地質(zhì)災(zāi)害地面塌陷

1、第九講第九講地面塌陷地面塌陷中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG提 綱l一、概述l二、我國地面塌陷分布的特點(diǎn)l三、地面塌陷形成條件及發(fā)生機(jī)理l四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價l五、地面塌陷的防治中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG一、概述一、概述u 地面塌陷地面塌陷 定義定義: :天然洞穴或人工洞室上覆巖土體失穩(wěn)突然陷落，導(dǎo)致地面快速下沉、開裂的現(xiàn)象和過程。 地下存在空洞是地面塌陷發(fā)生的先決條件，地下空洞可分為天然洞穴和人工洞室兩類。天然洞穴是由自然地質(zhì)作用形成的，包括巖溶洞穴、土洞（黃土洞穴、紅

2、土洞穴、凍脹丘融化形成的土洞）。人工洞室是人工采掘活動所形成的，包括人防工程、地鐵、隧道、蝕洞和采礦形成的地下巷道系統(tǒng)。中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG2010.4.2 德國貝恩堡直徑30m、深40m塌陷坑2010.4.8 廣西賀州一水塘出現(xiàn)近20個塌陷坑2010.5.3 四川宜賓半月43個塌陷坑，最大直徑60米2010.5.26 甘肅蘭州高速路塌陷坑2010.5.27 湖南沅陵人行道突然塌陷2010.5.28 湖北武漢徐東大街路面塌陷2010.5.30 四川成都大邑新場鎮(zhèn)、崇州懷遠(yuǎn)鎮(zhèn)連續(xù)多個天坑2010.5.31 危地馬拉地面塌陷形成

3、大坑深60m、徑30m 2010.6.3 廣西來賓地陷巨坑連成200m塌陷帶2010.6.4 江西南昌昌南大道與迎賓北大道交叉口突然塌陷2010.6.4 浙江衢州高速公路巨坑直徑8米、深10m. 一、概述一、概述中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUGu 地面塌陷的危害地面塌陷的危害一、概述一、概述（一）破壞地面建筑、造成人員傷亡（一）破壞地面建筑、造成人員傷亡（二）損毀鐵路、公路和水利設(shè)施（二）損毀鐵路、公路和水利設(shè)施（三）破壞農(nóng)田（三）破壞農(nóng)田 （四）引發(fā)礦井水患（四）引發(fā)礦井水患 2009年年7月月22日，黑龍江雞西鑫永豐煤礦地面塌日，黑

4、龍江雞西鑫永豐煤礦地面塌陷，引發(fā)礦井水災(zāi)。陷，引發(fā)礦井水災(zāi)。 黑龍江鶴崗煤礦，開采黑龍江鶴崗煤礦，開采70多年來，已塌陷土地多年來，已塌陷土地41.97km2，搬遷房屋總建筑面積，搬遷房屋總建筑面積39.7104m2， 2000年年4月月6日，洪山區(qū)青菱鄉(xiāng)烽火村地面塌陷。日，洪山區(qū)青菱鄉(xiāng)烽火村地面塌陷。陷坑陷坑18個，最大陷坑長個，最大陷坑長63米、深米、深67米。倒塌，米。倒塌，有有16棟民房出現(xiàn)不同程度的開裂、破損。棟民房出現(xiàn)不同程度的開裂、破損。2008年年11月月15日杭州地日杭州地鐵鐵一一號線號線地面塌陷事故，造地面塌陷事故，造成成75米的路面陷落了米的路面陷落了15米，正在行米，正

5、在行駛駛的十一的十一輛輛汽汽車車包括一包括一輛輛公交公交車車陷入坑陷入坑內(nèi)內(nèi)，17人死亡，人死亡，4人失蹤。人失蹤。 中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG二、我國地面塌陷分布的特點(diǎn)二、我國地面塌陷分布的特點(diǎn)（一）（一）巖溶巖溶地面塌陷分地面塌陷分布布 巖溶塌陷主巖溶塌陷主要集中在揚(yáng)要集中在揚(yáng)子地臺和華子地臺和華北地臺的碳北地臺的碳酸鹽巖分布酸鹽巖分布區(qū)區(qū) ，可分為，可分為南、北巖溶南、北巖溶塌陷高發(fā)區(qū)。塌陷高發(fā)區(qū)。中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG二、我國地面塌陷分布的特點(diǎn)二、我國地面

6、塌陷分布的特點(diǎn)1 1、北方巖溶地面塌陷區(qū)、北方巖溶地面塌陷區(qū) 長江以北，由于華北地臺大多為大型寬緩的褶皺和斷塊構(gòu)造，長江以北，由于華北地臺大多為大型寬緩的褶皺和斷塊構(gòu)造，氣候較干旱，降水量少，巖溶發(fā)育程度不高，除古代的巖溶洞穴氣候較干旱，降水量少，巖溶發(fā)育程度不高，除古代的巖溶洞穴系統(tǒng)有部分殘留外，系統(tǒng)有部分殘留外，現(xiàn)代巖溶主要以溶蝕裂隙為主現(xiàn)代巖溶主要以溶蝕裂隙為主。 巖溶地面塌陷大多集中在山區(qū)與平原的過渡地帶巖溶地面塌陷大多集中在山區(qū)與平原的過渡地帶，如遼寧省的，如遼寧省的南部、山東的泰安、棗莊、萊蕪、河北的唐山、秦皇島柳江盆地、南部、山東的泰安、棗莊、萊蕪、河北的唐山、秦皇島柳江盆地、江

