地面塌陷变形（精选7篇）
地面塌陷变形 篇1
地面塌陷是指地表岩石或土层由于地下矿物质被采空或溶洞的继续发展或环境条件的改变而引起地表的下陷或塌落[1]，对其进行预警与监测具有重要意义。虽然目前对地面塌陷的测量研究方法有很多[2]，但大部分都存在“测处未塌、测时未塌;塌处未测、塌时未测”的缺陷[3]，所以需要具有分布式、可用于持续监测、远程控制、准确确定地面塌陷变形位置的方法，目前满足这种要求的测量方法有基于同轴电缆的TDR技术和基于光纤的传感技术(如BOTDR、BOTDA、OTDR)[4]，但这两种测量方法也有各自的缺点。其中同轴电缆分布式测量技术当前主要用于边坡的地下位移分布测量的研究，但其具有优异分布式变形测量特性的同时也存在不足:首先，同轴电缆受其中心电铜线结构限制，其变形量相对于地质灾害测量中的变形情况是非常有限的;其次，同轴电缆的变形只限于电缆横断面的剪切变形，无法用于地表拉伸、塌陷或凸起等变形的分布式测量。其中基于光纤的传感技术的可靠性与稳定性在建筑工程检测领域占有重要地位，但其也有致命弱点:光纤的变形量非常有限，类似地面塌陷的这种局部发生大一点的变形会造成光纤断裂将使整个测量系统无法正常工作。
所以本文提出一种新颖可靠的方法，既可满足分布式测量又可克服同轴电缆与光纤这两种传感器的缺陷，即采用基于螺旋平行线的TDR测量方法对地面塌陷变形的测量。
1 螺旋平行线的结构与电路模型
1.1 螺旋平行线的结构
螺旋平行线的结构，是以同轴电缆的结构作为基础展开设计的。如图1。从里到外观看，第一层与第二层铜线都以螺旋状均匀地密绕在圆柱状的弹性硅胶面上，并保证旋绕的铜线之间保持平行，最后用外部硅胶密封住铜线，起到防水、绝缘作用。
按照图1加工制作出来的螺旋平行线实物图截取一部分示意如图2，其中第一层硅胶直径为3mm，第二层硅胶直径为6 mm，总直径为7.57 mm。与同轴电缆相比，螺旋平行线具有更大的拉伸变形量，而且螺旋状旋绕的铜线在拉伸过程中不会断裂，所以本文提出的这种结构的螺旋平行线更适合对地面塌陷变形的测量。
1.2 均匀传输线模型
均匀传输线泛指处于介质中的相互平行的两导体，而本文所述的螺旋平行线满足均匀传输线的定义，所以均匀传输线的电路模型来分析螺旋平行线的电路特性。取传输线上任意一小段长度为dx为传输线进行分析，如图3所示。
图3中R0、L0、C0和G0分别为传输线的单位长度电阻、单位长度电感、单位长度电容和单位长度电导。均匀传输线的特性阻抗ZC可用式(1)表示。
当R0<<L0,G0<<C0时，特性阻抗可简化为
1.3 螺旋平行线特性阻抗推导
推导螺旋平行线的分布电容C0与分布电感L0。螺旋平行线在未拉伸变形时，每层的铜线都是各自紧密连接的，可看成圆柱形电容器;当螺旋平行线受到拉伸时，发生如图4(以第二层密绕铜线为例)所示的变形，设拉伸长度为d。所以螺旋平行线的分布电容由两部分组成，一部分是未拉伸时的分布电容CA，另一部分是拉伸时的分布电容CB，即C0=CA+CB。
根据电磁学里的静电场对圆柱形电容器分布电容的推导，可得:
式(3)中，ε为硅胶介电常数，RA为第一层硅胶的半径，RB为第二层硅胶的半径。现在对螺旋平行线拉伸时的分布电容CB进行分析，拉伸部分的铜线可看成是平行直导线模型[6]，设螺旋平行线拉伸长度为d，铜线半径为r，则螺旋平行线拉伸时的分布电容CB满足式(4)。
所以螺旋平行线的分布电容C0满足:
当传输线上的信号频率足够高时，电荷将全部集中在表面，此时电磁波将全部位于螺旋线间的介质中，那么分布电容与电感有如下关系，其中v为电磁波速率。
所以最终可推导出螺旋平行线的特性阻抗ZC的公式如下:
式(7)中μ为介质的磁导率;ε为介质介电常数;d为拉伸距离;r为铜线半径;RB为第二层硅胶半径;RA为第一层硅胶半径。部分参数的取值如表1。
将参数值代入式(7)得到特性阻抗与介电常数ε、拉伸量d的关系如图5。从图5可看出介电常数对螺旋平行线特性阻抗影响较小，且特性阻抗与介电常数是单调递减关系;而螺旋平行线阻抗随拉伸量的增大而增大且呈非线性关系。
2 螺旋平行线的时域反射研究
时域反射法(time domain reflectometry,TDR)，时域反射测量仪产生一个激励信号输入到螺旋平行线，当螺旋线受到拉伸形变时，形变位置的阻抗会发生变化，此时激励信号在阻抗变化的位置会产生一个反射信号。通过对反射信号的幅度、拉伸位置与拉伸长度这几个变量的研究，可以对地面塌陷变形的位置、塌陷程度进行测量。结合螺旋平行线的TDR测量示意图如图6。
将一根长100 cm的螺旋平行线(1 m长的螺旋平行线里面旋绕的铜线拉直约有60 m)铺在实验装置(图7)上，螺旋线末端两根铜线短路，用压板压住螺旋线，其中压住的位置离螺旋线末端25 cm，换算之后也就是被压住的铜线距离铜线末端15 m。
旋转图7实验装置的传动轴，通过装置内部齿轮与螺纹对力的转化，实现左右平板拉伸，从而达到螺旋平行线拉伸的目的。本文用泰克DSA8300型号仪器的TDR模块发射阶跃信号并接收显示反射信号的波形，用固定在左右平板上的游标卡尺测量拉伸量，整个实验环境如图8。螺旋线在相同的位置拉伸1～6 cm，得到反射信号的幅度与拉伸位置、拉伸长度的关系如图9。
因为信号的发射与接收实质性与旋绕的铜线有关，所以图9横坐标用1 m螺旋线里面铜线的长度表示，即总共60 m。由图9可知，螺旋线拉伸形变量越大，TDR仪器反射信号的幅度越大，而且幅值最大时对应的横坐标即变形位置相同。变形位置理论上是应该在横坐标值为45的地方，而计算值是43，这是因为在两个压板下面的铜线长度被忽略了的原因。
3 UVE-PLS模型的建立与地面塌陷的预测
