第六章 主要城市岩溶塌陷
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岩溶地面塌陷类型及其发生、分布规律近年在一些城市圈内的隐伏岩溶分布区,岩溶地面塌陷时有发生。
如武汉、广州、深圳等大城市,由隐伏岩溶造成覆盖层地面塌陷曾导致居民财产严重受损,或建筑工程停顿,或堤防受损加固,其经济损失非常巨大。
其中以武汉市最为突出,2000年4月近郊的烽火村出现22个塌陷坑,造成49栋农居楼房易地重建,经济损失500余万元;2008年4月汉南纱冒镇邻近长江大堤发生地面塌陷,仅加固堤防就耗资近3000万元;深圳某体育中心,施工过程中发生地面塌陷,不但使工程停顿,还增加了大量勘探工作和加固费用,总增加投资超过1000万元。
由此可见岩溶地面塌陷的危害之大。
岩溶地面塌陷这一不良地质现象,似乎是大家都熟知的一种地质灾害。
但事实证明,许多人对它的实质含义、类型、发生及分布规律并不真正了解,甚至存在一些误区。
比如一遇到地面塌陷就误认为是地下溶洞发生垮塌,这类塌陷本来是一种自然的物理地质现象,人为活动在多数情况下是诱发因素,只是在特殊情况下成为主导因素。
但在塌陷发生后,往往是不分青红皂白地追究人为责任,而不去深入探讨自然规律。
有鉴于此,特作如下阐述。
一、定义所谓“岩溶地面塌陷”,是指隐伏在第四纪覆盖层下的可溶岩中存在岩溶空洞,且存在与覆盖层相连的通道。
在某些自然因素或人为因素作用下,覆盖层物质沿着岩溶通道漏失到岩溶空洞中,引起覆盖土体发生塌陷,导致地面出现塌陷的自然现象。
这里要强调两层含义,一是“地面塌陷”,二是“覆盖层土体”塌陷,而非可溶岩溶洞塌陷。
二、机理不同地质条件具有不同的塌陷机理。
最早流行的是“潜蚀”机理。
上世纪80年代出现了“真空吸蚀”机理。
本文提出“潜蚀——液化——漏失”机理。
实际情况是三种机理并存,不同地质条件下的塌陷符合不同机理。
1、潜蚀机理所谓“潜蚀”是泛指地下水在运动过程中不断带走土中物质的机械作用过程。
岩溶地面塌陷过程中的“潜蚀”一般是发生在土岩接合面附近的土中。
最有利于发生潜蚀的条件是覆盖层为粘性土,且岩溶地下水位已脱离基岩顶面降至岩体中而在地下水位以上存在饱气带,亦即岩面上下地下水的垂直循环带。
武汉市岩溶地面塌陷武汉市岩溶地面塌陷发生过多次,损失巨大。
本文介绍了岩溶地面塌陷发生的成因和诱发因素,并依照武汉市的岩溶特征,提出相应的防治对策与预警方法,对武汉市的岩溶地面塌陷防治有一定的意义。
关键词:武汉市;岩溶地面塌陷;防治;预警1. 引言武汉市地处我国中部,属亚热带大陆季风气候;区内分布南北3条近东西向覆盖型碳酸盐岩条带,碳酸盐岩主要为石炭系中统黄龙组(C2hl)灰岩、二迭系下统栖霞组(P1q)灰岩夹炭质灰岩及三叠系下统大冶组(T1d)灰岩、泥灰岩[1];武汉市岩溶主要分为覆盖型和埋藏型,裸露型岩溶极少分布。
1978年至今已发生十多起岩溶地面塌陷灾害,且近来越发频繁,其中尤以青菱乡烽火村(2000年4月)塌陷规模和损失最大,可见武汉市属于岩溶地面塌陷多灾区。
若能成功防治预警岩溶地面塌陷的发生,将会产生巨大实际意义。
2. 岩溶地面塌陷的成因及诱发因素2.1 岩溶地面塌陷的成因岩溶地面塌陷的形成一般具备以下三个条件:(1)出现在以一定厚度土体为盖层的覆盖型岩溶区,一般认为,覆盖层厚度<10m者,塌陷严重;10~30m者,容易塌陷;>30m者,塌陷可能性很小;(2)覆盖层以下可溶性基岩浅部岩溶发育,顶界面上有开口岩溶管道(落水洞、岩溶竖井),具有搬运、储存大量冲蚀物所必需的通道和空间;(3)具有引起土体变形、破坏的作用力,该作用力的主要来源是地下水静、动水压力和土体自重。
[2]通过查阅武汉市岩溶塌陷记录资料,发现历次塌陷的发生均具有上述条件。
塌陷区上覆土层均为第四系全新统松散堆积物(Q4),属长江一级阶地中、前部,地表上层较薄(厚5m左右),物理力学指标低(Ps值一般仅为0.5MPa);中下部砂土层疏松,f值一般在0~5MPa,在地下水的内动力作用下极易被潜蚀;一旦砂粒流失,常形成土洞或扰动土层,表明岩溶地面塌陷处于发育阶段。
在一定外力或自重作用下,即发生地面塌陷。
2.2岩溶地面塌陷的诱发因素市内岩溶地面塌陷诱发因素可分为自然因素和人为因素。
岩溶地面塌陷的勘查与防治[摘要]本文对岩溶地面塌陷勘查的目的任务、勘查方法与要求、成果报告编制及防治等方面进行了较为系统的阐述,对其它地区岩溶地面塌陷勘查如何选择经济、有效的勘查评价方法有一定的借鉴意义。
[关键词]岩溶地面塌陷,土洞,勘查,预测,防治岩溶地面塌陷是指在岩溶发育地区岩溶洞穴上面的覆盖土层或岩溶顶板在人类活动或自然因素作用下引起变形破坏,向隐伏在其下的早期岩溶洞隙塌落,并在地表形成塌陷坑的一种动力地质作用与现象。