7、蘇的徐州、安徽的淮南、淮北等地。江蘇的徐州、安徽的淮南、淮北等地。 分布有古代巖溶塌陷的痕跡分布有古代巖溶塌陷的痕跡陷落柱陷落柱。華北地臺曾經(jīng)歷過多。華北地臺曾經(jīng)歷過多次構(gòu)造運(yùn)動，地下水的區(qū)域排泄基準(zhǔn)面也多次變遷，致使碳酸鹽次構(gòu)造運(yùn)動，地下水的區(qū)域排泄基準(zhǔn)面也多次變遷，致使碳酸鹽巖地層形成大量的洞穴。古代巖溶塌陷主要分布在晉、冀、魯、巖地層形成大量的洞穴。古代巖溶塌陷主要分布在晉、冀、魯、豫、陜等省，太原西山、汾河沿岸、河北太行山一帶的煤田中較豫、陜等省，太原西山、汾河沿岸、河北太行山一帶的煤田中較為常見。為常見。中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studie

8、s-CUG二、我國地面塌陷分布的特點(diǎn)二、我國地面塌陷分布的特點(diǎn)2 2、南方巖溶塌陷區(qū)、南方巖溶塌陷區(qū) 位于長江以南的廣大地區(qū)，是我國碳酸鹽巖分布最集中、面積位于長江以南的廣大地區(qū)，是我國碳酸鹽巖分布最集中、面積最大的區(qū)域，總面積約最大的區(qū)域，總面積約176.08176.0810104 4kmkm2 2。氣候溫?zé)釢駶櫍脖?。氣候溫?zé)釢駶櫍脖幻?，地質(zhì)構(gòu)造多為緊密的褶皺和密集的斷塊，茂密，地質(zhì)構(gòu)造多為緊密的褶皺和密集的斷塊，現(xiàn)代巖溶十分發(fā)現(xiàn)代巖溶十分發(fā)育育。 裸露巖溶區(qū)和半裸露巖溶區(qū)的面積占碳酸鹽巖總面積的裸露巖溶區(qū)和半裸露巖溶區(qū)的面積占碳酸鹽巖總面積的41.3%41.3%，主要分布于云南、貴州

9、、四川、廣西、湖南、江西、湖北等省。主要分布于云南、貴州、四川、廣西、湖南、江西、湖北等省。湖南省巖溶塌陷居全國之首，其次為廣東省和廣西壯族自治區(qū)，湖南省巖溶塌陷居全國之首，其次為廣東省和廣西壯族自治區(qū)，再其次為貴州、云南、四川。再其次為貴州、云南、四川。 礦山排水、開采地下水、水庫蓄水等礦山排水、開采地下水、水庫蓄水等人為干擾巖溶水流場的活人為干擾巖溶水流場的活動，是誘發(fā)巖溶地面塌陷的主導(dǎo)力量動，是誘發(fā)巖溶地面塌陷的主導(dǎo)力量。 中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG二、我國地面塌陷分布的特點(diǎn)二、我國地面塌陷分布的特點(diǎn)（二）礦山采空區(qū)地面塌陷

10、的分布（二）礦山采空區(qū)地面塌陷的分布 礦山采空區(qū)地面塌陷是我國地面塌陷中另一種重要形式。其礦山采空區(qū)地面塌陷是我國地面塌陷中另一種重要形式。其中煤礦開采造成的地面塌陷比例最大。中煤礦開采造成的地面塌陷比例最大。 目前我國采礦業(yè)造成的地面塌陷主要分布在全國目前我國采礦業(yè)造成的地面塌陷主要分布在全國2020個省區(qū)市，個省區(qū)市，塌陷點(diǎn)總數(shù)達(dá)塌陷點(diǎn)總數(shù)達(dá)1713817138個，占全國各種類型地面塌陷總點(diǎn)數(shù)個，占全國各種類型地面塌陷總點(diǎn)數(shù)44.4%44.4%，其中湖南省為其中湖南省為1254912549個，再其次為內(nèi)蒙古自治區(qū)個，再其次為內(nèi)蒙古自治區(qū)28002800個，再其個，再其次分別為山西、黑龍江、

11、安徽、河南等省。次分別為山西、黑龍江、安徽、河南等省。 中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機(jī)理三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機(jī)理l 地面塌陷的形成條件地面塌陷的形成條件（一）巖土體的內(nèi)部條件（一）巖土體的內(nèi)部條件1 1、地下存在空洞、地下存在空洞 具備一定規(guī)模的地下無巖土的空間，即空洞。地下空洞的存具備一定規(guī)模的地下無巖土的空間，即空洞。地下空洞的存在有著兩方面的意義：在有著兩方面的意義： 其一，它是洞體頂板、側(cè)壁局部冒落物以及塌陷發(fā)生時墜落其一，它是洞體頂板、側(cè)壁局部冒落物以及塌陷發(fā)生時墜落物的儲容空間，在地下