根据第2节的实验结果，可知螺旋平行线完全可用水泥固定土壤内部用于测量地面塌陷，因为地面在塌陷之前内部都会有形变发生导致螺旋平行线拉伸变形，结合TDR仪器对接收的反射信号的分析，可以对地面塌陷位置与塌陷程度进行确定，其中反射信号幅度最大值对应的位置为塌陷变形位置，螺旋平行线拉伸的长度反映地面塌陷的程度。本文对螺旋平行线在不同的位置拉伸不同长度共做了59组实验，每组实验共获取2 000个反射信号的数据，再结合UVE-PLS模型建立螺旋线拉伸长度与反射信号数据的关系，对地面塌陷变形进行预测。
UVE是一种基于回归系数稳定性分析的新变量选择方法，能有效剔除无用信息变量，防止预测模型过拟合，其详细的算法与原理见文献[7]。PLS是偏最小二乘法的简称，是一种新型的多元统计数据的分析方法。由于每组实验数据量太多，所以采用UVE(无信息变量消除法)算法最终提取出每组的1 000个有效数据，并用49组实验数据采用PLS(偏最小二乘法)算法进行多元线性拟合，最后用剩下的10组实验数据进行预测。PLS(偏最小二乘法)的主要目的是建立一个线性模型:
式(8)中Y、X、K均为矩阵，b为一常量。式(8)在本文中的具体表达式如下:
式中yn表示第n次实验螺旋线拉伸的长度;xn,m表示第n次实验的反射信号取得第m个数据值;km表示第m个数据值的系数;b为待求常数。
将实验数据代入上式，求得系数km值与常数b=3 725.2，将未参与PLS(偏最小二乘法)计算的10组实验数据进行预测验证，并将反射幅度最大值对应的横坐标值(螺旋线内铜线的变形位置)换算成螺旋平行线变形的位置，其中螺旋平行线变形位置指的是被压板压住的位置距螺旋线末端的距离。拉伸长度与变形位置的预测结果分别见表2与表3。
从表2与表3可以看出，结合UVE-PLS的数学模型，对螺旋平行线预测地面塌陷位置与程度是相对准确的，其中对拉伸长度预测的相对误差平均值为1.427%，对变形位置预测的相对误差平均值为2.583%。
4 结论
本文从螺旋平行线的电路特性分析和实验两个方面论证了基于螺旋平行线的时域反射测量方法能够应用于分布式测量地面塌陷变形，并且具有较准确的测量值，为其将来在地面塌陷的实际应用中奠定了基础。
参考文献
[1]于大鹏,覃秋雅,马秉智,等.矿山采空区地面塌陷危险性预测.工矿自动化,2010;(3):78—81Yu Dapeng,Qin Qiuya,Ma Bingzhi,et al.Risk prediction of ground subsidence in mined-out area.Industry and Mine Automation,2010;(3):78—81
[2] 郭广礼,缪协兴,张振南.老采空区破裂岩体变形性质研究.科学技术与工程,2002;(5):44—47Guo Guangli,Miao Xiexing,Zhang Zhennan.Researchon ruptured rock mass deformation characteristics of Longwall Goafs.Science Technology and Engineering,2002;(5):44—47
[3] 王建良,姚激,蒲秀荣.软岩边坡稳定性的FLAC和刚体极限平衡法对比分析.科学技术与工程,2009;(16):4693—4697Wang Jianliang,Yao Ji,Pu Xiurong.Analyze aweak rock slope's stability with FLAC&limit equilibrium method.Science Technology and Engineering,2009;(16):4693—4697
[4] 蒋小珍,雷明堂,顾维芳,等.线性工程路基岩溶土洞(塌陷)监测技术与方法综述.中国岩溶,2008;(02):172—176Jiang Xiaozhen,Lei Mingtang,Gu Weifang,et al.Soil cave monitoring and sinkhole prediction in linear engineering:summarize.Carsologica Sinica,2008;(02):172—176
[5] 童仁园.基于螺旋线的岩土变形分布式测量技术研究.上海:华东师范大学,2013Tong Renyuan.Spiral cable-based Geotechnical deformation distributed measurement technology rearch.Shanghai:East China Normal University,2013
[6] 钟汝鹏,王玉玺,徐福缘,等.基于UVE-SPA的卷烟味觉烟气成分分析.科技与管理,2011;(02):40—43Zhong Rupeng,Wang Yuxi,Xu Fuyuan,et al.Cigarette smoke component analysis for the taste characteristics by using UVE-SPA.Science-Technology and Management,2011;(02):40—43
地面塌陷变形 篇2
2004年3月，湘西一个移民新址部分民房地基下沉，多栋房屋变形裂缝，其中3栋民房直接损毁，工作区原为一斜坡地形，经人工改造成台地。根据野外调查及钻孔揭露，场区第 (1) 层为人工填土，堆填时间约1～2年，块碎石分布不均、粒径大小不一，架空现象严重，结构松散，厚0.5～7.50m。第 (2) 层粉质粘土，黄褐色，硬～可塑，局部软～流塑，水理性质差，其厚度0.30～13.80m。第 (3) 层基岩为二组灰色薄—中—厚层状灰岩，岩体中岩溶裂隙发育，该层局部裸露，层面埋深0.5～16.3m。
