹砂砾石土次之，而底部由粘性土的层状非均质土塌陷要少得多动力条件：动力条件主要包括水活动的动力条件和振动、地震以及外加荷载等，其中水活动是岩溶塌陷形成的十分重要的动力，而人类水活动引起的水动力作用，要比水的自然活动作用剧烈得多。主要危害与成因机理——岩溶塌陷产生的三个基本条件第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷岩溶地面塌陷抽取地下水致塌：塌陷较多始于60年代，与抽取地下水同步发展，随后逐年增多，与抽取地下水的增加相匹配地表雨水入渗：覆盖型岩溶区，人为开挖场地、机场、道路等，降雨入渗后常产生塌陷河水位涨落致塌：岩溶裂隙管道若与地表水系连通，河水位升降时，也会导致岩溶塌陷坑道排水、突水致塌：铁路沿线危害严重的塌陷中，坑道排水、突水致塌占比约为26%地震和振动因素：如产生断层的地震裂缝破裂效应、斜坡变形的破坏效应、土体压密下沉效应、振动液化效应、流塑变形效应等，从而使岩土体破坏，在有溶洞分布地区常引起地面塌陷产生重力和外荷载致塌：重力是塌陷形成的重要营力，并一直发挥作用。附加应力与加载重量有关，通过应力传递，击穿溶洞/土洞顶板引起塌陷主要危害与成因机理——岩溶塌陷成因动力作用外荷载作用地下水作用塌陷成因第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷岩溶地面塌陷水位下降致塌机理模型：如人为抽水致塌、矿坑涌水引起水位快速下降致塌、其他人类活动造成地下水位快速下降致塌，概括为：渗透力致塌，负压致塌、失托增荷致塌。水位恢复致塌机理模型：包括水库蓄水后造成地下水水位恢复，抽水停止以后引的地下水位恢复、其他原因造成地下水位的快速恢复，体现为“气爆效应”致塌机理地表水下渗致塌机理模型：指由于地表水下渗，造成了土层力学性质降低，即所谓“软化”，以及下渗中渗透力，引发土层中土洞塌陷过程动荷载致塌机理模型：指在振动荷载作用下引发的致塌过程，如：在列车振动中的致塌、爆破中的致塌、机床的振动致塌等都属于这类致塌机制静力加载致塌机理模型：包括各类建筑物的加载和车辆的加载等主要危害与成因机理——岩溶塌陷机理模型动力致塌模型外荷载致塌模型地下水致塌模型塌陷模型第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷岩溶地面塌陷地下水位降低：当地下水位降低至土层底界面以下时，将受到3种动力作用：表面张力作用：当水位降低至盖层底面后，水和土颗粒间的表面张力将在土颗粒上施加一个向下拉力吸力作用：随着水面持续降低，在相对密封的溶洞或裂隙顶部会形成部分真空，形成强大抽吸作用，使上覆土层受到吸蚀而产生破坏旋涡作用：地下水在盖层内形成岩溶通道，由于管壁的干扰作用形成旋涡流，旋涡会造成局部低压区，将所穿透的盖层周围土颗粒迅速旋吸到地下岩土性状：土体的渗透破坏类型与土层组成有关，砂砾石层以潜蚀为主，黏性土以流土破坏为主。无强风化层的二元结构土层最可能发生塌陷，其次是三元结构土层、一元结构土层。土的颗粒越粗，其抗塌性能越差，抗塌性随含砂量增加而降低，均匀结构的黏土具有最好的抗塌性影响因素第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷岩溶地面塌陷地下水补给：降水或地表积水入渗补给地下水，对覆盖层岩土体产生综合效应：静水增荷效应：降雨中或雨后，雨水沿盖层土体空隙下渗补给地下水，使土体含水量增加、饱和度增加，引起土体天然容重增加。地表雨水积聚，积水水体重量对土体产生静荷载垂直渗透效应：雨水补给地下水时，雨水水头与塌陷土柱底部零水头之间的水头差形成水力梯度，雨水渗透过覆盖层岩土体产生作用于塌陷土柱之上的渗透力作用吸水软化效应：降雨使土体含水量增加，土质变软，基质吸力减小，土体抗剪强度降低负压封闭效应：雨水入渗使土体饱和度增大，土体孔隙中气水含量比降低，透气性变差，封闭性增高，易于形成较大的真空负压差影响因素第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷岩溶地面塌陷地质构造：地质构造对岩溶塌陷的影响主要表现在构造对岩溶发育的控制性，为岩溶地下水活动及其对覆盖层土体的潜蚀提供良好的活动场所和储运空间，不仅控制溶洞发育方向，而且影响溶洞发育规模和大小人类活动：在人类工程活动强度和频率大的地区，统计得到的塌陷数量也较多、其规模也较大。