9-地面塌陷和地面沉降课件.ppt
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- 地面 塌陷 地面沉降 课件
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1、第九讲第九讲地面塌陷和地面沉降地面塌陷和地面沉降中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG插插入全入全国经济区国经济区城市群城市群规划图规划图片片优势的交通、地理和资源背后,存在着地面塌陷、地面沉降等问题,限制着经济区和城市群的发展。中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG2010.4.2 德国贝恩堡直径30m、深40m塌陷坑2010.4.8 广西贺州一水塘出现近20个塌陷坑2010.5.3 四川宜宾半月43个塌陷坑,最大直径60米2010.5.26 甘肃兰州高速路塌陷坑2010.5.27 湖南沅
2、陵人行道突然塌陷2010.5.28 湖北武汉徐东大街路面塌陷2010.5.30 四川成都大邑新场镇、崇州怀远镇连续多个天坑2010.5.31 危地马拉地面塌陷形成大坑深60m、径30m 2010.6.3 广西来宾地陷巨坑连成200m塌陷带2010.6.4 江西南昌昌南大道与迎宾北大道交叉口突然塌陷2010.6.4 浙江衢州高速公路巨坑直径8米、深10m. 地面塌陷地面塌陷中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG2009年年7月月22日,黑龙江鸡西鑫永丰煤矿地面塌日,黑龙江鸡西鑫永丰煤矿地面塌陷,引发矿井水灾。陷,引发矿井水灾。 黑龙江鹤岗煤矿,
3、开采黑龙江鹤岗煤矿,开采70多年来,已塌陷土地多年来,已塌陷土地41.97km2,搬迁房屋总建筑面积,搬迁房屋总建筑面积39.7104m2, 2000年年4月月6日,洪山区青菱乡烽火村地面塌陷。日,洪山区青菱乡烽火村地面塌陷。陷坑陷坑18个,最大陷坑长个,最大陷坑长63米、深米、深67米。倒塌,米。倒塌,有有16栋民房出现不同程度的开裂、破损。栋民房出现不同程度的开裂、破损。2008年年11月月15日杭州地日杭州地铁铁一一号线号线地面塌陷事故,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,正在行驶驶的十一的十一辆辆汽汽车车包括一包括一辆辆公交公交车车陷入坑陷入坑内内,
4、17人死亡,人死亡,4人失踪。人失踪。 中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG(一)(一)岩溶岩溶地面塌陷分地面塌陷分布布 岩溶塌陷主岩溶塌陷主要集中在扬要集中在扬子地台和华子地台和华北地台的碳北地台的碳酸盐岩分布酸盐岩分布区区 ,可分为,可分为南、北岩溶南、北岩溶塌陷高发区。塌陷高发区。地面塌陷地面塌陷中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG地面塌陷地面塌陷1 1、北方岩溶地面塌陷区、北方岩溶地面塌陷区 以大型宽缓的褶皱和断块构造为主,气候较干旱,降水量少,以大型宽缓的褶皱和断块构造为主,气
5、候较干旱,降水量少,岩溶发育程度不高,除古代的岩溶洞穴系统有部分残留外,岩溶发育程度不高,除古代的岩溶洞穴系统有部分残留外,现代现代岩溶主要以溶蚀裂隙为主岩溶主要以溶蚀裂隙为主。 岩溶地面塌陷大多集中在山区与平原的过渡地带岩溶地面塌陷大多集中在山区与平原的过渡地带,如辽宁省,如辽宁省的南部、山东的泰安、枣庄、莱芜、河北的唐山、秦皇岛柳江盆的南部、山东的泰安、枣庄、莱芜、河北的唐山、秦皇岛柳江盆地、江苏的徐州、安徽的淮南、淮北等地。地、江苏的徐州、安徽的淮南、淮北等地。 分布有古代岩溶塌陷的痕迹分布有古代岩溶塌陷的痕迹陷落柱陷落柱。华北地台曾经历。华北地台曾经历过多次构造运动,地下水的区域排泄基
6、准面也多次变迁,致使碳过多次构造运动,地下水的区域排泄基准面也多次变迁,致使碳酸盐岩地层形成大量的洞穴。酸盐岩地层形成大量的洞穴。中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG2 2、南方岩溶塌陷区、南方岩溶塌陷区 气候温热湿润,植被茂密,地质构造多为紧密的褶皱和密集的气候温热湿润,植被茂密,地质构造多为紧密的褶皱和密集的断块,断块,现代岩溶十分发育现代岩溶十分发育。 裸露岩溶区和半裸露岩溶区的面积占碳酸盐岩总面积的裸露岩溶区和半裸露岩溶区的面积占碳酸盐岩总面积的41.3%41.3%,主要分布于云南、贵州、四川、广西、湖南、江西、湖北等省。主要分布于