2 现状分析
据调查：2004年1～2月，8、9号建筑西侧的地面下沉，墙体有轻微裂缝;3月上旬，地面开始出现环状裂缝，地面下沉幅度加大;3月20日左右，墙体裂缝变宽变长，伴有响声;5月31日，墙体裂缝继续扩大，大部分呈45°线状分布，部分已发展为贯穿裂缝，裂缝宽1～6cm，长2～4m;地面向下陷落，已形成两个洼坑，周边有陡坎，呈圆形，直径1.0m，可见深度1.6m，底部为碎石及软塑状黄色粘土，地表排水沟损坏，不断有水流入洼坑内。22号建筑东侧挡墙裂缝并轻微下沉，22号建筑墙体明显向挡墙外侧倾斜，南北两侧墙体出现裂缝，多呈水平状，宽0.2～1.0cm，长度1～3m，东侧墙体已与南北侧墙体轻微分离，裂缝呈垂直向，宽0.5～2cm，上宽下窄。地面见一条裂缝，近南北走向，宽0.5～2cm，局部可测深度4cm。6月7日，9号建筑墙体“咔咔”作响之后部分垮塌。7月上旬，7号建筑墙体开始裂缝，22号(与8、9、22号相邻)东侧边缘挡墙裂隙加大。地面多处发现地面裂缝，多处建筑物变形。
3 岩溶塌陷成因分析
3.1 自然因素分析。
岩溶地面塌陷是一种特殊的水土流失现象，因此必须具备空间通道、物质基础及动力条件。
(1)场区岩溶发育强烈，大量的岩溶裂隙形成了空间通道。从物质迁移和能量转换的角度来考虑，需要有一定的通道才能完成物质的迁移，塌陷发生的强度与下伏基岩岩溶发育程度相适应，所以岩溶的发育与分布决定地表塌陷的产生与分布。据野外调查及钻探揭露情况分析，场区岩溶发育程度强： (1) 地表可见5个溶洞; (2) 13～16号建筑平整场地及挖基时发现溶洞11个; (3) 施工钻孔100个，见岩溶钻孔达42个，钻孔见岩溶率42%。
(2)松散覆盖土层强度低，厚度小，为岩土体变形迁移提供了物质基础;强度高或厚的覆盖层中不易发生塌陷。据国内有关资料，塌陷基本都分布于土层厚度小于30米的地段;土层的性质是影响塌陷的一个重要因素，因为土的颗粒级配，一些物理性质、水理性质和力学性质决定土体物质是否能被水流迁移，决定土洞的形成速度及其稳定性。
据野外调查及钻探揭露，场区上覆土层主要为人工填土及粉质粘土，人工填土结构松散易湿陷，粉质粘土遇水易软化，强度低，分布厚度0.50～16.30m，一般均在10m以内，上覆土层薄。
3.2 诱发因素分析。
在环境因素的控制之下，一定的诱发因素是造成塌陷的重要条件，场区水动力条件的改变是产生潜蚀及物质迁移的动能。根据1898年俄国学者巴浦洛夫提出的潜蚀论认为，人为因素引起地下水位下降时，水力梯度也随之增大，且两者成正比。水力梯度加大，地下水流整加快，则动水压力增强，当水力梯度达到一定值时，动水压力则大于土体内聚力与颗粒间磨擦力，土颗粒开始被渗流带动迁移。这一现象称为潜蚀或管涌，使土颗粒开始渗流时的水力梯度称为临界水力梯度，根据太沙基(1933年)提出的表达式：
式中：IP———临界水力梯度;γs——土颗粒的密度g/cm3;n——土体的孔隙度
据土工试验资料：第 (2) 层粉质粘土层γs=1.75～1.85g/cm3, n=0.40～0.45。代入数据得IP=0.41～0.51。工作区位于水电站库区，水电站蓄水发电后，库水水位由原来的205.0m上升至238.0m(枯水位)～248.6m(最高洪水位)，塌陷点处标高为260.0m，最高洪水位248.6m时，工作区地下水位255～260m左右，平距30m左右，水力梯度为0.05～0.21
库水位回落至枯水位238.0m时，工作区雨水期的地下水位255～260m左右，平距40m左右，水力梯度为0.425～0.55
因此判断，库水位降低过程中引发的土体潜蚀作用是岩溶地面塌陷的诱发因素。
4 岩溶塌陷稳定性评价
4.1 定性分析评价。
根据岩溶塌陷的形成条件及主要影响因素，选取了六个因素，按它们对塌陷发育的影响大小分为3～4级，综合已有的实践经验，分别赋予经验指标，见下表。
预测指标判别值：N=K+S+H+W+F+G
N=17～20极易塌陷，可产生大量塌陷;
N=13～16易塌陷，可产生较多塌陷;
N=9～12不易塌陷，可产生小量或零星塌陷;
N≤8一般不塌陷，属稳定区，在特殊条件下可能产生个别塌陷;
据工作区岩溶发育程度强烈K=3，覆盖层岩性结构为不均匀的人工填土及粉质粘土，取S=1;覆盖层厚度0.50～16.30m，取H=3;岩溶地下水位8～9m，暴雨后<5m，取W=3;岩溶地下水迳流条件属主迳流带，排泄区，取F=3，场区地貌属岩溶山前缓坡，取G=2;N=K+S+H+W+F+H=15。
综合判定：场区易发生岩溶地面塌陷，且可产生较多塌陷。
4.2 半定量分析评价。
根据地下岩溶裂隙空间发育成岩溶地面塌陷的过程中，地下岩溶裂隙空间上覆岩土体存在自然坍塌填充，自然坍塌的岩土体积增大，当塌落到一定高度时，地下岩溶裂隙空间自行填满，此时可认为地下岩溶裂隙空间已被支撑，不再向上扩展，因此无需再考虑对地基的影响。
h0———岩溶洞隙高度;k———粘土松散系数, 取1.05。
据此分析，场区42个见岩溶裂隙的勘探点有15个点位处的岩溶裂隙上覆盖层不稳定，占总点数的35.7%;27个点暂时稳定，占总点数的64.3%。若考虑水动力条件改变而形成冲刷、潜蚀作用，将有更多点处于不稳定状态。
可见，场区地下岩溶裂隙稳定性差，易诱发成岩溶地面塌陷。
5 地质灾害危险性分区评价预测
据野外调查及钻探资料，场区岩溶地面塌陷有一定的分区性。
5.1 第Ⅰ带剧烈塌陷带：
主要分布在8、9、22号建筑范围，平面呈30m×20m的椭圆状。岩溶地面塌陷已经发生，造成挡土墙、民房破坏，直接经济损失超过30万元。
