岩溶塌陷治理范文

岩溶塌陷治理范文（精选10篇）

岩溶塌陷治理 第1篇

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本文主要针对涟源市伏口镇岩溶塌陷地质灾害应急治理方案展开系统研究。立足于岩溶塌陷地质灾害所遵循的治理原则, 参考当地岩溶塌陷所表现出的规模特征, 以及地质灾害治理工作量的具体情况, 设计了清除填堵法、跨越法和强夯法相结合的综合治理方案。

我国可溶岩分布面积达365万km2, 占国土面积1/3以上, 是世界上岩溶塌陷发育最广泛的国家之一。在我国, 岩溶塌陷拥有相当广的分布范围, 遍及二十二个省区, 在以桂、黔、湘为代表的一些南方省区有着更高的发育, 由相关资料可知, 以冀、鲁、辽为代表的一些北方省份也爆发过比较严重的岩溶塌陷灾害。无论是伏口镇温泉, 还是易家两村, 均属于岩溶塌陷地质灾害的易发区, 引起了湖南省涟源市的高度重视, 是该市地质灾害重点防治区内两处不得不防的地质灾害隐患。该区内自2013年8月开始, 多次发生岩溶塌陷现象, 严重威胁区域内村民的生命和财产安全。为尽快治理已发生的地面岩溶塌陷, 消除当地村民的恐慌情绪, 作者深入研究区内地面岩溶塌陷的形成因素, 根据实际情况将区内地面岩溶塌陷分为3个子区, 并针对各个子区提出不同的应急治理方案。

工程概况

涟源市伏口镇温泉、易家村岩溶塌陷区位于涟源市东北约40km处, 属丘陵岩溶地貌, 四周地势较高, 塌陷区主要集中在一小型盆地内。周边出露石炭系壶天群 (C2+3ht) 灰岩和白云质灰岩, 地势较为陡峭, 局部坡度达70°, 一般20~35°。

伏口镇温泉、易家村岩溶塌陷区属于地质灾害危险性等级为危险性大的地面塌陷隐患点。自2012年8月起, 该区域相继发生21处地面岩溶塌陷, 形成两个规模较大的塌陷区和三处小规模塌坑, 塌陷区总面积约4500m2 (见图1) 。近年来, 人类工程活动呈现出愈演愈烈的趋势, 再加上地下水被过度开采, 岩溶塌陷也进入了高发期, 同时发生规模也是不断扩大, 目前已经造成房屋开裂, 农田毁坏, 河堤垮塌等, 直接威胁村民生命和财产安全。

岩溶塌陷发育成因分析

伏口镇岩溶塌陷的形成要素主要有以下三个方面:

(1) 地下岩层岩溶发育

岩溶塌陷与该区域岩溶发育程度存在明显的对应关系。由于塌陷区下伏地层为石炭系壶天群 (C2+3ht) 灰岩、白云质灰岩, 岩溶发育强烈, 塌陷坑与地下岩溶发育存在垂直对应关系, 坑下一般都发育有溶洞和较大的岩溶裂隙;同时塌陷坑的形态受岩溶发育规模、形态影响:当岩溶空腔规模较小, 塌陷坑呈圆形或椭圆形;当岩溶空腔规模较大, 塌陷坑形态与岩溶发育形态基本一致。

(2) 覆盖层厚度较薄且粗颗粒含量较高

塌陷区基岩覆盖层一般厚度仅3~8m, 土层中含铁锰质结核, 底部岩、土接触带含灰岩碎块, 抗侵蚀、崩解能力较弱, 易产生塌陷。

(3) 地下水在基岩面附近活动强烈

由于塌陷区周边煤矿常年抽排地下水, 导致地下水位变化频繁, 侵蚀岩、土接触带土层, 导致覆盖层逐渐变薄, 直至坍塌。

岩溶塌陷发展趋势

根据塌陷区地质条件和水文地质条件, 该区域属地下岩溶强烈发育区, 矿井常年抽排地下水已侵蚀岩溶发育带上部部分覆盖层。如诱发因素没有得到消除或进行有效治理恢复, 随时间推移, 除现有塌陷坑外, 在其他地下存在岩溶“天窗”处仍有发生塌陷的可能;已产生的塌陷坑范围可能进一步扩大。根据湖南省煤田物测队提供的物探资料, 在塌陷区存在10余处岩溶塌陷发育区, 地下岩溶相对集中发育, 易发生地面塌陷。

岩溶塌陷地质灾害应急治理方案

立足于现场调查得到的详实资料, 同时结合灾害治理工作所要坚持的总体要求, 在对研究区岩溶塌陷发育特征及其形成机理进行分析的基础上, 结合国内外岩溶塌陷防治工程实践经验, 本着三大原则有效实施方案设计工作, 一是以人为本的原则, 二是经济、安全有机结合的原则, 三是治理、区域经济发展相互匹配的原则。

根据塌陷区工程、水文地质条件及塌陷坑的具体特征, 将塌陷区分为三个子区, 每个子塌陷区治理将选择清除填堵法、跨越法和强夯法的一种或三种方法综合使用, 以达到治理目的 (见图5) 。

(1) Ⅰ号塌陷区治理方案

(1) 塌陷坑工程特征

Ⅰ号塌陷区位于温泉村农田中, 共产生大小12个塌陷坑, 呈长条形分布, 走向近NW~SE向, 塌陷坑呈不规则条带状四周形成宽度不一的开裂变形带。塌陷区基岩平均埋深为6.0m, 基岩面具有不规则起伏的特点 (见图2) 。

(2) 治理方案

本区采用清除填堵法与跨越法进行治理, 施工工序如下:剥离表层耕土-基坑开挖 (清除坑壁和坑底松散泥土) -清除底部松散泥土-回填块石、黏性土 (或施工跨越混凝土底板) -夯实回填层-浇注混凝土反滤层-回填黏性土并分层夯实-回填耕土-耕土整平复垦成水田。

(2) Ⅱ号塌陷区治理方案

(1) 塌陷坑工程特征

Ⅱ号塌陷区发生在温泉村农田中, 共产生大小5个塌陷坑, 呈近似“汤匙”形分布, 走向近NW~SE向, 北西塌陷坑较小, 东南端为主塌陷坑, 东南侧形成宽度6~10m的开裂变形带, 已威胁到东南侧民房安全。塌陷区基岩平均埋深为9.0m, 塌陷坑形状为圆形或近似圆形 (见图3) 。

(2) 治理方案

采用清除填堵法、跨越法和强夯法相结合进行治理。清除填堵法和跨越法施工工序如下:剥离表层耕土-基坑开挖 (清除坑壁和坑底松散泥土) -清除底部松散泥土-回填块石、粘性土 (或施工跨越混凝土底板) -夯实回填层-浇注混凝土反滤层-回填黏性土并分层夯实-回填耕土-耕土整平复垦成水田。强夯法施工工序如下:剥离表层耕土-对塌陷坑和开裂区夯实-回填块石、黏性土-夯实土石-回填耕土-耕土整平复垦成水田。

(3) Ⅲ号塌陷区治理方案

(1) 塌陷坑工程特征

Ⅲ号塌陷区发生在温泉村进村公路西南侧, 整个塌陷区原为一落水洞, 塌陷坑位于落水洞底部原消水口上方 (西侧) , 地表水直接从塌陷坑流入地下暗河。因落水洞底部发生岩溶塌陷, 在地表水冲刷下, 搬运坡脚土体, 导致周边边坡失稳, 产生小规模浅层土质滑坡或坍塌 (见图4) 。

(2) 治理方案

本区治理工程包括采用清除填堵法、跨越法治理塌陷坑和边坡支护。清除填堵法和跨越法治理塌陷坑施工工序如下:架设临时引水管-清除底部松散泥土及碎石-安设下水井-回填块石、黏性土 (或施工跨越混凝土底板) -夯实回填层-浇注混凝土固化落水洞底面-拆除临时引水管。边坡支护工程包括坡脚挡墙和坡面防护工程。施工工序如下:适度放坡-修建钢筋混凝土挡墙-加固坡面-坡面防护。

结语

(1) 结论

从涟源市伏口镇温泉、易家村岩溶塌陷区的危险性和对周围居民的受威胁程度等情况分析, 进行伏口镇温泉、易家村岩溶塌陷地质灾害治理项目有现实的必要性, 同时也是切实可行的, 所以, 应投入相关资源进行积极治理。

在分析经济性、安全性以及技术可行性的基础上, 预测未来的治理效果, 结合实际调查情况, 将区内地面岩溶塌陷分为3个子区, 提出了清除填堵法、跨越法和强夯法相结合的综合治理方案。

(2) 建议

(1) 保持民情稳定, 做好搬迁安置工作。在对当地居民实施搬迁时, 有关政府主管部门应出台符合当地实情的搬迁政策, 保持民情稳定, 做好搬迁安置工作。

(2) 综合治理。在人类工程活动愈演愈烈的大背景下, 灰岩地层迎来了更为多变的地质环境变化, 使得岩溶溶洞更容易发生。所以, 在工程活动中, 应积极采取相关措施, 包括疏通、排导以及注浆等, 并将上述措施有机结合起来, 从而取得理想的共同治理效果。

(3) 地质灾害监测。对于岩溶动态发育, 应重视和做好地表长期监测工作, 一旦察觉到异常, 应立即上报, 及时且有效地安排居民转移等工作。

浅谈岩溶塌陷成因与治理措施 第2篇

浅谈岩溶塌陷成因与治理措施

遇到大规模的岩溶塌陷区域,通常采用绕避的方法.由于工程建设需要等原因不得不对岩溶地基进行处理时,通常采用垫填法、加固法、跨越法、桩基法等方法予以治理.

