地質(zhì)災(zāi)害綜合講解地面塌陷、地面沉降以及地裂縫

1、 地質(zhì)災(zāi)害綜合講解地面塌陷、地面沉降以及地裂縫 地面塌陷指在人為和自然地質(zhì)因素作用下，地表巖、土體中洞穴頂部向下斷錯(cuò)坍塌，形成塌陷坑、塌陷洞、塌陷槽的一種地質(zhì)現(xiàn)象。4.1 地面塌陷成因 地面塌陷，實(shí)質(zhì)上是巖、土體內(nèi)洞穴的抗塌力(洞穴頂部支撐力)小于致塌力的結(jié)果。 地面塌陷形成的原因復(fù)雜而種類繁多。歸納主要有人為因素：抽取地下水、坑道排水、突水、地表水和大氣降水滲入、荷載及振動(dòng)等；自然因素：河流水位升降與地震等。 現(xiàn)將地面塌陷成因類型分述如下：四. 地面塌陷 洞穴的巖、土體位于地下水位中，產(chǎn)生對洞穴頂板的靜水浮托力，當(dāng)抽取地下水使之水位下降時(shí)，支撐洞頂巖、土體的浮托力隨之降低。此外，洞穴空腔與松

2、散介質(zhì)接觸上下側(cè)水、氣流體，因地下暗管道內(nèi)的水流發(fā)生變化而產(chǎn)生的溫差效應(yīng)，為此，出現(xiàn)了與抽取地下水同步發(fā)展的塌陷現(xiàn)象。 江西省景德鎮(zhèn)硬石嶺火車站附近，1984年前居民飲用水均抽取土層的潛水，未見地面塌陷。之后，距鐵路50500米附近的工廠掘成深達(dá)120米的機(jī)井8口，抽水量達(dá)4820噸/天，水位下降至基底巖層面以下1718米，最大30米，于是在長3.72公里、寬0.5公用的范圍內(nèi)出現(xiàn)地面塌陷100多個(gè)。塌陷使鐵路行車中斷、房屋變形、道路裂縫、農(nóng)田和果園遭到破壞，間接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1000萬元。昆明新機(jī)場巖溶強(qiáng)發(fā)育帶中所見現(xiàn)象在預(yù)報(bào)位置kh411 ：一場降雪后發(fā)生了長米、寬米、深30公分的長橢園形塌陷

3、。2地表水、大氣降水滲入致地面塌陷 當(dāng)?shù)乇硭?、大氣降水滲入地下時(shí)，水在巖、土體內(nèi)的孔隙中運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了一種垂向滲透力，改變了巖、土體的力學(xué)性質(zhì)。當(dāng)滲透壓力值達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，巖、土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，隨著水流產(chǎn)生流土或管涌運(yùn)移，進(jìn)而形成土洞，最后導(dǎo)致地面變形、塌陷。地表滲水包括：河湖地表水、輸水管滲漏或場地排水不暢引起地表水、工廠排污的化學(xué)污水和雨水等下滲。其中以雨水滲入致塌最為常見，尤其是碳酸鹽巖分布的巖溶地區(qū)，人為挖掘的場地、機(jī)場、道路等降雨摻入后產(chǎn)生塌陷較為突出。 1986年廣西忻城大塘鄉(xiāng)遭遇春旱，地下水位下降產(chǎn)生了40多個(gè)塌陷，4月底一場大雨后，塌陷增至140多個(gè)，使兩幢房屋傾倒，地面多處裂縫

4、。村舍變電所場地開挖后，雨水蓄積滲入，也導(dǎo)致地面塌陷。3河水漲落致地面塌陷 巖溶裂隙、洞穴管道中的地下水與附近河水相通時(shí)，隨著河水位的升降，橫向發(fā)育的巖溶裂隙、管道中的地下水位也隨之升降，這種作用也可導(dǎo)致地面的塌陷。 廣西都安縣位于紅水河岸的一段公路，由于受河水漲落影響，公路路面上發(fā)生了塌陷。 4振動(dòng)致地面塌陷 振動(dòng)可引起砂質(zhì)土的液化和粘質(zhì)土由凝結(jié)狀態(tài)發(fā)生液化而成為溶膠或懸液(即觸變現(xiàn)象)與失去液化能力(即失去原有觸變性的陳化現(xiàn)象)，土體強(qiáng)度降低、抗塌力減弱，在振動(dòng)產(chǎn)生的波動(dòng)、沖擊波的破壞作用下，可導(dǎo)致潛伏洞穴的塌陷。5荷載導(dǎo)致地面塌陷 在有隱伏洞穴部位上人為增載(建筑物荷載、人為堆積荷載等)