第Ⅰ带地质灾害发育程度强，规模小，危害大，未经处理，塌陷仍将进一步活动，危险性大。
5.2 第Ⅱ带中度塌陷带：
分两个区，Ⅱ-1区主要分布在26～28号、18～20号建筑范围，平面呈35m×20m的椭圆状。Ⅱ-2区主要分布在13～16号建筑范围，平面呈35m×20m的椭圆状。地质灾害处于孕育期，地质灾害发育程度中等，未经处理将继续发展，直到发生岩溶地面塌陷的灾害，发生岩溶地面塌陷的灾害的可能性大，Ⅱ-1区可能危及建筑物5栋，人员20人;Ⅱ-2区可能危及建筑物4栋，人员16人，危害大，危险性大。
第Ⅱ带地质灾害发育程度中等，地质灾害处于孕育期，发生灾害的可能性大，危害大，危险性大。
5.3 第Ⅲ带轻微（隐伏）塌陷带：
主要分布257～265平台上第Ⅰ、Ⅱ带范围以外的场区，现状稳定，但随着地质环境的变迁，零星分布的岩溶裂隙有可能进一步发展，地质灾害发育程度弱～中等，发生岩溶地面塌陷的灾害的可能性小～中等，可能危及建筑物17栋，固定人口70人，流动人口30人，危害中等，危险性中等。
第Ⅲ带地质灾害发育程度弱～中等，发生灾害的可能性小～中等，危害中等，危险性中等。
6 结论和建议
6.1 移民新址属典型的山区不均匀岩土组合地基，地质环境条件复杂。场区已经发生小型岩溶地面塌陷的地质灾害，发育程度强，危害大，危险性大;13～16号、18～21号及26～28号建筑区，岩溶地面塌陷处于孕育期，地质灾害发生的可能性大，危害大，危险性大。其余地段岩溶地面塌陷发育程度弱～中等，地质灾害发生的可能性小～中等，危害中等，危险性中等。因此未经处治，场区不宜做建设用地使用。
6.2 场区岩溶裂隙发育强烈，上覆松散土层性质差，厚度薄，是造成场区岩溶地面塌陷的自然因素。水动力条件变化大特别是水库蓄水是场区岩溶地面塌陷的诱发因素。
6.3 地质灾害时效性非常强，因此应尽快进行设计施工。同时需尽快建立地质灾害监测应急系统，以防地质灾害的进一步扩大。
7 几点经验教训
7.1 该工程属未经地质灾害评估、勘察、设计的特殊建设场地，如果按照基本建设程序要求做到位，此类地质灾害是完全可以避免的;
7.2 该工程查明了库水位下降过程中引起工作区内松散土体产生潜蚀破坏，设计据此有针对性的水泥灌浆进行防渗加固，从改良土体的渗透性出发进行治理，取得了很好的效果，工作区经处治后，至今未发现有沉降变形迹象。
摘要：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的一种地质灾害现象。湘西地区分布着大面积的碳酸盐岩, 因此也是岩溶地面塌陷较发育的地区, 由于复杂的地质条件以及勘查手段的关系, 分析评价岩溶地面塌陷还存在着较多的技术难题, 通过具体实例对一个移民新址的岩溶地面塌陷评价分析, 以期和同行切磋和交流。
关键词：塌陷,分析,评价
参考文献
[1]刘传正.地质灾害勘查指南[Z].
下庄村地面塌陷对地质资源的危害 篇3
1 地质环境条件
下庄村东部、中部位于南拒马河二级阶地, 而该村西部则处于南拒马河一级阶地之上, 该处地势低洼易积地表水。
2 工程地质条件
该村地下第四系松散层总厚度约120m。地表以下5m为黄土状粉土 (即此生黄土) , 5.0m~8.3m为细砂;8.3m~12.5m仍为黄土状粉土, 12.5m~15.3m为细砂, 再往下为卵石层。一级阶地与二级阶地呈陡坎接触, 坎高2m~3m。地表至细砂层间的黄土状粉土质地疏松, 承载力较低。
3 水文地质条件
该村浅部 (0-50m) 有两个孔隙水含水层, 第一含水层为细砂, 顶、底板埋深分别为5.0m和8.3m, 由于地下水位多年持续下降, 现已被流干。第二含水层上部为细砂, 下部为含粗砂砾卵石层, 顶板埋深15.5m左右, 为强富水含水层, 厚度约40m, 单位涌水量可达60m3/h·m, 该村目前地下水位埋深14m~16m, 地下水位变幅一般为2m左右, 特干旱年份可达3m以上。
4 地面塌坑及地下隐伏空洞的分布规律
经音频大地电场法、地质雷达地球物理勘探和钻探等勘查方法所提供的资料分析, 下庄村地面塌坑和地下隐伏空洞在平面上的总体分布规律是:呈东西向宽带状向南拒马河道延伸。坑、洞主要分布在一阶地上, 且在一级阶地的低洼处相对较集中。在空间上最深处能达到细砂层顶板, 即0m~5m范围内。细砂层以下未见隐伏空洞显示, 到目前为止, 已经出现的塌坑均在一级阶地地表水排泄不畅区域, 且都有高大杨树生长。
5 地面塌坑、隐伏空洞的形成机理分析
地面塌陷是由多种因素造成, 其中有自然地理地质环境影响, 也有人为因素在内, 因多种因素联合影响, 综合作用, 造成塌坑, 形成地面塌陷地质灾害。
5.1 自然地理地质环境条件影响
5.1.1 地形地貌
下庄村中西部位于南拒马河东岸一级阶地与二级阶地的接壤部位, 距南拒马河约500m, 其地势低洼易于积水, 有利于塌陷的形成。
5.1.2 地层岩性
塌陷区地层为第四系全新统冲洪积层, 地层较新, 结构疏松, 处于欠压密状态。浅部岩性为黄土状粉土, 虽然颜色有所差异但均属于次生黄土。黄土具有垂直节理发育和遇水湿陷的特点, 次生黄土也延续了黄土的两个重要特点。本区的次生黄土湿陷性 (湿化性) 有利于地层产生层间裂隙空间, 而垂直节理则有利于直立裂隙的形成和扩大。
尤其是顶、底板埋深5.0m~8.3m的细砂层及之下的卵石第二含水层对该村地面塌坑的形成起到了至关重要的作用。由于大气降水的侵蚀、潜蚀作用, 将上覆粉土层内的细粒物质沿其孔隙、缝隙、节理裂隙向细砂层及卵石层运移, 再由细砂层沿潜水流动方向向下游拒马河流动方向搬运, 周而复始, 长期作用下, 造成上覆粉土层的缝隙、节理裂隙不断扩大, 进而形成空洞, 直至造成塌坑。