人类工程活动主要形式：矿坑排水突水、抽水、水库蓄水引水、振动、堆载、开挖、地表污水下渗，尤其以矿坑排水突水和抽水影响最大影响因素第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷岩溶地面塌陷监测预防措施：指在查明塌陷原因、影响因素基础上，为消除或消减塌陷发生、发展主导因素的作用而采取的措施。选择有效的新技术、新方法如地质雷达、浅层地震、电磁波、声波透视（CT）等综合物探方法，形成能对岩溶塌陷迹象进行有效探测、识别的探测技术塌陷前兆出现环形裂缝时是塌陷前的迹象，尤其是裂缝比较集中的部位出现不同方向的裂缝交汇（叉）区，已发现凹陷的地段已出现裂缝且伸延很远，下雨后还在不断加深、加大的地段水塘、农田等突然发现漏水或冒水处听到地下有响声的地方抽水突然出现大量“浑水”时影响因素与防治措施——预防措施第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷岩溶地面塌陷合理地抽排地下水。在塌陷区内不宜长期连续大降深抽水，抽水时水位降深值要由小到大，避免一开始就采用大降深，同时要合理控制水位降深值；选址阶段进行以岩溶塌陷为主的地质灾害危险性评估分级，岩溶区建设重要建筑物时必要工作；塌陷区及其附近不宜开山放炮，引起的气压、液压的传布与冲击，较地震动破坏性更大加强各种排水沟渠的防渗措施，防止地表水集中渗入，破坏土层的稳定状态加强对工业废水和生活污水的处理力度，切实搞好沟道排水工程，尽量防止或减少工业废水和生活污水在岩溶地下管道内的排放、停滞、浸泡、下渗、溶蚀等作用加强岩溶塌陷地质灾害信息管理系统的建立在岩溶塌陷发育区进行长期监测，根据动态观测资料找出水位、流量、水质、水色变化与塌陷产生的互相变化规律，从而达到预知预防的目的影响因素与防治措施——预防措施第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷岩溶地面塌陷清除填堵法：及时回填新、老地面塌陷，避免陷坑对周边地面的牵连性变形破坏。首先清除塌陷土层直至基岩，然后自下而上回填块石、碎石、粗砂、粘土，做成反滤层，再进行灌浆固结跨越法：塌陷坑较深大，开挖回填有困难时。一般以梁板跨越，两端支承在可靠的岩、土体上强夯法：表土经过强力夯实后，降低压缩性，增加密实度，提高土层强度，增加稳定土层厚度，减少或避免塌陷发生灌注法：对于砂性土土洞，需通过钻孔填实空洞或加固扰动土层，并灌浆封盖下面岩溶管道开口。注浆目的是强化土层或洞穴充填物、充填岩溶洞隙、隔断地下水流通道、加固建筑物地基深基础法：对深度较大，跨越结构无能为力的土洞、塌陷，通常采用桩基将荷载传递到基岩上影响因素与防治措施——工程治理措施第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷岩溶地面塌陷旋喷加固法：“硬壳层”厚度根据具体地质条件和建筑物的设计要求而定，一般可达10～20m地表水综合治理法：土洞、塌陷地基治理阶段，地表水治理不能忽视恢复水位法：从根本上消除因地下水位下降造成地面塌陷的病源。如：当危及建筑物及行车安全相当严重时，必须停止取水，使其地下水位通过雨季补给得到恢复钻孔充气法：采用“堵水不堵气”或“通气泄水”等减压处理，避免人为构成或恢复气爆条件，防止抽水停止时地下水位迅速上升而产生气爆致塌修筑围堰法：规模较大的塌坑，往往反映其下岩溶强烈发育，一般很难根治。