环境地质学分论-地面塌陷分解课件.ppt
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- 环境 地质 学分 地面 塌陷 分解 课件
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1、中 国 地 质 大 学 环 境 学 院中 国 地 质 大 学 环 境 学 院School of Environmental Studies-CUG环境地质学环境地质学主讲教师:曾斌主讲教师:曾斌zengbin_分论若干地质环境问题的论述Environmental Geology地面塌陷地面塌陷v概概 述述v地面塌陷的危害地面塌陷的危害v我国地面塌陷的分布特点我国地面塌陷的分布特点v地面塌陷的形成条件及发生机理地面塌陷的形成条件及发生机理v岩溶塌陷的稳定性评价岩溶塌陷的稳定性评价v地面塌陷的防治地面塌陷的防治主要内容主要内容一、概述一、概述定义定义:地面塌陷是指天然洞穴或人工洞室上覆岩土体失稳突
2、然陷落,导致地面快速下沉、开裂的现象和过程。地面塌陷造成的地面变形量大,变形速度快,且具有地面塌陷造成的地面变形量大,变形速度快,且具有突然性突然性,事,事前往往很难准确判断发生的时间,加之,其发生过程可导致地面建筑前往往很难准确判断发生的时间,加之,其发生过程可导致地面建筑物开裂、倒塌,甚至整体陷落,公路、桥梁扭曲错断,农田肢解以及物开裂、倒塌,甚至整体陷落,公路、桥梁扭曲错断,农田肢解以及大量的人员伤亡,所以,地面塌陷是人类面临的一种地质灾害。大量的人员伤亡,所以,地面塌陷是人类面临的一种地质灾害。u 地面塌陷地面塌陷地下存在空洞是地面塌陷发生的地下存在空洞是地面塌陷发生的先决条件先决条件
3、,地下空洞可分,地下空洞可分为天然洞穴和人工洞室两类。为天然洞穴和人工洞室两类。目前面临的地面塌陷主要包括目前面临的地面塌陷主要包括岩溶塌陷岩溶塌陷和和采空区塌陷采空区塌陷。矿山采空区地面塌陷矿山采空区地面塌陷是人为诱发地面塌陷的最主要类型。是人为诱发地面塌陷的最主要类型。二、地面塌陷的危害二、地面塌陷的危害l 1 1、破坏地面建筑、造成人员伤亡、破坏地面建筑、造成人员伤亡 2009年8月8日,安徽省合肥市长江中路与徽州大道交叉口发生路面塌陷,一辆蓝色出租车掉入塌陷区中 2009年7月4日凌晨2时30分许,鄂州市汀祖镇刘云村陈盛湾村内,一幢占地面积百余平方米的平顶楼房部分向地下塌陷6米,户主3
4、0岁的儿子被埋遇难。安徽淮南采空区塌陷 黑龙江鹤岗煤矿,开采黑龙江鹤岗煤矿,开采70多年来,已塌陷多年来,已塌陷土地土地41.97km2,搬迁房屋总建筑面积,搬迁房屋总建筑面积39.7104m2,目前山西省各类矿山采空区已达目前山西省各类矿山采空区已达2 2万多平方公里万多平方公里,以全省,以全省15.615.6万万平方公里的土地面积计算,山西有平方公里的土地面积计算,山西有近七分之一的地面已经成为近七分之一的地面已经成为“悬空区悬空区”,使大面积土地塌陷。使大面积土地塌陷。2000年4月6日下午4时8时,洪山区青菱乡烽火村地面塌陷。陷坑18个,最大陷坑长63米、深67米;最小陷坑12长,深小
5、于2米。陷坑带呈近东西向分布,散分在东西300米、南北250米的范围内。有2栋民房完全倒塌,有16栋民房出现不同程度的开裂、破损。西安70米长路面塌陷,9辆货运汽车掉进深约3米、长约70米的坑中附近群众以为地震 l 2 2、损毁铁路、公路和水利设施、损毁铁路、公路和水利设施 2008年11月15日杭州地铁一号线地面塌陷事故,造成75米的路面陷落了15米,正在行驶的十一辆汽车包括一辆公交车陷入坑内,17人死亡,4人失踪。l 3 3、引发矿井水患、引发矿井水患 2009年7月22日黑龙江省鸡西市鑫永丰煤矿发生采空区地面塌陷,形成面积约3000m2、深10余米的塌坑,由于正值降雨,水与流沙大量涌入坑
6、内,使矿井淹没,23名当班矿工被困井下。l 4 4、破坏农田、破坏农田三、我国地面塌陷分布的特点三、我国地面塌陷分布的特点(一)(一)岩溶地岩溶地面塌陷分布面塌陷分布 据据19931993年的不完全年的不完全统计,南方岩溶地统计,南方岩溶地面 塌 陷 点 已 发 现面 塌 陷 点 已 发 现3407234072个,占全国个,占全国总数的总数的96.5%96.5%。其。其中湖南省有中湖南省有1415214152个,居全国之首,个,居全国之首,其次为广东省和广其次为广东省和广西壮族自治区,分西壮族自治区,分别为别为87518751个、个、87358735个,再其次为贵州、个,再其次为贵州、云南、四