作 者：叶兆荣 于宗仁 徐洋洋 作者单位：中国矿业大学(徐州)资源学院刊 名：科技信息英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION年，卷(期)：2009“”(24)分类号：关键词：岩溶塌陷成因 岩溶塌陷治理措施

岩溶塌陷治理 第3篇

摘要：随着经济的发展，人们对矿产资源的开采量不断增大，在其开采过程中对地质环境的破坏也愈发严重，各类地质灾害伴随而来，给人民的生命财产安全及社会经济发展带来不利影响.综合考虑水文地质单元、灾害发育程度、地层岩性、地质构造及矿山抽排水等因素，结合岩溶发育规律，对煤矿区内岩溶塌陷的成因机制分6个区来进行了分析，得出岩溶发育与矿井大量抽排水是该地区岩溶塌陷发育的最重要原因，研究成果可为该区域内岩溶塌陷的主要发展趋势预测和预防治理提供依据。

关键词：地质灾害；岩溶塌陷；成因机制；趋势预测

随着经济的发展，人们对矿产资源的开采量不断增大，在其开采过程中对地质环境的破坏也愈发严重，各类地质灾害伴随而来，给人民的生命财产安全及社会经济发展带来不利影响。湖南某煤矿地区地质灾害发育，共调查各类地质灾害561处，其中岩溶塌陷398处，不均匀沉陷110处，地裂缝47条，滑坡6处。其地质灾害主要以岩溶塌陷为主，其他类型的地质灾害发育程度相对较低，对该区域内岩溶塌陷的成因机制进行分析，可为岩溶塌陷地质灾害的防治工作提供借鉴。

1岩溶发育规律分析

岩溶发育的控制因素主要是地质构造，岩石性质和地下水交换的天然条件。其中地质构造的控制作用更明显，而人类工程活动因素则对其起到了一定的促进作用，本区域溶岩发育有以下规律：

1）平面分布上，该区域岩溶发育主要集中在五个地下水主径流带和连河冲涌泉山冲沟一带，其中大成桥、洋泉湖、贺石桥最发育，地面塌陷规模大，破坏严重。

2）垂直方向上，该区域岩溶发育具有明显的分带性。根据钻孔揭露情况（见表1），溶洞发育带主要集中于标高-200m以上，钻孔见溶洞率相对较高，且溶洞一般全充填，此带突水突泥后，地面塌陷影响大；溶洞裂缝带标高为-200m至-400m，钻孔见溶洞率0.10%～0.14%；裂缝发育带一般在-400m以下，发育程度低，且充填较好，富（导）水性弱。而本区煤层多数赋存在-400m以上，开采-400m以下煤层引发岩溶地面塌陷的可能性和影响范围将降低。

3）从区域地质构造上来看，本区域背斜轴部岩溶相对发育（见图1）。轴部张裂隙发育，且开口向上，地下水活动强烈，矿井下易产生突水突泥而引起地面塌陷。

4）本区域高角度正断层带岩溶发育，特别是断层交会处岩溶发育强，规模大。部分逆断层或正断层被切割，在断层带处当矿层与含水层相接触时容易发生穿水，引发地面塌陷。

5）旱、雨季地下水位反复交替升降的区域，地面塌陷发生较为频繁。

6）表面岩溶塌陷多发区域位于煤矿开采活动强烈的位置（见图2）。

由此可见，地质构造、水文条件是该煤矿区域岩溶发育的主要影响因素。而岩溶塌陷区域分布还受到了矿山开采等因素的影响。

2岩溶塌陷成因机制分析

该区域碳酸盐岩分布广，厚度大，岩溶发育。矿山排水导致地下水位大幅下降，在岩溶化断裂带，地下水交替频繁处岩溶塌陷发育。以下根据岩溶塌陷分布位置，对其成因机制划分6个区域分别进行分析。

1）大成桥岩溶塌陷区。该区位于大成河一带，为河谷平原地貌，处于白垩系百花亭组底部砾岩和二叠系茅口组中下部地层的不整合接触面附近。在地下水交替升降过程中，由于受到接触面以及栖霞组灰岩中黑色泥岩的阻力，会产生缓冲涡流形成冲刷作用。加之浅层地下水对茅口灰岩中部灰岩的侵蚀作用强，因而岩溶发育，发育深度主要在-80m以上。另外，由于该区域内五亩冲矿井不断强排疏干，地下水流运动遭遇人为改造，水位大幅下降。通过对区域内1975年与2008年地下水等水位线图对比，大成桥一带地下水位由70m下降至-40m，作为排泄区的大成河渐变为补给源流补灌矿区，形成过水通道对充填物进行冲刷搬运，则导致地面盖层薄弱部位不断出现失稳塌陷。

2）贺石桥岩溶塌陷区。该区沿群英河一带分布，属河谷平原地貌。该区位于煤炭坝向斜北部，背斜东南翼，受构造影响强烈，其核部隔水层埋深约200m，阻止了西北方向地下水向矿床的大量充水。此外，沙子坡断层通过本区，该断层导水性好，形成了地表地下水与西峰仑矿井以及跃进煤矿矿井间的导水通道。随着矿区的不断强排疏干，地下水流运动受到人工作用的加强和改造，地下水位下降显著。根据图3对比，地下水位最大下降达到170m。

另外，本区位于贺石桥径流带，群英河与地下水通过沙子坡断层源源不断地补给矿区，河水漏失量达到1000m3/h。这些地表水转化为地下水后对溶洞中的充填物和上覆松散土层的潜蚀和冲蚀作用增大，造成矿井突泥突水现象严重，致使溶洞中的充填物和覆盖层中的松散土层逐渐被冲刷带走，当溶洞较大，充填物被迁运，地面盖层薄弱的部位就突然产生岩溶塌陷。另外，当岩溶空洞形成一个封闭的环境时，产生真空吸蚀作用，溶洞顶部盖层在负压作用下失稳产生塌陷。

3）欧家大冲岩溶塌陷区。该区位于欧家大冲与颜家冲交汇一带，出露地层岩性为二叠系栖霞组上部硅质灰岩夹硅质岩、茅口组岩上部灰岩以及少量石炭系灰岩和白云岩，富水性强，岩溶发育。矿井下常引发突水、突泥，本区构造复杂，由于大量断层带存在，颜家冲径流带与矿区之间形成良好的导水通道。当采矿对地下水强排疏干时，因地下水位急剧下降以及降落漏斗的扩大，使颜家冲和欧家大冲的地表水由颜家冲径流带和导水断层补给矿井。由于此处处在岩溶发育带，又有断层的切割、沟通，当开采深度延深时，随着矿山排水量增加，水力坡度和流量增大，溶洞裂隙中充填物受冲刷流失强度也随着增大，当充填物被冲蚀后，部分溶洞洞顶覆盖层厚度变薄，在渗透水头和岩土体自重作用下，无法满足拱顶稳定而失稳产生塌陷。

4）洋泉湖岩溶塌陷区。本区位于矿区东部，主要分布地层为白垩系百花亭组底部砾岩和二叠系茅口组灰岩及硅质灰岩。据相关勘探资料，该岩组岩溶发育，连通性好，主要分布在-200m以上，大部分无充填，且空洞较大，最大洞高达到6m。本区受构造影响大，贺家湾正断层从本区通过，其透水性好，地下水流动性强。矿区开采对该区域造成了较大影响，矿区开采前，该区域内常年有泉水，但随着竹叶堂等煤矿的开采，大量抽排地下水，致使地下水位大幅下降，目前地下水位在-190～-200m之间波动。竹山塘煤矿强排疏干，使洋泉湖一带地表水和地下水通过洋泉湖径流带和贺家湾断层补给矿井，沿线溶洞被疏通扩大，在水流冲刷和自重作用下，失稳产生塌陷。

5）回龙铺岩溶塌陷区。本区位于矿区南偏东、沩水以北、左家河径流带以东的平原地区。该区地势平坦，面积较广，灾害分布较平均。表层冲洪积物发育，下伏基岩为二叠系栖霞组上部的硅质灰岩、硅质岩，中下部的泥灰岩、泥质页岩和石炭系壶天群的灰岩、白云质灰岩。栖霞组上部地层和壶天群地层岩溶发育，连通性好，栖霞组中下部为相对隔水层。但沩水大断层于左家河处横过沩水河，隔水层断失，使壶天群、栖霞与沩河水产生密切水力联系。区内岩溶塌陷主要发生在栖霞组上部灰岩中，主要受左家河和沩水大断层控制。矿区疏干排水使地下水位下降，沩水与地下水通过沩水大断层连通左家河径流带补给矿井，原有溶洞受水流冲刷，充填物流失，在覆盖层薄的部位洞顶失稳产生塌陷。但因为该区离煤矿区较远，因而地下水位下降幅度不大，所以岩溶发育深度也较浅。

6）涌泉山岩溶塌陷区。本区分布在喻家坳乡连河冲以南涌泉山一带的河谷平原区，本区出露地层岩性为二叠系栖霞组上部硅质灰岩和硅质岩，岩溶发育，连通性好。本区位于煤炭坝背斜西翼的几个次级向斜处以南，受周边煤矿抽排水影响较大。这些矿区煤炭储量不大，开采深度较浅，因而地下水降幅有限，产生岩溶塌陷的深度也不大，主要集中在-100m以上。这些煤矿采煤疏干排水后，地下水和地表水回灌矿区，沿涌泉山沟一带，岩溶管道和溶洞长期被冲刷，充填物被掏尽，溶洞顶部盖层变薄失稳，产生岩溶塌陷。整个调查区从历史采煤情况来看，各大矿井大部分有突泥、突水的灾害发生，如2003年西峰仑煤矿在-350m水平就曾发生突泥达5000m3，井下小的突泥点也较多；又如1971年9月，五亩冲在煤层中掘进时底板突水，瞬时水量达2 900m3/h，造成地面下沉，水塘漏水，1958年至1986年突泥点达117个。这些突水突泥事件都是反映下部岩溶发育的直接证据，也说明岩溶发育与矿井的大量抽排水是整个煤矿地区岩溶塌陷发育的最重要原因（见图4）。

综合以上分析，结合岩溶塌陷现状调查结果、本区域水文地质特征以及矿业活动等情况，预计各带岩溶地面塌陷的均有加剧趋势。六个分带内复塌、新塌的可能性大，沿断层方向有外扩趋势，地质灾害危害严重。

3小结

1）通过对该煤矿区域岩溶发育规律的分析，得出地质构造、水文环境是影响该区域岩溶发育的主要因素，而矿山开采情况一定程度上影响了岩溶塌陷的发生和分布。

2）将该煤矿区域分为6个区分别对其岩溶塌陷成因机制进行分析，得出岩溶发育与矿井大量抽排水是该地区岩溶塌陷发育的最重要原因。

覆盖型岩溶塌陷注浆治理工程实例 第4篇

覆盖型岩溶地面塌陷是指覆盖在溶蚀洞穴之上的具有一定厚度的松散土体, 在外动力或人为因素作用下产生的突发性地面变形破坏, 其结果多形成圆形或椭圆形塌陷坑。

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, 也易发生于各种成因类型 (洪积、冲积、坡残积等) 和不同厚度的第四纪覆盖层分布区。以平原及谷地的坡残层和洪积层为最;较老的洪积层 (当地亦称粘土泥砾层) 次之;一级阶地及河床冲积层 (Q4) 发生数量最少。土层厚度以10m以内数量最多。

据南方十省区统计, 覆盖土层塌陷占塌陷总数的96.7%。除覆盖层为土层的塌陷外, 如覆盖层为风化破碎的基岩也可产生塌陷。

岩溶地面塌陷的形成受到环境和人类活动的双重影响。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、蓄水等其他人为工程活动等因素密切相关, 而后者往往规模大、突发性强、危害大。

1 岩溶塌陷的成因类型

主要有两类, 即自然的岩溶塌陷和人为诱发的岩溶塌陷。

自然岩溶塌陷是指在天然地质作用下形成的塌陷。约占总数的33% (不包括陷落柱) , 是各类塌陷中最多的一种。包括暴雨引起的塌陷、洪水引起的塌陷、重力引起的塌陷、地震引起的塌陷等。

人为诱发岩溶塌陷是由于人为活动, 如抽水、基坑排水、地面渗漏、蓄水及荷载、列车震动、爆破等一系列活动, 加速了地下水的活动及改变土洞的自稳条件, 土洞扩大, 土洞盖层失稳, 从而促成岩溶塌陷的加速产生与发展。