5.1.3 气象水文
当地水文气象资料显示, 丰水年份远远少于干旱年份, 由于多年连续干旱, 地下水位持续下降, 地下水位之上的土层, 因失水而发生收缩, 产生干裂形成裂缝, 随着时间的延续, 裂隙空隙将不断扩大, 逐渐发展形成地下空穴、空洞。
南拒马河原属常年性河流, 十多年前因上游河水被引走, 使河水断流, 不能再补给该区地下水, 影响了地下水的补给条件, 促进了地下水位下降速度, 加剧了地层裂隙、空洞的扩大。
大气降水垂直入渗的潜蚀作用加大了垂直缝隙、水平缝隙、裂隙、孔洞, 甚至进一步形成孔、洞、缝的连通。
5.1.4 地下水活动
本区地下水位年际变幅约2m~3m, 随着地下水位的抬升与下降, 上部细粒物质会向下部运移, 有利于上部土层中的孔隙、裂隙、空洞的发展扩大。
5.2 人工活动影响
5.2.1 挖砂场影响
在紧邻下庄村的南拒马河河床内, 人为开辟挖砂场, 在河床内开挖深度4m~6m, 造成下庄村浅层细砂层裸露, 细砂层的水文地质条件遭到破坏, 大气降水后, 浅层地下潜水将迅速向河道挖砂场排泄, 同时将下庄村浅层含水层中的细微颗粒运移, 促使粉细砂层的孔隙增大, 疏松程度增加。加速粉细砂层上覆粉土间隙、裂隙形成及原有裂隙、孔洞、空洞的发展扩大。在挖砂场的周边可以清晰的看到有细砂随着地下水流向挖砂场的痕迹。
5.2.2 人为堵塞排水渠道
下庄村东西主街相对南北两侧居民住宅低洼0.5m~1m, 全村约0.2km2面积的大气降水几乎均由此街道向村西经排水渠道向南拒马河排泄, 由于该村西部排水渠本来不宽且较浅, 又被生活垃圾堆积, 局部又被居民挤占。2012年7月强降雨, 就因渠道排泄不畅致使下庄西部一级阶地上的住宅积水, 最深达1.0m, 造成渠道附近形成多个塌陷坑。
5.2.3 超量开采地下水
在干旱季节, 由于人工集中超量开采地下水, 使地下水流速增加。水流将泥沙搬运携带出孔口。上述物质一部分来自卵砾石含水层内充填的粉粒物质, 另一部分来自于上覆粉土内的细粒物质, 由于砾卵石含水层之上无较好较厚的隔水层, 所以上部细粒物质可垂直下泄运移至该含水层, 再被搬运出地表, 或者伴随地下水越流补给, 随着水流搬运到地表, 从而进一步扩大了上覆浅部粉土层内的裂缝、空洞、空间。
5.3 诱发因素
连续降雨或强降雨时, 是下庄村地面塌陷的诱发因素。由于高大树木的根系发达, 将细砂层揭穿, 加大了地表水的下渗通道, 促使细砂层运移加速, 隐伏空洞增加。由于连续大雨, 表流排泄不畅, 形成地表积水, 浅层粉土受到浸泡, 土内的粘聚力降低或消失, 裂隙加大并垮落, 隐伏空洞蜂窝状支撑骨架的支撑力消失殆尽, 由于地表积水和土体自身重力的叠加, 压力加大, 地面土体压实地下空间、空洞, 促使形成地面塌坑。而在地势较高的地方, 尽管也有树木生长, 但是地表水无法长时间停留, 上覆粉土层能保留其固有支撑构架, 所以未形成地面塌陷。
5.4 对浅部隐伏空洞、地面塌坑细粒物质的去向分析
浅层细粒物质由于大气降水的垂直入渗潜蚀作用, 将其携带进入5m之下的细砂层内, 其中一部分经浅层潜水向南拒马河运移, 另一部分则经细砂层之下的粉土弱隔水层的越流补给带入深部砾卵石强透水含水层, 地下水水位多年多次强烈变幅, 尤其是每年旱季超量开采地下水, 促使地下水流速增大, 细粒物质经井孔排水排出地表。在居民简易水井或田野内的机井, 每次排水之初均出现泥沙混水, 以此可证明浅部塌坑空洞内的细粒物质已被排除地表。
5.5 地面塌陷形成机理的综合分析
综上所述, 由于下庄村西部处于河流一级阶地, 地势低洼。在低洼处, 由于树木根系将细砂层贯通, 其地表水入渗补给地下水流量相对较大, 水动力增大, 运移能力也相对增加, 致使裂隙、空洞增多、增大, 在产生地表排水不畅, 地面积水的情况下, 出现塌坑的几率也大大增加。由于砂层流动性强的特点, 粉土层出现裂隙后, 在水流的作用下, 砂层自动填补其下伏粉土层空隙, 而砂层上的粉土层空隙未得到填充。在常年如此的循环下, 砂层上的粉土层内空洞逐渐扩大, 必然造成水动力的增大, 运移能力增加, 空隙也会逐渐贯通, 形成通道。由于, 该村浅部地层结构疏松, 且次生黄土具有直立节理发育和湿陷 (化) 性特点, 在积水情况下, 土体液化, 粘聚力减小, 骨架无法支撑土体重力, 土体颗粒沿着通道向下运移, 从而使地表出现塌陷。
而在排水通畅区域, 其地表水入渗补给量相对较小, 加之浅部砂层已被疏干, 水动力运移能力大大降低, 粉土层裂隙贯通几率也大大减小, 很难形成地面塌陷。
总之, 地下水活动, 气象水文影响;人工扩建挖砂场, 强烈超采地下水, 人为挤占排水渠道, 使地表水排放不畅而造成地表积水等因素的综合作用, 具备了产生地下隐伏空洞的多项条件, 随着时间的延续, 空洞不断发展扩大, 加之强降雨气象条件, 是该区产生地面塌陷的必然结果。
摘要：2012年7月特大暴雨, 使下庄村形成地表积水, 造成地面塌陷地质灾害, 已出现的塌坑和仍然隐伏的地下空洞具有一定的分布规律, 根据其塌陷特点分析其形成机理及对地质资源的危害进行阐述。
关键词：地面塌陷,塌坑,机理分析,地质灾害
参考文献
[1]余跃心, 刘汉龙, 高玉峰.饱和黄土孔压增长模式与液化机理试验研究[J].岩体力学, 2002, 23 (4) .
[2]向铭, 陈永明.地质雷达在探测灰岩溶洞裂隙中的应用[J].西部探矿工程, 200, (12) .
[3]顾军, 向阳, 何湘清, 贾彪.裂缝-孔隙型储层保护钻完井液体系研究[J].成都理工大学学报 (自然科学版) , 2003, (02) .
