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1、地质灾害与防治,天津城建大学地质与测绘学院,2013.6,什么是地质灾害滑坡崩塌泥石流地面塌陷地裂缝地面沉降,课程内容,地面塌陷的概念及分类是指地表岩、土体在自然或人为因素作用下，向下陷落，并在地面形成塌陷坑（洞）的一种地质现象。 当这种现象发生在有人类活动的地区时，便可能成为一种地质灾害。,根据其发育的地质条件和作用因素的不同，地面塌陷可分为以下两种类型：,1.岩溶塌陷 由于可溶岩（以碳酸岩为主，其次有石膏、岩盐等）中存在的岩溶洞隙而产生的。2.非岩溶塌陷 由于非岩溶洞穴产生的塌陷，如采空塌陷，黄土地区黄土湿陷引起的塌陷，玄武岩地区其通道顶板产生的塌陷等。,岩溶塌陷 采空塌陷,一、岩溶塌陷,
2、1、岩溶及其形态特征岩溶指可溶性岩石受地表水和地下水以化学溶蚀为主，机械侵蚀和崩塌为辅的地质营力的综合作用和由此产生的各种现象的统称，又称喀斯特(karst)。形态特征：溶沟、石芽、石芽、漏斗、落水洞、溶蚀洼地、溶蚀盆地、峰丛、孤峰等等,漓江两岸如诗如画的风景,漓江两岸如诗如画的风景,岩溶的形态特溶沟,岩溶的形态特征溶沟和石芽,岩溶的形态特征-石芽,岩溶的形态特征石林,岩溶的形态特征漏斗,岩溶的形态特征落水洞,岩溶的形态特征溶蚀洼地,岩溶的形态特征溶蚀盆地,岩溶的形态特峰丛,岩溶的形态特征峰林,岩溶的形态特征孤峰,岩溶的形态特征溶洞,石柱,石钟乳,石笋,地 下 溶 洞 的 形 成 过 程,该溶
3、洞有上、中、下三层，每层相互连通。上洞、中洞属同一水平溶洞系统，都很开阔，可容数百人；下洞中发育有近100m的地下河，沿地下河行舟可以直通地面。,岩溶的形态特征暗河,岩溶形态：,各种岩溶形态示意剖面图,二、岩溶塌陷的形态特征与规模,岩溶塌陷的规模,按塌陷坑直径大小分,岩溶塌陷面积分,1.岩溶塌陷,在可溶岩上有松散土层覆盖的覆盖岩溶区，塌陷主要产生在土层中，称为“土层塌陷”，其发育数量最多、分布最广；当组成洞隙顶板的各类岩石较破碎时，也可发生顶板陷落的“基岩塌陷”。,有圆形、椭圆形、长条形及不规则形等，主要与下伏岩溶洞隙的开口形状及其上复岩、土体的性质在乎面上分布的均一性有关。,1.1 岩溶塌陷
4、的平面形态,圆 形,椭 圆 形,长 条 形,不 规 则,有坛状、井状、漏斗状、碟状及不规则状等，主要与塌层的性质有关，粘性土层塌陷多呈坛状或井状，砂土层塌陷多具漏斗状，松散土层塌陷常呈碟状，基岩塌陷剖面常呈不规则的梯状。,1.2 岩溶塌陷的剖面形态,井 状,漏 斗 状,坛 状,碟 状,1.3 岩溶塌陷的规模,以个体塌陷坑的大小来表征，主要取决于岩溶发育程度，洞隙开口大小及其上复盖层厚度等因素。 据统计，土层塌陷陷坑直径一般不超过30m，其中以小于5m的占大多数，达6371，510m的占1020，个别大的可达6080m。塌陷坑可见深度绝大多数小于5m，可占总数的8497。基岩塌陷规模一般较大，如
5、四川兴文县小岩湾塌陷，长650m、宽490m、深208m。,我国岩溶塌陷分布广泛，除天津、上海、甘肃、宁夏、以外的26个省（区）中都有发生，其中以广西、湖南、贵州、湖北、江西、广东、云南、四川、河北、辽宁等省（区）最为发育。据统计，全国岩溶塌陷总数达2841处，塌陷坑33192个，塌陷面积约332平方公里，造成年经济损失达1.2亿元以上。,1.4 岩溶塌陷的分布,2.非岩溶性塌陷,其中采空塌陷是指煤矿及金属矿山的地下采空区顶板易落塌陷，在我国分布较广泛，目前已见于除天津、上海、内蒙、福建、海南、西藏以外的24个省区(包括台湾省)，其中黑龙江、山西、安徽、江苏、山东等省发育较产重，据不完全统计，