岩溶地面塌陷具有突发性和不确定性,对其进行勘查评价、预测预报难度较大。
岩溶地面塌陷的产生一般具备三个条件:一是岩溶洞隙的存在是岩溶地面塌陷赖以产生的基础;二是岩溶洞隙上覆的松散土层或结构受破坏的岩层是岩溶地面塌陷的物质来源,其中以上覆土层塌陷最为常见;三是动力条件,主要包括水活动、振动、地震和外加荷载等。
因此岩溶地面塌陷勘查、评价和防治工作应围绕这三个条件来展开,以便查清岩溶地面塌陷的发育特征、形成原因与分布规律,提出有效的防治方案。
1勘查目的与任务岩溶地面塌陷勘查的目的是为岩溶地面塌陷防治服务的。
通过勘查,查明岩溶地面塌陷的发育历史、现状、成因、类型、形成条件、地质模式和分布规律,确定岩溶地面塌陷的控制因素,预测其发生发展趋势和危害程度,并提出岩溶地面塌陷的控制、消除、治理和保护的措施和建议。
主要任务是查明勘查区地形地貌和第四系沉积物的岩性、结构、成因类型、厚度、物理力学性质及隐伏土洞的分布规律;查明下伏基岩(尤其是可溶岩)的分布、岩性、埋深、岩溶发育规律、构造发育情况;查明地下水的水动力特性与动态特征;查明岩溶地面塌陷的分布、形成机制、控制因素,预测其发展趋势;进行岩溶地面塌陷综合预测分区评价;并对提出预防和防治措施。
2勘查方法与要求在勘查之前,应收集勘查区及其周边的有关资料,包括地形图、水文、地质、水文地质、工程地质、建筑工程勘查、地下水的开采、已有塌陷坑和土洞的分布及岩溶地面塌陷形成、发展和防治的资料;在对上述资料综合分析研究后进行野外踏勘,初步了解岩溶地面塌陷的发育特征、形成条件和危害程度。
吉林大学精品课>>专门水文地质学>>教材>>专门水文地质学§13.2岩溶塌陷的灾情评估及防治措施一、岩溶塌陷的概念及产生原因岩溶地面塌陷是指覆盖在溶蚀洞穴之上的松散土体,在外动力或人为因素作用下产生的突发性地面变形破坏,其结果多形成圆锥形塌陷坑。
岩溶地面塌陷是地面变形破坏的主要类型,多发生于碳酸盐岩、钙质碎屑岩和盐岩等可溶性岩石分布地区。
激发塌陷活动的直接诱因除降雨、洪水、干旱、地震等自然因素外,往往与抽水、排水、蓄水和其他工程活动等人为因素密切相关,而后者往往规模大、突发性强、危害也就大。
岩溶地面塌陷发现于碳酸盐岩分布区,其形成受到环境和人类活动的双重影响。
1. 可溶岩及岩溶发育程度可溶岩是由岩溶地面塌陷形成的物质基础,而岩溶洞穴的存在则为地面塌陷提供了必要的空间条件。
大量塌陷事件表明,塌陷主要发生在覆盖型岩溶和裸露型岩溶分布区,部分发育在埋藏型岩溶分布区。
溶穴的发育和分布受岩溶发育条件的制约,一般主要沿构造断裂破碎带、褶皱轴部张裂隙发育带、质纯层厚的可溶岩分布地段、与非可溶岩接触地带分布。
岩溶的发育程度和岩溶洞穴的开启程度,是决定岩溶地面塌陷的直接因素,可溶岩洞穴和裂隙一方面造成岩体结构的不完整,形成局部的不稳定;另一方面为容纳陷落物质和地下水的强烈运动提供了充分的空间条件。
一般情况下,岩溶越发育,溶穴的开启性越好,洞穴的规模越大,则岩溶地面塌陷也越严重。
2. 覆盖层厚度、结构和性质松散破碎的盖层是塌陷体的主要组成部分,由基岩构造成的塌陷体在重力作用下沿溶洞、管道顶板陷落而成的塌陷为基岩塌陷。
塌陷体物质主要为第四系松散沉积物所形成的塌陷叫土层塌陷。
据南方十省区统计,土层塌陷占塌陷总数的96.7%。
3. 地下水运动地下水运动是塌陷产生的动力条件——主要动力。
地下水的流动及其水动力条件的改变是岩溶塌陷形成的最重要动力因素,地下水径流集中和强烈的地带,最易产生塌陷,这些地带有:(1)岩溶地下水的主径流带;(2)岩溶地下水的(集中)排泄带;(3)地下水位埋藏浅、变幅大的地带(地段);(4)地下水位在基岩面上下频繁波动的地段;(5)双层(上为孔隙、下为岩溶)含水介质分布的地段,或地下水位急剧变化的地段;(6)地下水与地表水转移密切的地段。
岩溶塌陷调查项目设计书编写提纲第一章前言第一节项目概况主要包括任务来源、工作目的、任务的主要内容和成果提交时间等。
第二节工作区自然概况主要包括工作区的地理位置、坐标范围、涉及图幅及编号、自然地理环境、气候概况、交通条件以及社会经济概况等。
第二章以往地质工作程度包括以往区域地质、水工环地质工作情况以及与本次调查有关的成果及其使用存在的问题。
第三章区域环境地质条件包括气象水文、地形地貌、地层岩性、构造格架、新构造和地震、水文地质条件、地质灾害现状概述、人类社会工程、经济活动。
第四章工作方法及技术要求分节论述所采用的工作方法和技术要求,包括资料综合整理、遥感解译、地面调查、钻探、物探、测试与试验、地下水动态监测、数据库与信息系统建设、易发性区划与风险评估、图件编制说明以及综合研究。
