1、環境地質學分論若干地質環境問題的綜合論述Environmental Geology地面塌陷概 述地面塌陷的危害我國地面塌陷的分布特點地面塌陷的形成條件及發生機理巖溶塌陷的穩定性評價地面塌陷的防治主要內容一、概述定義:地面塌陷是指天然洞穴或人工洞室上覆巖土體失穩突然陷落，導致地面快速下沉、開裂的現象和過程。地面塌陷造成的地面變形量大，變形速度快，且具有突然性，事前往往很難準確判斷發生的時間，加之，其發生過程可導致地面建筑物開裂、倒塌，甚至整體陷落，公路、橋梁扭曲錯斷，農田肢解以及大量的人員傷亡，所以，地面塌陷是人類面臨的一種地質災害。地面塌陷地下存在空洞是地面塌陷發生的先決條件，地下空洞可分為天

2、然洞穴和人工洞室兩類。 目前面臨的地面塌陷主要包括巖溶塌陷和采空區塌陷。礦山采空區地面塌陷是人為誘發地面塌陷的最主要類型。 二、地面塌陷的危害 1、破壞地面建筑、造成人員傷亡 2009年8月8日，安徽省合肥市長江中路與徽州大道交叉口發生路面塌陷，一輛藍色出租車掉入塌陷區中 2009年7月4日凌晨2時30分許，鄂州市汀祖鎮劉云村陳盛灣村內，一幢占地面積百余平方米的平頂樓房部分向地下塌陷6米，戶主30歲的兒子被埋遇難。 安徽淮南采空區塌陷 黑龍江鶴崗煤礦，開采70多年來，已塌陷土地2，搬遷房屋總建筑面積39.7104m2， 目前山西省各類礦山采空區已達2萬多平方公里，以全省萬平方公里的土地面積計算

3、，山西有近七分之一的地面已經成為“懸空區”，使大面積土地塌陷。 2000年4月6日下午4時8時，洪山區青菱鄉烽火村地面塌陷。陷坑18個，最大陷坑長63米、深67米；最小陷坑12長，深小于2米。陷坑帶呈近東西向分布，散分在東西300米、南北250米的范圍內。有2棟民房完全倒塌，有16棟民房出現不同程度的開裂、破損。我國東部巖溶區，鐵路4010公里，巖溶塌陷376處，近十年間中斷車1860小時，顛覆列車3次。 3、引發礦井水患 2009年7月22日黑龍江省雞西市鑫永豐煤礦發生采空區地面塌陷，形成面積約3000m2、深10余米的塌坑，由于正值降雨，水與流沙大量涌入坑內，使礦井淹沒，23名當班礦工被困

4、井下。 4、破壞農田三、我國地面塌陷分布的特點（一）巖溶地面塌陷分布 據1993年的不完全統計，南方巖溶地面塌陷點已發現34072個，占全國總數的96.5%。其中湖南省有14152個，居全國之首，其次為廣東省和廣西壯族自治區，分別為8751個、8735個，再其次為貴州、云南、四川。1、北方巖溶地面塌陷區 長江以北，由于華北地臺大多為大型寬緩的褶皺和斷塊構造，氣候較干旱，降水量少，巖溶發育程度不高，除古代的巖溶洞穴系統有部分殘留外，現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與平原的過渡地帶，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、江蘇的徐州、安徽的淮南、

5、淮北等地。 分布有古代巖溶塌陷的痕跡陷落柱。華北地臺曾經歷過多次構造運動，地下水的區域排泄基準面也多次變遷，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、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。2、南方巖溶塌陷區 位于長江以南的廣大地區，是我國碳酸鹽巖分布最集中、面積最大的區域，總面積約176.08104km2。氣候溫熱濕潤，植被茂密，地質構造多為緊密的褶皺和密集的斷塊，現代巖溶十分發育。 裸露巖溶區和半裸露巖溶區的面積占碳酸鹽巖總面積的41.3%，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

6、族自治區，再其次為貴州、云南、四川。 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動，是誘發巖溶地面塌陷的主導力量。 （二）礦山采空區地面塌陷的分布 礦山采空區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。 目前我國采礦業造成的地面塌陷主要分布在全國20個省區市，塌陷點總數達17138個，占全國各種類型地面塌陷總點數44.4%，其中湖南省為12549個，再其次為內蒙古自治區2800個，再其次分別為山西、黑龍江、安徽、河南等省。 四、地面塌陷的形成條件及發生機理（一）地面塌陷的形成條件1、巖土體的內部條件（1）地下存在空洞 具備一定規模的地下無巖土的空間，