5、，當(dāng)這些外部荷載超過洞穴拱頂?shù)某惺苣芰r(shí)，將引起洞穴直接受壓破壞，從而致使地面塌陷。6礦山采空致地面塌陷 地下采掘活動(dòng)形成的采空區(qū)，其上方巖、土體失去支撐，導(dǎo)致地面塌陷。這種由于礦山采動(dòng)引起地面塌陷的主要原因是人為活動(dòng)。此類地面塌陷在許多礦區(qū)都有發(fā)生，并造成相當(dāng)程度的危害，即損壞交通設(shè)施、水利設(shè)施、建筑物、道路、農(nóng)田等，甚至引起山體滑坡和崩塌。 地面塌陷分類 根據(jù)地面塌陷成因的主要原因可分為： 自然地面塌陷；人為地面塌陷；復(fù)合型（自然人為）塌陷。 根據(jù)塌陷區(qū)是否在喀斯特地區(qū)的巖溶發(fā)育地段分為： 巖溶地面塌陷；非巖溶地面塌陷。 按塌陷坑數(shù)量分為：塌陷坑大于100個(gè)者為巨型塌陷、50100個(gè)者為大

6、型塌陷、1050個(gè)者為中型塌陷、小于10個(gè)者為小型塌陷。 在各類地面塌陷中，我國以巖溶地區(qū)塌陷分布最廣，已有22個(gè)省(區(qū))發(fā)生此類地面塌陷，危害最重。礦山采空區(qū)地面塌陷的分布和危害僅次于巖溶地面塌陷。我國巖溶塌陷分布區(qū)域貴州構(gòu)件廠抽水塌陷（ (據(jù)巖溶所） ）云南烏東德巖溶洼地廣州地下通道施工造成路面塌陷廣西合山電廠灰場塌陷1999年5月6日廣西玉林蓮塘塌陷桂林體育場塌陷 1996年巖溶塌陷形成演化過程示意圖4.3 巖溶地基處理方法 1巖溶地基處理的一般原則 (1)重要建筑物宜避開巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)； (2)當(dāng)?shù)鼗?、巖鹽等易溶巖時(shí)，應(yīng)考慮溶蝕繼續(xù)作用的不利影響； (3)不穩(wěn)定的巖溶洞隙應(yīng)以地基

7、處理為主，并可根據(jù)其形態(tài)、大小及埋深，采用清爆換填、淺層楔狀填塞、洞底支撐、梁板跨越、調(diào)整柱距等方法處理； (4)巖溶水的處理宜采取疏導(dǎo)的原則； (5)在未經(jīng)有效處理的隱伏土洞或地表塌陷影響范圍內(nèi)不應(yīng)作天然地基。對土洞和塌陷宜采用地表截流、防滲堵漏、挖填灌填巖溶通道、通氣降壓等方法進(jìn)行處理，同時(shí)采用梁板跨越。對重要建筑物應(yīng)采用樁基或墩基； (6)應(yīng)采取防止地下水排泄通道堵截造成動(dòng)水壓力對基坑底板、地坪及道路等不良影響以及泄水、涌水對環(huán)境的污染的措施； (7)當(dāng)采用樁(墩)基時(shí)，宜優(yōu)先采用大直徑墩基或嵌巖樁，并應(yīng)符合下列要求： 1)樁(墩)以下相當(dāng)樁(墩)徑的3倍范圍內(nèi)，無傾斜或水平狀巖溶洞隙的

8、淺層洞隙，可按沖剪條件驗(yàn)算頂板穩(wěn)定； 2)樁(墩)底應(yīng)力擴(kuò)散范圍內(nèi)，無臨空面或傾向臨空面的不利角度的裂隙面可按滑移條件驗(yàn)算其穩(wěn)定； 3)應(yīng)清除樁(墩)底面不穩(wěn)定石芽及其間的充填物。嵌巖深度應(yīng)確保樁(墩)的穩(wěn)定及其底部與巖體的良好接觸。 2巖溶的處理 (1)地基不均性的處理：參考地基處理有關(guān)部分的內(nèi)容。 (2)洞隙塌滑不穩(wěn)定的處理 1)結(jié)構(gòu)措施 在結(jié)構(gòu)措施中，應(yīng)選用有利于與上部結(jié)構(gòu)共同工作，并可適應(yīng)小范圍塌落變位、整體性好的基礎(chǔ)形式，如配筋的十字交叉條基筏基、箱基等，同時(shí)采取必要的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施，如磚石結(jié)構(gòu)加強(qiáng)圈梁設(shè)置、單層廠房基礎(chǔ)梁與柱連成整體，并加強(qiáng)柱間支撐系統(tǒng)等。 當(dāng)洞隙深大，而兩側(cè)有可靠巖