12、巖溶發(fā)育區(qū)，地下洞穴以及溶蝕裂隙還物的儲容空間，在地下巖溶發(fā)育區(qū)，地下洞穴以及溶蝕裂隙還起著將洞穴暫時堆積物輸移到遠(yuǎn)處或深處溶洞的通道作用。起著將洞穴暫時堆積物輸移到遠(yuǎn)處或深處溶洞的通道作用。 其二，地下空洞為具有多個臨空面的空腔，空洞的頂、底板其二，地下空洞為具有多個臨空面的空腔，空洞的頂、底板和側(cè)壁在周圍巖壓的作用下極易發(fā)生應(yīng)力集中，而處于穩(wěn)定性和側(cè)壁在周圍巖壓的作用下極易發(fā)生應(yīng)力集中，而處于穩(wěn)定性很差的狀態(tài)，一旦受到外力干擾，容易失穩(wěn)而發(fā)生覆巖的冒落，很差的狀態(tài)，一旦受到外力干擾，容易失穩(wěn)而發(fā)生覆巖的冒落，甚至發(fā)生波及地表的塌陷。甚至發(fā)生波及地表的塌陷。中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School

13、of Environmental Studies-CUG 地下空洞的形成，可以是自然力，也可以是人工挖掘的結(jié)果。地下空洞的形成，可以是自然力，也可以是人工挖掘的結(jié)果。l 在可溶鹽巖分布區(qū)的巖溶洞穴包括各種形態(tài)的溶洞、溶隙、在可溶鹽巖分布區(qū)的巖溶洞穴包括各種形態(tài)的溶洞、溶隙、管道等。一般而言，當(dāng)可溶巖巖性較純，巖層厚度較大，出露分布管道等。一般而言，當(dāng)可溶巖巖性較純，巖層厚度較大，出露分布廣，斷層較發(fā)育、巖層較破碎時，巖溶較易發(fā)育。廣，斷層較發(fā)育、巖層較破碎時，巖溶較易發(fā)育。 巖溶洞隙的發(fā)育一般受巖溶洞隙的發(fā)育一般受巖溶地下水排泄基準(zhǔn)面的控制巖溶地下水排泄基準(zhǔn)面的控制，多發(fā)育，多發(fā)育于淺部，向深

14、部逐漸減弱。于淺部，向深部逐漸減弱。淺部巖溶洞淺部巖溶洞隙由于地下水活動頻繁，交隙由于地下水活動頻繁，交替強(qiáng)烈，一般替強(qiáng)烈，一般連通性較好連通性較好，成為塌陷物質(zhì)的儲集空間和運(yùn)移通道。，成為塌陷物質(zhì)的儲集空間和運(yùn)移通道。塌陷坑與開口洞隙存在著密切的垂向?qū)?yīng)關(guān)系。塌陷坑與開口洞隙存在著密切的垂向?qū)?yīng)關(guān)系。洞穴愈大洞穴愈大，塌陷規(guī)，塌陷規(guī)模也愈大；洞隙模也愈大；洞隙開口愈大開口愈大，塌陷速度愈快。，塌陷速度愈快。l 地下井巷系統(tǒng)是最易引發(fā)地面塌陷的一種人工洞室。地下井巷系統(tǒng)是最易引發(fā)地面塌陷的一種人工洞室。三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機(jī)理三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機(jī)理中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院Scho

15、ol of Environmental Studies-CUG中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG（一）巖土體的內(nèi)部條件（一）巖土體的內(nèi)部條件2 2、洞穴圍巖狀況、洞穴圍巖狀況 地下洞穴的受力狀況如同梁的受力，洞的頂板相當(dāng)于承載上覆巖地下洞穴的受力狀況如同梁的受力，洞的頂板相當(dāng)于承載上覆巖土體自重的梁，洞的兩側(cè)如同位于梁端的兩個支點(diǎn)。土體自重的梁，洞的兩側(cè)如同位于梁端的兩個支點(diǎn)。是否發(fā)生塌陷是否發(fā)生塌陷取決于頂板能夠形成穩(wěn)定的支撐拱取決于頂板能夠形成穩(wěn)定的支撐拱。 三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機(jī)理三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機(jī)理 一般而論，

16、當(dāng)洞穴埋藏深度一般而論，當(dāng)洞穴埋藏深度與洞穴高度之比大于與洞穴高度之比大于2525：1 1時，時，洞頂上部就會形成三個變形特點(diǎn)洞頂上部就會形成三個變形特點(diǎn)不同的帶，即冒落帶、裂隙帶和不同的帶，即冒落帶、裂隙帶和彎曲帶。彎曲帶。中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG（二）巖土體的外部條件（二）巖土體的外部條件1 1、自然影響因素、自然影響因素（1 1）大氣降水）大氣降水l 降雨入滲水可以使洞頂覆巖的含水層增大，自重加大；降雨入滲水可以使洞頂覆巖的含水層增大，自重加大；l 下滲水流會濕潤裂隙面，降低巖石塊體間的抗滑阻力，從而引下滲水流會濕潤裂隙面

17、，降低巖石塊體間的抗滑阻力，從而引起洞頂和洞壁的進(jìn)一步變形而失穩(wěn)。起洞頂和洞壁的進(jìn)一步變形而失穩(wěn)。l 降雨強(qiáng)度大、歷時較長時，入滲的水流進(jìn)入圍巖中的寬大裂降雨強(qiáng)度大、歷時較長時，入滲的水流進(jìn)入圍巖中的寬大裂隙，形成較大的動水壓力和沖刷作用。隙，形成較大的動水壓力和沖刷作用。l 在巖溶地區(qū)，降水入滲對補(bǔ)給封閉巖溶洞穴，快速上升的巖在巖溶地區(qū)，降水入滲對補(bǔ)給封閉巖溶洞穴，快速上升的巖溶水會壓縮洞內(nèi)，形成上擠的壓力，導(dǎo)致氣爆發(fā)生，引發(fā)洞頂塌陷。溶水會壓縮洞內(nèi)，形成上擠的壓力，導(dǎo)致氣爆發(fā)生，引發(fā)洞頂塌陷。三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機(jī)理三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機(jī)理中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School