1.1 根本原因和先决条件

1.1.1 土石界面的岩溶裂隙通道是土颗粒运移的先决条件。

岩溶裂隙无论是管道型, 还是裂隙型, 其中的土颗粒在地下水的带动下均可自由运移, 这是岩溶地区产生地表塌陷的内在原因。而岩溶地区大部分构造裂隙发育, 隐伏岩溶溶洞顶板不可能完整。顺构造裂隙或构造复合部位会产生岩溶裂隙或通道, 即土石界面处的岩溶“天窗”。

1.1.2 诱发因素是地表塌陷产生的必备条件。

(1) 没有水的活动, 即使岩溶极其发育, 也难以产生土颗粒移动, 地表塌陷也就没有产生的条件。

(2) 自然状态下的地下水升降、地表水下渗的侵蚀作用, 产生地表塌陷缓慢、时间较长。自然状态下地下水的水力坡度和季节性水头差的影响所形成的水平侵蚀和垂直侵蚀作用很小, 难以引起土颗粒大量运移, 即使土颗粒产生运移也只是缓慢的。

(3) 人为活动条件改变了自然状态下地下水的运动规律, 其水平方向水力坡度和垂直方向的波动幅度大幅度提高, 使溶洞中及土石界面的土体通过岩溶裂隙运移。地下水的频繁活动, 导致岩溶裂隙、溶洞内的土颗粒大量产生运移, 形成隐伏土洞并逐渐扩大直至产生地表塌陷。

1.2 岩溶塌陷主要的治理方法

通过对岩溶塌陷区的岩溶发育程度、地下水动力条件、覆盖层特征三大因素分析, 对岩溶地面塌陷程度进行稳定性分析评价, 并制定相应的治理措施。岩溶塌陷应采取预防和治理相结合的防治措施。治理岩溶塌陷常见的处理措施有:

1.2.1 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。

1.2.2 跨越法:

用于塌陷坑或土洞较深、较大, 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石、土体上。

1.2.3 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。

1.2.4 注浆法:

目前注浆方法按常规可分为两大类, 即静压注浆法和高压喷射注浆法

(1) 静压注浆法

静压注浆法是利用液压、气压和电化学的原理, 通过注浆管将能强力固化的浆液注入地层中, 浆液以充填、渗透、挤密和劈裂等方式, 挤走土颗粒或岩石裂隙中的水分和空气, 浆液固结后将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体, 从而改变岩土体的物理力学性质。

(2) 高压喷射注浆法

高压喷射注浆法是利用高压喷射流切割原理, 通过带有喷嘴的注浆管在土层的预定深度以高压设备使浆液或水成为20MPa左右或更高的高压喷射流从喷嘴中喷射出来, 冲击切割土体, 当喷射流的动压超过土体结构强度时, 土粒便从土体中剥离。一部分细小的颗粒随浆液冒出地面, 其余土粒在喷射流的冲击力、离心力和重力的作用下, 与浆液搅拌混合, 凝固后, 便在土中形成一个固结体。固结体是浆液与土以半置换或全置换的方式凝固而成的。

2 岩溶塌陷的注浆治理工程实践

2.1 岩溶塌陷注浆整治机理

根据上述地表塌陷的主要影响因素, 采用土层注浆, 只能充填土层裂隙, 不会产生质的变化, 土颗粒仍会在地下水潜蚀作用下携带运走, 因此土层注浆只能达到地基的暂时性稳定, 只要产生病害的诱发因素依然存在, 地质灾害仍会继续发展。所以在治理过程中要解决存在的关键问题, 即岩溶通道及水环境问题, 其处理方法如下:

(1) 切断土石界面的岩溶通道, 阻止上部土层颗粒运移, 可以从根本上治理岩溶塌陷产生的地基破坏。

(2) 控制人为活动, 恢复水环境至原始状态, 维持水均衡, 可以减小破坏程度和发生的频率, 对存在的流动空间进行注浆再充填, 可以达到相对的平衡。

2.2 浆液填充及流动规律

岩溶塌陷注浆是地表施工、低压灌注, 与其他类型注浆 (如堵水、防渗等) 在机理上存在明显不同。因此注浆的原理、设计原则、注浆工艺等与之也有较大的差异。根据注浆实践和观察结合流体力学理论分析, 浆液运动规律如下:

(1) 浆液从高压向低压方向运动, 即首先填充地下无压地带 (如空洞、土洞、或半充填、全充填流动稀泥的溶洞) , 当空洞充满之后, 浆液必然将通过岩溶“天窗”向压力最小的地表扩散并涌出地表。

(2) 在土层或溶洞充填物中浆液流动垂直于土层等压线, 并沿最短或最近的距离流动;在岩层中浆液流动主要顺岩溶裂隙扩散。

(3) 由于岩溶发育的不均一、土层不均质, 浆液必将呈不均匀扩散, 且浆液扩散不构成整体或面状, 在溶洞及土层中多呈脉状或树枝状, 仅在空洞及充填松软的溶洞顶部结石成块状[4]。

2.3 岩溶塌陷注浆治理工程案例

2.3.1 塌陷工程概况及灾害概况

某水泥厂原煤存储库由五个钢筋混凝土筒仓组成单排圆形排仓, 各筒仓直径10.0m, 总高度均为23.00m。仓顶均采用现浇混凝土梁板结构, 仓底为角锥形钢漏斗, 仓下支承结构均为钢筋混凝土筒壁。仓顶建筑物为单层现浇钢筋混凝土框架结构, 层高4.50m, 采用筒仓下环向条形基础。

原煤储存库岩土层分布自上而下为: (1) 杂填土、 (3) 含碎石粉质粘土、 (5) 泥质碎石、 (9) 碎块状强风化粉砂岩、⑾中风化灰岩。地基土下分布串珠状充填溶洞, 典型工程地质剖面图如图3。

因临近铁路隧道施工出现透水事故, 造成大规模涌水使得地面塌陷, 建筑物受损严重。对原煤存储库进行检查发现, 筒仓仓底环梁均多处出现混凝土保护层裂缝, 支承筒壁个别位置出现细小裂缝。结构发生较大沉降, 且未进入稳定阶段。存储库地面出现较多裂缝, 筒壁混凝土出现剥落。

原煤存储沉降变形观测数据详见表1。

2.3.2 注浆方案

(1) 注浆目的

通过注浆, 充填因岩溶塌陷造成地下水位降低产生的孔隙、塌陷空洞和土层通道, 起到对建筑物地基加固作用。

(2) 注浆孔布置

注浆采用低压注浆, 根据浆液扩散半径确定注浆孔间距, 根据相关工程经验, 沿库壁四周环形布置, 注浆孔间距2.5m。

(3) 注浆压力

因场地已无地下水, 土层及溶洞注浆采用纯压注浆, 注浆压力为0.5MPa-1MPa, 一般控制为0.5MPa, 最大压力1MPa。

(4) 注浆施工

低压注浆引孔采用工程钻机, 引孔直径大于110mm, 低压注浆采用标号P032.5水泥;浆液配合比:水泥:粉煤灰:重钙粉=1:2:2;水灰比按1:1、0.75:1两个等级。注浆管采用2根DN20焊接管, 分别为一次、二次注浆管, 管底1m做成花管。注浆时先外围后内部, 跳孔注浆。

2.3.3 处理效果

注浆后对煤库进行了为期一年共六次的后期沉降观测, 地面未再继续有塌陷现象, 煤库累积平均沉降量为-7.01mm、沉降量大幅减小, 部分观测点揭示注浆后地面有抬升现象。加固后结构进入稳定沉降变形, 存储库裂缝未进一步扩大。

3 结语

通过介绍典型的覆盖型岩溶区, 采用钻孔注浆加固覆盖型岩溶塌陷灾害治理, 实行溶洞充填注浆和地基低压注浆并举。注浆加固结果经物探检测、注浆前后的注水试验对比、检查孔钻探抽芯等多种手段检验, 表明达到了良好的加固效果。

参考文献

[1]中国建筑科学研究院等.JGJ 94-2008建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2008.

[2]福建省建筑科学研究院等.DBJ13-07-2006建筑地基基础技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2006.

[3]向贤礼, 唐广惠.公路路基岩溶塌陷注浆治理探讨[J].西部探矿工程, 2007 (6) :195-197.

[4]鲍道亮, 罗均宇, 刘冬梅.覆盖型岩溶区岩溶土洞的分布及地基处理方法[J].龙岩学院学报, 2011, 29 (5) :16-20.

岩溶塌陷稳定性评价的分析 第5篇

有关岩溶塌陷稳定性评价的分析

通过地貌、堆积物性状、地下水等进行定性分析,依据岩溶溶洞上覆岩土体性状、围岩岩体完整性等,采用经验公式计算半定量、定量确定溶洞、土洞顶板的安全临界厚度,与钻探直接揭露的溶洞、土洞埋深比值来评价分析岩溶塌陷的稳定性.

作 者：王建霞 李志杰 钟雪光  作者单位：辽宁水文地质工程地质勘察院,辽宁,大连,116037 刊 名：西部探矿工程 英文刊名：WEST-CHINA EXPLORATION ENGINEERING 年，卷(期)： 21(7) 分类号：P642.25 关键词：岩溶塌陷   稳定性   评价  

华北岩溶塌陷的发育规律 第6篇

论及华北煤矿区岩溶陷落柱的形成, 是碳酸盐岩地层古代岩溶不断溶蚀扩大, 上部覆盖岩层在重力长期作用下发生坍塌, 随之垮落而成的地质现象。岩溶是具侵蚀性的水对可侵蚀、溶蚀岩石作用的结果, 同时也是多种地质因素综合作用的结果。由于各地区地质条件的差异, 形成过程各有不同, 有的系有石膏层[1], 有的源于地壳连续上升[2], 有的认为是重力负压[3,4], 也有岩浆和热液活动参与[5]等, 岩溶发育过程往往又不是单一的成因, 而是多种因素多样机制综合作用的结果。多种力学效应和地质环境综合作用, 从而产生不同的致塌模式。

1 岩溶陷落发育的主控因素

影响岩溶陷落发育程度的因素很多, 可分内因和外因两大部分。内因基本为岩石固有的特性, 即岩石成分、结构特征、原生孔隙形态及分布特征, 以及岩层在宏观上的组合特征等。外因指岩石成岩以后的一切地质作用和条件, 如多序次地质构造活动的叠加, 次生孔隙的发生和发展, 易溶岩上覆地层的厚薄, 自然气候、海平面的升降、基准面、可溶岩层的暴露时间、地下水中具侵蚀性CO2和SO4-2的饱和度、矿山开采引起的地压水压变化及地下水运动条件等。上述各种因素相互作用, 互为因果, 控制岩溶的发育。

1.1 岩性条件

我国北方的岩溶, 在山西、山东、河北、河南、陕西等地, 奥陶系灰岩广泛发育, 石灰岩富水性导水性极强并有层控的特点。岩溶作用明显受地层岩性及结构的控制。北方岩溶主要发育于奥陶系、寒武系、震旦系碳酸盐岩中, 陷落柱仅在中奥陶统较为发育, 发育强度总的趋势是灰岩强于白云岩。据不完全统计, 北方237个溶洞分布各地层的多寡次序是O2>—C2>O1>Zj, 说明岩溶具有一定的层控性[6]。