9、體時(shí)，可采用跨越結(jié)構(gòu)，根據(jù)荷載及跨度，可選用調(diào)整柱距，有足夠支承的梁、板、拱及懸挑等方式。 2)地基基礎(chǔ)措施 當(dāng)條件允許時(shí)，盡量采用淺基，充分利用上覆性能較好的土層為持力層或使基底與洞體間保留相當(dāng)厚度的完好巖體。 當(dāng)以巖石作持力層時(shí)，局部加深基礎(chǔ)，通過鉆孔灌注樁或墩穿過單個(gè)洞體，使基礎(chǔ)荷載傳遞到下部完好的巖體上 對已外露的淺埋洞隙，可采用挖填置換，清理洞隙后以碎石或混凝土回填。當(dāng)洞體深度較大，而兩側(cè)巖體完好，可挖填至一定深度，回填體斷面呈倒梯形，對有地下水活動(dòng)的洞體，應(yīng)回填反濾層并留有水流排泄之通道。 當(dāng)頂板薄、跨度大時(shí)，可在洞底設(shè)置附加支撐以減少洞跨，也可加固洞頂，用漿砌塊石嵌補(bǔ)洞頂巖體及洞

10、隙邊坡。 當(dāng)洞體開口較小，開挖清理困難時(shí)，可用灌漿填塞，灌填材料視要求而定，可選用砂石砂漿或混凝土，也可用小壓力灌漿法加固基底下一定厚度的溶隙及破碎巖體。 3)水的整治 對水的處理應(yīng)貫徹宜疏勿堵的原則，對地表水做好有組織的排水，對地下水以疏導(dǎo)為主，即使堵也應(yīng)留有出路，設(shè)置反濾層以減少淘蝕。 3巖溶塌陷（土洞）地表塌陷的處理 (1)地表水形成的土洞 它的形成和發(fā)展往往與人類活動(dòng)有關(guān)，如排水不暢，水流集中下滲所致。應(yīng)認(rèn)真做好地面水截留、防滲、補(bǔ)滲，杜絕水流人建筑區(qū)。對已形成之土洞，可采用挖填配合梁板跨越處理。 (2)地下水形成的土洞 1)淺埋土洞：洞體淺，其底部往往有松軟土，當(dāng)?shù)叵滤桓邥r(shí)，其厚度

11、可能較大。全部清除困難時(shí)，可在余土上拋石夯實(shí)，其上做反濾層。由于殘留土的變形及地下水的活動(dòng)，處理后常可再發(fā)生，故而其上還得做梁板，據(jù)廣西地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，每邊支承長度不小于1.015m。 2)深埋土洞：清除填土困難較大，廣西地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)可采用鉆孔灌砂(或壓力灌注細(xì)石混凝土)與梁板跨越聯(lián)合處理。貴州有些工程，在巖面上用爆破樁頭以堵塞土洞與巖溶的通道，其上回填砂或粘土。 3)人工降水形成的巖溶塌陷（土洞） 由人工降水形成的土洞與塌陷，可在極短時(shí)間內(nèi)成群出現(xiàn)，工程措施原則應(yīng)是觀測和預(yù)防。一旦發(fā)生即使處理了，由于并未停止水動(dòng)力條件的改變，仍可再生。如何確定塌陷區(qū)的位置以確定建筑安全距離，目前尚研究得不夠，有些僅

12、對場地選擇，取(排)水點(diǎn)位置及取水方案提出一些防治意見。 選擇在地勢較高的地段及地下水靜動(dòng)水位均低于基巖面的地段進(jìn)行建筑。m，塌陷范圍l與水位降深S和滲透系數(shù)K之乘積有較好的相關(guān)關(guān)系。 塌陷區(qū)內(nèi)不宜把土層作為基礎(chǔ)持力層，一般多采用柱(墩)基。廣東某工程采用鋼桁架代替排架，金屬掛板代替圍護(hù)墻，盡量減輕結(jié)構(gòu)自重，并能承受20m范圍的塌陷變形。 地面沉降與地裂縫作為地質(zhì)災(zāi)害的一種災(zāi)種，區(qū)別于崩塌滑坡，它是地面巖土體在自重應(yīng)力場（或構(gòu)造應(yīng)力場的參與）條件下垂向變形破壞及向深部架空或潛在空間方向的運(yùn)動(dòng)。5.1 地面沉降的分類 美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）1999年出版的美國地面沉降研究報(bào)告中將地面沉降按引