地面塌陷变形 篇4
大麦山镇位于清远市连南瑶族自治县的南面, 直距约25.5km处, 地处低地丘陵和河流阶地, 中心经纬度为:东径112°17′7.2″、北纬24°30′3.3″, 大麦山镇南侧的铜矿于1969年建矿投产, 1989、2002、2008年曾出现三次透水事故, 其中2002年造成矿区北侧发生地面塌陷。2007年6月因透水引发地面塌陷和房裂, 特别是2011年11月在镇区地面出现的裂缝、房裂、地面塌陷, 潜在明显的安全隐患;事件发生后, 引起了省、市、县各级国土部门的高度重视, 为了科学地摸清灾情, 确保镇区的人民生命和财产安全, 需查明已发和潜在地质灾害的形成机制、发展趋势、危害性和危险性, 提供灾害处治方案的依据, 为当地居民营造一个良好、安全的生活环境。
二、岩溶地面塌陷的评价分析
(一) 岩溶地面塌陷的发育机理
根据对勘察资料、地质环境调查及前人的研究成果分析, 岩溶地区地面塌陷均与大量抽取岩溶地下水有直接的关系;因矿山排水人为地改变了地下水动力条件, 使地层中土、水、气三相综合体的稳定平衡状态遭到破坏;同时矿坑排水带走溶洞、溶槽中的堆积物 (如土质堆积物或碎石等) 。由于在覆盖岩溶区岩溶较发育, 尤其是断裂构造发育, 浅部软弱土层较发育, 地下水与地表水之间水力联系密切, 当强烈抽取岩溶水时, 引起了地下水流速和坡降增大, 水位下降, 同时也引起第四系水位下降;上覆软弱土层、中粗砂及岩溶裂隙通道中的充填物受到水流的冲刷、疏通和潜蚀淘空作用, 当这种作用发展到一定程度, 就会在第四系土层底部或土层中形成隐伏的软弱结构面或洞穴, 松散颗粒随第四系地下水的垂直下渗补给, 不断地流入裂隙及溶洞中或被抽出地面, 顶部土颗粒不断潜蚀。随着洞穴逐渐向上扩展, 洞顶土体失去了重力平衡而下坠, 发生地面沉降, 继而产生地裂缝、地面塌陷等。
(二) 影响岩溶地面塌陷的外部因素
1.与抽水强度、抽水延续时间及降深关系密切。抽水量不大、水位降深较小, 抽水时间短及动水位较稳定地保持在基岩面上时, 一般不易产生地面塌陷, 个别地段即使出现, 规模也较小;当抽水量与水位降深增大时, 降落漏斗迅速扩展, 水力坡度、径流速度增大, 特别当地下水位反复变化时, 增强了地下水对溶洞充填物和第四系土体的潜蚀作用, 容易导致地面塌陷。
2.降雨加剧地面塌陷的发生。大气降雨是评估区地下水的一个主要补给来源, 雨季降雨集中, 地下水位迅速上升;旱季因地下水向北面的白芒河排泄, 水位下降。地下水这种长期的周期性的动荡变化, 容易诱发岩溶地面塌陷。
(三) 岩溶地面塌陷的评价方法
本次评估岩溶地面塌陷稳定性主要参考现行《广东省建设用地地质灾害危险性评估实施细则》 (试行) , 关于岩溶地面塌陷稳定性预测评估的方法, 评估的基本思路是从影响岩溶地面塌陷的众多要素中抽取主要评估因子, 建立评估模型。为了简化评估过程, 但也尽可能涵盖主要影响因素, 并尽量降低评估的随意性和模糊性, 故本次评估采用定性和半定量综合评估的方法, 评估步骤为:
1.选取评估指标:从影响岩溶地面塌陷的地质环境条件中选取岩溶发育程度、岩溶水钻孔单井涌水量、岩溶水位及动态变化、岩溶水位降深、覆盖土层岩性及结构、覆盖土层厚度及地貌特征共7个因素作为评估指标。
2.确定评估指标的量值:在确定评估指标的基础上, 根据每个指标与岩溶地面塌陷稳定程度之间的关系将其划分为4个等级, 每个等级赋予不同的量值。当某等级对应的岩溶地面塌陷越不稳定时, 其量值越大, 反之越小;其中对应塌陷不稳定的赋予量值4, 对应较不稳定的为3, 对应基本稳定的为2, 对应稳定的为1。由此便构成岩溶地面塌陷稳定性判别指标的量化准则 (表1) 。
3.计算岩溶地面塌陷评估指数:评估时, 首先根据评估对象的地质环境条件对照表1, 每要素均按最接近的等级进行赋值 (即确定7个要素的量值xi) , 之后按式 (1) 计算评估指数, 计算出评估指数后便可参照表2来评估岩溶地面塌陷的稳定性。
式中:X……岩溶塌陷稳定性评估指数;
Xi……二级量化指数判别因子的量值。
(四) 岩溶地面塌陷的稳定性评价
矿区地处低山山坡, 无覆盖层或厚度小, 大理岩裸露, 地表以下80m (个别延至100m) 内, 溶蚀强烈, 溶洞发育, 坡面流易下渗补给地下水;开采矿体埋藏深, 开采标高低于当地最低侵蚀基准面标高, 地下水与河水水力联系密切, 富水性丰富。
覆盖型岩溶稳定性主要取决于覆盖层厚度、岩溶发育程度、地下水的埋深及波动范围三个方面。场地地处低地丘陵和河流阶地, 地形起伏较大, 第四系覆盖层厚度较小 (厚度3.0～13.2m) , 有一半孔的其下部见软塑状粉质粘土, 个别孔底部见卵石;大理岩埋藏较浅, 断裂构造发育, 溶洞较发育;北面为白芒河, 与地下水水力联系密切, 地下水水量丰富, 水位埋深普遍<5m, 水位变化大, 在灰岩面频繁波动, 岩溶水位降深≥15m。塌陷坑已充填粉质粘土, 周边见沉降、开裂现象, 地表水易入渗, 处于潜在不稳定状态。
本次工程勘察钻孔资料及稳定水位监测显示:
1.矿山经长期开采, 已形成明显的地下水降落漏斗, 镇区北侧泉水消失;开采矿体大部分位于白芒河河床以下, 表明河水已反向补给地下水;2011年11月矿山停止排水后, 地下水水位逐渐恢复, 镇区北侧泉水已大部分出现。