中奥陶统的厚度和岩性在华北地区有较明显的南北差异, 从而影响岩溶发育、分布及含水性强弱等特征, 如图1所示[7]。在华北南部, 大致从豫西、平顶山至淮南一带, 中奥陶统厚度较薄, 岩性以白云岩为主, 不含石膏沉积, 岩溶不甚发育, 含水性一般较弱;在华北中部地区, 即渭北、山西、太行山以东及南侧、鲁中地区、燕山南侧、唐山一带等地, 则以古石膏的各类碳酸盐岩为岩溶发育、含水性强的重要层组;华北北部辽南一带, 中奥陶统主要为厚层纯质灰岩, 白云岩含量较少, 且不含石膏, 岩溶甚为发育, 含水性也较强。

奥陶系石灰岩主要为较纯的灰岩类和白云岩类岩石, 不纯碳酸盐岩类岩石仅有少量沉积。马家沟统石灰岩, 多数为陆表海地台潮间-潮下相环境, 沉积了3层巨厚的硬石膏, 岩石成分较纯, 厚度大, 约600 m, 分布稳定。上覆本溪组厚度较薄, 仅为30 m左右。当发生构造断裂时, 奥陶系灰岩与太原组薄层灰岩或山西组砂岩直接接触, 上、下含水层则可发生水力联系, 且含水层补给、泾流、排泄体系完整。这些区域的碳酸盐受到成岩后生作用的强烈改造, 具有孔隙度低、力学强度大的特点, 这些特点都直接影响到岩石的含水性和岩溶的发育程度。

1.2 构造条件

构造作用控制了岩溶发育区的分布和岩溶古地貌的总体格局。它不仅对其岩溶水动力单元的样式有控制作用, 而且对岩溶的发育与分布规律也具有区域性影响[8]。构造期的变动, 直接影响着岩溶地块的升降, 关系到排泄基面的水头差, 可形成不同高程的岩溶分带, 决定着岩溶的发育程度, 如华北地台构造地理图。

1.2.1 加里东运动

在奥陶纪末至中石炭纪初这段一亿多年的历史时期中, 整个华北基本上处于海平面以上, 使岩石遭受长期强烈的剥蚀溶蚀, 如图2 (a) , 当时地表一定深度产生了溶洞及溶痕, 并为风化残余矿物充填, 如山西式铁矿和G层铝土矿呈鸡窝状分布就是岩溶作用的佐证。中石炭纪初, 地壳开始下降接受沉积, 从而结束此期岩溶化作用。

1.2.2 华西、印支运动

中石炭世至晚三叠世, 本区处于滨浅海至内陆盆地的沉积时期, 早侏罗世开始逐渐上升, 处于鄂尔多斯盆地边缘, 至早白垩世晚期, 才出露海平面以上成为高地。自早白垩世起至早第三纪这段时期, 也是一个古岩溶作用与侵蚀强烈的时期, 中石炭统至下侏罗统或至下白垩统主要是非碳酸岩为主的盖层沉积于寒武系、奥陶系碳酸岩地层之上, 所以自早白垩世至晚第三纪早期这段时间, 主要先产生浅部侵蚀作用, 随着构造不断上升及褶皱断裂的发生, 也相应地使后期岩溶作用得以加强, 如图2 (b) 。

1.2.3 燕山、喜山运动

自侏罗纪到第三纪以来, 本区的构造发育进人了新的阶段。第三纪地壳上升, 大致经历3个剥蚀期, 在地下水循环的条件下, 硬石膏水化, 体积膨胀67%, 形成含水石膏。含水石膏进一步被地下水溶蚀, 顶板垮落, 形成角砾状灰岩和角砾状泥灰岩, 同时使得上覆石灰岩层产生了导水性极强的大量岩溶裂隙, 如图2 (c) 。

统观岩溶陷落柱的形成过程, 自加里东阶段华北地台陆表海以来, 经华西、印支运动改造, 海相沉积分布的范围越来越小, 到喜马拉雅阶段残留有内陆盆地。在加里东和燕山期时, 区域盆岭系统还没有形成, 虽然碳酸盐已经过剥蚀, 但岩溶作用均发生于灰岩层的包气带, 并没有大规模的溶蚀。直到第三纪上新世之后, 随着构造造山运动的进行, 潜水面随着盆岭演化逐步下移, 并出现地下水位的往复震荡, 岩溶作用逐步加剧, 时间持久, 为陷落柱最终形成的关键时期。从图3中也能看到构造运动对O2灰岩厚度的控制作用, 在以山东济南为中心的近海区赋水时间相对于太原地区以西要长很多, 灰岩厚度逐渐变薄的过程, 也间接的说明了海水从华北地台东部缓慢退出的事实。

2 发育规律

岩溶陷落柱主要分布在中奥陶统沉积较厚的碳酸盐地区, 在马家沟组灰岩中尤其发育。根据开采已证实的岩溶陷落柱密集分布地区与有文献资料记载的华北奥陶纪灰岩岩溶发育区[2,9], 并结合图3不难发现, 岩溶陷落柱的形成和发育不仅与岩性有关, 而且与该区域的地下水水头差有密切关系。在灰岩和地下水水位差异较大的地区, 岩溶陷落柱也相当发育。这一方面是因为构造运动使该区域地形发生变化, 使原发育于侵蚀基准面的岩溶被抬升, 溶洞裂隙逐渐扩大加深, 从而形成更大的溶洞或陷落柱。在太行山西坡, 南起晋城, 北到阳泉, 岩溶发育受构造影响强烈, 主要是造山运动使碳酸岩裂隙发育, 相对大的地势差使地下水循环十分活跃, 地表水向下渗漏, 通过深部奥陶系石灰岩以泉的方式向华北平原排泄, 由此在太行山一带便形成数目可观的溶洞陷落柱。另一方面是前期发育的溶洞沟通了上覆太原组灰岩含水层或上段砂岩含水层, 使原有处于平衡位的地下水位出现梯度差, 促使地下水径流增强, 溶蚀作用加剧, 在区域的构造控制下形成地下水集中径流的岩溶陷落柱子径流系统, 它搬运可溶物质, 溶洞沿裂隙或断层向外不断溶蚀扩张。地下水的水头差越大, 岩溶陷落柱发育的数目也越多, 单体的规模也较大。在淄博和枣庄矿区, 区内多为断裂构造, 地下水头与灰岩水位高差大于100, 多是由垂向的断裂构造疏通上下含水层, 加强了含水层之间的水力联系, 使碳酸盐可溶岩层搬运带走, 留下的空洞便形成了陷落柱。在山西的汾河沿岸, 地下水水位与灰岩水位相差100～150左右, 岩溶水相当丰富, 高水头优势使岩溶水得到很好的排泄而加速了岩溶的发育, 因此, 霍西煤田的岩溶陷落柱也十分发育[2]。

因此在利用岩性条件和构造条件的基础上, 重点找到岩溶陷落柱的重点靶区, 根据对地下水位和灰岩含水性的监测, 进而对岩溶发育进行预报, 为煤矿安全生产提供情报。

摘要：岩溶陷落柱在华北煤田中广泛分布, 严重影响矿井的设计和生产。为了探明岩溶塌陷发育的控制因素, 根据前人研究成果, 总结了华北岩溶陷落柱发育的岩性条件和构造条件, 并在此基础上提出华北地区岩溶塌陷构造多发育于岩溶水与地下水水位差较大的地区这一规律, 可作为今后岩溶陷落识别方面的有效分析手段。

关键词：华北,岩溶陷落,水位差

参考文献

[1]钱学溥.山西高原喀斯特发育特征[J].水文地质工程地质, 1960 (3) :19-23

[2]王锐.论华北地区岩溶陷落柱的形成[J].水文地质工程地质, 1982, 9 (1) :37-41

[3]康彦仁.论岩溶塌陷形成的致塌模式[J].水文地质工程地质, 1992, 19 (4) :32-33

[4]徐卫国, 赵桂荣.华北煤矿区岩溶陷落柱的形成机理及突水的探讨[J].水文地质工程地质, 1990 (6) :41-43

[5]陈尚平.河北峰峰地区岩溶陷落柱成因探讨[J].中国岩溶, 1993 (12) :233-243

[6]李振栓.中国北方喀斯特水源地勘探方法研究[M].北京:煤炭工业出版社, 2000

[7]赵铁锤.华北地区奥灰水综合防止技术[M].北京:煤炭工业出版社, 2006

[8]赵永刚.奥陶系碳酸盐岩古岩溶及其储层研究[D].西安:西南石油大学, 2006

河南朱庄岩溶塌陷形成机制分析 第7篇

2014年以来, 河南省桐柏县朱庄镇朱庄村多次发生地面塌陷, 主要威胁群众、民居、普通公路、高速公路、耕地等。为保护人民财产, 当地政府高度重视此事件, 委托地质部门对塌陷地点开展调查, 查明地面塌陷形成条件、结构、空间几何特征及规模, 分析塌陷形成机制;圈定可能发生塌陷的区段, 对其发展变化趋势进行预测;对地面塌陷区进行稳定性分区与评价;并提出地面塌陷防治建议。

1 地质环境背景

塌陷区属丘陵地貌, 地势较为平缓, 为波状起伏的丘陵岗地地带, 地势呈西南高东北低。海拔高程+160~+250m, 相对高差约90m, 山坡坡度较缓, 一般15~25°。

1.1 地层岩性

出露地层主要为下古生界歪头山组 (Pz1w) 第四至第七岩性段及零星分布的新生界第四系 (Q) 。受朱庄背斜影响, 地层走向60~70度, 倾角30~40度, 各岩性段呈整合接触。

1.2 岩浆岩

仅见煌斑岩脉和石英脉。前者走向多为北东东向, 倾向北北西, 基本顺层贯入, 石英脉以脉状沿裂隙充填于石英片岩和大理岩中。

1.3 构造

塌陷区域构造较复杂, 构造线方向单一, 以北西西向的线型褶皱和与其并列的压性-压扭性断裂挤压带为主。

1.4 水文地质条件

地下水类型主要为基岩裂隙水, 部分大理岩分布区存在碳酸盐岩类裂隙岩溶水。

1.5 工程地质条件

依据区内地质地貌条件, 岩土体特征, 将岩土体划分为3个工程地质岩组。分别是:坚硬中厚层状片岩组 (Bs) 、较坚硬厚层状碳酸盐岩组 (Tc) 、粉质粘土、粉土、细砂多层土体 (NT) 。

2 岩溶发育特征

2.1 大理岩分布形态

区内发育一条隐伏的大理岩透镜体, 受朱庄背斜影响其展布方向发生弯曲, 在背斜右翼呈北东向展布, 左翼呈南东向展布, 大理岩透镜体的分布是控制地面塌陷发育的重要因素, 该层位溶洞和溶蚀裂隙普遍较发育。