6、在全国21个省区内，共发生采空塌陷182处以上，塌坑超过1592个，塌陷面积大于1150平方公里，年经济损失达3.17亿元。在上述塌陷中，岩溶塌陷分布最广、数量最多、发生频率高、诱发因素最多，且具有较强的隐蔽性和突发性特点，严地威胁到人民群众的生命财产安全，因此在此着重讲述。,3. 岩溶塌陷的伴生与共生现象,（1）地面下沉：在岩溶洞隙上复盖层与厚度较大但性质松软的土层组成时，土洞的扩展将引起地面的局部下沉，其发展的结果最终将形成缓发性塌陷。位于建筑物下方的土洞，在其扩展过程中将引起建筑物的不均匀沉降，地面亦将出现局部下沉。,（一）伴生现象 主要有地面下沉、地面开裂和塌陷地震，它们随塌陷而产生，
7、有时成为塌陷的前兆现象。,（2）地面开裂：在土洞扩展到一定程度而尚未塌陷前，往往首先在地面出现裂缝，这些裂缝大都是弧形断续展布，具拉张特征，有时有多条裂缝是平行交错分布。裂缝进一步发展形成环状裂缝，且宽度加大，有时内侧下错形成小的错台，但一般不具有水平的相对位移。这些环状裂缝往往是塌陷坑口位置的表征。此外，在塌陷坑外侧周边还可出现弧形的牵引裂缝。在塌陷坑形成后引起坑壁的坍塌。（3）塌陷地震：大规模的塌陷可引起地震效应，由于其产生地震的能量有限，震源深度很浅，因此强度低，震级小，但烈度偏高。如水口山矿区，在排水初期塌陷大量产生，同时出现烈度5度地震，影响范围直径5公里。乌江渡六厂1945一194
8、6在灰岩中产生3级地震。烈度在56，贵州开阳县城东南，1957一1958年在灰岩，白云岩中出现塌陷地震，震级3级。湖北恩施沐抚区大山顶一带1975年1月27日，当地群众听到地下有闷雷声，地面见有裂缝，宽12厘米，长数十至数百米，裂缝附近常见有漏斗或新近塌陷的坑洞，多属基岩塌陷，塌陷地震震级0.50.7级，影响范围南北长1520公里，东西宽2一10公里。,(二) 共生现象 岩溶地区在自然和人为因素作用下除产生塌陷外，还可由于自身所具有的条件出现与之共生的地面变形现象，如沉陷和地裂。它们与塌陷没有必然的成因联系，而是与塌陷不同的另一类变形现象，认识它对于区别塌陷现象有着重要的意义。,（1）地裂：岩
9、溶地区可出现不同类型的地裂，除新构造运动形成的地裂可偶见外，较常见的是岩溶地区的红粘土中因具有胀缩性(遇水膨胀、失水收缩)而产生的地裂，并常使建筑物开裂损坏。另一类地裂是由于地面沉降而引起的，伴随地面沉降而出现和分布。沉降愈强烈，地裂也愈密集，其延伸长度由数十米至百余米不等。如江西乐平花亭锰矿在放水试验时伴随降出现地裂150多条，最大长度160米，可见最深2米。,农田地裂缝，宽度平均20厘米，最宽处40厘米，走向延伸约100多米,（2）地面沉降：岩溶地区可出现不同类型的地面沉降，常见的一种类型是“脱水压密沉降”，如昆明翠湖公园因附近园通山人防工程排水，声溶地下水位有较大下降，该处上复的疏松饱水
10、土层中除有39个塌陷产生外，公园内还普遍见到桥墩下沉、房屋开裂、湖堤外侧开裂等一些明显的下沉开裂现象，这是土层脱水压密的结果。江西乐平花亭锰矿复盖层为厚535米的红粘土和厚约5米左右的砂砾石层，1970年2月于一40米坑放水试验，降深325米，涌水量268升秒，除产生82个塌陷外，在降落漏斗内侧约1公里范围内地面还产生沉降和开裂，其最大下沉量达360毫米，超过30毫米的沉降区面积约3平方公里。这也是因为砂砾石层的疏干压密和粘性土层脱水后固结压密的结果。另一类沉降是由于土层下密布细小的岩溶洞隙，使土层向下较均匀地流失造成的这种现象在石膏岩溶区最为典型。,地面沉降又称为地面下沉或地陷。它是在人类工