7、川。云南、四川。1 1、北方岩溶地面塌陷区、北方岩溶地面塌陷区 长江以北,由于华北地台大多为大型宽缓的褶皱和断块构造,长江以北,由于华北地台大多为大型宽缓的褶皱和断块构造,气候较干旱,降水量少,岩溶发育程度不高,除古代的岩溶洞穴气候较干旱,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,现代岩溶主要以溶蚀裂隙为主。系统有部分残留外,现代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
8、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。华北地台曾经历过华北地台曾经历过多次构造运动,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。古代岩溶塌陷主要分布在晋、冀、鲁、盐岩地层形成大量的洞穴。古代岩溶塌陷主要分布在晋、冀、鲁、豫、陕等省,太原西山、汾河沿岸、河北太行山一带的煤田中较豫、陕等省,太原西山、汾河沿岸、河北太行山一带的煤田中较为常见。为常见。2 2、南方岩溶塌陷区、南方岩溶塌陷区 位于长江以南的广大地区,是我国碳酸盐岩分
9、布最集中、面位于长江以南的广大地区,是我国碳酸盐岩分布最集中、面积最大的区域,总面积约积最大的区域,总面积约176.08176.0810104 4kmkm2 2。气候温热湿润,植被茂。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,密,地质构造多为紧密的褶皱和密集的断块,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
10、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。活动,是诱发岩溶地面塌陷的主导力量。(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形式。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。其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
11、布在全国2020个省区个省区市,塌陷点总数达市,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,个,再其次分别为山西、黑龙江、安徽、河南等省。再其次分别为山西、黑龙江、安徽、河南等省。四、地面塌陷的形成条件及发生机理四、地面塌陷的形成条件及发生机理(一)地面塌陷的形成条件(一)地面塌陷的形成条件1 1、岩土体的内部条件、岩土体的内部条件(1 1)地下存在空洞)地下存在空洞 具备一定规模的地下无岩土的空间,即具备一
12、定规模的地下无岩土的空间,即空洞空洞。地下空洞的。地下空洞的存在有着两方面的意义:存在有着两方面的意义:其一,它是洞体顶板、侧壁局部冒落物以及塌陷发生时坠其一,它是洞体顶板、侧壁局部冒落物以及塌陷发生时坠落物的落物的储容空间储容空间,在地下岩溶发育区,地下洞穴以及溶蚀裂隙,在地下岩溶发育区,地下洞穴以及溶蚀裂隙还起着将洞穴暂时堆积物输移到远处或深处溶洞的还起着将洞穴暂时堆积物输移到远处或深处溶洞的通道作用通道作用。其二,地下空洞为具有多个临空面的空腔,空洞的顶、底其二,地下空洞为具有多个临空面的空腔,空洞的顶、底板和侧壁在周围岩压的作用下极易发生板和侧壁在周围岩压的作用下极易发生应力集中应力集
13、中,而处于稳定,而处于稳定性很差的状态,一旦受到外力干扰,容易失稳而发生覆岩的冒性很差的状态,一旦受到外力干扰,容易失稳而发生覆岩的冒落,甚至发生波及地表的塌陷。落,甚至发生波及地表的塌陷。地下空洞的形成,可以是地下空洞的形成,可以是自然力自然力,也可以是,也可以是人工挖掘人工挖掘的结果。的结果。l 在可溶盐岩分布区的岩溶洞穴包括各种形态的溶洞、溶隙、管在可溶盐岩分布区的岩溶洞穴包括各种形态的溶洞、溶隙、管道等。一般而言,当可溶岩岩性较纯,岩层厚度较大,出露分布广,道等。一般而言,当可溶岩岩性较纯,岩层厚度较大,出露分布广,断层较发育、岩层较破碎时,岩溶较易发育。断层较发育、岩层较破碎时,岩溶
