煤炭资源型城市防灾减灾体系探究

第２　１卷第６期　２００９年１２月　沈　阳　大　学　学　报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＥＮＹＡＮＧ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　Ｖｏ１．２１，Ｎｏ．６　ＤｅＣ．２　０　０　９　

文章编号：１００８—９２２５（２００９）０６—０００１—０３　

煤炭资源型城市防灾减灾体系探究　

朱广轶　，郑仰发　，赵二天　

（１．沈阳大学建筑工程学院，辽宁沈阳　１１００４４；　２．沈阳百达建建设项目管理有限公司，辽宁沈阳　１１００１６）　

摘　要：阐述了地质动力区划理论与方法，利用该理论对城市防灾减灾问题进行地质力学方面的研究和　城市采煤沉陷区的抗变形抗震建筑设计研究，并形成煤炭资源型城市防灾减灾体系．依据该体系可有效预测　和防止城市多种灾害的发生．　关键词：开采沉陷；地质动力区划；抗变形一抗震建筑；防灾减灾　

中图分类号：ＴＵ　９８４．１１　６　文献标识码：Ａ　

多年来，由于地质构造运动和开采沉陷的共　

同作用，城市地表环境破坏日益严重．针对煤炭资　

源型城市防灾减灾体系进行探究是经济、社会、环　

境效益多重的重要课题．　

１　地质构造断块划分　

区域地质构造断块划分采用地质动力区划方　

法…１．该方法是通过地形地貌分析、构造物理分　

析、河流水系分析，并同地质、构造、地震、地球物　

理、航片、卫片等图纸资料进行对比，确定研究区　

域的各级块断图及块断间的相互作用方式，为各　

种工程提供科学依据．　

１．１地质动力区划基本原理　

（１）在新构造运动前期相当长的时间里，地　

球表面经过长期剥蚀、搬运、风化作用而被夷平．　

（２）现代地壳运动以水平运动为主，地壳垂　

直运动是水平运动的反映，地壳表面的高低差异　

是构造演化结果．深部构造和地形地貌相联系．　

（３）断裂形成在时空上具有断续性、统一性．　

划分各级断裂选用的各种比例地形图分别　

为：Ｉ级断裂，１：２５０万或１：２００万；ＩＩ级断裂，１：　

１００万或１：５０万；Ｉｌｌ级断裂，１：２０万或１：１０万；　

Ⅳ级断裂，１：５万；更小断块在更大比例尺地形图　

上查明．　

为评估断块的动力学相互作用以及边界的活　

动，要将边界同所在研究区域的地质及构造、地震、　

航片及卫片等资料进行对比，以确定断裂准确性．　１．２构造断块划分方法　

构造断块的划分方法有２０余种，其中较为简　

便实用的两种方法是绘图法和趋势面法．　

（１）绘图法．划分地壳中块断方法的基础，就　

是不同生成年代、不同深度断裂系统块断垂直运　

动强度不同．断块任何水平位移，将在垂直位移上　

有所反映．　

对于每个具体区域，最小高度差可采用下列　

公式计算：　

Ａｈｍｉ　＝０．１（Ｈ一一Ｈ　ｍｉ　）．　

式中，Ｈ一为峰顶表面的最大绝对高度，ｍ；Ｈ　

为峰顶表面的最小绝对高度，１３１．　

在地形图上用约定的符号标出构造阶地、分　

水岭和小台地以及平原的控制高度．山坡和河谷　

侵蚀沟的标高不计在内．这些符号可以指出该地　

段属于哪一水平．　

（２）趋势面法．趋势面分析的基本功能，是把　

空间分布的一个具体的或者抽象的曲面，分解成　

两部分：一部分主要是变化比较缓慢、影响遍及整　

个研究区域的有规律的区域分量，称为趋势分量，　

一部分是变化比较快，其影响在区内并非处处可　

见的随机分量，称为局部分量（残差或剩余分量）．　

这种方法可在计算机上实现．　

在计算机模拟地形高程场的趋势分析，可用　

代数多项式方程表示ｌ　：　

Ｈ＝ａ０＋ａｌ３２＋ａ２ｙ＋ａ３３２２＋ａ４Ｚｙ＋　

ａ５ｙ２－Ｉ－ａ６Ｉｚ３＋…＋以ｍｙ”．　

收稿日期：２００９—０５—１４　作者简介：朱广轶（１９６２一），男，辽宁喀左人，沈阳大学教授，硕士生导师．

　２　沈阳　大学学报　第２１卷　

式中，Ｈ、　、　是表面的坐标；ａ０，ａ　一，ａ　是反　２．２　

映平面分布与地理坐标联系的常数．　

２抗采动变形建筑　