第五章工作部署第一节工作部署原则根据工作目的、任务和相关技术要求,提出总体工作思路、工作部署原则,说明各项工作间的关系及工作程序。
第二节工作部署根据项目工作部署原则,分不同层次和类型作出总体部署,并附相应的工作部署图。
第三节工作量和工作进度列出各项工作的工作量;说明年度工作安排,当年的工作安排尽可能详细。
第六章实物工作量列表说明总体工作部署和年度各类实物工作量。
第七章预期成果包括工作区岩溶塌陷调查评价报告及其附图、附表。
第八章组织机构及人员安排包括组织管理和项目组人员组成及分工。
第九章经费预算按《中国地质调查局项目预算编制暂行办法》编写,包括编制说明和设计预算表。
第十章质量保障与安全措施包括质量管理措施、技术保证措施和安全及劳动保护措施。
附(插)图a.工作区交通位置图;b.研究程度图;c.工作部署图。
岩溶塌陷调查成果报告提纲.J.1图幅说明书编写提纲说明书名称XXX(图幅名称)1:50000岩溶塌陷调查说明书。
第一章绪言(1)工作概况:调查工作过程以及完成的工作量,调查工作起止时间,调查工作质量评述,调查工作的主要成果等;(2)地质、水文地质研究程度。
岩溶塌陷的形成条件与动力因素一、岩溶塌陷的形成条件岩溶塌陷发育的基本条件是:岩溶洞隙的存在,一定厚度的松散盖层和水动力条件易于改变的岩溶地下水。
一()岩溶洞隙是岩溶塌陷产生的基础。
岩溶国际通用术语,译名喀斯特是指水对可溶性岩石在我国以碳酸盐岩为主,局部尚有硫酸盐岩、卤化物岩等,这里主要对前者进行论述)进行以化学溶蚀作用与特征(并包括水的机械侵蚀和崩塌使用以及物质的携出、转移和再沉积)的综合地质作用,以及由此而产生的现象统称。
岩溶作用的结果在可溶岩表面及其内部形成各种岩溶现象,在地表的如洼地、槽谷、漏斗、落水洞、溶沟溶槽、石芽、石柱、溶峰等;在地下的则为各种形态的溶洞、溶隙、管道等。
由于岩溶作用受着地下水水流系统的控制,因而各种岩溶现象也往往组成一定的系统,称为岩溶系统,受各种因素的影响,岩溶的发育有强弱之分,一般可溶岩岩性较纯,连续厚度较大,出露分布较广,断层较发育、岩层较破碎的,岩溶较易发育;可溶岩岩性不纯,含泥质及其它不溶杂质成分较多,连续厚度不大或多类有非可溶性夹层,出露分布较局限,断层不发育、岩层较完整的、岩溶发育较弱。
其分级标志参见下表。
岩溶发育愈强烈,岩溶洞隙数量愈多,其规模也愈大,愈有利于岩溶塌陷的形成。
岩溶洞隙的发育一般受岩溶地下水排浊基准面的控制,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。
岩溶洞隙的开口程度是影响岩溶塌陷形成的重要因素,岩溶地下水的活动,塌陷物质的运移都是通过洞隙开口处进行的,因此,塌陷坑与开口洞隙存在着密切的垂向对应关系。
实践表明,洞隙规模愈大,塌陷也愈大;洞隙开口愈大,塌陷速度愈快。
洞隙的平面展布形态对塌陷平面形态有着决定性影响,裂隙状洞隙往往形成长条状塌陷坑,沿地下河管道往往产生链状或串珠状分布的塌陷坑群。
(二)一定厚度的松散盖层目前已知塌陷中土层塌陷占9.67%,可见土层是塌陷的主要组成部分。
岩溶塌陷及其治理措施一、岩溶塌陷简介岩溶塌陷是指在岩溶地区,下部可溶岩层中的溶洞或上覆土层中的土洞,因自身洞体扩大或在自然与人为因素影响下,顶板失稳产生塌落或沉陷的统称。
二、岩溶塌陷的治理方法岩溶塌陷应采取预防和治理相结合的防治措施。
对塌陷地基都需要进行处理,未经处理不能作为天然地基。
其处理措施有:(一)清除填堵法:常用于塌坑较浅或浅埋的土洞,首先清除其中的松土,填入块石、碎石,做成反滤层,然后上覆粘土夯实。
对于重要建筑物一般需要将坑底或洞底与基岩面的通道堵塞,可开挖回填混凝土或灌浆处理。
(二)跨越法:用于塌陷坑或土洞较深大,开挖回填有困难的处理方法。
一般以梁板跨越,两端支承在可靠的岩、土体上。
据广西的经验,每边支承长度不小于1.0~1.5m。
(三)强夯法:把10~20t的夯锤起吊到一定高度(10~40m),让其自由下落,造成强烈的冲击对土体强力夯实。
一方面是夯实塌陷后松软的土层和塌陷坑或土洞内的回填土,以提高土体强度;另一方面可消除隐伏土洞和软弱带,是一种处理结合预防的措施。
Christain(1984)的试验:锤重15t,落距20m,将影响到地表下8~9m的深度。
利用该方法在没有其它条件限制下,可以确定4.5m以上土洞的位置。
(四)灌注法:把灌注材料通过钻孔或岩溶洞口进行注浆,其目的是强化土层或洞穴充填物、充填岩溶洞隙、隔断地下水流通道、加固建筑物地基。
灌注材料主要是水泥、碎料(砂、矿渣等)和速凝剂(水玻璃、氧化钙)。
水泥标号应大于450号。