18、of Environmental Studies-CUG（2 2）河、湖近岸地帶的側(cè)向倒灌作用）河、湖近岸地帶的側(cè)向倒灌作用 河、湖近岸地帶普遍分布著孔隙潛水與巖溶水組成的雙層河、湖近岸地帶普遍分布著孔隙潛水與巖溶水組成的雙層含水介質(zhì)。含水介質(zhì)。 汛期洪水位急劇上升的情況下，河、湖水將向地下水產(chǎn)生側(cè)汛期洪水位急劇上升的情況下，河、湖水將向地下水產(chǎn)生側(cè)向倒灌，地下水位隨之上升。這時巖溶地下水對洞隙上覆蓋層向倒灌，地下水位隨之上升。這時巖溶地下水對洞隙上覆蓋層土體產(chǎn)生土體產(chǎn)生正壓力或使浮托力增大正壓力或使浮托力增大。 在洪水位迅速回落時，巖溶地下水位回落快于潛水位，對洞在洪水位迅速回落時，巖溶地下

19、水位回落快于潛水位，對洞隙上覆蓋層的浮托力很快消減，通過洞隙開口處從潛水含水層隙上覆蓋層的浮托力很快消減，通過洞隙開口處從潛水含水層向巖溶洞隙產(chǎn)生垂向的滲透潛蝕作用，在蓋層中形成土洞進(jìn)而向巖溶洞隙產(chǎn)生垂向的滲透潛蝕作用，在蓋層中形成土洞進(jìn)而擴(kuò)展形成塌陷。這種現(xiàn)象稱之為洪水倒灌潛蝕塌陷，簡稱為擴(kuò)展形成塌陷。這種現(xiàn)象稱之為洪水倒灌潛蝕塌陷，簡稱為洪洪水塌陷水塌陷。 三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機(jī)理三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機(jī)理中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG（3 3）地震）地震l 一是地震力可使洞頂覆巖以及洞壁的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，引起一是地

20、震力可使洞頂覆巖以及洞壁的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，引起巖層破裂、位移加??；巖層破裂、位移加??；l 二是洞隙上覆松散飽水細(xì)粒物質(zhì)發(fā)生二是洞隙上覆松散飽水細(xì)粒物質(zhì)發(fā)生“液化液化”，而形成地面，而形成地面塌陷。塌陷。 2 2、人為活動的影響、人為活動的影響 人為激發(fā)活動主要表現(xiàn)在地面施加荷載、人為爆破和車輛振人為激發(fā)活動主要表現(xiàn)在地面施加荷載、人為爆破和車輛振動、水庫蓄放水的人工調(diào)節(jié)等。對于巖溶地面塌陷，除上述人動、水庫蓄放水的人工調(diào)節(jié)等。對于巖溶地面塌陷，除上述人為活動外，地下水的抽排、回灌，尤其是快速、大降深的抽水為活動外，地下水的抽排、回灌，尤其是快速、大降深的抽水活動往往是引發(fā)地面塌陷最普遍的原因。

21、活動往往是引發(fā)地面塌陷最普遍的原因。 三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機(jī)理三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機(jī)理中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機(jī)理三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機(jī)理二、地面塌陷發(fā)生的機(jī)理二、地面塌陷發(fā)生的機(jī)理（一）礦山采空區(qū)地面塌陷的機(jī)理（一）礦山采空區(qū)地面塌陷的機(jī)理 l 第一階段為掘進(jìn)和回采的初期，存第一階段為掘進(jìn)和回采的初期，存在冒落帶、斷裂帶和彎曲帶在冒落帶、斷裂帶和彎曲帶 ；l 第二階段為地裂縫發(fā)展階段，僅存第二階段為地裂縫發(fā)展階段，僅存在冒落帶和斷裂帶；在冒落帶和斷裂帶；l 第三階段為地面塌陷

22、階段，僅存在第三階段為地面塌陷階段，僅存在冒落帶。冒落帶。中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG 形成塌陷的原因很多。如潛蝕、真空吸蝕、振動、土體軟化、形成塌陷的原因很多。如潛蝕、真空吸蝕、振動、土體軟化、建筑荷載。因當(dāng)?shù)貤l件不同，產(chǎn)生塌陷的原因而不同，也可能是建筑荷載。因當(dāng)?shù)貤l件不同，產(chǎn)生塌陷的原因而不同，也可能是以一種原因?yàn)橹鲗?dǎo)，多種因素綜合作用的結(jié)果。以一種原因?yàn)橹鲗?dǎo)，多種因素綜合作用的結(jié)果。1 1、潛蝕作用、潛蝕作用潛蝕論是潛蝕論是18981898年俄國學(xué)者巴浦洛夫提出。年俄國學(xué)者巴浦洛夫提出。在覆蓋型巖溶區(qū)，下伏存在溶蝕空洞，地下水