2.2 岩溶的形态特征及发育程度

岩溶的形成特征主要有溶洞、溶蚀裂隙和溶孔等。岩溶发育程度分两个区:岩溶强发育区和岩溶中等发育区。

岩溶强发育区在空间上呈东窄西宽的条带状展布, 与大理岩透镜体走向一致, 岩溶中等发育区为大理岩分布区除去岩溶强发育区以外的区域。

2.4 岩溶的空间分布特征及发育规律

岩溶的分布特征和发育规律分别与可溶岩的隐伏形态、埋深、可溶岩的厚度和距可溶岩顶板的距离有关。

区内隐伏的大理岩呈条带状展布, 揭露溶洞的钻孔均位于隐伏的大理岩条带上。岩溶的发育程度跟地貌有较大的关系, 在地势低洼常年积水的区域, 岩溶发育较强烈。

2.5 区内岩溶发育的有关因素

据区域地质背景和区内的地形地貌、地层岩性、构造等条件, 分析影响本区岩溶发育的因素有以下三个条件, 岩性特征对岩溶发育的影响、水的溶蚀性和循环交替条件对岩溶发育的影响、构造条件对岩溶发育的影响。

3 岩溶塌陷形成机制分析

岩溶塌陷是受多种因素影响和作用的结果, 岩溶洞隙、上覆松散盖层岩土体和动力条件 (主要指地下水的活动) , 是产生岩溶塌陷的三个基本条件。地面塌陷的形成, 是由地层岩性与构造 (岩溶洞隙+上覆松散盖层) 、气象与水文、人类工程活动 (动力条件) 等综合因素作用下发生的, 成因分析如下。

区内隐伏一条走向60°, 宽90~285m的大理岩透镜体, 据钻探及物探资料, 大理岩透镜体岩溶洞隙非常发育。上覆第四系松散盖层厚度在0.6~15.5m之间, 岩性以粉质粘土、粉质粘土夹碎石为主, 结构松散, 孔隙裂隙发育, 地表入渗能力强。加之勘查区位于朱庄背斜轴部, 断裂构造发育, 岩石破碎, 节理裂隙发育, 使岩体的力学性能及土体的强度降低。综上所述, 地层岩性与构造为区内塌陷的形成具备了基础先决条件。

周边矿山多年的疏干排水, 致使区内岩溶地下水水位下降, 不仅使地下水对上覆盖层土体的支撑力减小, 而且随着岩溶地下水位的下降, 使其与上部水体的联系加强, 在岩溶洞隙附近形成渗流场, 加快了水流速度, 使得盖层土体及坍塌土体被水冲刷和携带走的速度和体积量也随之增大, 土体破坏的时间变短, 加速了塌陷的形成和发展。当矿山停止抽排水时, 岩溶地下水水位急速上升, 岩溶空腔中的气体在封存条件下被压缩呈压缩气团, 对盖层土体产生冲击, 促进塌陷的产生。

近年来, 气象条件极不稳定, 极端天气增多, 长时间的干旱与连续的强降雨天气交替。干旱时, 由于地表水水位的降低且要补给赵庄水库, 促使了地下水的流动, 从而形成了地下水的潜蚀渗透作用, 同时伴随失托加荷作用, 进而引起真空负压作用的形成, 这一连续的发展, 使得上覆盖层土体不断加剧破坏, 促使地面塌陷的形成。当连续的强降雨天气时, 使上覆盖层土体饱和、软化增荷, 从而加速失稳, 同时, 地表水与赵庄水库不断补给岩溶地下水, 加大岩溶地下水径流量。水位上升, 引起水动力条件改变, 水力坡度与流速加大, 从而带走溶洞中的充填物质, 并对上覆盖层土体产生超饱和及掏空作用, 致使土体失稳, 导致地面开裂、下沉、塌陷。

在上述过程孕育发展的同时, 区内频繁的拉运矿石等人类工程活动也起到了一定的诱发作用。车辆产生的振动力及加载效应不仅增加了土体的附加应力而且破坏了土体的稳定性, 促进了塌陷的产生。

综上所述, 朱庄岩溶地面塌陷形成的主要原因为矿山多年的疏干排水造成地下水位的下降, 并促进了岩溶的发育形成溶洞, 降雨及地表水的渗流带走了第四系与溶洞接触部位的土体在地表形成了塌陷坑。朱庄地面塌陷是以自然因素 (地层构造+气象+水文基础条件综合作用演化) 和人类工程活动 (矿山疏干排水+车辆振动加载) 等综合因素影响而引发的地面塌陷灾害。

4 结束语

区内地面塌陷产生的主要成因是:以自然 (基础条件地层+气象+水文) 塌陷为主, 人类工程活动次之而导致的地面塌陷灾害发生。即第四系松散层下伏大理岩溶洞-裂隙-破碎带较发育和降水-水位变化 (潜蚀-运移-掏空-自重增荷-力学变化-下落塌陷) 及人类工程活动长期综合作用之结果。

参考文献

[1]中华人民共和国国土资源部.DZ/T 0223-2011矿山地质环境保护与恢复治理方案编制规范[S].2011, 7.

[2]刘传正, 等.地质灾害勘查指南[M].北京:地质出版社, 2002.

唐山市北部山区岩溶塌陷机制初探 第8篇

对华北岩溶塌陷灾害的研究,过去大多集中在平原区的城市,而对山区的研究还不多见。自2000年以来,唐山市区西北的低山丘陵区,岩溶塌陷发生频度却呈逐年加剧的趋势,在勘查过程中发现,其发生条件和分布特征,与唐山市区相比有不完全相同之处。因此,本文以遵化刘备寨村岩溶塌陷为例,对低山区塌陷灾害特点进行分析,总结其成灾规律,为研究低山丘陵区岩溶塌陷地质灾害提供范例,有效预防同类地区塌陷灾害的发生,确保当地居民的生命财产安全。

1 岩溶塌陷区概况

唐山西北山区属温带大陆性季风气候,多年平均降水量729.7mm。降雨多集中在6～8月份,且多为暴雨,最大日降水量211.2mm。

唐山西北部低山区的岩溶塌陷,以遵化刘备寨村最为严重。该村距唐山市约60km,地处燕山南麓遵化盆地南部的丘陵地带,地势总体为东北高西南低,村北为基岩裸露的低山,最高海拔标高160.0m;盆地平均海拔25.0～40.0m;—条近东西向季节性溪流自东向西穿过(见图1)。

村庄主要建在冲洪积、洪坡积成因的第四系覆盖层之上,面积约1.2km2。第四系岩性主要为粉质黏土、黏土夹粗砂砾石层,垂直裂隙发育,厚度自村北部的基岩裸露区逐渐过渡至中部的60.0～70.0m,向南又缓慢变薄。盆地周围和下伏基岩地层为中元古界蓟县系雾迷山组(Jxw),呈单斜式产出,岩层倾向南东,倾角37°～68°,岩性为燧石条带灰质白云岩、含砂泥质白云岩及碎屑灰质白云岩。区内有顺层产出的七条层间滑动正断层(F6、F7两条出露、F1～F5为5条隐伏断层)。基岩中风化溶蚀孔隙、裂隙多沿层间构造破碎带发育,连通性好,导水性强。其上发育的棕红色黏土层为弱透水层,黏土层厚度多在0.2～6.0m之间,分布不均匀,有大量“天窗存在”,且村内机井多开采岩溶水而未对第四系作封水处理,故本区第四系孔隙水和岩溶水为统一的混合水位,二者间不形成水头差,这与唐山市区岩溶塌陷区不同[1]。

本区属地下水径流补给区,降水形成的地表径流顺地形汇入村中沟谷,一直流到村西,同时下渗补给地下水。1994年区内平均水位埋深4.0～6.0m,个别井口标高较低的水井形成自流。1994年以后由于连年干旱少雨,以及农业、养殖业的发展,地下水开采量逐年增加。到2002年,平均水位埋深下降了约10m,特别是在村东果园地区,由于频繁抽取地下水形成一个小型地下水位降落漏斗。

2 岩溶塌陷分布特征

1—蓟县雾迷山组白云岩;2—第四系;3—冲沟陡坎边界线;4-等水位线;5—等高线;6—断层及编号;7—高程点;8—基岩与第四系分界线;9-物探解译土洞;10—塌陷点

刘备寨村自2000年6月开始发现地面塌陷及地裂缝现象,初期规模较小,零星出现在村东耕地中。以后每年又有塌陷接连发生,近5年内,该村1.2 km2的第四系覆盖区内,先后发生地面塌陷14处(见图1)。岩溶塌陷主要发生在村东部,塌陷平面形态基本为圆形或椭圆形,塌坑直径规模1.0～7.0m不等,一般小于5m。其中,椭圆形5个,占35.7%;近圆形9个,占64.3%。

通过综合物探及工程地质钻探等多种勘查手段探测,共发现本区覆盖层中的潜蚀扰动点及土洞22处,其中有4处与已知塌陷点(1#、2#、3#、4#)重合。从调查中发现,本区土洞及塌陷点有如下特点:

2.1 塌陷分布密度大、发展速度快

塌陷主要发生在村东不足1km2的范围内,沿村东布置的物探线上,均有土洞查出,土洞分布间距小,密度大。查明的土洞(第四系扰动点)顶部埋深一般小于20m,31%的点埋深小于10m,大部分土洞已自基岩面向上扩展至盖层中部或顶部。本区从1995年开始集中抽取岩溶水,水位自此开始大幅下降,2000年开始形成塌陷,其发展时间一般在6年左右,发展速度较快。

2.2 不存在稳定的盖层厚度

根据塌陷平衡理论,一般岩溶塌陷区应存在一个稳定的盖层厚度,在唐山市区,塌陷区盖层厚度多小于50m[2],以30～50m最为发育。而在本区,不同盖层厚度处均有塌陷发生,其中3处(1#、2#、14#)分布于山麓边缘的基岩浅埋区,第四系盖层厚度小于20m,占塌陷点的21.4%;6处(3#～8#)出现在村东果园内,第四系厚度25～70m不等,占塌陷点42.8%;5处(9#～3#)位于地下水集中入渗强度大的沟边及断层附近,盖层厚度约50 m左右,占塌陷点的35.8%。(见图2)

在盖层厚度较大的盆地中部区域,塌陷形态多为圆形,塌坑直径相对较小,盆地边缘塌坑形态多为椭圆形,直径相对大些。

2.3 塌陷分布受构造断层控制

已发生的14个塌陷点中,多沿层间正断层两侧分布,第四系土洞及埋藏溶洞也多受断层控制。这些沿层面发育的正断层既是岩溶易发育带,也是岩溶地下水的强迳流带。工程地质钻探揭示,在断层带岩石破碎,岩溶裂隙较发育,其上覆第四系盖层中,由于地下水渗流潜蚀作用强烈,粗砂砾石层中,混有大量黏粒、粉粒,粉土层密实程度较低,形成侵蚀扰动带,反映了岩溶沿断层发育的空间分布特征。

1—第四系粉质黏土;2—基岩上覆红黏土层;3—雾迷山白云岩;4—隐伏土洞及编号;5—隐伏溶洞及编号;6—塌陷点及编号;7—水位线;8—正断层及编号

2.4 多分布在村东岩溶水集中开采区

村东为果树种植区,每年旱季地下水开采量大,集中抽水已在村东地区形成一局部地下水位下降漏斗,据本次调查,枯水期漏斗中心平均水位标高较周围低近6m,刘备寨村的岩溶塌陷基本分布在这一漏斗影响范围之内。土洞也沿这一地区密集分布。