11、程经济活动影响下，由于地下松散地层固结压缩，导致地壳表面标高降低的一种局部的下降运动（或工程地质现象）。,百色乐业，大石围天坑最大深度613m，坑口东西长600m，南北宽420m，,三、岩溶塌陷形成条件与成因分类,一）发育的基本条件是：岩溶洞隙的存在一定厚度的松散盖层易于改变的岩溶地下水动力条件二）岩溶塌陷形成的成因分类 自然塌陷:暴雨引起的塌陷洪水引起的塌陷 重力引起的塌陷 地震引起的塌陷,地震引起砂土液化(台中港1-4码头),人为塌陷：,矿山地下采空 地下工程中的排水疏干与突水（突泥）作用 过量抽采地下水 人工蓄水 人工加载或振动 表水或污水下渗引起的塌陷,07.6河南金堆城钼矿地面塌陷
12、五矿工失踪,07年4月25日在南昌市的路面塌陷现场,某市大地洞于2月23日形成，目击者称，地洞出现前，附近地面出现了震动,07.8事发九龙坡石坪桥农贸市场，40km2地面塌陷，地下有暗河,07.7重庆暴雨导致白公馆停车场大面积塌陷,白公馆景区停车场发生大面积塌陷,南京地铁工地渗水塌陷引发天然气爆炸,村民家中地面塌陷疑与隧道施工有关,广西阳朔岩溶塌陷易发区,石膏矿长期进行地下采掘作业引起的，受此次开裂和地陷影响的田地约有60多亩，其中稻田30余亩。,06年12月广西岑溪村庄地面塌陷 257人紧急撤离，至2007年1月3日止，地陷仍在继续,四、岩溶塌陷的受力分析,岩溶塌陷的发生，实质上是土洞的抗塌
13、力小于致塌力的结果。如图,致塌力,1 、自重力(G)2、荷载力(P)3、地下水的渗透压力：分为垂向渗透力（Fp）和侧向渗透力 （FH） 4、气体负压力(P0)：地下水位下降至岩溶空腔内时，产生向下的吸蚀力，低于大气压。5、气体正压力(PI)：当地下水位迅速升高时，将被压缩形成正压力，导致冲爆致塌。正压力大于大气压力 6、大气压力(Pa) 7、振动力(S),抗塌力,1、 岩土体的内聚力(C)：颗粒间的引力(凝聚力)，粘性土比砂性土大2、 地下水浮力(W)：岩土体位于地下水位之中时，因含水量增加而自重加大，但浮力抵消了部份自重力。3、摩擦力(F)：土体坍塌时与周边产生的准阻力,五、岩溶地面塌陷的成
14、因机制,一）潜蚀效应理论认为，地下水位下降时，水力梯度也随之大。当水力梯度达到一定值时，动水压力则大于土体粘聚力与颗粒间摩擦力，土颗粒开始被渗流带动迁移。这一现象称为溶蚀。使土颗粒开始渗流的水力梯度称为临界水力梯度,临界水力梯度是土颗粒在地下水的作用下，从静止状态转变为运动状态时的水力梯度。理论上水力梯度值最大等于1但常有附加水头，实测的I，较理论计算的偏大.因此，式(4一1)一般不用来评价粘性土的潜蚀与否，多采用实测的办法。 据达西公式和动能公式，地下水侧向流时的动能：,二）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。此值
15、水位上升为正，下降为负。当岩溶管道中B点水无流动(未抽水或坑道无排、放水)时，A点的压强为,压强差作用十土骨架，使土体受力变形、散离，以致塌陷。同时使土层中水力梯度增大，水气流体运动增强，潜蚀与吸蚀能力增大。,三）垂直渗压效应,当地表雨水入渗时，水在孔隙中运动，对土颗粒施加一种垂向渗透压力，从而改变了土体的力学性质。当渗透压力达到一定值时，使土体结构破坏，土颗粒随水流产生运移，即流土或管涌，进而形成土洞，直至发生地面变形或塌陷。由这种渗透力作用而产生的力学现象及过程，称为渗压效应。,四）浮力效应,岩土体位于地下水位之中，便产生静水浮力。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