23、經(jīng)覆蓋層向空洞在覆蓋型巖溶區(qū)，下伏存在溶蝕空洞，地下水經(jīng)覆蓋層向空洞滲流滲流( (或地下水位下降時，水力梯度增大或地下水位下降時，水力梯度增大) )。在一定的水壓力作用。在一定的水壓力作用下，下，地下水對土體或空隙中的充填物進(jìn)行沖蝕、掏空地下水對土體或空隙中的充填物進(jìn)行沖蝕、掏空。從而在洞。從而在洞體頂板處的土體開始形成土洞體頂板處的土體開始形成土洞, ,隨著土洞的不斷擴(kuò)大，最終引發(fā)動隨著土洞的不斷擴(kuò)大，最終引發(fā)動洞頂塌落。當(dāng)土層較厚或有一定深度時，可以形成塌落拱而維持洞頂塌落。當(dāng)土層較厚或有一定深度時，可以形成塌落拱而維持上伏土層的整體穩(wěn)定。當(dāng)土堆較薄時，土洞不能形成平衡。上伏土層的整體穩(wěn)定

24、。當(dāng)土堆較薄時，土洞不能形成平衡。三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機(jī)理三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機(jī)理（二）巖溶地面塌陷的機(jī)理（二）巖溶地面塌陷的機(jī)理中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機(jī)理三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機(jī)理2 2、真空吸蝕效應(yīng)、真空吸蝕效應(yīng) 我國徐衛(wèi)國等于我國徐衛(wèi)國等于19791979年提出的，國內(nèi)也普遍接受這一論點(diǎn)。年提出的，國內(nèi)也普遍接受這一論點(diǎn)。 巖溶網(wǎng)絡(luò)的封閉空腔（溶洞或土洞）中，當(dāng)巖溶網(wǎng)絡(luò)的封閉空腔（溶洞或土洞）中，當(dāng)?shù)叵滤淮蠓鹊叵滤淮蠓认陆迪陆档娇涨簧w層底面下時，到空腔蓋層底面下時

25、，地下水由承壓轉(zhuǎn)為無壓地下水由承壓轉(zhuǎn)為無壓, ,空腔上部便形空腔上部便形成成低氣壓狀態(tài)的真空低氣壓狀態(tài)的真空，產(chǎn)生抽吸力產(chǎn)生抽吸力, ,吸蝕頂板的土顆粒吸蝕頂板的土顆粒. .同時內(nèi)外同時內(nèi)外壓作用，覆蓋層表面出現(xiàn)一種壓作用，覆蓋層表面出現(xiàn)一種“沖壓沖壓”作用，從而加速土體破壞。作用，從而加速土體破壞。3 、壓壓強(qiáng)差效強(qiáng)差效應(yīng)應(yīng) 壓壓強(qiáng)差是指巖溶空腔強(qiáng)差是指巖溶空腔與與松散介松散介質(zhì)質(zhì)（或土洞）接（或土洞）接觸觸面上下面上下側(cè)側(cè)水、水、氣氣流體，因巖溶管道水位流體，因巖溶管道水位變變化而化而產(chǎn)產(chǎn)生相生相應(yīng)應(yīng)的的壓壓強(qiáng)差強(qiáng)差值值.中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental

26、Studies-CUG4、自重效、自重效應(yīng)應(yīng) 雨水入滲后，蓋雨水入滲后，蓋層飽層飽和容重比干容重一般增加和容重比干容重一般增加30%-40%。使土。使土拱承受更大的重量，拱承受更大的重量，導(dǎo)導(dǎo)致塌陷。致塌陷。5 、浮力效、浮力效應(yīng)應(yīng) 巖土體位于地下水位之中，巖土體位于地下水位之中，當(dāng)當(dāng)?shù)叵滤幌陆档叵滤幌陆禃r時，除，除產(chǎn)產(chǎn)生生壓壓強(qiáng)差強(qiáng)差效效應(yīng)應(yīng)外，土體的浮托力也外，土體的浮托力也隨隨之之減減小，小，產(chǎn)產(chǎn)生塌陷。生塌陷。6 、土體強(qiáng)度效、土體強(qiáng)度效應(yīng)應(yīng)、其他效、其他效應(yīng)應(yīng)振振動動效效應(yīng)應(yīng)、 荷荷載載效效應(yīng)應(yīng)、酸液效、酸液效應(yīng)應(yīng)三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機(jī)理三、地面塌陷的形成條件及發(fā)生機(jī)理中

27、國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG 巖溶塌陷穩(wěn)定性的評價包括：巖溶塌陷穩(wěn)定性的評價包括：塌陷堆積體（簡稱塌陷體）、土洞塌陷堆積體（簡稱塌陷體）、土洞及淺埋巖溶洞隙及淺埋巖溶洞隙等三個方面的穩(wěn)定性評價。等三個方面的穩(wěn)定性評價。（一）塌陷體的（一）塌陷體的穩(wěn)定性評價穩(wěn)定性評價 塌陷體的穩(wěn)定塌陷體的穩(wěn)定性主要根據(jù)塌陷的性主要根據(jù)塌陷的微地貌特征、堆積微地貌特征、堆積物的性狀及地下水物的性狀及地下水埋藏與活動情況等埋藏與活動情況等因素進(jìn)行定性評價因素進(jìn)行定性評價見表。見表。四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School