煤炭资源型城市的第二种灾害是开采引起的　

地表沉陷．向沉陷区要效益，是防灾减灾领域必须　

研究的问题．根据前期研究经验和相关研究，可在　

采空区建抗变形建筑．这种抗变形措施分为三部　

分：建筑措施、刚性措施、柔性措施．　

２．１建筑措施　

（１）建筑位置．建筑物的长轴方向应与回采　

工作面推进方向平行或垂直，不使两者斜交．　

①如果建筑位于盆地平底位置（中央部分），　

其长轴应垂直于工作面推进方向，即垂直于煤层　

走向（长轴受工作面动态推进影响小）．　

②如果建筑位于盆地边缘区，其长轴应与对　

应的开采边界平行，即平行于地表下沉等值线（长　

轴受不均匀下沉影响小）．　

建筑物应避开这样的环境：①一般当采深Ｈ　

与采厚　之比Ｈ／ｍ＜３０时，容易产生台阶式下　

沉．②在采动区断层露头位置，地表可能产生台　

阶．特别是倾角大于２０。，落差＞８～１０　ｍ的断层　

带上，严重影响建筑物．　

新建筑物可在断层露头两侧地表的变形缓和　

地带．王兰生等利用太沙基塑性流动理论确定地　

基承载力的办法求得的断裂带最小安全避让距离　

（见表１）可作为参考．在安全避让距离范围内，可　

作为城区的绿地等．　

表１最小安全避让距离　

建筑物类型　简易　一般　重要　特殊　最小安全距离／ｍ　９　９～１５　１５～３０　＞５０　

（２）平、立面形状．建筑平面形状应避免凸凹　

曲折，以布置成矩形、高度一致为最佳．例如：２０　

世纪８０年代，本溪市彩屯区在采煤影响的非稳定　

地表成功建设了许多矩形点式住宅楼．　

（３）地基与基础．采动区建筑物的附加应力　

来自地基对基础的影响，再依次向上衰减传递．因　

此，地基与基础是抗变形建筑物设计的关键．　

对采动区建筑而言，它们同样是建筑结构中　

产生附加载荷与内力大小的决定因素．例如在鹤　

岗、本溪、娄底地区，第四纪表土比较薄，甚至基岩　

直接出露，地表变形往往表现为裂缝．若建筑物基　

础直接座落在基岩之上，采动区的移动变形将对　

建筑产生破坏性的影响．　刚性措施　

从建筑物整体分析，它的主要刚性措施有圈　

梁和构造柱两种．　

（１）圈梁．圈梁分为基础圈梁、中间圈梁、檐　

口圈梁．基础圈粱应为钢筋混凝土现浇而成，设于　

基础水平滑动层上部，且必须连续地分布在同一　

水平上，不可断开．中间圈梁和檐口圈梁应为钢筋　

混凝土现浇而成，设于墙壁顶部．根据唐山分院的　

有限元分析［引，当地表曲率Ｋ＜３×１０—３　ｍ　时，　

梁的附加内力随地表曲率变化很快；地表曲率Ｋ　

＞３Ｘ　１０Ｉ３　ｍ　时，梁的附加内力随地表曲率变　

化很小．当梁的刚度ＥＪ＜ｌ　Ｎ　１０加Ｎｍ２时，地表曲　

率对梁的内力影响很大，变化很快；梁的刚度Ｅ１　

＞１×１０加Ｎｍ２时，地表曲率对梁的内力基本无　

影响．基床系数愈大，梁的附加弯矩愈大；地表曲　

率Ｋ≥３×１０　ｍ　时，或梁的刚度ＥＪ≥４５×　

ｌ０加Ｎｍ２时，出现梁与地基局部脱开．　

（２）构造柱．在地表曲率变形较大时，为提高　

墙壁的抗剪切强度，增加建筑物的整体刚度，可在　

墙内设置钢筋混凝土构造柱．构造柱一般应设置　

在建筑物各单体墙壁的转角处，以及承受较大附　

加剪应力．必要时亦可设于纵墙的交叉处，以及每　

个开问的纵墙轴线处位置．　

２．３柔性措施　

直接加在建筑物上的柔性措施有水平滑动层　

和竖直向变形缝两种．水平滑动层能够使被变形　

缝分割的两个单体在地表变形导致变形缝大小改　

变过程中所受到的摩擦阻力变小．此外，本文将变　

形补偿沟（非建筑本身）亦划为柔性措施．　

（１）基础水平滑动层　

为了减少地表水平变形作用在建筑物上的附　

加应力，在基础圈梁与基础之问设置水平滑动层．　

其中，水泥沙浆找平层对水平面的最大偏差不可　

超过１５　ｉｎｒｎ，用２　ｍ直尺检查的偏差小于２　ｉｉｌｉｎ．　

如基础深度不同，要从较深部分的一个滑动层向　

较浅的基础滑动层过渡．　

（２）变形缝　

变形缝应用于以下３种情况：　

第一种：如果建筑物为Ｌ、Ｈ、Ｔ等复杂形态，　

地表变形可能在平面转折处产生应力集中而破　

坏．　