16、少。浮力减少对不同的盖层厚度，同一水位降深所减少的绝对浮力值相同，但影响随土层厚度大小有别。,五）自重效应 雨水入渗后，盖层厚度大，溶陷面积宽，自重也大，使土拱承受更大的重量，导致塌陷。六）土体强度效应 土体吸水饱和后，内聚力与内摩擦角较天然状况时减少七）其它效应 除上述几种机制外，尚有地震、超声波等特殊致塌效应。,岩溶地面塌陷的成因、机制关系,六、岩溶塌陷的发育规律,一）分布规律岩溶强烈发育的可溶岩分布地带或沿其与非可溶岩的接触地带。沿可溶岩中的断裂带或主要裂隙交汇破碎带，岩层剧烈转折、破碎的地带；松散盖层较薄且以砂土为主，其底部粘性土层缺失或甚薄的“天窗”地段；地下水的主通流带或岩溶管道上
17、及排泄区地下水位在基岩面上下频繁波动的地带，或受排水影响强烈的降落漏斗中心及近侧地段；地下水位埋藏较浅的低洼地带。,二）岩溶塌陷发育的时空动态规律,1单个岩溶塌陷的发育过程及其动态特征具有由岩溶洞隙土洞塌陷的发育过程2岩溶塌陷群发育的时空动态： 塌陷的持续性 塌陷的阶段性 塌陷的周期性 塌陷的重复性,四）地面塌陷的前兆,地面形变：地面出现环型开裂，地面出现沉降等。建筑物：倾斜、开裂等水：地下水位水量等突变；地面积水引起地面冒气泡、水泡、旋流等。植物变态、动物惊恐等,七、岩溶塌陷稳定性的宏观判断标志,1稳定性较好的塌陷一般具有下列特征 坑底经后期充填后地面较平滑，参差凹凸的现象已不复见；坑周围的
18、环形裂缝已多自行填塞不显。坑底堆积物中未见新的下沉、错移等复活迹象，坑底未见新的裂缝或坑穴。植物生长茂密，已遮盖大部分剖面。无地表水汇集注入现象，雨后坑中积水消散较慢。附近不存在人为因素的强烈影响,2.稳定性差的塌陷坑，其特征,塌陷坑形态保存较好，特别是坑中堆积物有沉陷、错移迹象，并见有裂缝。塌陷坑周边环形裂缝发育较齐全，其宽度、长度都有进一步发展的趋势植物不发育或发育不均衡有地表水流汇集注入迹象，水流入渗迅速附近有人为因素的影响,岩溶塌陷活动程度判定表,八、岩溶塌陷的监测,一)地面监测1、抽水点附近监测：对地面开裂、沉降等变形监测。2、水文监测 ：地表积水、干涸或放水灌溉及雨季前期降雨都是塌
19、陷前兆。 3、异常监测：建筑物开裂、植物倾斜、井泉突然冒水，地下水有异常声,二）在泉点、矿坑及水库渗漏点监测,地下水位：监测降深是否超过设计允许值。地下水位升降速度：防止骤然速度。砂泥量：水中带泥砂量高，易导致塌陷孔井内仪器监测:如伸缩性水准仪等。,三）报警装置,聚氯乙烯铜线报警：聚氯乙烯铜线装入混凝土管内，埋设于填土中，当发生塌陷混凝土管折断时，显示色灯信号。但其断线才能报警，故只有一次使用寿命。重力传感音响报警 塌陷时地表变形，重力也将发生变化，将重力转换为音响报警装置，进行报警,九、岩溶地面塌陷的治理技术,一）地表封闭防渗 1、植被防渗 2、排水设施 3、水泥土封闭 4、氯丁橡胶板封闭5、玻璃纤维涂料封闭6、回填抹面封闭,二）地下加固措施,1、恢复地下水位：坑道堵水、停用油水井和人工回灌或补偿地下水2、控制地下水位3、钻孔充气4、压浆 5、强夯,6、旋喷,旋喷技术是利用旋转提升、高压喷射水泥浆凝结成松柱或不旋转只定向提升喷射成板墙。桩柱、固结、帐幕,7、碎石填料 8、锚固桩9、挖(钻)孔桩10、桩栅栏 11、压浆井 12、锚 杆,三）结构物跨越,对已发生的岩溶塌陷及查清的隐伏洞穴，尚可作结构物跨越。 如、桥钢轨梁(板)等,岩溶塌陷综合治理图,