7、云南、贵州、四川、广西、湖南、江西、湖北等省。湖南省岩溶塌陷居全国之首,其次为广东省和广西壮族自治区,湖南省岩溶塌陷居全国之首,其次为广东省和广西壮族自治区,再其次为贵州、云南、四川。再其次为贵州、云南、四川。 矿山排水、开采地下水、水库蓄水等矿山排水、开采地下水、水库蓄水等人为干扰岩溶水流场的活人为干扰岩溶水流场的活动,是诱发岩溶地面塌陷的主导力量动,是诱发岩溶地面塌陷的主导力量。 地面塌陷地面塌陷中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG(二)矿山采空区地面塌陷的分布(二)矿山采空区地面塌陷的分布 矿山采空区地面塌陷是我国地面塌陷中另一种重要
8、形式。其矿山采空区地面塌陷是我国地面塌陷中另一种重要形式。其中煤矿开采造成的地面塌陷比例最大。中煤矿开采造成的地面塌陷比例最大。 目前我国采矿业造成的地面塌陷主要分布在全国目前我国采矿业造成的地面塌陷主要分布在全国2020个省区市,个省区市,塌陷点总数达塌陷点总数达1713817138个,占全国各种类型地面塌陷总点数个,占全国各种类型地面塌陷总点数44.4%44.4%,其中湖南省为其中湖南省为1254912549个,再其次为内蒙古自治区个,再其次为内蒙古自治区28002800个,再其个,再其次分别为山西、黑龙江、安徽、河南等省。次分别为山西、黑龙江、安徽、河南等省。 地面塌陷地面塌陷中国地质大
9、学环境学院School of Environmental Studies-CUG 到2003年地面沉降 面 积 已 达 到93,855km2,形成长三角、华北平原、和汾渭盆地等地面沉降灾害严重区。地面沉降地面沉降中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG图 例沉降量大于2000mm沉降量5001000mm沉降量10002000mm沉降量小于500mm西安太原天津上海无锡唐海苏州常州杭州湖州阜阳沧州北京曲周绍兴宁波温岭温州南通泰州徐州衡水晋州石家庄大城任丘保定霸洲德州东营济宁菏泽许昌洛阳开封淮北宿州台北大同榆次临汾运城广州珠海海口昆明哈尔滨大庆福州
10、嘉兴扬州00200100300400500KM洪湖屏东云林台北云林屏东广州珠海海口我国发现地面沉降的主要城市我国发现地面沉降的主要城市地面沉降地面沉降中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG长江三角洲地面沉降现状图长江三角洲地面沉降现状图地面沉降地面沉降中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG上海市地面累积沉降量等值线上海市地面累积沉降量等值线图图(一九九六(一九九六二二一一年)年)地面沉降地面沉降中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG苏锡常地
11、区苏锡常地区2002年年地面沉降速率图地面沉降速率图 苏锡常地区至苏锡常地区至2002年年地面累计沉降量等值线图地面累计沉降量等值线图地面沉降地面沉降中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG华北平原地面沉降等值线图华北平原地面沉降等值线图地面沉降地面沉降中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG太原市累计地面沉降等值线图太原市累计地面沉降等值线图(19562000年年)大同市累计地面沉降等值线图大同市累计地面沉降等值线图(19881993年年)地面沉降地面沉降地面塌陷地面塌陷中国地质大学环境学院S
12、chool of Environmental Studies-CUG提 纲l一、概述l二、地面塌陷形成条件及发生机理l三、岩溶塌陷稳定性评价l四、地面塌陷的防治中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG一、概述一、概述u 地面塌陷地面塌陷 定义定义: :天然洞穴或人工洞室上覆岩土体失稳突然陷落,导致地面快速下沉、开裂的现象和过程。 地下存在空洞是地面塌陷发生的先决条件,地下空洞可分为天然洞穴和人工洞室两类。天然洞穴是由自然地质作用形成的,包括岩溶洞穴、土洞(黄土洞穴、红土洞穴、冻胀丘融化形成的土洞)。人工洞室是人工采掘活动所形成的,包括人防工程、