13、發(fā)的原因（未考慮構(gòu)造因素造成的區(qū)域性沉降）分為:地下水開采型（Mining Ground Water-Introduction ）;土壤疏干型（Drainage of Organic Soils-Introduction）；洞穴塌陷型（Collapsing Cavities-Introduction）。五. 地面沉降與地裂縫我國地面沉降主要發(fā)育分布在我國東部沿海河流三角州及中部內(nèi)陸盆地一帶。 按成因機(jī)制，地面沉降分為：1固結(jié)壓密沉降型:下伏土層中地下水位的降落，有效應(yīng)力的降低造成固結(jié)壓密而引起地面沉降。這類地面沉降多為區(qū)域性的，在一定條件下隨沉降伴生地裂縫;2洞穴塌陷型：包括巖溶塌陷和地下采掘

14、洞穴塌陷，塌陷的范圍局限于洞穴和地下洞室的影響帶;3土壤脹縮型;4構(gòu)造重力擴(kuò)展型:與盆地?cái)U(kuò)展和斷裂活動(dòng)有關(guān). 2004年資料，江漢平原正在持續(xù)沉降（近三年的監(jiān)測資料，據(jù)朱干章），沉降速度為每年5至10毫米，且沉降速度有加大的趨勢。 5.2 地面沉降與地裂縫的危害（）地面沉降及地裂縫會造成建筑物的直接破壞，如房屋、橋梁破裂跨塌，地下管道、通道的斷裂和破損等。（）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線而造成海潮和洪水襲擊及海水倒灌惡化地下水質(zhì)，造成土壤鹽堿化等。（）地面沉降引起的地裂縫往往可成為地面污染源侵入深部地下水源的通道，造成水質(zhì)污染。（）城市地下水位大面積、大幅度的降落，改

15、變了地質(zhì)體的熱容量，可能會造成熱島現(xiàn)象，破壞了原有的生態(tài)環(huán)境。（）地裂縫常?？沙蔀樯畈坑泻怏w逸出地面的通道，尤其是氡氣的超標(biāo)，對人體的健康的危害是極為嚴(yán)重的。5.3 我國地面沉降的發(fā)展及現(xiàn)狀 自20世紀(jì)50年代以來，區(qū)域性地面沉降及地裂縫已成為我國城市發(fā)展中的重大地質(zhì)災(zāi)害之一，國土資源部已將它列為地質(zhì)災(zāi)害危害性評估的六大災(zāi)害之一。 我國對地下水開采引起地面沉降的研究始于20世紀(jì)60年代上海市地面沉降的研究。上海市的地面沉降從1921年至1965年間處于一個(gè)發(fā)展期，1965年以來，經(jīng)采取壓縮地下水的開采量，進(jìn)行人工回灌措施，逐步得到控制。 但自從20世紀(jì)80年代以來，隨著城市建設(shè)的加速發(fā)展，地

16、面沉降已波及到50多個(gè)城市，其中包括了濱海平原及河流三角洲地區(qū)的城市如上海、天津、滄州、寧波、嘉興、湛江、?？凇⑴_北、基隆等；東部近海沖積平原，如長江下游的蘇州、無錫、常州，黃淮海河平原的北京、德州、滄州、鄭州、阜陽、荷澤、邯鄲等，松遼平原的沈陽、哈爾濱、佳木斯等；以及一些內(nèi)陸盆地城市，如西安、太原、大同、包頭等。5.4 不同地面沉降類型的致災(zāi)特征 巖溶塌陷和地下采掘引發(fā)的陷落大多是突發(fā)性的，而區(qū)域性的地面沉降造成的危害除突發(fā)性的地裂縫可能發(fā)生突發(fā)性事故以外，主要是通過緩慢而累進(jìn)性下沉的后果致災(zāi)。然而一旦災(zāi)害形成，則往往是大范圍的綜合性的災(zāi)害，造成生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞，且難于恢復(fù)早先的狀態(tài)。也許

17、正是這一特點(diǎn)，人們?nèi)菀讓@一災(zāi)害的危害程度及需要及早采取系統(tǒng)的控制措施缺乏足夠的認(rèn)識，這是在防治這類災(zāi)害工作中應(yīng)引以為鑒的。 5.5 近年我國地面沉降與地裂縫災(zāi)情 近年來我國城市區(qū)域性地面沉降災(zāi)害及防治工作有以下值得關(guān)注的事例：(1) 西安市區(qū)出現(xiàn)新的地裂縫(2) 北京市區(qū)地裂縫仍在繼續(xù)活動(dòng)(3) 大同、臨汾一帶地裂縫活動(dòng)(4) 沿海平原地帶的地面沉降（1） 西安市出現(xiàn)新的地裂縫 西安市的地面沉降與地裂縫從上個(gè)世紀(jì)50年代以來一直是該市的主要地質(zhì)災(zāi)害之一，市區(qū)有十一條長大裂縫，呈NEE向分布。裂縫出露于梁與洼地交接部位，總長超過70Km，延伸長度115Km。抽水引起的地面沉降以地裂縫為邊界，由