7、即空洞。地下空洞的存在有著兩方面的意義： 其一，它是洞體頂板、側壁局部冒落物以及塌陷發生時墜落物的儲容空間，在地下巖溶發育區，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、底板和側壁在周圍巖壓的作用下極易發生應力集中，而處于穩定性很差的狀態，一旦受到外力干擾，容易失穩而發生覆巖的冒落，甚至發生波及地表的塌陷。 地下空洞的形成，可以是自然力，也可以是人工挖掘的結果。 在可溶鹽巖分布區的巖溶洞穴包括各種形態的溶洞、溶隙、管道等。一般而言，當可溶巖巖性較純，巖層厚度較大，出露分布廣，斷層較發育、巖層較破碎時，巖溶較易發育。

8、 巖溶洞隙的發育一般受巖溶地下水排泄基準面的控制，多發育于淺部，向深部逐漸減弱。淺部巖溶洞隙由于地下水活動頻繁，交替強烈，一般連通性較好，成為塌陷物質的儲集空間和運移通道。塌陷坑與開口洞隙存在著密切的垂向對應關系。洞穴愈大，塌陷規模也愈大；洞隙開口愈大，塌陷速度愈快。 地下井巷系統是最易引發地面塌陷的一種人工洞室。（2）洞穴圍巖狀況 地下洞穴的受力狀況如同梁的受力，洞的頂板相當于承載上覆巖土體自重的梁，洞的兩側如同位于梁端的兩個支點。是否發生塌陷取決于頂板能夠形成穩定的支撐拱。 一般而論，當洞穴埋藏深度與洞穴高度之比小于25：1時，洞頂上部就會形成三個變形特點不同的帶，即冒落帶、裂隙帶和彎曲帶

9、。2、巖土體的外部條件（1）自然影響因素（a）大氣降水 降雨入滲水可以使洞頂覆巖的含水層增大，自重加大； 下滲水流會濕潤裂隙面，降低巖石塊體間的抗滑阻力，從而引起洞頂和洞壁的進一步變形而失穩。 降雨強度大、歷時較長時，入滲的水流進入圍巖中的寬大裂隙，形成較大的動水壓力和沖刷作用。 在巖溶地區，降水入滲對補給封閉巖溶洞穴，快速上升的巖溶水會壓縮洞內，形成上擠的壓力，導致氣爆發生，引發洞頂塌陷。（b）河、湖近岸地帶的側向倒灌作用 河、湖近岸地帶普遍分布著孔隙潛水與巖溶水組成的雙層含水介質。 汛期洪水位急劇上升的情況下，河、湖水將向地下水產生側向倒灌，地下水位隨之上升。這時巖溶地下水對洞隙上覆蓋層土

10、體產生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生垂向的滲透潛蝕作用，在蓋層中形成土洞進而擴展形成塌陷。這種現象稱之為洪水倒灌潛蝕塌陷，簡稱為洪水塌陷。 （c）地震 一是地震力可使洞頂覆巖以及洞壁的裂隙進一步擴大，引起巖層破裂、位移加劇； 二是洞隙上覆松散飽水細粒物質發生“液化”，而形成地面塌陷。 2、人為活動的影響 人為激發活動主要表現在地面施加荷載、人為爆破和車輛振動、水庫蓄放水的人工調節等。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、大降深的抽水活動往往是引發地面塌

11、陷最普遍的原因。 （二）地面塌陷的發生機理1、礦山采空區地面塌陷的機理 第一階段為掘進和回采的初期，存在冒落帶、斷裂帶和彎曲帶 ；第二階段為地裂縫發展階段，僅存在冒落帶和斷裂帶；第三階段為地面塌陷階段，僅存在冒落帶。2、巖溶地面塌陷的機理 巖溶：水（包括地表水和地下水）對可溶性巖石進行的以化學溶蝕作用為主的改造和破壞地質作用以及由此產生的地貌及水文地質現象的總稱。 巖溶作用：以化學溶蝕為主，同時還包括機械破碎、沉積、坍塌、搬運等作用，是一個化學物理相結合的綜合作用。 可溶性巖石包括碳酸鹽巖、硫酸鹽巖、鹵化物等。（1）潛蝕作用 地下水位下降時，水力梯度也隨之增大，地下水流速加快，動水壓力增強，當

12、動水壓力大于土體內聚力與顆粒間摩擦力，土顆粒開始被滲流帶動遷移，這一現象稱為潛蝕或管涌。 在覆蓋型巖溶區，下伏存在溶蝕空洞，地下水經覆蓋層向空洞滲流(或地下水位下降時，水力梯度增大)。在一定的水壓力作用下，地下水對土體或空隙中的充填物進行沖蝕、掏空。從而在洞體頂板處的土體開始形成土洞,隨著土洞的不斷擴大，最終引發動洞頂塌落。當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定。當土堆較薄時，土洞不能形成平衡。 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。因當地條件不同，產生塌陷的原因而不同，也可能是以一種原因為主導，多種因素綜合作用的結果。A.水位下降前的平衡狀