灌浆方式可采用低压间歇定量式或循环式灌注,目的是减少浆液流失,间歇时间可控制在7~8小时左右。
(五)深基础法:对于一些深度较大,跨越结构无能为力的土洞、塌陷,通常采用桩基,将荷载传递到基岩上。
(六)旋喷加固法:在浅部用旋喷桩形成一“硬壳层”,在其上再设置筏板基础。
“硬壳层”厚度根据具体地质条件和建筑物的设计要求而定,一般可达10—20m。
(七)地表水的疏、排、围、改治理:在土洞、塌陷地基的治理阶段,对地表水的治理不能忽视或放松,应在预防措施的基础上进一步完善。
岩溶塌陷形成机理及处理岩溶塌陷是由岩溶溶蚀作用引起的地质灾害,它会造成人类和物质财产的严重损失。
本文将重点探讨岩溶塌陷的形成机理和处理方法。
一、岩溶塌陷的形成机理岩溶塌陷是由于溶洞、地下水通道等所在的岩石层发生了物理或化学改变而造成的。
以下是岩溶塌陷形成的几种机理:1. 地下水侵蚀地下水是岩溶塌陷的主要原因之一。
水的侵蚀能力很强,当水流穿过含有溶解性岩石时,会溶解掉岩石中的矿物质,并形成溶洞、孔道等。
如果长期存在较大水量进入,岩溶体就会被大量侵蚀,甚至导致滑坡和山体塌方。
2. 矿物晶体收缩岩石中的矿物晶体数量较大,因此矿物晶体收缩对整个岩体的影响十分明显。
当岩体中的水分蒸发时,矿物晶体就会因为缺少水分而缩小,岩体体积就会减小,造成塌陷。
3. 自然气体作用天然气体的存在对地下岩石结构有直接影响。
如果岩石中存在天然气、甲烷等气体,它们将挤压岩体造成压力,岩体就会受到压缩、移动,最终导致塌陷。
二、岩溶塌陷的处理方法1. 巩固修改这是岩溶塌陷最常用的处理方法,通过在塌陷带内进行加固、填充工程,使得塌陷区的土壤体更加坚实,以改善地基的通透性,提高地基的承载能力。
2. 拦截排水京冀互联网医院备案号:(京)- 备案号:京卫网审【2020】第0291号因为地下水是造成岩溶塌陷的元凶之一,拦截排水也是一种重要的处理方法。
可以在塌陷区域内铺设防渗层,避免水进入下面的溶洞,也可以进行抽水排泄,降低地下水位的压力。
3. 处置生活垃圾大量城市生活垃圾对土壤进行了污染,还导致土壤松散膨胀,为岩溶塌陷的发生提供了条件。
因此,合理处理垃圾和污水,降低垃圾的处理量也是岩溶塌陷处理的一项重要工作。
4.园林绿化园林绿化可以增加土壤厚度,加强土壤对于岩石的支撑,也是岩溶塌陷处理常用的方法之一。
不过要注意,制定园林绿化计划时,必须充分考虑土、植被、水和了解当地的地形地貌特点。
总之,岩溶塌陷已经成为了全球性的难题。
为了有效预防和控制危险和灾害,我们应该深入研究其形成机理和处理方法,并通过合理有效的方法来保护我们珍贵的地球。
《中国北方岩溶塌陷》地面沉降岩溶中国一、北方岩溶塌陷现象概述中国北方地区,尤其是华北、东北等地,近年来频繁出现岩溶塌陷现象。
这些塌陷事件不仅给当地居民的生活带来困扰,还对农业生产、基础设施建设造成严重影响。
岩溶塌陷,作为一种地面沉降现象,其主要原因是地下水资源的过度开发和地质结构的特殊性。
二、岩溶塌陷的形成原因1. 地下水过度开采北方地区地下水资源丰富,长期以来,地下水成为当地居民生活和农业生产的主要水源。
然而,随着人口增长和经济发展,地下水开采量逐年上升,导致地下水位持续下降。
当地下水水位低于岩溶洞穴顶部时,洞穴上方岩土体失去支撑,从而引发岩溶塌陷。
2. 地质结构特殊性北方地区地质结构复杂,岩溶地貌广泛分布。
岩溶洞穴、地下暗河等地质现象为岩溶塌陷提供了条件。
当地下水水位下降,岩溶洞穴内的空气压力减小,导致洞穴上方岩土体发生塌陷。
三、岩溶塌陷的危害1. 破坏基础设施岩溶塌陷会导致地表建筑物、道路、桥梁等基础设施受损,严重时甚至引发交通事故。
塌陷还会影响地下管线、光缆等设施的正常运行。
2. 影响农业生产岩溶塌陷会导致农田裂陷、灌溉设施损坏,进而影响农作物产量和农民收益。
3. 恶化生态环境岩溶塌陷会破坏地表植被,加剧水土流失,导致生态环境恶化。
四、防治措施及建议1. 加强地下水资源管理政府应加大对地下水资源的管理力度,合理规划地下水开采,确保地下水资源的可持续利用。
2. 实施地质勘察在岩溶发育地区,开展地质勘察工作,查明岩溶洞穴、地下暗河等地质现象,为防治岩溶塌陷提供科学依据。
3. 加强监测预警建立健全岩溶塌陷监测预警体系,及时发现潜在塌陷隐患,为防治工作提供信息支持。
4. 采取工程措施针对已发生的岩溶塌陷,采取回填、加固等工程措施,减轻塌陷带来的危害。
5. 提高公众意识加强岩溶塌陷防治知识的宣传普及,提高公众对岩溶塌陷的认识,增强防范意识。
五、案例分析:某北方城市的岩溶塌陷事件2019年,某北方城市发生了一起严重的岩溶塌陷事件,造成数栋居民楼倾斜、道路中断,直接经济损失达数千万元。
岩溶地面塌陷的分布规律
【学员问题】岩溶地面塌陷的分布规律?