2.5 塌陷多发生在枯水期末与雨季初的6～7月份

区内塌陷多发生每年的枯水末期与雨季初的交替时期,以2004年6～7月份塌陷发生最为严重。塌陷发生后,村中两个较大的地表水坑内储存的雨水,在短时间内渗漏一空。

3 岩溶塌陷的成因分析

岩溶塌陷的形成必须具备三个条件[3]:一是具有开口的岩溶形态,如溶洞、大的溶蚀裂隙等,它不仅使上覆的盖层失去支撑,同时也是地下水及塌陷物质的储存与运输通道。二是一定厚度的松散沉积覆盖层;三是地下水的活动。

如前所述,研究区具备岩溶塌陷形成的地层、岩性、构造、覆盖层条件。但直至90年代中后期,地下水的集中开采改变了地下水动力条件,岩溶塌陷才逐步发生。可见,地下水动力条件的不断变化诱发了本区岩溶塌陷的发生。其具体作用过程分析如下:

3.1 抽取岩溶水首先诱发土洞的形成

地下水流速和水力梯度的增大形成机械潜蚀作用,是造成岩溶塌陷主要原因[4]。

地下水对土体的机械潜蚀作用需要一定的水力梯度,根据本区基岩上覆红黏土层的物理力学参数,可判断本区基岩上覆黏性土层产生机械潜蚀作用的临界水力梯度值应在0.8-1.3之间,而通常情况下本区第四系孔隙水与岩溶水为统一的混合水位,二者之间不形成水头差,所以,研究区内大量土洞必在地下水位大幅变化即在抽取岩溶水时才能产生。

当人工抽排岩溶水时,岩溶水水位下降,抽水井周围过水断面较小,流速大,因而开采井周围地下水流速大大超过土洞产生的临界值[3];同时,由于岩溶水水位下降快,而上覆土层的渗透性比岩溶含水层要小得多,其水位下降速度也要慢得多,在井周围的第四系和岩溶水之间产生水位差,地下水在较大水为梯度作用下,会对岩溶洞(孔)隙的松散充填物和覆盖层产生潜蚀、冲刷和淘空作用,在开口岩溶上方形成土洞。所以抽取岩溶地下水,是本区大量土洞形成的主要原因之一,也是本区岩溶塌陷发生的起始因素。

这与本区塌陷及土洞多分布在村东岩溶水集中开采区的勘查结果是一致的。

3.2 反复抽取岩溶水导致塌陷的产生

土洞的形成,改变了土层中的原始应力状态,引起洞顶的坍落直至平衡拱的形成[5]。

而在反复抽水情况下,地下水位频繁升降,地下土颗粒反复冲刷、潜蚀,土洞开始向上扩展,其扩展速度与抽水降深、水力梯度呈正比[6]。离抽水井越近,水力梯度值越大,抽水时间越长,水位降深加大,因此,在反复抽水情况下,土洞在抽水井周围迅速向上扩展。当土层较薄时,土洞直达到地表,形成地表塌陷;当土层厚度较大时,可以暂时形成天然平衡拱隐伏于地下,但只要抽水不停止,土洞最终会达地表形成塌陷。

区内土洞及塌陷多发生在村东集中抽水的降落漏斗内,塌陷发生时间多在集中抽水后,在集中抽水区内塌陷无论第四系盖层厚度大小,均有塌陷产生,此特点与抽水引发的岩溶塌陷的规律一致。由此可推断,村东果园处岩溶塌陷的发生过程:主要是抽水产生土洞,集中持续抽水导致土洞快速发展至地面,从而导致这一区域地面塌陷的发生。

3.3 降雨直接导致基岩浅埋区及沟谷处塌陷的产生

降水对地面岩溶塌陷作用最强烈的区域应在山间盆地边缘及降雨集中入渗处。当抽水在基岩浅埋区形成土洞后,随着地下水位的不断下降(降幅在10m左右),土洞已位于地下水水位之上(见图2),抽水不再对土洞的发展造成影响。而此区基岩浅埋区仍有塌陷发生,这多与降雨有关。

(1)降雨形成的反向渗透潜蚀作用

区内第四系沉积区与周围基岩裸露区的高差达100m。由于基岩较破碎,层间滑动正断层多,溶蚀孔(裂)隙多,连通性好,导水性强。当山区暴雨来临,雨水沿岩溶裂(孔)隙向下汇流,形成具有一定水头的岩溶裂隙水,这样降雨形成的暂时性承压岩溶水,在基岩与第四系交汇面处的开口岩溶处(或断层与第四系交接处),形成向上的反向水头差,其作用形式类似于坝基渗漏问题(见图3)。

在盆地边缘潜水面以上地区,岩溶裂隙如具高水头的渗水管,直接对位于其上覆第四系盖层产生冲刷作用;在潜水水位以下,在较大水力梯度作用下,则会发生潜蚀作用。从盆地中心至边缘部位,渗流途径越短,水力梯度越大,反向渗透潜蚀作用的影响越强。

(2)降雨形成的正向渗透潜蚀作用

由于第四系盖层与周围山地存在较大高差,雨水沿陡倾斜坡向下汇流,形成具有较大动能的地表水流,因此,在雨水集中下渗的地方,如盖层较薄的边缘或冲沟处,下渗雨水对渗流通道内的土体产生较强的渗透潜蚀作用。且渗透强度盆地边缘及沟坎等处大于盖层厚度大的中心部位。

(3)降雨形成的冲压作用

降雨初,当岩溶地下水位上升时,地表也因降雨形成暂时积水,封闭较好的岩溶洞隙空间的气体受压形成高压气团,对其周围的岩土体产生正压作用,当盖层较薄时,可冲破盖层土体,造成塌陷。

(4)反复动荷载形成的散解作用

降雨初,岩溶水水位首先上涨,形成反向渗透潜蚀作用;随着地表积水的入渗,又形成正向渗透作用。在正反渗透力的作用下,土体发生散解。同时,抽排地下水和降雨补给地下水,使水位的波动,恰好影响到基岩顶板和土洞的顶板(见图2),岩溶洞隙上覆盖层土体在频繁脱水、吸水的干湿交替状态下,土体强度被破坏,并发生崩解和剥落[7]。土洞在降雨影响下迅速发展直至地面,从而形成岩溶塌陷。

此外,降雨形成的静水增荷效应,盖层厚度越小,其重量增加的相对值也越大,其影响也较盖层厚度较大处要大。

2004年7月12日于暴雨后区内发生最大规模的一次塌陷,形成1#、2#塌陷坑,11#、12#、13#和14#等分布在山区与第四系交接部位和季节性水沟边缘的塌陷,发生时间也都在雨后不久,因此,可以推断在盖层较薄的基岩与第四系交接地段及沟渠等汇水量大的地段,塌陷与降雨有直接关系。

4 结论

(1)基岩山区具有岩溶塌陷形成的良好地层、岩性、构造、地势条件,一旦水动力条件改变,极易发生岩溶塌陷。在山间小型盆地内,岩溶塌陷灾害具有高频度、高密度和高速度的发展特点,如不加以控制,整个村庄可能不得不搬迁。

(2)地下岩溶水的超采改变了地下水动力条件,引发大量土洞的形成,是诱发本区岩溶塌陷的根本因素。

(3)土洞形成后,不同盖层厚度处塌陷机制不同。在第四系厚度较大的中间地段,集中超强度抽取地下岩溶水是塌陷的主要原因。在第四系厚度较薄的盆地两侧以及沟谷等处,降雨是诱发岩溶塌陷的直接因素。降雨形成的反向渗透潜蚀和冲压作用是山区岩溶塌陷特有的动力源。

(4)抽水集中区不存在稳定的盖层厚度,因此,区内不同盖层厚度处均有塌陷发生。

根据本区岩溶塌陷特点,为防止此类灾害频繁发生,应重点采取以下措施:一是控制深井岩溶水的开采,避免水位在较短时间内快速下降。二是对村内低洼处的沟渠河道、集水坑、露天采场采坑以及已发现的地表水渗漏点采取排水防渗措施,进行防渗封堵处理,避免地表水急剧集中渗漏。

参考文献

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[5]刘传正．地质灾害勘查[M]．北京：地质出版社，2000．

[6]谢忠球，万志清，钱海涛．抽水引起岩溶区路基塌陷的机理分析及其控制[J]．公路，2006，(7)：25～29．

人为岩溶塌陷机理分析及防治措施 第9篇

岩溶地区地面的不稳定性已广为人知，在地表出露的漏斗、竖井、落水洞、洼地等，都是自然营力作用下地面塌陷的痕迹。它是一种缓慢的自然发展过程，称之为自然塌陷。而人为的抽排地下水则加剧了这一自然发展过程，使地表迅速产生大量塌陷，严重影响工农业生产、危及民房、铁路、公路及厂矿的安全。如贵州遵义、六盘水、安顺、兴义等地都有一些典型的例子，这种塌陷称为人为塌陷。由于人为塌陷的规模大，速度快，危害严重，已受到人们的高度重视。本文想通过一些典型岩溶塌陷案例的分析和讨论，提出防治措施，以之与同行们商商榷。

1 岩溶塌陷现象综述

贵州属岩溶山区，行政区域面积17.64km2，碳酸盐岩分布广泛，占全省面积的73%以上。主要集中分布于中上寒武统、中上泥盆统、上石炭统、下叠统及中下三叠统等地层中，岩性主要为灰岩和白云岩。这些可溶岩及其透水性，加上水的溶蚀性和流动性，构成了岩溶作用的基本条件。在岩溶作用下以坍陷、塌陷形成的岩溶地貌主要为漏斗、竖井、落水洞、洼地等。但这种岩溶地貌的形成经历了慢长的地史时期，随着时间的推移，在自然条件下，已趋于稳定，对人类产生的危害不大。

然而，随着人类工程活动的日益增强，主要表现为因工业、农业及人类生活需要大量开采地下水、矿山井巷排水、建筑基坑排水等，则加剧了这一自然发展过程，使地表迅速产生大量新的塌陷，又对工业、农业，基础设施及人类生活产生了严重影响，已引起了人们的广泛关注。以下为两个典型岩溶塌陷的情况：

(1）遵义金塘谷地中，先后成井7口，采煤窑一座。自七十年代开始抽取地下水以来，开采量约9100t/d，先后产生了严重的地面塌陷。据不完全统计，共形成塌点68个，最大者长28m，宽15.5m，深在10m以上。地面形态以椭园形为主。垂直形状以井状为主，少有锅状及

碟状。另外，于金塘南东面有一煤矿，排水量达30L/s，致使煤窑北面谷地大桥外出现长700m、宽500m的塌陷带，共形成塌点12个，垂直形状以井状为主。同时，在塌陷发生时伴有地裂产生，地表变形严重，见图1。

该处岩性为二叠系下统等口组灰岩（P1m）、二叠系下统栖霞组灰岩（P1q）和二叠系下统梁山组煤系地层，上部覆盖层为耕植土，黄色粘土，亚砂土等，厚度0.6～6.0m不等。

特别指出的是：ZK2号井抽水试验时，第一次抽水171小时，涌水量1300t/d，降深7m，未出现塌陷。第二次抽水122天涌水量2000t/d，降深15m。初始20小时便于工作于井口30m处出现塌陷，在前60天中塌陷剧增至33个，形成长650m，宽200m，呈椭圆状展布的塌陷带，塌坑大小不等，最大的长28m、宽15.5m、深10m以上。在抽水过程中，混蚀水体与清水交替出现，当水体突然混蚀时，随后便有塌陷产生。有的是混蚀及清水交替数次后方产生塌陷，但多具突发性。