13、地铁、隧道、蚀洞和采矿形成的地下巷道系统。中国地质大学环境学院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)破坏地面建筑、造成人员伤亡(一)破坏地面建筑、造成人员伤亡(二)损毁铁路、公路和水利设施(二)损毁铁路、公路和水利设施(三)破坏农田(三)破坏农田 (四)引发矿井水患(四)引发矿井水患 中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG二、地面塌陷的形成条件及发生机理二、地面塌陷的形成条件及发生机理l 地面塌陷的形成条件地面塌陷的形成条件(一)岩土体的内部条件(一)岩土体
14、的内部条件1 1、地下存在空洞、地下存在空洞2 2、洞穴围岩状况、洞穴围岩状况 地下洞穴的受力状况如同梁的受力,洞的顶板相当于承地下洞穴的受力状况如同梁的受力,洞的顶板相当于承载上覆岩土体自重的梁,洞的两侧如同位于梁端的两个支载上覆岩土体自重的梁,洞的两侧如同位于梁端的两个支点。点。是否发生塌陷取决于顶板能够形成稳定的支撑拱是否发生塌陷取决于顶板能够形成稳定的支撑拱。 中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG(二)岩土体的外部条件(二)岩土体的外部条件1 1、自然影响因素、自然影响因素(1 1)大气降水)大气降水l 使洞顶覆岩的含水层增大,自重
15、加大;使洞顶覆岩的含水层增大,自重加大;l 下渗水流会湿润裂隙面,降低岩石块体间的抗滑阻力。下渗水流会湿润裂隙面,降低岩石块体间的抗滑阻力。l 入渗的水流进入围岩中的宽大裂隙,形成动水压力和冲刷作用。入渗的水流进入围岩中的宽大裂隙,形成动水压力和冲刷作用。l 在岩溶地区,降水入渗对补给封闭岩溶洞穴,引起洞内气压变化,在岩溶地区,降水入渗对补给封闭岩溶洞穴,引起洞内气压变化,导致气爆发生,引发洞顶塌陷。导致气爆发生,引发洞顶塌陷。二、地面塌陷的形成条件及发生机理二、地面塌陷的形成条件及发生机理中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG(2 2)河、
16、湖近岸地带的侧向倒灌作用)河、湖近岸地带的侧向倒灌作用 河、湖近岸地带普遍分布着孔隙潜水与岩溶水组成的双层河、湖近岸地带普遍分布着孔隙潜水与岩溶水组成的双层含水介质。含水介质。 河湖水位变动引起地下空腔内和上浮覆盖层水位的变化,河湖水位变动引起地下空腔内和上浮覆盖层水位的变化,引起岩土层潜蚀、气压变化等,促使地面塌陷发生。引起岩土层潜蚀、气压变化等,促使地面塌陷发生。(3 3)地震)地震 地震力引起洞顶覆岩及洞壁岩土体损伤,加剧变形;地震力引起洞顶覆岩及洞壁岩土体损伤,加剧变形; 当上覆松散饱水细粒物质时,易当上覆松散饱水细粒物质时,易“液化液化” ” 形成地面塌陷。形成地面塌陷。 二、地面塌
17、陷的形成条件及发生机理二、地面塌陷的形成条件及发生机理中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG2 2、人为活动的影响、人为活动的影响 人为激发活动主要表现在地面施加荷载、人为爆破和车辆人为激发活动主要表现在地面施加荷载、人为爆破和车辆振动、水库蓄放水的人工调节等。对于岩溶地面塌陷,除上述振动、水库蓄放水的人工调节等。对于岩溶地面塌陷,除上述人为活动外,地下水的抽排、回灌,尤其是快速、大降深的抽人为活动外,地下水的抽排、回灌,尤其是快速、大降深的抽水活动往往是引发地面塌陷最普遍的原因。水活动往往是引发地面塌陷最普遍的原因。 二、地面塌陷的形成条件
18、及发生机理二、地面塌陷的形成条件及发生机理中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG二、地面塌陷的形成条件及发生机理二、地面塌陷的形成条件及发生机理l 地面塌陷发生的机理地面塌陷发生的机理(一)矿山采空区地面塌陷的机理(一)矿山采空区地面塌陷的机理 l 第一阶段为掘进和回采的初期,存第一阶段为掘进和回采的初期,存在冒落带、断裂带和弯曲带在冒落带、断裂带和弯曲带 ;l 第二阶段为地裂缝发展阶段,仅存第二阶段为地裂缝发展阶段,仅存在冒落带和断裂带;在冒落带和断裂带;l 第三阶段为地面塌陷阶段,仅存在第三阶段为地面塌陷阶段,仅存在冒落带。冒落带。中国地
19、质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG1 1、潜蚀作用、潜蚀作用2 2、真空吸蚀效应、真空吸蚀效应3 3、压强差效应、压强差效应4 4、自重效应、自重效应5 5、浮力效应、浮力效应6 6、土体强度效应、土体强度效应、其他效应、其他效应 形成塌陷的原因很多,因地制宜,可能是一种原因为形成塌陷的原因很多,因地制宜,可能是一种原因为主导,也可能是多种因素综合作用的结果。主导,也可能是多种因素综合作用的结果。二、地面塌陷的形成条件及发生机理二、地面塌陷的形成条件及发生机理(二)岩溶地面塌陷的机理(二)岩溶地面塌陷的机理中国地质大学环境学院School of