【解答】1、岩溶地面塌陷主要沿岩溶强烈发育的地段分布。
碳酸盐岩性较纯的层位、断裂破碎带、断裂交汇处、褶皱轴部及可溶岩与非可溶岩接触带岩溶强烈发育,易形成连通性较好的溶隙、溶洞,具备了产生岩溶地面塌陷的基本条件,岩溶地面塌陷多在这些地段分布。
2、岩溶地面塌陷主要产生于土层厚度较薄的地段。
上覆土层的内聚力强,含水量低,土层越厚越不容易引起塌陷;砂类土颗粒粗,粘聚力小,崩解性好,容易被潜蚀、淘空,产生塌陷的机会较多。
3、岩溶地面塌陷多分布在溶蚀洼地和河流两岸等地形低洼部位
岩溶丘陵山区与平原接壤的过渡地带、溶蚀堆积平原和丘陵地区的洼地、槽谷等处,其地下岩溶通道发育,第四系沉积物的厚度相对较薄,地下水位交替循环强烈,这些均有利于岩溶地面塌陷的发生。
河流往往是区域性地表和地下迳流的排泄通道,河水与第四系含水层之间常存在互补关系,由于地下水和地表水的频繁运动,河床附近和河流两岸岩溶发育,当抽、排地下水时,河水和地下水改变了原来的自然运动条件,通过溶洞、溶隙汇集于抽、排水点,使上覆土体遭受潜蚀等不同形式的破坏作用,因而产生地面塌陷。
以上内容均根据学员实际工作中遇到的问题整理而成,供参考,如有问题请及时沟通、指正。
第六章全国主要城市岩溶塌陷岩溶塌陷是指岩溶洞隙上方的岩土体在自然或人为因素作用下发生变形破坏,并在地面形成塌陷坑(洞)的一种岩溶动力作用与现象。
一、岩溶塌陷的危害近年来,随着岩溶区国民经济的飞速发展,土地资源、水资源和矿产资源开采的不断增强,岩溶塌陷问题日益突出,严重妨碍了城市经济建设与发展。
岩溶塌陷可毁损民房,毁坏建筑及农田,破坏铁路、公路、桥梁等交通设施,威胁人民生命安全,交通矿山、水电工程、军事设施、农业生产、城市建设及人民日常生活深受其害。
据不完全统计,全国有40余座矿山、25条铁路先和数百座水库长期遭受岩溶塌陷的困扰。
例如:1979、1985年贵昆线铁路因岩溶塌陷先后发生了2次列车颠覆事件,直接损失2000多万元;1999年广西合山电厂塌陷,大量的煤灰水溃入使朔河矿矿井被淹;安徽淮南的岩溶塌陷造成近百亩果园农田被毁;湖南娄底的矿区岩溶塌陷破坏房屋374幢、农田600公顷、桥梁4座并造成66个泉点干枯断流;广西玉林的岩溶塌陷威胁人口437多人,潜在经济损失达1935万元。
二、主要城市分布规律与岩溶发育特征2.1 岩溶塌陷的分布规律我国可溶岩分布面积达365万Km2,占国土面积的1/3,是世界上岩溶最发育的国家之一。
岩溶类型划分有不同的原则。
可溶岩的出露状况,例如裸露、半裸露、覆盖和埋藏的情况不同,相应岩溶的发育情况也有很大的差异性。
中国岩溶主要类型分布如图1所示。
本次综合研究中有14个省区的68个城市存在岩溶塌陷,共计1312处(图2)。
塌陷以南方的广西、广东、浙江、湖南、江西、云南等省区最为发育(图3),上述六省发生数量已达1089次,占本次统计的83%。
从地貌上看,岩溶塌陷多分布在峰丛洼地及谷地地貌中,从地形上看,岩溶塌陷多分布在低山区、河谷平原区及溶蚀丘陵区。
图1 中国岩溶主要类型分布图(引自《中国喀斯特---奇峰异洞的世界》,卢耀如著)1图2 岩溶塌陷在各城市的分布数量图1岩溶塌陷在各省区的分布数量(处)26296855733534774153 0100200300400500600700800900福建贵州湖南江西浙江云南安徽广西江苏西藏图3 岩溶塌陷在各省区的分布数量图岩溶塌陷的分布受构造(图4)和地层岩性影响也很明显,多沿断裂影响带和背斜、向斜轴部及两翼发生,岩性为纯灰岩的地区也较易发生,例如广西自治区河池市、来宾市、南宁市的岩溶塌陷多发生于构造活动地带。
浅谈岩溶塌陷成因及防治措施------------------以桂西南某铝厂岩溶塌陷勘察为例摘要:岩溶在我国广泛发育,岩溶塌陷为岩溶地区常见的一种地质灾害现象,对正常的生产和生活有着极大的不良影响。
本文结合实际案例,对岩溶塌陷的形成因素及机理进行探讨分析并提出相关治理措施建议。
1 岩溶背景岩溶,主要指水流对碳酸盐岩等可溶性岩石以化学作用为主,机械作用为辅的地质作用过程及其所产生的现象。