(2）安顺胶泥坝谷地中，先后打水文孔3口，其中2口观测井，1口成井。CK10成井在抽水过程中，日开采量1350t/d，仅在3个月内，共发生塌陷15个。塌坑最大的长9m、宽6m、深5m。大者地面形态以椭圆形为主，小者为圆形和不规则形。岩性为三叠系下统安顺组上段白云岩（T1a1），覆盖层为耕植土、亚粘土、粘土等，厚度0.5～7m。值得注意的是：塌陷区北面及西面为F2压扭性断层和F5压性断层，CK10号成井北西方向的裂隙特别发育，且东西向发育强烈，南北向相对较弱。地下水迳流由东向西至F5断层后向南迳流。最初抽水时，仅在井口不远处产生2处塌陷，随着抽水时间增加，塌陷陆续发生，3个月内共发生塌陷15个，之后趋于稳定。塌坑椭圆形长轴方面呈东西向，说明塌陷受东西向裂隙控制。同时，在塌陷发生的同时，也伴随有地裂缝的产生，以东西向发育为主，南北向发育较弱并受东西向地裂缝限制，见图2、图3。

以上为遵义、安顺的两个因抽水、排水引起的地面塌陷典型例证，很具代表性。在贵阳、兴义、六盘水等地，也存在抽取地下水、矿山井巷排水，建筑基坑排水引起塌陷或地面下沉的例子，不再列举。

2 地面塌陷特征及分布规律

据调查，在岩溶发育地区的地面塌陷，都是由于开采地下水、矿山井巷排水和建筑基坑排水引起的。塌陷点一般均位于抽排水处的周围。且上游密度大，规模大，下游密度小而规模也相对较小。地面形态呈不规整椭圆形，长轴方向与地下水流向一致，与抽取地下水影响范围的形态也基本一致。形状主要为井状、锅状、碟状等，且受抽取地下水时水位降深变幅的控制，水位变幅大的地段，塌陷规模相对大，水位变幅小的地段，塌陷规模相对小。特别是水位总在覆盖层与基岩接触带间波动的地段塌陷最为强烈，经过对上述塌陷点的勘测，塌坑深度有很多都在接触带上。同时，地面塌陷时往往伴有地面开裂和地面沉降，地面变形严重。

根据塌陷产生的原因和分布规律，结合地下水埋藏深度及覆盖层的性质及分布情况，可将各抽、排水点周围塌陷区划分为强烈塌陷带和弱塌陷带两个工程地质区。

(1）强烈塌陷带

一般为抽水井的上游地区，其特征是：一、岩溶垂直裂隙发育，与覆盖层有很好的连通性。二、覆盖层厚度大多在0.5～5m之间，且土层中疏松带多且厚。三、地下水埋深较潜，多在土层之中，一般为0～1.5m。四、地下水正常高水位高于基岩面，常波动于基岩面上下。如遵义金塘ZK1、ZK2成井的西侧，煤窑的北部的为强烈塌陷带，塌陷占总数的90.01%。安顺胶泥坝CK10成井北部至西部的扇形地段为强烈塌陷带，塌陷点占总数的86.66%，并伴有地裂缝产生，地面变形较大。

(2）弱塌陷带

一般为抽水井的下游且距离较近的地区。其明显的特征是地下水位变幅明显不大，少有地下水位在基岩面上下波动，且不甚剧烈。如遵义金塘ZK、ZK2成井之东侧，距成井150m的范围内，塌点仅2个。安顺胶泥坝CK10成井南部至东部也只有塌2个。塌陷规模亦相对较小，伴随地裂的现象亦较弱

实际观察表明，上述两个塌陷带随着抽水强度的差异，其范围也有所差异。抽水强度加大，其塌陷范围也加大。而土层厚度及其结构上的差异，岩溶发育强度的不同，塌陷带的规模及密度也会有所不同。

3 地面塌陷的形成条件

地面塌陷形成的条件分为自然条件和人为作用两个方面。

3.1 自然条件

自然条件包括地质构造，岩溶发育程度，土层性质及结构等三个方面。

3.1.1 受地质构造的控制

塌陷受地质构造的控制十分明显。遵义金塘谷地基岩中东西向裂隙十分发育，而塌陷呈东西向展布，说明塌陷受东西向构造控制。而安顺胶泥坝北面及西面发育有F2压扭性断层和F5压性断裂。塌陷区内东西方向裂隙十分发育，而塌陷点也主要呈东西向展布，地裂缝也以东西向规模大，且南北向地裂受东西向地裂限制。表明了塌陷受地质构造控制的特征明显。

3.1.2 受岩溶发育程度的控制

从地貌形态上看，遵义金塘谷地和安顺胶泥坝谷地内，漏斗、竖井、落水洞，洼地等岩溶地貌均十分发育。通过钻探揭示，溶蚀裂隙及溶洞也十分发育。金塘线岩溶率最高达65.87%。胶泥坝线岩溶率最高达46.2%。这些早期形成的溶洞、溶隙、溶孔构成了地下水的运移空间。由于各种原因使地下水位发生升降（如雨季水位上升，枯季水位下降和人为抽水导致水位的升降等），必然对其充填的泥土产生潜蚀作用。同时地下水位在基岩面上下波动，使底部的土周期性吸水、脱水、松胀、剥落、并被地下水冲蚀掏空，形成土洞。当土洞逐步向上扩展，直至土层失稳而产生塌陷。由此可见，岩溶发育程度对塌陷的发生、发展起着控制作用。

3.1.3 受土层性质、结构及厚度的控制

金塘谷地中土层主要由亚砂土、亚粘土、粘土及含大量砾石，燧石碎块的亚砂土、亚粘土组成，一般厚度4～5m，溶槽中土层厚8～10m。土的结构在平面上呈不均匀性，概括为二种型式：

(1）耕植土—亚砂土（或亚粘土）—粘土—基岩，见图4。

(2）耕植土—粘土—亚粘土（或亚砂土）—基岩，见图5。

土层自上而下分别为硬塑状、可塑状土和软塑状土，且常含砾石、碎石等。灰岩中发育有与土层相通的溶洞或溶隙时，土层易被潜蚀作用破坏并逐步演变为塌陷。

胶泥坝塌陷区土层分为三层，上部为耕植土，厚0.5～1.3m。中部为粘土和白色胶泥厚2.0～5.8m，下部为黑色腐值土，厚0～0.8m。见图6。

腐植土结构疏松，力学强度极低，易被潜蚀搬运。白色胶泥具有很强的收缩性，在潮湿和干燥状态下，体积及其力学性质变化均很大。当地下水位反复波动于土层中时，膨胀及收缩崩解作用亦反复交替发生，土层极易被潜蚀和搬运，并逐步演变为塌陷。

土层厚度与塌陷的关系，表现为塌陷形状及形成塌陷所需时间上的控制。土层厚度较小时，塌陷发展速度快，垂直断面多为井状。土层厚度较大时，塌陷发展速度稍慢，垂直断面多为坛状。

3.2 人为作用

无论是开采地下水，矿山井巷排水，还是建筑基坑排水，都是使地下水位突然大幅降低，天然静水压力对土层的浮托力则随之大减，自重力增大。表现在疏干漏斗内近井处土层失去浮托力，远井处浮托力下降，加之水位的波动，土层受潜蚀作用破坏而发生塌陷。同时局部浅层溶洞或土洞中产生真空，引起负压吸蚀，致使土层发生垂直向下的陷落而发生塌陷。特别是加大抽水量时，水位降深加大，地下水流速增加，水力坡度加大，对土层的潜蚀、冲刷、搬运作用也加大。尤其是当人为抽取地下水时的方式是时抽时停，使地下水位时而下降致基岩之中，时而又上升至土层之中，而抽水量的强度不同，水量时大时小也会使地下水位频繁波动。这种不规律抽水，使地下水位的上、下波动频繁，使土的膨胀及收缩崩解作用增强，潜蚀频率加快，也加剧了塌陷的产生。因此，人为抽取地下水，特别是不规律地抽取地下水，是导致地面塌陷的外在动力。如金塘ZK2号井先以涌水量1300t/d抽水时，降深7m，未发生塌陷。而后改为2000t/d抽水时，降深15m，发生了地面塌陷。

通过以上分析，得出以下规律值总结：

(1）塌陷多分布于岩溶发育程度强烈的地段。早期形成的溶洞、溶隙、溶孔，构成地下水主要运移空间，是形成后期塌陷的主导因素。

(2）塌陷多分布于地下水埋深较浅地段。常年水位多在土层中，水位升降的频繁波动，尤以地下水位常摆动于土层与基岩接触带的地段塌陷强烈。

(3）塌陷多分布于第四系覆盖层较薄的地段，其厚度大小主要表现为对塌陷形状和形成塌陷所需时间的控制。

(4）针对抽水点而言，岩溶塌陷具有上游剧烈而下游相对较弱的特点。其形状为椭圆时，其长轴方向一般与地下水流动方向一致。

(5）塌陷的分布范围受地下水降落漏斗边界和隔水边界的控制。

(6）塌陷的分布受地质构造的控制，塌陷往往沿构造发育的方向形成。

4 地面塌陷的形成机理

根据上述分析，可以认为塌陷的产生是一个由原始平衡—外动力，破坏平衡—塌陷—建立新的平衡的复杂变化过程。岩溶的发育，覆盖层的存在及其岩性结构和厚度，地质构造（裂隙）发育等，是生产塌陷的内在因素。而过量抽排地下水，不规律第随意抽排地下水，由于改变了地下水运动状态及水动力条件，使地下水位频繁波动，是造成地面塌陷的外在因素。从塌陷形成的过程分析，可大致划分为雏形隐状土洞形成阶段，土洞扩展、增高阶段，土体失稳陷落、形成塌陷阶段。

(1）雏形隐伏土洞形成阶段

金塘及胶泥坝谷地中，在自然条件下，地下水位均在土层中波动，变幅不大，上覆土层受静水浮托力支撑的条件未发生改变，土层的自重力被抵消而保持自然平衡状态。

由于大量抽排地下水，导致水位突然快速下降，使地下水流速度加快，水力坡度加大，对溶洞、溶隙中充填土和基岩接触面土层的潜蚀、冲刷、搬运作用增强，土体自上而下发生拱形崩落，在土体内形成具有一定规模的潜蚀通道，即隐伏土洞形成。

(2）土洞扩展，增高阶段

当地下水位进一步下降，水力坡度、地下水流速均随之增强。此时，土层的静水浮托力消失或部分残留，土层自重力增加。据有关文献表明，土层厚度10m，水位自2m下降至10m时，土体自重力增加66.7%。在土层自重力增加、地下水潜蚀、冲刷、搬运等营力的综合作用下，雏形土洞进一步扩大，增高，直至处于极限平衡状态。在此阶段，不同结构的土层，产生的效应不尽相同。含大量砾石，碎石的亚粘土、亚砂土、砂土，土洞的扩大，增高主要受制于潜蚀作用。而不含砾石、碎石的亚粘土、粘土，土洞的扩大、增高，主要是卸荷张力与土层自重力共同作用的结果。

