工程地质学第六章地表地质作用

黑龙江鹤岗煤矿，开采70多年来，已塌陷 土地41.97km2，搬迁房屋总建筑面积 39.7×104m2，
安徽淮南采空区塌陷
目前山西省各类矿山采空区已达2万多平方公里，以全省15.6万平 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“悬 空区”，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6－7米；最小陷坑1－2长，深小于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。
第6章 地表地质作用
Earth's surface Geological processes
主要内容
风化作用 河流地质作用 边坡灾害(滑坡、崩塌、泥石流）
喀斯特地质作用
海岸带的质地作用
地面塌陷及处理对策
地面沉降及监测防治
不良地质现象： 岩石风化、斜坡滑动与崩塌、河流
的侵蚀与堆积、岩溶、地震等，这些地
（b）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 层含水介质。
汛期洪水位急剧上升的情况下，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 层土体产生正压力或使浮托力增大。 在洪水位迅速回落时，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 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 洪水塌陷。
程。 地面塌陷造成的地面变形量大，变形速度快，且具有 突然性，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。
地面塌陷
地下存在空洞是地面塌陷发生的先决条件，地下空洞可分
二、地面塌陷的危害
1、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30岁的 儿子被埋遇难。
(6)土体强度效应
土体吸水饱和后，土体抗剪强度降低，土拱抗塌力减小，产 生塌陷。
(7)其他效应
振动效应、 荷载效应、酸液效应
五、岩溶塌陷稳定性评价
（一）岩溶塌陷的地质模式
岩溶塌陷的地质模式是其形成条件组合特征的概括，反映其形成条 件的差异。其划分主要考虑塌陷盖层的岩性结构、含水结构、岩溶水位 与基岩面及上覆土层水的关系。
贵州沿河一村庄发生地陷，村民跌入深坑失踪
2008 年 8 月 11 日， 贵州沿河自治县 谯家镇韩家村桃 子坪发生一起地 面塌陷，造成一 人失踪，3间民 房及2亩耕地损 毁，危及附近农 户9户38人，房 屋 2 4 间 。
美国Corvette博物馆
2014年2月14日 深度8-10m，直径12m, 损失8两超级跑车
质现象可能会对工程的安全和使用起到
不同程度的不良影响，甚至危害甚大，
因而称这些地质现象为不良地质现象。
地面塌陷
主要内容
概
述
地面塌陷的危害
我国地面塌陷的分布特点
地面塌陷的形成条件及发生机理 岩溶塌陷的稳定性评价 地面塌陷的防治
一、概述
定义:地面塌陷是指天然洞穴或人工洞室、巷道上覆岩
土体失稳突然陷落，导致地面快速下沉、开裂的现象和过
（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。 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 20个省区 市，塌陷点总数达17138个，占全国各种类型地面塌陷总点数 44.4%，其中湖南省为12549个，再其次为内蒙古自治区2800个， 再其次分别为山西、黑龙江、安徽、河南等省。
为天然洞穴和人工洞室两类。
天然洞穴：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）和熔岩洞穴。 人工洞室：人工采掘活动所形成的，包括人防工程、地铁、 隧道、涵洞和采矿形成的地下巷道系统。
目前面临的地面塌陷主要包括岩溶塌陷和采空区塌陷。
矿山采空区地面塌陷是人为诱发地面塌陷的最主要类型。
变形特点不同的带，即冒落带、
裂隙带和弯曲带。
2、岩土体的外部条件
（1）自然影响因素 （a）大气降水
降雨入渗水可以使洞顶覆岩的含水层增大，自重加大； 下渗水流会湿润裂隙面，降低岩石块体间的抗滑阻力，从而引起 洞顶和洞壁的进一步变形而失稳。 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， 形成较大的动水压力和冲刷作用。 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，形成上挤的压力，导致气爆发生，引发洞顶塌陷。
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 1、岩土体的内部条件
（1）地下存在空洞（先决条件）
具备一定规模的地下无岩土的空间，即空洞。地下空洞的 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 落物的储容空间，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通道作用。
3、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内，使 矿井淹没，23名当班矿工被困井下。
4、破坏农田
三、我国地面塌陷分布的特点
（一）岩溶地 面塌陷分布
据 1993 年的不完全 统计，南方岩溶地 面塌陷点已发现 34072 个 ， 占 全 国 总 数 的 96.5% 。 其 中 湖 南 省 有 14152 个，居全国之首， 其次为广东省和广 西壮族自治区，分 别为 8751 个、 8735 个，再其次为贵州、 云南、四川。
（二）地面塌陷的发生机理
第一阶段为掘进和回采的初期， 存在冒落带、裂隙带和弯曲 带 ；
1、矿山采空区地面塌陷的机理 第二阶段为地裂缝发展阶段，
仅存在冒落带和裂隙带；
第三阶段为地面塌陷阶段，仅 存在冒落带。
2、岩溶地面塌陷的机理
岩溶：水（包括地表水和地下水）对可溶性岩石进 行的以化学溶蚀作用为主的改造和破坏地质作用以及由 此产生的地貌及水文地质现象的总称。 岩溶作用：以化学溶蚀为主，同时还包括机械破碎、 沉积、坍塌、搬运等作用，是一个化学－物理相结合的 综合作用。 可溶性岩石包括碳酸盐岩、硫酸盐岩、卤化物等。
岩溶塌陷地质模式的组合因子
（二）岩溶塌陷的稳定性评价
岩溶塌陷稳定性的评价包括：塌陷堆积体（简称塌陷体）、土洞 及浅埋岩溶洞隙等来自百度文库个方面的稳定性评价。
1、塌陷体的稳定性评价
塌陷体的稳定 性主要根据塌陷的 微地貌特征、堆积 物的性状及地下水 埋藏与活动情况等 因素进行定性评价 见表。
2、土洞稳定性的评价
A.水位下降前的平衡状态； B. 水位下降，随着向上侵 蚀过程使通道被排空，出现活 跃的地下侵蚀 ( 潜蚀进入开阔 的洞穴)； C. 洞穴的顶部逐渐坍陷， 可能短期内受钙化砾石层的抑 制； D.最后的拱顶坍陷，形成 了被同心球状张力裂缝包围的 落水洞。
（2）真空吸蚀效应
我国徐卫国等于1979年提出的，国内也普遍接受这一论点。 岩溶网络的封闭空腔（溶洞或土洞）中，当地下水位大幅度 下降到空腔盖层底面下时，地下水由承压转为无压 ,空腔上部便形 成低气压状态的真空，产生抽吸力,吸蚀顶板的土颗粒.同时内外 压作用，覆盖层表面出现一种“冲压”作用，从而加速土体破坏。
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应力集中，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
落，甚至发生波及地表的塌陷。
地下空洞的形成，可以是自然力，也可以是人工挖掘的结果。 1）岩溶系统：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，断层较发育、岩层较破碎时，岩溶较易 发育。 岩溶洞隙的发育一般受岩溶地下水排泄基准面的控制，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。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。
2)地下井巷系统是最易引发地面塌陷的一种人工洞室。
人为针对某种专门目的而挖掘，可出现在不同的岩性地 层中，而不限于可溶盐岩地层，洞室规模可大可小、可 深可浅。 随施工进度或采矿计划不断扩大，即在施工完成或闭矿
之前，洞室的面积和体积随时间而变，采掘区地应力的
变化和调整一致在持续进行，而处于宏观的不稳定状态。
人工洞室，尤其是长时间不间断采掘的矿山发生地面 塌陷的几率最大。
（2）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 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。 一般而论，当洞穴埋藏 深度与洞穴高度之比小于25： 1时，洞顶上部就会形成三个
地面变形地质灾害的类型
1.