广西华银铝厂位于广西省百色市德保县,地处桂西北,为岩溶强烈发育区。
我国的岩溶发育广泛,碳酸盐岩的分布,有346.3万km2,碳酸盐岩出露面积有90.7万km2,从北方小兴安岭到南海诸岛,从青藏高原到宝岛台湾,都有岩溶发育。
其中以山西高原及邻近省区,到华南云、桂、贵,包括川、鄂、湘的部分地区最为发育。
山西岩溶高原蕴藏丰富的煤炭资源,其两侧的华北油田潜山型储集层和鄂尔多斯油田深部碳酸盐岩储集层,构成我国重要的能源基地,西南岩溶区及华南岩溶区蕴藏着我国最主要的有色金属和磷矿资源,不仅在岩溶区有丰富的固体矿产资源,我国四分之一的地下水资源也是分布于岩溶区。
此外,岩溶地区造成的地貌成就了一批著名的风景名胜,桂林山水、云南石林、四川黄龙九寨沟等风景区。
因此岩溶在我们的生产生活有着重要意义。
2 岩溶塌陷岩溶地面塌陷简称岩溶塌陷或塌陷,是岩溶地区常见的一种动力地质现象,亦是岩溶地区一种特殊的水土流失现象。
它是岩溶发育过程中,自然界岩土、水、气多相平衡状态遭受破坏后,地表岩土体向下部岩溶空间流失,由不平衡状态向平衡状态发展的一个阶段。
这种现象,在天然状态下可以产生,但发展缓慢。
而在人类经济工程活动中,加速了自然界平衡的破坏,塌陷的产生往往十分迅速,有时规模巨大,危害严重。
该厂自从投产以来,由于厂区周边建设的加速及自然环境的变化,区域内的水文地质条件发生了改变,厂区内发生了大小规模不一的地面塌陷,这些塌陷部分已对厂内设备、建(构)筑物基础造成了安全隐患。
第六章全国主要城市岩溶塌陷岩溶塌陷是指岩溶洞隙上方的岩土体在自然或人为因素作用下发生变形破坏,并在地面形成塌陷坑(洞)的一种岩溶动力作用与现象。
一、岩溶塌陷的危害近年来,随着岩溶区国民经济的飞速发展,土地资源、水资源和矿产资源开采的不断增强,岩溶塌陷问题日益突出,严重妨碍了城市经济建设与发展。
岩溶塌陷可毁损民房,毁坏建筑及农田,破坏铁路、公路、桥梁等交通设施,威胁人民生命安全,交通矿山、水电工程、军事设施、农业生产、城市建设及人民日常生活深受其害。
据不完全统计,全国有40余座矿山、25条铁路先和数百座水库长期遭受岩溶塌陷的困扰。
例如:1979、1985年贵昆线铁路因岩溶塌陷先后发生了2次列车颠覆事件,直接损失2000多万元;1999年广西合山电厂塌陷,大量的煤灰水溃入使朔河矿矿井被淹;安徽淮南的岩溶塌陷造成近百亩果园农田被毁;湖南娄底的矿区岩溶塌陷破坏房屋374幢、农田600公顷、桥梁4座并造成66个泉点干枯断流;广西玉林的岩溶塌陷威胁人口437多人,潜在经济损失达1935万元。
二、主要城市分布规律与岩溶发育特征2.1 岩溶塌陷的分布规律我国可溶岩分布面积达365万Km2,占国土面积的1/3,是世界上岩溶最发育的国家之一。
岩溶类型划分有不同的原则。
可溶岩的出露状况,例如裸露、半裸露、覆盖和埋藏的情况不同,相应岩溶的发育情况也有很大的差异性。
中国岩溶主要类型分布如图1所示。
本次综合研究中有14个省区的68个城市存在岩溶塌陷,共计1312处(图2)。
塌陷以南方的广西、广东、浙江、湖南、江西、云南等省区最为发育(图3),上述六省发生数量已达1089次,占本次统计的83%。
从地貌上看,岩溶塌陷多分布在峰丛洼地及谷地地貌中,从地形上看,岩溶塌陷多分布在低山区、河谷平原区及溶蚀丘陵区。
图1 中国岩溶主要类型分布图(引自《中国喀斯特---奇峰异洞的世界》,卢耀如著)2图2 岩溶塌陷在各城市的分布数量图3图3 岩溶塌陷在各省区的分布数量图岩溶塌陷的分布受构造(图4)和地层岩性影响也很明显,多沿断裂影响带和背斜、向斜轴部及两翼发生,岩性为纯灰岩的地区也较易发生,例如广西自治区河池市、来宾市、南宁市的岩溶塌陷多发生于构造活动地带。
岩溶塌陷的分布于地下水活动也有密切关系,地下水活动强烈的岩溶发育地段,塌陷发生的几率很大,表1中可以看出抽取地下水引起的岩溶塌陷数占总量的51.8%。
(引自《中国喀斯特---奇峰异洞的世界》,卢耀如著)(a)构造节理控制洞穴通道发育(b)紧密背斜控制暗河发育(c)断裂控制洞穴暗河及泉水的发育(d)节理控制垂直岩溶通道的发育(e)向斜控制暗河系统的发育(f)横向张性裂隙控制暗河发育。