(3）土体失稳陷落，形成塌陷阶段

当土体处于极限平衡状态时，使土洞扩大，增高的营力组合发生了新的转化，潜蚀、冲刷、卸荷张力等都逐步转为次要因素，而土层的自重力随着水位下降逐步趋于最大值，在自重力的作用下，土层进一步陷落，一旦超过土层的极限抗塌力，便产生塌陷。

根据郭强总工对金塘上覆土层最大抗塌的计算表明：当硬质盖层厚1.5m时，最大抗塌力可达600kPa，会出现4m以上宽度的塌陷；当硬质盖层厚2m时，最大抗塌力可达3800kPa，应出现8m以上宽度的塌陷。而金塘谷地区内5m以下的井状塌陷占总数的58.8%。是因为该区硬质盖层具有较好的闭气性，当水位大幅下降时，已形成的洞穴产生真空引起负压吸蚀。因此，塌陷的产生，并不是独立的某种作用产生，而是潜蚀、卸荷张力、盖层土崩解、软化与失托增荷、自重力增加、真空负压吸蚀等综合作用的结果。

5 地面塌陷的防治措施

综上所述，过量和不规范的抽排地下水是造成地面塌陷的重要动力。因此，限制过量和不规律抽排地下水是防止地面塌陷的重要措施。然而供需矛盾突出，限制地下水开采虽然可以避免或缓解塌陷，但生活和生产用水则不能满足。地下水资源亦不能有效利用。为缓解这一矛盾，有以下措施可以商榷。

(1）在供需矛盾突出的情况下，人们应遵守自然法则。特别是水源点抽水影响范围内有大量建筑、市政设施和公共设施时，应严格限制开采地下水。否则，因过量抽取地下水造成地面塌陷或地面沉降的后果是非常严重的。

(2）为了防止对土层产生过大的干扰，在抽水初期，可利用止水阀有计划地控制出水量，待抽水稳定较长时间后，再逐级加大抽水量，且每级增量之间，都需有相当长的适应时间。以之防止地下水位产生突变，使土层得到一定的适应过程，达到削弱产生塌陷的水动力条件和缓解地面塌陷的目的。

(3）做到规范地抽取地下水。严禁时抽时停，严禁抽水量时大时小，从而控制地下水位急剧波动，降低地下水对土层的潜蚀、冲刷，搬运作用。在无特殊情况下，禁止停泵。

(4）当水质时混时清时，应及时调小抽水量。

(5）在地下水位理深浅，水量较大的岩溶地段进行建筑施工时，无论是基坑开挖，还是人工挖孔桩施工，应严禁过量疏干性基坑排水。有条件的可采取帷幕止水和坑底止水后再开挖，也可采取分段开挖措施。当地下水量水量较大时，宜采取机械成孔和水下浇注砼成桩措施。

摘要：本文通过对人为引起的岩溶塌陷特征的综合分析, 阐述了致塌的内外因素、形成条件及形成机理, 着重讨论了潜蚀、浮托力、自重力、卸荷张力、冲刷力、直空负压吸蚀等作用在塌陷中所起的作用, 提出了防治措施。

关键词：岩溶塌陷,形成条件,机理,防治措施

参考文献

[1]《贵州安顺市地下水资源评价与开发利用研究》贵州地质工程勘察院

[2]《贵州安顺市供水水文地质初勘报告》贵州地质工程勘察院

[3]《遵义金塘水源地水文地质勘查报告》贵州地矿遵义地质工程勘察院

[4]《供水水文地质手册》第三册, 地质出版社

[5]《左平怡1987论岩溶地石塌陷的形成过程与机理《中国岩溶》第六卷第一期

[6]《南京大学地质系1987《地下水动力学》地质出版社

岩溶塌陷治理 第10篇

关键词：岩溶地区,桩基工程,设计,施工,问题分析,质量控制

龙岩盆地地处龙岩中心城市规划区, 面积186平方公里, 地层为中石碳系至下二迭系石灰岩, 平均厚度300m, 赋存碳酸盐岩类溶洞裂隙承压水, 分布面积150平方公里, 其中裸露型岩溶区面积5平方公里, 大部隐伏地下, 覆盖型岩溶区面积约50平方公里, 分布于盆地中部, 主干流两侧河谷平原冲积I级阶地, 岩溶发育, 强岩溶发育带深度100米, 岩溶率平均19, 73%, 富水性强, 单井出水量可达1000—10000米3/日, 易产生塌陷;其余为埋藏型岩溶区分布于盆地四周低山及丘陵区, 面积约100平方公里, 岩溶不发育, 岩溶率0.5—5%, 单井出水量在几十至1000米3/日之间, 不易产生塌陷。盆地岩溶地下水具水量丰富、埋藏较浅、水质好、易开发等特点, 长期以来, 已被广泛开发利用, 在整个城市供水中占有重要地位, 成为城市居民生活与生产主要供水水源, 开采量逐年增加, 至今将近20万米3/日, 占允许开采资源70%左右。

覆盖型岩溶区, 地形低平, 岩溶发育, 上覆松散堆积成厚度较薄3—27米, 加上开采地下水, 因而往往容易产生地面塌陷等地质灾害, 成为人民生命财产的潜在威胁, 危险性大。

岩溶塌陷这一地质灾害, 早于1972年7月在市第二医院产生的, 至今37年, 由于大量开采地下水, 又在盆地北部、西北部、南部及中部, 先后在城区、苏溪、曹溪、大洋、小洋、西山条围、西安、北门、青草盂双路亭、铁山洋头、上东山、董邦等地多次发生地面塌陷、地裂及局部沉降等地质灾害, 共21处计28次, 其规模一般ΦO.8-8米, 而Φ9-15米计5处, 危及人民生命财产安全, 造成居民住宅、职工宿舍、医院礼堂等10处建筑物受到不同程度破坏, 工厂水塔、烟窗面临险境, 经济损失达几十万元。出现塌陷的现象显然是认识将来我区经济建设对这一隐患起了先导作用。近年来, 我市社会经济发展很快, 城区面貌发生根本的变化, 一座座高楼拔地而起, 实令人高兴, 但六层以上至几十层高楼建筑物越建越多, 也令人忧, 因为这些高层建筑物大部分座落在岩溶塌陷区, 应引起有关部门的关注, 防患于末然。

1 塌陷等分布规律

己发现的部分塌陷、地裂、沉降点 (见表1) , 塌陷平面几何形态多呈椭园形状, 均分布在覆盖型岩溶区。次外, 尚有市防疫站 (早期) 、实验小学附近、莲花山一处工地等也产生过地面塌陷。其发生塌陷的规律与形成条件主要是:

(1) 分布于岩溶强烈发育带, 岩溶率10-40%, 溶洞高2-30m, 尤其是开口型溶洞地段;岩溶率小于5%的地段则不易产生。 (2) 第四系松散堆积层直接覆盖于灰岩 (或溶洞) 之上, 厚度小于20m地段;在盆地边缘地带, 第四系岩性以粘性土为主, 厚度大于30m地段则不易产生。 (3) 盆地中部平原区河流两侧, 地下水排拽区, 地形低洼地段, 沿背斜轴部和断层破碎带附近, 易产生塌陷, 塌陷多沿构造线展布。 (4) 开采井附近, 抽水影响半径范围内, 并在连续抽水降深值较大时发生, 尤以第四系地层与灰岩接触面时易产生。

2 塌陷的主要成因

产生塌陷原因是:地质环境是前提, 人为因素是直接原因。根据塌陷区分布规律及形成的条件, 其成因主要有: (1) 动力条件:是影响塌陷产生的主要原因, 因人工抽水开采地下水, 改变地下水动力条件, 打破平衡。因抽水水力坡度增大, 产生潜蚀作用, 塌陷前通常水井出现浑浊, 水中含泥砂增加, 降低上覆地层的支承力。 (2) 岩溶发育是塌陷的前提, 溶洞可为上部第四系砂土、砂砾卵石提供运移、储存的场所。 (3) 土体条件:是影响塌陷又一原因, 第四系松散堆积层, 质地松散, 厚度较薄小于20m, 为塌陷创造条件。

3 防治对策

(1) 发现塌陷等应及时采取措施, 妥善处理, 控制其扩大。一般采用填、固、灌等方法, 打桩加固基础, 水泥回灌注浆, 水位以下用块石回填, 水位以上用粘土回填夯实, 并高出地面, 防止地表水流入。 (2) 建筑物应避开重度塌陷区。建议有关部门对高层建筑物应合理规划, 经论证加以评估, 在覆盖型岩溶区, 应充分考虑塌陷、地裂、沉降等地质灾害, 一般不宜建高层建筑物, 而应把建筑物工程设施选址, 重点放在盆地边缘或埋藏型岩溶区。 (3) 有计划合理开发利用地下水, 调整补给与开采的关系, 控制地下水降落漏斗的形成。塌陷形成是由于开采地下水引起而发生的, 随着地下水开采强度的增加, 水位降落漏斗的扩大, 势必较大范围内发生塌陷, 为此, 应防止井群过密, 控制开采量。 (4) 建筑物的基础处理。高层建筑主要特点:高度大、刚度大、垂直负荷大, 基础深, 通常具多层结构, 复杂多变, 稳定性要求严格。因此, 建筑物场地, 必须处理好地基与建筑物协调作用问题, 查明岩土工程问题, 即松散层岩性、厚度变化、物理力学性质及下伏岩溶发育程度, 选好持力层, 并采取桩基、灌浆、旋喷等工程措施, 加强基础整体联结和稳定性, 以提高抗沉陷能力。如基础条件不理想, 条件差, 应降低建筑物高度或另选场地, 否则, 需采取大量工程措施, 造成人力、物力、财力浪费。 (5) 采取趋势推断分析法进行趋势预测在覆盖型岩溶区的高建筑物工程选址时, 可用公式, 渗透系数、降深等参数计算开采井影响半径, 顶测可能出现塌陷带, 在影响半径范围内为重点防患区。 (6) 在成井工艺上下功夫, 应避开和和远离供水塬地 (厂) , 在距建筑物200m范围不应有开采井。不采浅部含水层地下水, 把浅层溶洞、岩溶裂隙加以隔离, 并做好止水工作, 而取较深部的地下水, 实践证明是有效的。

总之, 岩溶地区工程受影响的因素很多, 要确保工程的质量, 必须认真研究岩溶地区域的地质条件, 根据溶洞位置、大小、填充物情况、岩溶上覆盖图的物理力学性能情况, 从设计到施工进行全过程监控, 发现问题及时分析, 及时解决, 只有这样方能消除质量隐患。另外, 应不断完善岩溶地质条件勘察和桩基检测手段, 以科学为依据, 避免因勘察、桩基检测误判或错判而带来不必要的经济损失。

参考文献

[1]蒋红斌, 张昌定, 李皓.石灰岩溶洞地区桩基工程检测成果分析[J].工程质量, 2000 (03) .

[2]夏林, 李志荣.岩溶地区钻孔灌注桩的设计与施工方案研究[J].武汉工业大学学报, 2000 (01) .