20、 Environmental Studies-CUG 岩溶塌陷稳定性的评价包括:岩溶塌陷稳定性的评价包括:塌陷堆积体(简称塌陷体)、土洞塌陷堆积体(简称塌陷体)、土洞及浅埋岩溶洞隙及浅埋岩溶洞隙等三个方面的稳定性评价。等三个方面的稳定性评价。(一)塌陷体的(一)塌陷体的稳定性评价稳定性评价 塌陷体的稳定塌陷体的稳定性主要根据塌陷的性主要根据塌陷的微地貌特征、堆积微地貌特征、堆积物的性状及地下水物的性状及地下水埋藏与活动情况等埋藏与活动情况等因素进行定性评价因素进行定性评价见表。见表。三、岩溶塌陷稳定性评价三、岩溶塌陷稳定性评价中国地质大学环境学院School of Environmental
21、Studies-CUG(二)土洞稳定性的评价(二)土洞稳定性的评价 休止状态的土洞其稳定性主要取决于土洞顶板埋深或其与安全休止状态的土洞其稳定性主要取决于土洞顶板埋深或其与安全临界厚度之比。临界厚度之比。1成拱分析法(普罗特尼可夫塌落拱理成拱分析法(普罗特尼可夫塌落拱理论)论) 当洞隙顶板岩体被密集裂隙切割呈块当洞隙顶板岩体被密集裂隙切割呈块状或碎块状时,或处于松散层中的土洞,状或碎块状时,或处于松散层中的土洞,可认为顶板将成拱形塌落,而其上荷载及可认为顶板将成拱形塌落,而其上荷载及岩、土体则由拱自身承担。此时破裂拱高岩、土体则由拱自身承担。此时破裂拱高h 为:为:式中,式中,h 破裂拱高(安
22、全临界高度,破裂拱高(安全临界高度,m);); h0 洞隙高度(洞隙高度(m );); b 洞隙宽度之半(洞隙宽度之半(m);); 内摩擦角(度);内摩擦角(度); f 坚固系数(普氏系数);坚固系数(普氏系数); R 岩石单轴饱和抗压强度(岩石单轴饱和抗压强度(M Pa);); n粘性土剪切面上的正压力;粘性土剪切面上的正压力; c 土的粘聚力。土的粘聚力。三、岩溶塌陷稳定性评价三、岩溶塌陷稳定性评价中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG2 2坍塌平衡法坍塌平衡法 土洞顶板土体的平衡条件(见图)是:式中,式中,G A B D C 土体自重;
23、土体自重; F 侧壁摩擦阻力;侧壁摩擦阻力; H 0 极限平衡时的顶板厚度(安全临界厚极限平衡时的顶板厚度(安全临界厚度);度); D 土洞跨度;土洞跨度; 土体密度;土体密度; 侧压力系数;侧压力系数; 内摩擦角。内摩擦角。三、岩溶塌陷稳定性评价三、岩溶塌陷稳定性评价中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG10101001101100113011.0511.15 1.20,1,31V KVVKKVVKKVF h VF hhhKVF h VF hhhK岩石的涨余系数土层 岩石 假设为柱体, 假设溶洞为圆柱体,坍塌体为锥体3顶板坍塌堵塞法顶板坍塌
24、堵塞法 对于顶板较破碎的洞隙或土洞顶板,在洞内无水流搬运迁移的情况下,坍落后对于顶板较破碎的洞隙或土洞顶板,在洞内无水流搬运迁移的情况下,坍落后其体积松胀,当坍塌到一定高度时,洞体将被完全堵塞,此时可认为洞体空间已被其体积松胀,当坍塌到一定高度时,洞体将被完全堵塞,此时可认为洞体空间已被支撑,不再向上扩展。其所需的坍塌高度(即安全临界高度)支撑,不再向上扩展。其所需的坍塌高度(即安全临界高度)h1 可估算如下:可估算如下:三、岩溶塌陷稳定性评价三、岩溶塌陷稳定性评价中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG(三)浅埋岩溶洞隙的稳定性评价(三)浅埋
25、岩溶洞隙的稳定性评价三、岩溶塌陷稳定性评价三、岩溶塌陷稳定性评价1 1、洞洞隙隙稳稳定定性性的的定定性性评评价价 中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG2 2、 洞隙稳定性的半定量评价洞隙稳定性的半定量评价(1 1)洞隙顶板的安全厚度评价)洞隙顶板的安全厚度评价 对于比较完整的微风化坚硬岩石组成的洞隙顶板,根据大量的洞隙地基工对于比较完整的微风化坚硬岩石组成的洞隙顶板,根据大量的洞隙地基工程实例调查统计,其安全厚度主要与洞跨有关,一般洞隙厚跨比程实例调查统计,其安全厚度主要与洞跨有关,一般洞隙厚跨比 , 即为稳定安全。即为稳定安全。1hl(2
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