1.洞穴通道;2.大谷地;3.洼地与落水洞;4.裂隙及垂直洞穴;5.伏流入口;6.暗河地下通道与出口;7.断层;8.背斜轴;9.向斜轴;10.碳酸盐;11.砂页岩;12.砂页岩间有少量碳酸盐岩2.2 岩溶塌陷的发育特征从岩溶塌陷的发育情况看,塌陷绝大多数分布于碳酸盐岩分布的岩溶强烈和中等发育地区,以土质塌陷为主,个别为岩质,规模以小型为主(图5)。
岩溶塌陷发育的同时会伴生一些现象:a.地面下沉开裂;在岩溶地区,围绕塌坑常常有一些环状裂缝或局部下沉现象,它们有时伴随塌陷产生,有时成为塌陷的前兆。
如昆明翠湖地区公园内可普遍看到桥墩下沉、房屋开裂等一些地面变形现象。
b.塌陷地震;大规模的塌陷可引起地震效应,如湖南水口矿区在排水初期塌陷大量产生,同时出现烈度为V度的地震,贵州开阳县城东南,1957-1958年在石炭纪灰岩、白云岩中出现过塌陷地震,震级3级。
①塌陷具有持续性,岩溶塌陷在其诱发因素消失之前将持续发展,直到新的稳定平衡为止。
如湖南水口山矿区岩溶塌陷自1964年以来塌陷持续发展达20年之久,至今仍在延续。
②塌陷具有阶段性,单个塌陷的发育过程分为孕育(土洞形成和扩展)阶段、塌陷(塌陷形成)阶段、调整(塌陷坑壁不稳定土体的坍塌,以逐渐达到新的平衡)阶段及休止(后期的改造和充填堆积)阶段。
③塌陷具有周期性,在诱发因素稳定不变的情况下,受气象水文因素的影响,塌陷作用随其周期性变化而强弱波动,如一年中的雨季和春季,塌陷作用强烈,塌陷数量多且发生时间集中,其他季节塌陷作用减弱,数量减少。
④塌陷具有重复性,对于一个特定的塌陷区来说,由于诱发源的不断变化,可经历多次轮回的重复塌陷。
三、岩溶塌陷的形成条件与主要影响因素3.1 岩溶塌陷的形成条件形成岩溶塌陷必须具备三个条件,一是地势较低洼,下伏岩层具有岩溶洞隙的存在,这是地下水和上覆土体流失、搬运的通道及坍塌后的堆积场所;二是基岩上覆第四系有一定厚度的松散盖层,但厚度不大,结构松散,这是塌陷的物质来源;三是存在水动力条件易于改变的岩溶地下水,这是导致坍塌的动力,也是岩溶塌陷最基本和必备的条件。
3.2 岩溶塌陷的主要影响因素(1)岩溶发育程度下伏基岩岩溶发育是岩溶塌陷形成的必要条件,岩溶越发育的地方越有利于岩溶塌陷的形成,因此岩溶塌陷往往沿着岩溶发育带分布。
岩溶洞隙是岩溶发育程度最直接的标志,也是岩溶塌陷赖以产生的基础。
岩溶洞隙的开启程度是塌陷产生的重要因素,向上开口的溶洞裂隙是接受塌陷物质的窗口,没有向上开启的洞隙一般不会造成地面塌陷。
(2)第四系土层特征岩溶塌陷实质是溶洞、土洞顶板物质的陷落。
目前已知的塌陷中,大多为土层塌陷,基岩塌陷极为少见。
凡有土洞的地方都存在着塌陷的危胁。
可见上覆土层特征对塌陷的产生有着重要的影响,主要包括三个方面:土层结构、土的类型和土层厚度。
①土层结构土层可由粘土、砂、砾各种成分组成,构成均一结构、双层结构或多元结构。
一般来说,均一砂性土最易产生塌陷,夹砂砾石状非均质土次之。
②土的类型对于细粒土、砂类土、砾类土和巨砾土这四大类土而言,相同条件下,粘土含量越高,越不利于塌陷的产生,即:细粒土发生塌陷相对较难,砂类土和砾类土要容易。
这主要是因为砂性土粒之间无粘结力,容易在致塌因素下出现塌陷。
③土的厚度土层越厚,塌陷孕育的时间越长,形成的塌陷坑规模往往越大。
(3)地形地貌特征不同地貌类型、不同的地貌位置对塌陷有明显的影响,一般地,负地形的地区、溶丘谷地、峰丛洼地、峰林平原比较容易发生塌陷(照片1)。
溶丘谷地峰丛洼地照片1 溶丘谷地、峰从洼地地形示意图(引自《中国喀斯特---奇峰异洞的世界》,卢耀如著)(4)水动力条件地下水活动是岩溶塌陷形成中表现最为活跃的因素。
地下水的活动主要表现为水位的升降及流速、流量和水力坡度的变化(图6)。
地表水的存在也有利于塌陷的产生,特别是当地表水体附近的下伏基岩岩溶较发育、岩溶水位长期保持在基岩面以下时,地表水及大气降雨的长期入渗,可以形成地面塌陷。