可构筑土堤将塌陷区圈起来，防止洪水对汇水区塌洞的径流补给影响因素与防治措施——工程治理措施旋喷施工第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷非岩溶地面塌陷矿山地面塌陷主要是矿山开采引发的地面塌陷和地裂缝，具有分布范围广，危害性大等特点采空区地面塌陷：矿层被开采以后由于破坏了开采区域周围岩体的原始应力平衡状态，应力重新分布至达到新的平衡，在这一过程中，岩层和地表产生连续的移动、变形和非连续的破坏主要危害地面塌陷造成耕地减少：平地沦为“湖泊”，良田绝产、或因土质降低及水位下降而减产危害地面建筑设施：地表出现不同程度下沉，将引起地面建筑设施不同程度的变形与破坏加剧环境污染与破坏：地貌破坏：平原地区地面出现大面积塌坑，造成交通堵塞；人类生存环境质量破坏：地下水疏干，土壤质量与可利用性能下降，PH值增高，土壤中生物的生存条件变坏，生物量减少，最终造成土壤生产力降低或丧失，等等矿山地面塌陷第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷非岩溶地面塌陷拱形冒落论和压力拱假说：该假说借用巷道顶板的成拱作用，认为采掘时在地下的岩层中形成了空间，引起覆岩冒落形成一个近似拱形的顶悬臂梁（板）冒落论：该假说将工作面和采空区上方顶板看成梁或板，初次冒落后，一端固定在前方岩石上，只发生弯曲而不折断。当悬臂梁（板）长度悬伸很大时，便发生周期性折断冒落岩块铰结论：砌体梁平衡说认为，在工作面，断裂带的影响比较大，断裂带破断之后的岩块形状如同砖石结构的砌体，所形成的平衡结构称为“砌体梁”，实际上是一种拱的结构“假塑性梁”理论认为地下煤炭的开采破坏了原有岩体中的应力平衡，随着开采工作面推进，覆岩在自重作用下沿岩层面法线方向产生弯曲。当弯曲的量达到一极限值时，在靠近煤壁端岩层的上表面首先产生开裂，然后在跨度中央、岩梁层的下表面也发生开裂，形成“假塑性梁”矿山地面塌陷——成因与机理第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷非岩溶地面塌陷上覆岩层力学性质的影响：不同覆岩岩层性质条件下，其移动量大小、形式不同，坚硬岩层的地表下沉量约为采厚的27-54%；中硬岩层为采厚的55-84%；软弱岩层为采厚的85-100%煤层倾角的影响：倾角不同，覆岩的移动形式、破坏形态和地表移动盆地的形态有较大差异开采厚度的影响：采厚越大，冒落带、导水裂缝带高度越大，地表移动变形值越大，其移动过程表现得越剧烈，岩层和地表移动变形值与采厚成正比开采深度的影响：随着开采深度的加大，地表各种移动变形值减小，地表移动范围扩大，地表移动盆地更平缓。各种变形值与采深成反比。所以采用深厚比作为地表塌陷的估算指标重复采动的影响：重复采动指岩层和地表已经历过一次开采的影响而产生移动、变形和破坏后，再次经受开采的影响。大多数煤矿均为多煤层开采或厚煤层分层开采矿山地面塌陷——影响因素矿山地下开采引起地面塌陷示意图第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷非岩溶地面塌陷采煤方法和顶板管理方法的影响：采煤方法可决定覆岩及地表的移动形式、先后顺序和方向。顶板管理方法也可决定采出空间的大小，从而决定覆岩和地表破坏的程度及移动量的大小矿山地面塌陷——影响因素地质环境类型的影响地形地貌：不同地貌单元，煤矿地面塌陷的危害不同，其地域性特别明显地层岩性：采空区顶板岩性不同，其移动量大小、塌陷形式不同煤层深埋条件：煤层埋深越大，变形扩展到地表所需的时间越长，地表变形值越小，变形比较平缓均匀，但地表移动盆地加大煤层厚度越大，开采空间越大，地表变形值增大；煤层倾角大时，水平移动值增大，地表出现裂缝的可能性增大地质构造因素：岩层节理裂隙发育，会加快变形，增大变形范围，扩大地表裂缝区生态环境因素：同样的地面塌陷在不同地质环境类型地区产生的环境地质问题不同第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷非岩溶地面塌陷留设保护煤柱法：此法多用于保护工业广场、井筒及重要建筑物或用于浅部开采。