28、 of Environmental Studies-CUG（二）土洞穩(wěn)定性的評價（二）土洞穩(wěn)定性的評價 休止?fàn)顟B(tài)的土洞其穩(wěn)定性主要取決于土洞頂板埋深或其與安全休止?fàn)顟B(tài)的土洞其穩(wěn)定性主要取決于土洞頂板埋深或其與安全臨界厚度之比。臨界厚度之比。1成拱分析法（普羅特尼可夫塌落拱理成拱分析法（普羅特尼可夫塌落拱理論）論） 當(dāng)洞隙頂板巖體被密集裂隙切割呈塊當(dāng)洞隙頂板巖體被密集裂隙切割呈塊狀或碎塊狀時，或處于松散層中的土洞，狀或碎塊狀時，或處于松散層中的土洞，可認(rèn)為頂板將成拱形塌落，而其上荷載及可認(rèn)為頂板將成拱形塌落，而其上荷載及巖、土體則由拱自身承擔(dān)。此時破裂拱高巖、土體則由拱自身承擔(dān)。此時破裂拱高h(yuǎn)

29、為：為：式中，式中，h 破裂拱高（安全臨界高度，破裂拱高（安全臨界高度，m）；）； h0 洞隙高度（洞隙高度（m ）；）； b 洞隙寬度之半（洞隙寬度之半（m）；）； 內(nèi)摩擦角（度）；內(nèi)摩擦角（度）； f 堅(jiān)固系數(shù)（普氏系數(shù)）；堅(jiān)固系數(shù)（普氏系數(shù)）； R 巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度（巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度（M Pa）；）； n粘性土剪切面上的正壓力；粘性土剪切面上的正壓力； c 土的粘聚力。土的粘聚力。四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG2 2坍塌平衡法坍塌平衡法 土洞頂板土體的平衡條件（見圖）是：式中，

30、式中，G A B D C 土體自重；土體自重； F 側(cè)壁摩擦阻力；側(cè)壁摩擦阻力； H 0 極限平衡時的頂板厚度（安全臨界厚極限平衡時的頂板厚度（安全臨界厚度）；度）； D 土洞跨度；土洞跨度； 土體密度；土體密度； 側(cè)壓力系數(shù)；側(cè)壓力系數(shù)； 內(nèi)摩擦角。內(nèi)摩擦角。四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG10101001101100113011.0511.15 1.20,1,31V KVVKKVVKKVF h VF hhhKVF h VF hhhK巖石的漲余系數(shù)土層 巖石 假設(shè)為柱體， 假設(shè)溶洞為圓柱體，

31、坍塌體為錐體3頂板坍塌堵塞法頂板坍塌堵塞法 對于頂板較破碎的洞隙或土洞頂板，在洞內(nèi)無水流搬運(yùn)遷移的情況下，坍落后對于頂板較破碎的洞隙或土洞頂板，在洞內(nèi)無水流搬運(yùn)遷移的情況下，坍落后其體積松脹，當(dāng)坍塌到一定高度時，洞體將被完全堵塞，此時可認(rèn)為洞體空間已被其體積松脹，當(dāng)坍塌到一定高度時，洞體將被完全堵塞，此時可認(rèn)為洞體空間已被支撐，不再向上擴(kuò)展。其所需的坍塌高度（即安全臨界高度）支撐，不再向上擴(kuò)展。其所需的坍塌高度（即安全臨界高度）h1 可估算如下：可估算如下：四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG（三

32、）淺埋巖溶洞隙的穩(wěn)定性評價（三）淺埋巖溶洞隙的穩(wěn)定性評價1 1、 淺埋巖溶洞隙穩(wěn)定評價的原則淺埋巖溶洞隙穩(wěn)定評價的原則 當(dāng)巖溶洞隙基巖頂板厚度過薄或軟弱破碎時，將會喪失穩(wěn)定而垮塌。對淺埋的巖溶洞隙，除主要受洞隙規(guī)模影響外，還受基巖埋深、覆土的巖性結(jié)構(gòu)與性狀及地下水位埋深等因素的影響。 洞隙穩(wěn)定性的評價一般采用定性評價與半定量評價相結(jié)合的方法。定性評價是洞隙穩(wěn)定條件的地質(zhì)分析，是評價的基礎(chǔ)；半定量評價盡管計(jì)算方法比較嚴(yán)密，但限于條件的概化難以完全符合實(shí)際，其邊界和參數(shù)的確定也難以達(dá)到足夠的精度，因此只能起到補(bǔ)充和核對的作用。四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院Scho

33、ol of Environmental Studies-CUG2、 洞隙穩(wěn)定性的定性評價洞隙穩(wěn)定性的定性評價 根據(jù)洞隙的穩(wěn)定條件和影響穩(wěn)定的各種因素，綜合分析評價其穩(wěn)定性見表。根據(jù)洞隙的穩(wěn)定條件和影響穩(wěn)定的各種因素，綜合分析評價其穩(wěn)定性見表。洞隙穩(wěn)定性定性評價洞隙穩(wěn)定性定性評價四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG3、 洞隙穩(wěn)定性的半定量評價洞隙穩(wěn)定性的半定量評價（1）洞隙頂板的安全厚度評價）洞隙頂板的安全厚度評價 對于比較完整的微風(fēng)化堅(jiān)硬巖石組成的洞隙頂板，根據(jù)大量的洞隙地基工對于比較完整的微風(fēng)化