第二种：建筑立面高度相差较大时，受采动　

影响也容易产生剪切破坏．　

第三种：变形缝所切割的单体长度：对于采　

动区砖混结构的建筑物，其由变形缝所切割的单　

体长度按表２选取ｌ　．

　第６期　朱广轶等：煤炭资源型城市防灾减灾体系探究　３　

表２建筑物单体长度的确定　

变形缝宽度，不小于５　ｃｍ，具体分析如下：　

①当建筑物位于地表拉伸一正曲率变形区，　变形缝宽度可按表３确定［４１．　

表３变形缝宽度的确定　

②当建筑物位于地表压缩一负曲率变形区，　

变形缝宽度按式（１）、式（２）计算：　

墙壁变形缝宽度［５］　一　＂：　

△墙＝（ｅ＋ＨＫ）　（ｍｍ），（１）　

基础变形缝宽度［５］００　一０　：　

△基＝ｅ　（ｍｍ）．　（２）　

式（１）、式（２）中，￡为预计的地表水平变形，ｍｍ・　

ｍ＿。；Ｋ为预计的地表负曲率变形，１０Ｉ３ｍ－１；Ｈ　

为建筑物的单体高度；ｚｌ、ｚ２分别为变形缝两侧单　

体的长度，ｍ．　

③对于先位于地表拉伸一正曲率变形区，然　

后又位于地表压缩一负曲率变形区的建筑物，按　

式（３）、式（４）计算：　墙壁变形缝宽度［５］　。一　刀：　

△墙：［￡一￡　＋（Ｋ—Ｋ　）Ｈ］　（ｍｍ）．　

（３）　基础变形缝宽度［５］。。　一　吣：　

△基＝（￡一￡　）　（ｍｍ）．（４）　若出现ｅ＜￡　或Ｋ＜Ｋ　情况时，则取￡＝￡　或Ｋ＝　

Ｋ　，即取变形缝宽度可与地表拉伸一正曲率变形　

区建筑物相同，按构造设置．式（３）、式（４）中，ｅ　为　

预计的地表拉伸变形，ｍｍ・ｍ＿。；Ｋ　为预计的地　

表正曲率变形，１０－３ｍ－１；其余符号同前．　

（３）变形补偿沟　

变形补偿沟就是在建筑物周围的地表上，设　

置一定深度的槽沟，当地表出现水平压缩变形时，　

这种槽沟具有吸收地表水平变形的功能．　

３结　论　

采用地质动力区划方法进行构造断块划分，　

可对城市各种基础建设工程的防灾减灾进行评　

估，具有时间短，工程评价费用低及效果显著等特　点．利用建筑措施、刚性措施、柔性措施，可以在矿　

区原地建设抗采动变形建筑物，实现建筑物不动　

迁开采．近些年，沈阳大学运用这些方法和措施，　

成功地为鹤岗市解决了城市建设中的一些实际问　

题．本文认为：在煤炭资源型城市综合运用以上方　

法和措施，能够向采煤沉陷区要效益，对城市建设　

与经济发展具有重大意义．　

参考文献：　

［１］佩图霍夫，巴杜金那．地下地质动力学［Ｍ］．王丽，陈学华，　译．北京：煤炭工业出版社，２００６：１—７Ｏ．　［２］朱广轶，高智广，郝哲．地质动力区划在鹤岗城区的应用　［Ｊ］．辽宁工程技术大学学报，２００５（５）：６２８—６３１．　［３］朱广轶，刘晓群，姜升．采动区建筑抗变形～抗震体系分析　［Ｊ］．煤炭工程，２００７（６）：９９—１０１．　［４］周国铨，崔继宪，刘广容，等．建筑物下采煤［Ｍ］．北京：煤　炭工业出版社，１９８３：３８３—４０３．　［５］何国清，杨伦，凌赓娣，等矿山开采沉陷学［Ｍ３．徐州：中　国矿、Ｉ　大学出版社，１９９１．　

Ｄｉｓａｓｔｅｒ　Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｃｏａｌ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅ－ｂａｓｅｄ　

Ｃｉｔｉｅｓ　

Ｚ　Ｇｕａｎｇｙｉ　，Ｚ　ＮＧ　Ｙａｎｇｆａ　，ＺＨＡ０　Ｅｒｔｉａｎ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　ａｎｄ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１１００４４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｂａｉｄａｊ　Ｊａｎ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｊｅｃｔ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１１００１６，Ｃｈｉｎａ）