按地面变形的形式分类
地面沉降 地面塌陷


地裂缝
渗透变形 特殊岩土胀缩变形
2. 按地面变形的成因分类 内动力地面变形：地震裂缝、地震塌陷、构造地裂缝、火山地面变形等 水动力地面变形：由地表水和地下水运动引起的地面变形，如由江河湖海波浪 和水流冲蚀而形成的库岸再造、岩溶水动态变化造成的岩溶塌陷、过量 开采地下水引起的地面沉降、坡面流引起的地面冲刷等 重力地面变形：崩塌、滑坡、黄土湿陷等 人类活动诱发地面变形：修路开挖边坡、采矿地面塌陷、城市建设平整土地、 农业活动中的梯田改造等
（c）地震
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 岩层破裂、位移加剧；
二是洞隙上覆松散饱水细粒物质发生“液化”，而形成地面 塌陷。
2、人为活动的影响
矿山采空区地面塌陷：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。
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、大降深的抽水活动往往是引发地面塌陷最普遍的 原因。
形成塌陷的原因很多。如潜蚀、真空吸蚀、振动、土体软化、建筑 荷载。因条件不同，产生塌陷的原因而不同，也可能是以一种原因为主导， 多种因素综合作用的结果。
（1）地下水潜蚀机制 地下水位下降时，水力梯度也随之增大，地下水流速加快， 动水压力增强，当动水压力大于土体内聚力与颗粒间摩擦力，土 颗粒开始被渗流带动迁移，这一现象称为潜蚀或管涌。 在覆盖型岩溶区，下伏存在溶蚀空洞，地下水经覆盖层向空 洞渗流(或地下水位下降时，水力梯度增大)。在一定的水压力作 用下，地下水对土体或空隙中的充填物进行冲蚀、掏空。从而在 洞体顶板处的土体开始形成土洞,随着土洞的不断扩大，最终引 发动洞顶塌落。当土层较厚或有一定深度时，可以形成塌落拱而 维持上伏土层的整体稳定。当土堆较薄时，土洞不能形成平衡。
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。
2、损毁铁路、公路和水利设施
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
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。
我国东部岩溶区，铁路4010公 里，岩溶塌陷376处，近十年 间中断车1860小时，颠覆列车 3次。
（3）压强差效应 压强差是指岩溶空腔与松散介质（或土洞）接触面上下 侧水、气流体，因岩溶管道水位变化而产生相应的压强差值.
(4)自重效应
雨水入渗后，盖层饱和容重比干容重一般增加30%-40%。使土 拱承受更大的重量，导致塌陷。
(5)浮力效应
岩土体位于地下水位之中，当地下水位下降时，除产生压强 差效应外，土体的浮托力也随之减小，产生塌陷。