此外,降雨等造成的地表水位的抬升,特别是快速抬升,会大大加速岩溶水的流动,并由此产生一系列压力效应(正压、负压、压力快速变化),诱发塌陷的发生。
图6 主要岩溶水动力条件示意图(引自《中国喀斯特---奇峰异洞的世界》,卢耀如著)(a)分流状岩溶水动力条件;(b)差流状岩溶水动力条件;(c)平流状岩溶水动力条件;(d)聚流状岩溶水动力条件;(e)散流状岩溶水动力条件;(f)汇流状岩溶水动力条件;(g)间流状岩溶水动力条件;(h)块流状岩溶水动力条件;(i) 阻流状岩溶水动力条件;(j) 深埋状岩溶水动力条件;(k)混流状岩溶水动力条件;(l)深流状岩溶水动力条件。
(5)人类活动从岩溶塌陷发育规律看,影响诱发或触发岩溶塌陷的人类活动的作用形式有两种,一是改变地下水动力条件,二是改变已有土洞的受力条件,可能影响岩溶塌陷的人类活动包括:①使地下水排泄增强:抽吸岩溶水、矿山和隧道疏水突水(图7),例如淮南市。
、基坑降水。
②增强地下水补给:地表水库蓄水(金华市),灌溉、疏水管渠渗水,地面挖方积水。
③地表荷载和爆破(照片2,3)。
图7 隧道突水、突泥几种情况示意图(引自《中国喀斯特---奇峰异洞的世界》,卢耀如著)(a)溶水、泥土溃入隧道;(b)富水岩溶通道突水入隧道;(c)上部暗河突水、泥、石块入隧道;(d)岩溶小管道水多处突入隧道;(e)统一地下水位上断裂带孤立管道水、泥突入隧道;(f)地下水位断层带水、泥溃入隧道。
1.岩溶通道 2. 封闭岩溶水、泥的通道 3. 岩溶泉水 4. 岩溶暗河出口 5. 隧道 6.河水位 7. 突水、突泥方向 8. 地下水位 9.断层带照片4 广州市荔湾区地铁五号线工程爆破造成地面塌陷照片5 广州市白云区上步社区建筑工地地表荷载引发地面塌陷综上所述,塌陷的形成受自然因素和人为因素共同影响,本次统计的省区中诱因为自然因素有377处,占塌陷总数的28.7%,诱因为人为活动的有935处,占塌陷总数的71.3%(表1,表2及图8)。
表1 各省区岩溶塌陷发生原因统计表表2 各城市岩溶塌陷主要诱发因素统计表图8 岩溶塌陷发生原因统计图四、岩溶塌陷形成机理通常认为,引起岩溶塌陷的因素是很复杂的,在塌陷形成过程中,往往是多种效应同时作用。
塌陷的形成机理主要有:1. 渗透变形效应这是抽水引发塌陷的主要力学效应,在抽水过程中,由于岩溶水位的下降,第四系土层孔隙水向下渗流补给岩溶水的作用增强,在集中渗流点(岩溶管道开口、裂缝)附近,作用于上覆土层的水力坡度超过了土体发生渗透破坏的临界水力坡度,土体发生渗透变形破坏。
第四系底部土体类型不同,渗透变形的类型也不同。
(1)潜蚀效应对于非粘性土,渗透变形以潜蚀为主,即地下水流在一定水力坡度下产生较大的动水压力,使得岩土体中细小颗粒冲动,带走或溶滤掉易溶部分的现象。
潜蚀塌陷是土层塌陷形成中最主要的塌陷模式,特别是在地下水主径流带附近或地表水潜水与岩溶水水力交换频繁地带。
在这一过程中,由于土体强度较高,常形成一定时期相对稳定的“土洞”(图9)。
图9 土洞塌陷模式分析图(引自《中国喀斯特---奇峰异洞的世界》,卢耀如著)(a)敞露下伏碳酸盐岩通道;(b)地表出现凹坑例如桂林市雁山区和象山区等岩溶孤峰平原区,主要为碳酸盐岩地层,岩溶发育,特别是浅层岩溶发育地段,地下水循环交替以及水位变幅易对上覆土层产生淘蚀、气蚀作用,从而土层形成“土洞”,最终形成岩溶地面塌陷。
湖北恩施的地下岩溶塌陷(照片4),浙江省江山市贺村594、596塌陷,童家588、540塌陷等9处塌陷均为潜蚀效应为主的致塌模式。
(2) 对淤泥质土或软粘土来说,主要是土体的“流变”。
这类土强度低,含水量高,常呈流塑状态,水位降低后,渗透力和压力差很容易使土体向岩溶空腔中快速流动,并迅速发展而产生塌陷。
这类塌陷的特点是形成发展快,给人以来势凶猛的感觉,不会形成一定时期相对稳定的“土洞”例如昆明市岩溶塌陷多发育于岩溶化程度强至中等的石炭、二叠系纯碳酸盐岩分布区,多分布于碳酸盐岩浅埋覆盖层厚度较小且颗粒较均一的粘性土地段,这类岩溶塌陷具有显著的隐蔽性和突发性,造成的危害也是巨大的。