34、堅(jiān)硬巖石組成的洞隙頂板，根據(jù)大量的洞隙地基工程實(shí)例調(diào)查統(tǒng)計(jì)，其安全厚度主要與洞跨有關(guān)，一般洞隙厚跨比程實(shí)例調(diào)查統(tǒng)計(jì)，其安全厚度主要與洞跨有關(guān)，一般洞隙厚跨比 ， 即為穩(wěn)定安全。即為穩(wěn)定安全。1hl（2）結(jié)構(gòu)力學(xué)近似分析法）結(jié)構(gòu)力學(xué)近似分析法 按洞隙頂板抗彎厚度計(jì)算按洞隙頂板抗彎厚度計(jì)算 按板梁受力情況，其受力彎矩按下列情況計(jì)算：按板梁受力情況，其受力彎矩按下列情況計(jì)算： A當(dāng)頂板跨中有裂縫，頂板兩端支座巖石堅(jiān)固完整時，當(dāng)頂板跨中有裂縫，頂板兩端支座巖石堅(jiān)固完整時，按懸臂梁計(jì)逄：按懸臂梁計(jì)逄： B當(dāng)裂隙位于支座處，而頂板較完整時，按簡支梁計(jì)當(dāng)裂隙位于支座處，而頂板較完整時，按簡支梁計(jì)算：算： C

35、若支座和頂板巖石均較完整、裂隙膠結(jié)良好時，按若支座和頂板巖石均較完整、裂隙膠結(jié)良好時，按兩端因定梁計(jì)算：兩端因定梁計(jì)算：214Mql218Mql2112Mql四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG抗彎驗(yàn)算：抗彎驗(yàn)算： （ 對于矩形梁：對于矩形梁： ）故故 MW26bhW 6 Mhb式中，式中，M 彎矩（彎矩（kNm）；）； q 頂板所受總荷載，頂板所受總荷載，q q1 q2 q3 ； q1 頂板厚為頂板厚為h 的巖石自重（的巖石自重（kNm）；）； q2 頂板覆土層自重（頂板覆土層自重（kNm）；）

36、； q3 頂板上附加荷載（頂板上附加荷載（kNm）；）； l 洞隙跨度（洞隙跨度（m）；）； 彎曲應(yīng)力（彎曲應(yīng)力（kPa）；）； 抗彎強(qiáng)度（抗彎強(qiáng)度（kPa），對灰?guī)r一般取抗壓強(qiáng)度的），對灰?guī)r一般取抗壓強(qiáng)度的110 0125 ； b 梁板的寬度（梁板的寬度（m）；）； h 頂板巖層厚度（頂板巖層厚度（m）。）。四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG（2） 按洞隙頂板抗剪的安全厚度驗(yàn)算：按洞隙頂板抗剪的安全厚度驗(yàn)算： 由下列極限平衡條件計(jì)算頂板厚度由下列極限平衡條件計(jì)算頂板厚度h ：rvFGUh f式

37、中，式中，F(xiàn)上部荷載傳至頂板的豎向力（上部荷載傳至頂板的豎向力（kN）；）； G 頂板巖土自重（頂板巖土自重（kN）；）； U 洞體頂板處平面周長（洞體頂板處平面周長（m）；）； frv 頂板巖體的抗剪強(qiáng)度，對灰?guī)r一般取抗壓強(qiáng)度的頂板巖體的抗剪強(qiáng)度，對灰?guī)r一般取抗壓強(qiáng)度的0.06 0.13 （kPa）。）。 除上述計(jì)算公式外，應(yīng)用于土洞穩(wěn)定性評價的成拱分析法，坍塌平衡除上述計(jì)算公式外，應(yīng)用于土洞穩(wěn)定性評價的成拱分析法，坍塌平衡法及坍塌堵塞法等計(jì)算公式，也可利用。法及坍塌堵塞法等計(jì)算公式，也可利用。四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價四、巖溶塌陷穩(wěn)定性評價中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environ

38、mental Studies-CUG五、地面塌陷的防治五、地面塌陷的防治“以防為主、及時治理以防為主、及時治理” 一、巖溶地面塌陷的防治一、巖溶地面塌陷的防治（一）巖溶地面塌陷災(zāi)害預(yù)防（一）巖溶地面塌陷災(zāi)害預(yù)防1 1、查明洞穴分布：調(diào)查工作應(yīng)在查明區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)背、查明洞穴分布：調(diào)查工作應(yīng)在查明區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)背景的基礎(chǔ)上，運(yùn)用鉆探和物探手段確定淺表洞穴的分布情況，景的基礎(chǔ)上，運(yùn)用鉆探和物探手段確定淺表洞穴的分布情況，并從危險性的角度進(jìn)行分區(qū)。對松散堆積物厚度不大，且直接并從危險性的角度進(jìn)行分區(qū)。對松散堆積物厚度不大，且直接覆蓋在溶洞和隙寬較大溶隙開口處的那些地段，要予以高度重覆蓋在溶洞

39、和隙寬較大溶隙開口處的那些地段，要予以高度重視，不應(yīng)布設(shè)任何建筑物。視，不應(yīng)布設(shè)任何建筑物。2 2、對已出現(xiàn)地面變形，但尚未塌陷的地點(diǎn)，要圈圍出警戒區(qū)，、對已出現(xiàn)地面變形，但尚未塌陷的地點(diǎn)，要圈圍出警戒區(qū)，及時撤離人員。及時撤離人員。中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG3 3、擬建的以巖溶水為開采對象的供水源地布設(shè)地點(diǎn)，場地、擬建的以巖溶水為開采對象的供水源地布設(shè)地點(diǎn)，場地選擇時，應(yīng)事先進(jìn)行致塌危險性的充分論證，并盡可能遠(yuǎn)離選擇時，應(yīng)事先進(jìn)行致塌危險性的充分論證，并盡可能遠(yuǎn)離村鎮(zhèn)和人口密集區(qū)。村鎮(zhèn)和人口密集區(qū)。4 4、對分散開采的農(nóng)村井機(jī)，