2.根据野外地质环境调查、走访和勘察资料, 矿区北面2011年11月矿山停止抽排水后, 已发生3处塌陷坑, 结合钻探、物探成果, 镇区大理岩埋藏较浅, 岩溶较发育, 其上普遍见软塑状粉质粘土, 水理性能差;地下水动态、水力坡度变化会加剧其发生和发展。
三、岩溶地面塌陷的研究分析与处理措施
(一) 进一步查明岩溶的埋藏和空间分布特征, 建议对区内可溶岩分布段采用综合物探和钻探等方法进一步查明岩溶的分布规律;对浅部洞穴可采用扦探查明。
(二) 对重要工程, 柱下地基宜采用超前钻探查明是否有土洞、溶洞, 以策安全。
(三) 对于土洞、岩溶发育的地段可采用梁板跨越、压浆法处理, 即通过钻孔灌注水泥砂浆 (或化学灌浆) , 以改良土体的力学性质;也可采用搅拌桩、粉喷桩等复合地基。
(四) 应严格控制矿山的排水量, 避免在岩溶发育段内抽取地下水, 以防引发地面塌陷。
(五) 对已形成的塌陷坑, 应及时进行压实回填。
水溶法采盐矿区地面塌陷机理分析 篇5
随着改革开放以来的社会经济发展,国内各地盐化工产业方兴未艾,大力兴起了开采盐岩矿产,其开采方式多为钻井水溶法采矿,随之而来的盐矿开采区地质环境问题也将接踵而至。国内外的采盐历史表明[1],盐矿开采区地面沉降、卤水泄漏、地面塌陷等问题比较突出,其中,地面塌陷灾害危害较大,难以防治。本文以安徽省定远县东兴盐矿开采区为例,对钻井水溶法开采盐矿诱发的地面塌陷机理进行深入分析研究,为有效防治盐矿开采区地面塌陷灾害提供理论帮助。
1地质环境背景条件
1.1自然地理
定远县东兴盐矿开采区位于安徽省中部,地处北亚热带湿润季风气候区,气候温和,阳光充足,四季分明,雨热同季,易旱易涝。区内多年平均降水量933.1mm,降水多集中在6-8月,占年降水量的49%左右;年最大降水量可达1678mm,月最大降水量可达464mm。
周边水系不甚发育,一条小河由北向南贯穿矿区中部,属于淮河水系。矿区地貌属于波状平原区,地形波状起伏,地面标高69-74m,由第四系上更新统戚咀组(Qp3q)粘性土组成,属堆积剥蚀地貌成因类型。
1.2地层构造
矿区附近地层属于华北地层大区晋冀鲁豫地层区徐淮地层分区淮南地层小区,分布的地层主要为新生界古近系(E)和第四系(Q)。
地表由第四系上更新统戚咀组(Qp3q)组成,分布广泛,主要岩性为粉质粘土、砂砾质粘土,一般厚度20-30m,局部仅厚15m。下伏为巨厚的古近系土金山组(E2t)[2](原划分为定远群第三段和第四段)[3]砂岩、泥岩和含膏泥岩等,夹有厚层岩盐,总厚度可达200-1100m。地质构造上位于合肥断陷盆地北部次一级凹陷:定远-炉桥凹陷、定远盆地东兴小盆地的第五级小构造之中,其盆地南北两侧边缘受到东西向断裂构造的控制(地堑式构造)。
该矿区盐岩为沉积矿床,盐矿层均匀、连续分布于小盆地之中[4];矿体埋深一般为300-600m,矿体累计厚度一般60-160m,小盆地中心最厚近达200m,矿体单层间距小,夹有薄层泥岩、泥膏等。在平面上矿体整个形态反映为不规则的东西向长椭圆形,轴向总体上为近东西向,东西长8500m,南北宽1400-2390m,面积约14.4km2。
1.3水文地质工程地质
矿区水文地质条件简单,自上而下仅发育2个含水岩组,即第四系上更新统戚咀组孔隙含水岩组(Ⅰ)和古近系土金山组孔隙裂隙含水岩组(Ⅱ)。
第Ⅰ含水岩组主要由第四系上更新统戚咀组粉质粘土、砂砾质粘土组成,厚度一般为20-30m,局部15m左右,水位埋深2-5m,涌水量小于10m3/d。
第Ⅱ含水岩组主要由古近系土金山组顶部砂岩、泥岩风化层组成,顶板埋深一般为20-30m,含水层具有承压性,水头埋深3-8m,涌水量一般小于10m3/d,局部受次级断层的影响,单井涌水量可达10-50m3/d。
土金山组岩层主要为软质岩[5],矿层顶板以上的岩石除了矿区北部局部覆盖有泥质砂岩及泥质砂砾岩以外,其它地区基本上都是灰黑色含膏泥岩和黑色泥岩等,岩性较松散,工程力学性质较差,单轴极限抗压强度5-30MPa,受水的影响较大。
2矿区地面塌陷过程
2.1采矿方式
利用盐岩易溶于水的特点,东兴盐矿开采区通过钻井注入淡水,溶解地下盐矿组分,然后将卤水抽出进行加工,即采用钻井水溶法采矿[6]。
该矿区经历了近20年的采矿历史,基本上是采用单井水溶法采矿。井身结构包括由井口至盐层顶部的技术套管以及套管内下至盐矿底部的中心管。通过自然对流的原理,将淡水从套筒环隙注入,卤水由中心管返出,为正循环生产,或者正、反循环交替进行(图1)。由于此法回采率低,生产能力小,应用受到限制,逐步改为井组生产,即相邻的双井或多井溶腔连通,提高了生产效率。
2.2地面沉降、卤水溢出
东兴采盐矿区随着盐岩的开采,地下溶腔逐渐扩大,甚至发展到多井溶腔连通。根据近十年来的不连续监测,盐矿开采区中心出现了明显地面沉降,年沉降率达数毫米至十多毫米。
2005年11月11日,在采矿区东侧的岗地上部出现了大面积的卤水泄漏,卤水溢出范围从最初的700-800m2扩大到11月30日的1.3×104m2;卤水溢出后汇集的总流量变化较大,最初时的目估总流量为20m3/h左右,一周时间后达到30-40m3/h,11月25日以后溢水总流量又迅速减少到小于10m3/h。