13、態；B.水位下降，隨著向上侵蝕過程使通道被排空，出現活躍的地下侵蝕(潛蝕進入開闊的洞穴)；C.洞穴的頂部逐漸坍陷，可能短期內受鈣化礫石層的抑制；D.最后的拱頂坍陷，形成了被同心球狀張力裂縫包圍的落水洞。（2）真空吸蝕效應 我國徐衛國等于1979年提出的，國內也普遍接受這一論點。 巖溶網絡的封閉空腔（溶洞或土洞）中，當地下水位大幅度下降到空腔蓋層底面下時，地下水由承壓轉為無壓,空腔上部便形成低氣壓狀態的真空，產生抽吸力,吸蝕頂板的土顆粒.同時內外壓作用，覆蓋層表面出現一種“沖壓”作用，從而加速土體破壞。（3）壓強差效應 壓強差是指巖溶空腔與松散介質（或土洞）接觸面上下側水、氣流體，因巖溶管道水位

14、變化而產生相應的壓強差值.(4)自重效應 雨水入滲后，蓋層飽和容重比干容重一般增加30%-40%。使土拱承受更大的重量，導致塌陷。(5)浮力效應 巖土體位于地下水位之中，當地下水位下降時，除產生壓強差效應外，土體的浮托力也隨之減小，產生塌陷。(6)土體強度效應 土體吸水飽和后，土體抗剪強度降低，土拱抗塌力減小，產生塌陷。(7)其他效應 振動效應、 荷載效應、酸液效應五、巖溶塌陷穩定性評價（一）巖溶塌陷的地質模式 巖溶塌陷的地質模式是其形成條件組合特征的概括，反映其形成條件的差異。其劃分主要考慮塌陷蓋層的巖性結構、含水結構、巖溶水位與基巖面及上覆土層水的關系。巖溶塌陷地質模式的組合因子 巖溶塌陷

15、穩定性的評價包括：塌陷堆積體（簡稱塌陷體）、土洞及淺埋巖溶洞隙等三個方面的穩定性評價。 塌陷體的穩定性主要根據塌陷的微地貌特征、堆積物的性狀及地下水埋藏與活動情況等因素進行定性評價見表。（二）巖溶塌陷的穩定性評價1、塌陷體的穩定性評價2、土洞穩定性的評價 休止狀態的土洞其穩定性主要取決于土洞頂板埋深或其與安全臨界厚度之比。（1）成拱分析法（普羅特尼可夫塌落拱理論） 當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，可認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。此時破裂拱高h為：式中，h 破裂拱高（安全臨界高度，m）； h0 洞隙高度（m ）； b 洞隙寬度之半（

16、m）； 內摩擦角（度）； f 堅固系數（普氏系數）； R 巖石單軸飽和抗壓強度（M Pa）； n粘性土剪切面上的正壓力； c 土的粘聚力。（2）坍塌平衡法 土洞頂板土體的平衡條件（見圖）是：式中，G A B D C 土體自重； F 側壁摩擦阻力； H 0 極限平衡時的頂板厚度（安全臨界厚度）； D 土洞跨度； 土體密度； 側壓力系數； 內摩擦角。六、地面塌陷的防治“以防為主、及時治理” （一）巖溶地面塌陷的防治1、巖溶地面塌陷災害預防 （1）查明洞穴分布：調查工作應在查明區域地質、水文地質背景的基礎上，運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行分區。對松散堆積物厚度不大，且

17、直接覆蓋在溶洞和隙寬較大溶隙開口處的那些地段，要予以高度重視，不應布設任何建筑物。 （2）對已出現地面變形，但尚未塌陷的地點，要圈圍出警戒區，及時撤離人員。（3）擬建的以巖溶水為開采對象的供水源地布設地點，場地選擇時，應事先進行致塌危險性的充分論證，并盡可能遠離村鎮和人口密集區。（4）對分散開采的農村井機，應強調小流量小降深逐漸過渡到預定開采量的操作方法，以避免洞穴負壓的形成。（5）在可能出現塌陷的地段，要防止地表水的進入，對嚴重漏水的河溪、庫塘進行鋪底防漏或人工改道。（6）加強對巖溶水位，尤其是地面變形的監測，要注意宣傳，加強群測群報的工作。 2、巖溶地面塌陷的治理 （1）清除填堵法 常用于

18、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。廣西桂林榕城回填堵塞法治理巖溶地面塌陷（2）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、拱形結構，或以剛性大的平板基礎跨越、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，采用整體網格墊層的措施進行整治。鐵道部門用扣軌梁跨越巖溶塌陷（4）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生變化，經常出現氣爆或沖爆塌陷，設置各種巖溶管道的通氣調壓裝置，破壞真空腔的巖溶封閉條件，平衡其水、氣壓力，減少發生沖爆塌陷的機會。湖南白洋灣水庫用臥管和煙筒通氣法防治巖溶塌陷（3）強夯