针对不同的保护对象，按要求留设一定尺寸的保护煤柱，再对煤柱外的煤炭资源予以回采。这种方法对于保护地面建筑与设施无疑是最有效的，但通常要造成煤炭资源的损失井下采空区充填法：此法是一项成熟的控制地面塌陷的措施。根据具体保护对象，可选择水砂充填、风力充填、矸石自溜充填、矸石带状充填、条带加充填等局部开采法：主要包括条带开采法、房柱式开采法及限厚开采法等。其中，条带法开采目前在我国应用仍然较多，主要理由是，地表下沉量很小，建筑设施可得到有效保护，这在某种意义上也维护了矿区环境。但此法的最大缺点是，既浪费煤炭资源，又影响生产效率，且使生产成本大幅度增加矿山地面塌陷——防治措施开采技术措施煤柱第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷非岩溶地面塌陷疏排法：用于潜水位不太高的塌陷区。通过建立排水系统，降低潜水位和疏排积水，以实现土地的重新利用挖深垫浅法：将塌陷区的深域部分再挖深，用于水产养殖业，将取出的土方覆盖到塌陷区的浅域部分，用于农业种植或植树，从而达到对塌陷区的充分利用回填复垦法：用露天矿剥离物、煤矸石、粉煤灰及城市垃圾等废物充填塌陷区，再覆盖一定厚度的沃土以发展农业种植，或对充填域采取夯实等地基处理方法营造民宅等生活区其它方法：对于塌陷区面积大、水面较深的地域，可直接开发养殖业，或修建人工景点，发展旅游业矿山地面塌陷——防治措施地面治理措施矿山地面塌陷第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷非岩溶地面塌陷覆岩离层充填控制地面塌陷技术：覆岩离层充填减缓地面塌陷方法的理论基础是煤矿区采动覆岩“拱板式平衡”力学结构，工艺原理是通过地面钻孔向覆岩中产生的离层带中注入某种充填材料，以控制覆岩下沉的途径来实现控制地面塌陷目的矿山地面塌陷——防治措施地面建筑的抗变形措施：根据对地面产生变形值的预测，对地面建筑设施采取相应的吸收和抵抗地面变形措施。覆岩离层充填技术原理说明图第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷非岩溶地面塌陷城市地面塌陷——主要危害对建筑物的危害：地面塌陷会毁坏建筑物和生产设施，造成建筑物倾斜，对房屋带来严重危害甚至毁灭性灾害对基础工程设施的危害：发生地面塌陷的地区多属于地层不稳定地带，会引起路基不均匀沉降，严重会损毁铁路、公路和水利设施塌陷造成建筑物毁坏地面塌陷引发的道路损毁第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷非岩溶地面塌陷城市地面塌陷——主要危害对沿海城市的破坏：沿海地带地面沉降到接近海面时，会发生海水倒灌，使土壤和地下水盐碱化，甚至使整个城市下沉到海平面以下，还能引起海水入侵、港湾设施失效等不良后果对地下构筑物的危害：随着城市建设的不断发展，城市地下工程越来越普及，然而路面塌陷却造成了大量的地下工程损失路面塌陷伴随的地下管道破坏网络图片海水倒灌和入侵第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷非岩溶地面塌陷城市地面塌陷——成因与机理潜蚀型塌陷：水力管线出现破损渗漏，土体在渗流作用下发生渗透破坏。周围土体在长期渗流作用下出现渗透变形，尤其对于较厚填土区、较松散砂类土为主区域极易形成空洞，使得地层承载力不足导致路面塌陷冲爆型塌陷：水的动力作用主要指其在流动过程中潜蚀、掏蚀路基土体，使土体松散、形成管道和空洞等，在其他因素作用下将不断发展扩大，直至形成具有规模的地下空洞，引发地面塌陷有压水力管线由于施工等原因发生断裂，使得管线中具有一定流速的大流量水体从管中流出冲刷周边土体，形成水动力作用，较短时间内大量土体随着动力水流失导致地面塌陷第8章地面沉降与塌陷灾害8.2

地面塌陷非岩溶地面塌陷城市地面塌陷——成因与机理真空吸蚀型塌陷：稳定的饱和砂土发生渗水后，水流剪切力让砂粒间发生移动引起超静孔隙水