14、较易发育。岩溶洞隙的发育一般岩溶洞隙的发育一般受岩溶地下水排泄基准面的控制受岩溶地下水排泄基准面的控制,多发育,多发育于浅部,向深部逐渐减弱。浅部岩溶洞隙由于地下水活动频繁,交于浅部,向深部逐渐减弱。浅部岩溶洞隙由于地下水活动频繁,交替强烈,一般连通性较好,成为塌陷物质的储集空间和运移通道。替强烈,一般连通性较好,成为塌陷物质的储集空间和运移通道。塌陷坑与开口洞隙存在着密切的垂向对应关系。洞穴愈大,塌陷规塌陷坑与开口洞隙存在着密切的垂向对应关系。洞穴愈大,塌陷规模也愈大;洞隙开口愈大,塌陷速度愈快。模也愈大;洞隙开口愈大,塌陷速度愈快。l 地下井巷系统是最易引发地面塌陷的一种人工洞室。地下井巷
15、系统是最易引发地面塌陷的一种人工洞室。(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,洞的顶板相当于承载上覆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点。是否发生塌岩土体自重的梁,洞的两侧如同位于梁端的两个支点。是否发生塌陷取决于顶板能够形成稳定的支撑拱。陷取决于顶板能够形成稳定的支撑拱。一般而论,当洞穴埋藏一般而论,当洞穴埋藏深度与洞穴高度之比小于深度与洞穴高度之比小于2525:1 1时,洞顶上部就会形成三个时,洞顶上部就会形成三个变形特点不同的带,即冒落带、变形特点不同的带,即冒落带、裂隙带和弯曲带。裂隙带和弯曲
16、带。2 2、岩土体的外部条件、岩土体的外部条件(1 1)自然影响因素)自然影响因素(a a)大气降水)大气降水l 降雨入渗水可以使洞顶覆岩的含水层增大,自重加大;降雨入渗水可以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,降低岩石块体间的下渗水流会湿润裂隙面,降低岩石块体间的抗滑阻力抗滑阻力,从而引起,从而引起洞顶和洞壁的进一步变形而失稳。洞顶和洞壁的进一步变形而失稳。l 降雨强度大、历时较长时,入渗的水流进入围岩中的宽大裂隙,降雨强度大、历时较长时,入渗的水流进入围岩中的宽大裂隙,形成较大的形成较大的动水压力和冲刷动水压力和冲刷作用。作用。l 在岩溶地区,降水入渗对补给封闭岩溶
17、洞穴,快速上升的岩溶水在岩溶地区,降水入渗对补给封闭岩溶洞穴,快速上升的岩溶水会压缩洞内,形成会压缩洞内,形成上挤的压力上挤的压力,导致气爆发生,引发洞顶塌陷。,导致气爆发生,引发洞顶塌陷。(b b)河、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。层含水介质。汛期洪水位急剧上升的情况下,汛期洪水位急剧上升的情况下,河、湖水将向地下水产生河、湖水将向地下水产生侧向倒灌,地下水位随之上升。这时岩溶地下水对洞隙上覆盖侧向倒灌,地下水位随之上升。这时岩溶地下水对洞隙上覆盖层土体产生正
18、压力或使浮托力增大。层土体产生正压力或使浮托力增大。在洪水位迅速回落时在洪水位迅速回落时,岩溶地下水位回落快于潜水位,对,岩溶地下水位回落快于潜水位,对洞隙上覆盖层的浮托力很快消减,通过洞隙开口处从潜水含水洞隙上覆盖层的浮托力很快消减,通过洞隙开口处从潜水含水层向岩溶洞隙产生垂向的渗透潜蚀作用,在盖层中形成土洞进层向岩溶洞隙产生垂向的渗透潜蚀作用,在盖层中形成土洞进而扩展形成塌陷。这种现象称之为洪水倒灌潜蚀塌陷,简称为而扩展形成塌陷。这种现象称之为洪水倒灌潜蚀塌陷,简称为洪水塌陷。洪水塌陷。(c c)地震)地震l 一是地震力可使洞顶覆岩以及洞壁的裂隙进一步扩大,引起一是地震力可使洞顶覆岩以及洞
19、壁的裂隙进一步扩大,引起岩层破裂、位移加剧;岩层破裂、位移加剧;l 二是洞隙上覆松散饱水细粒物质发生二是洞隙上覆松散饱水细粒物质发生“液化液化”,而形成地面,而形成地面塌陷。塌陷。2 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
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