40、應(yīng)強(qiáng)調(diào)小流量小降深逐漸過渡、對分散開采的農(nóng)村井機(jī)，應(yīng)強(qiáng)調(diào)小流量小降深逐漸過渡到預(yù)定開采量的操作方法，以避免洞穴負(fù)壓的形成。到預(yù)定開采量的操作方法，以避免洞穴負(fù)壓的形成。5 5、在可能出現(xiàn)塌陷的地段，要防止地表水的進(jìn)入，對嚴(yán)重、在可能出現(xiàn)塌陷的地段，要防止地表水的進(jìn)入，對嚴(yán)重漏水的河溪、庫塘進(jìn)行鋪底防漏或人工改道。漏水的河溪、庫塘進(jìn)行鋪底防漏或人工改道。6 6、加強(qiáng)對巖溶水位，尤其是地面變形的監(jiān)測，要注意宣傳，、加強(qiáng)對巖溶水位，尤其是地面變形的監(jiān)測，要注意宣傳，加強(qiáng)群測群報(bào)的工作。加強(qiáng)群測群報(bào)的工作。 五、地面塌陷的防治五、地面塌陷的防治中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environme

41、ntal Studies-CUG五、地面塌陷的防治五、地面塌陷的防治（二）巖溶地面塌陷的治理（二）巖溶地面塌陷的治理 （1 1）清除填堵法）清除填堵法 常用于相對較淺的塌坑或埋藏淺的土洞。清除其中的松土，常用于相對較淺的塌坑或埋藏淺的土洞。清除其中的松土，填入塊石、碎石形成反濾層，其上覆蓋以粘土并夯實(shí)。填入塊石、碎石形成反濾層，其上覆蓋以粘土并夯實(shí)。廣西桂林榕城回填堵塞法治理巖溶地面塌陷（2 2）跨越法）跨越法 用于較深大的塌陷坑或土洞。對建筑物地基而言，可采用梁式基礎(chǔ)、用于較深大的塌陷坑或土洞。對建筑物地基而言，可采用梁式基礎(chǔ)、拱形結(jié)構(gòu)，或以剛性大的平板基礎(chǔ)跨越、遮蓋溶洞，避免塌陷危害。對道

42、拱形結(jié)構(gòu)，或以剛性大的平板基礎(chǔ)跨越、遮蓋溶洞，避免塌陷危害。對道路路基而言，可選擇塌陷坑直徑較小的部位，采用整體網(wǎng)格墊層的措施進(jìn)路路基而言，可選擇塌陷坑直徑較小的部位，采用整體網(wǎng)格墊層的措施進(jìn)行整治。行整治。鐵道部門用扣軌梁跨越巖溶塌陷中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG（4 4）鉆孔充氣法）鉆孔充氣法 隨著地下水位的升降，溶洞空腔中的水氣壓力產(chǎn)生變化，經(jīng)常出現(xiàn)隨著地下水位的升降，溶洞空腔中的水氣壓力產(chǎn)生變化，經(jīng)常出現(xiàn)氣爆或沖爆塌陷，設(shè)置各種巖溶管道的通氣調(diào)壓裝置，破壞真空腔的巖溶氣爆或沖爆塌陷，設(shè)置各種巖溶管道的通氣調(diào)壓裝置，破壞真空腔的

43、巖溶封閉條件，平衡其水、氣壓力，減少發(fā)生沖爆塌陷的機(jī)會。封閉條件，平衡其水、氣壓力，減少發(fā)生沖爆塌陷的機(jī)會。湖南白洋灣水庫用臥管和煙筒通氣法防治巖溶塌陷（3 3）強(qiáng)夯法）強(qiáng)夯法 在土體厚度較小、地形平坦的情況下，采用強(qiáng)夯砸實(shí)覆蓋層的方在土體厚度較小、地形平坦的情況下，采用強(qiáng)夯砸實(shí)覆蓋層的方法消除土洞，提高土層的強(qiáng)度。法消除土洞，提高土層的強(qiáng)度。五、地面塌陷的防治五、地面塌陷的防治中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG五、地面塌陷的防治五、地面塌陷的防治（5 5）灌注填充法）灌注填充法 在溶洞埋藏較深時，通過鉆孔灌注水泥砂漿，填充巖溶孔洞或縫隙

44、、在溶洞埋藏較深時，通過鉆孔灌注水泥砂漿，填充巖溶孔洞或縫隙、隔斷地下水流通道，達(dá)到加固建筑物地基的目的。灌注材料主要是水泥、隔斷地下水流通道，達(dá)到加固建筑物地基的目的。灌注材料主要是水泥、碎料（砂、礦渣等）碎料（砂、礦渣等） 和速凝劑（水玻璃、氧化鈣）和速凝劑（水玻璃、氧化鈣） 等。等。山東泰安車站用灌漿堵塞巖溶裂隙防治地面塌陷中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental Studies-CUG（6 6）深基礎(chǔ)法）深基礎(chǔ)法 對于一些深度較大，跨越結(jié)構(gòu)無能為力的土洞、塌陷，通常采用樁對于一些深度較大，跨越結(jié)構(gòu)無能為力的土洞、塌陷，通常采用樁基工程，將荷載傳遞到基巖上?；こ蹋瑢⒑奢d傳遞到基巖上。五、地面塌陷的防治五、地面塌陷的防治中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院School of Environmental St