18、此引起地裂縫的活動(dòng)量占總量的8。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止1999年地裂縫活動(dòng)已毀壞樓房170多座，廠房57座，民房1800多間，道路90多處，錯(cuò)動(dòng)供水、供氣管道50余次。西安古城墻，大雁塔等著名古跡也形成不同程度的損壞，西安鐘樓已下沉了一米之多，大雁塔向西北方向傾斜了近一米。西安市地裂縫群分布圖地裂縫鉆孔剖面圖(2) 內(nèi)陸盆地構(gòu)造型地裂縫有所活躍 近幾年盆地構(gòu)造型地裂縫似乎有趨于活躍的趨勢，如西安、北京、大同、臨汾等，是否與構(gòu)造活動(dòng)活躍、平靜的周期規(guī)律有關(guān)，很值得注意。 北京市順義區(qū)木林塔河一帶1985年開始發(fā)現(xiàn)地裂縫。裂縫基本上沿著30 55方向展布，斷續(xù)出露約25 km。在不同地段，地裂縫帶的寬

19、度出現(xiàn)較明顯的變化，在北彩到仙莊之間，地裂縫帶最寬可達(dá)800余。在探槽剖面圖中，隨著裂縫由深部向淺部延伸，其寬度逐漸變窄，數(shù)目明顯增多，傾角逐漸變緩，大致呈扇形散開，可見明顯逆沖位錯(cuò)，但位錯(cuò)量不大。1mm，并有右旋錯(cuò)位，有差異沉降，可達(dá)100mm左右。研究表明地裂縫主要與其鄰近斷裂的活動(dòng)有關(guān)。北京市順義區(qū)木林 -塔河一帶地質(zhì)環(huán)境略圖(趙忠海，2001)順義城區(qū)西南地裂縫剖面圖(趙忠海，2001)(3) 大同、臨汾一帶地裂縫活動(dòng)大同市地裂縫分布略圖1 大同機(jī)車廠地裂縫 ;2 新添堡地裂縫 ;3 南鑿井對地裂縫 ;4 文化里地裂縫 ;5 振華街地裂縫 ;6 3 2 2醫(yī)院地裂縫 ;7 機(jī)電公司地裂

20、縫 ;8 安益街地裂縫 ;9 鐵路分局地裂縫臨汾盆地地裂縫楊景春，等，1999山西斷陷帶構(gòu)造略圖及地裂縫分布(姜振泉,等，1997)(4) 沿海平原地帶的地面沉降 浙江杭嘉湖平原到沿海地帶普遍地面沉降，根據(jù)浙江地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站報(bào)道，90年代以來浙江鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)工業(yè)用水大幅增加，超采地下水資源引發(fā)杭嘉湖平原至沿海地帶地面沉降加重，嘉興地區(qū)因地面沉降近幾年已遭受了多次洪水侵襲，所造成的后果已難于恢復(fù)。 此外，海南省?？谑械孛娉两?，面臨海水倒灌，土地鹽堿化威脅；天津港人工港區(qū)地面沉降嚴(yán)重影響港區(qū)地面的穩(wěn)定性。這些地面沉降都與過量地下水開采有關(guān)，已引起有關(guān)部門的重視和采取相應(yīng)的措施。蘇錫常地區(qū)地形變地質(zhì)災(zāi)害圖上海中心城區(qū)地面沉降歷史 19211965年快速沉降時(shí)期 19662000年沉降控制時(shí)期5.6 地面沉降涵義 (1)廣泛涵義：系指地殼表面在自然力作用下或人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)影響下造成區(qū)域性的總體下降運(yùn)動(dòng)。其特點(diǎn)是以向下的垂直運(yùn)動(dòng)為主體，而只有少量或基本上沒有水平向位移。其速度和沉降量值以及持續(xù)時(shí)間和范圍均因具體誘發(fā)因素或地質(zhì)環(huán)境的不同而異。 (2)工程涵義： 目前國內(nèi)外工程界所研究的地面沉降主要是指由抽取液體(以地下水為主，也包括油、氣)所引起的區(qū)域性地面沉降。我國巖土工程勘察規(guī)范中規(guī)定的：