此外,卤水溢出区以南约100 m以外的民井地下水发生异常变化,从开始发现卤水溢出的5天以后,井水位较以往有较大幅度的上升,升幅约5-7m;11月27日至30日,村内的部分民井早晨的相对静水位已高出地面,呈现自流现象。
该矿区开采地下盐矿主要是采用单井对流水溶循环法采矿,通过向井下施加2-3MPa的注水压力,溶解盐岩形成卤水。地下盐岩不断被溶解后形成空洞,如遇到地下断层后,会加速空洞的形成,同时,空洞也会加速扩张。
盐矿企业在接到卤水溢出报告后,采取了一些关井调查措施。分析认为,可能是北西至南东向断层的存在,以及其导水能力的增强,导致北西方向的多口开采井卤水沿断层运移,在第四系厚度较薄的岗地上部泄漏,并且大量补给浅层地下水,造成附近民井水位普遍升高。民井水质口感没有很明显的咸味,可能是比重的差异造成淡水在上、咸水在下的结果。
2.3地面塌陷
2.3.1 第一次塌陷
为了防止卤水泄漏、污染环境,11月30日以后卤水溢出区西北方向的多眼开采井被关停。直到同年12月14日下午在卤水溢出区北西约700m处农田发生地面塌陷灾害,陷坑面积由最初的约4000m2逐渐扩大到一周后的8300m2,陷坑中心深度约20m。陷坑形态呈近似椭圆形,长轴为北西南东向,距离村庄约200m。初期有2眼开采井陷入坑内,一周后曾经在陷坑边缘的第3眼开采井也下陷。此地段盐矿厚度50m左右(推测为采空高度),溶腔顶板埋深约300m。
地面塌陷过程非常奇特。塌陷初期传来沉闷的轰鸣声,随之而来稻田里出现了一股十多米高的冲天水柱,随着水柱高度逐渐减弱,地面开始下沉,沉陷区积水有规律地数分钟一次鼓起、下降、再鼓起的循环,鼓起高度0.3-0.5m,一直持续到2小时以后才逐渐恢复平静。
塌陷坑坑壁陡直,坑内积满卤水,水面距地面深度0.2-0.5m;陷坑东侧30m范围内随处可见受到水柱冲击而飞溅出的岩、土体,大的岩、土体直径0.7-1.0m,重量约1.0-3.0t;受水柱冲击影响,陷坑周围稻田里的稻茬及杂草有规律地朝坑外侧倒伏。
2.3.2 第二次塌陷
由于受到卤水泄漏、地面塌陷的影响,盐矿开采区大部分开采井处于停产状态。2006年3月25日凌晨,位于第一次地面塌陷区正南约450m、卤水溢出区正西约500m处发生第二次地面塌陷。陷坑在平面上呈近似椭圆形,长轴方向呈南北向,当日地陷面积约1500m2,3日后扩大至4000m2;陷坑中心深度约20m,2眼开采井陷入坑内,陷坑北侧切断乡村公路。
地面塌陷过程与第一次塌陷类似,初期传来如同放炮的轰鸣声,陷坑南侧周边农田潮湿积水,可能是地面塌陷时卤水喷出所致。坑内积水,水位埋深0.5-1.0m,坑壁陡峭,陷坑周边5m范围内分布有围绕陷坑的较密集的环形地裂缝,宽度3-5cm。
陷坑附近原先有3眼开采井,为井组连通式开采,于塌陷之前的1月10日关闭停产。该地段盐矿厚度约120m左右,溶腔顶板埋深约400m,物探资料证实有1条断层经过塌陷坑,断层倾角大于60°,该溶腔顶板围岩易处于不稳定状态,推测溶腔直径大于100m、采空高度50-80m。
3地面塌陷机理
水溶法采盐矿区地面塌陷主要是溶腔顶板冒落引发的,溶腔顶板的稳定性对于地面安全起到了决定性的控制作用,以下着重分析研究溶腔顶板的稳定条件和失稳条件。
3.1溶腔顶板稳定的条件
东兴盐矿开采区溶腔顶板岩层为泥岩、泥质石膏和砂质泥岩,属于软质岩类,现状条件下发生的地面塌陷也证明了溶腔顶板岩层工程力学性质差。
钻井水溶法采盐初期,溶腔规模较小,处于封闭状态。溶腔顶板稳定取决于顶板岩层抗剪力和水体的支撑力。
根据帕斯卡定律(Pascal law)[7],在密闭容器中静止流体的某一部分发生的压强变化,将毫无损失地传递至流体的各个部分和容器壁。
在密闭容器中液体表面增加压强为△pe,压力传递至A点(图2),压强增加值为△pA,施加的压力被传递到各个方向,力的大小不变。
pA=△pe (1)
从力学上分析,液体能够抵抗使它体积压缩的压力,其根本特点是它不能保持自己的形状。在密闭容器中液体保持自己形状、抵抗外部作用的能力是通过容器侧壁的反作用力实现的,一旦发生液体从裂口流出,液体的形状将发生改变。
封闭状态的溶腔随着盐岩的开采逐渐扩大空间,当溶腔顶板岩层抗剪力无法抵御上部荷载压力时,对卤水增加的压力被水体传递到溶腔侧壁。由于水体的可压缩系数很小,基本上属于不可压缩物质,根据作用力与反作用力原理,溶腔侧壁通过水体对溶腔顶板起到一定的支撑作用。
另一方面,在盐井采矿过程中,高压注入淡水后,通过液压传递原理,新增水体压强对溶腔顶板又起到支护作用。由此推断,即使溶腔顶板是软质岩类,理论上封闭的溶腔顶板应当处于稳定状态,溶腔顶板的稳定性主要取决于溶腔的封闭性。
实践表明,西方发达国家采用的油垫法等先进技术采盐,在地下深处水平扩张溶腔,扩大了生产能力,又可以控制溶腔的扩张高度,避免溶腔的封闭性受到破坏,防止了地面塌陷。
3.2溶腔顶板失稳分析
东兴采盐矿区曾经发生的2次溶腔顶板垮落引发了较严重的地面塌陷灾害,均有一些共同点,都是在溶腔封闭性能受到破坏之后,卤水外溢,采盐停止后,溶腔内液体减压,顶板垮落,引发了地面塌陷。
根据尖点突变模型[8],引用圆形溶腔顶板大变形失稳突变条件:
式中:q-顶板岩层自重及上覆岩层的作用力;p-溶腔内液体的压力;μ-顶板岩层的泊松比(经验值0.2-0.3);E-顶板岩层的弹性模量(经验值1.5-3.0×104MPa);γ0-溶腔顶板半径;h-顶板岩层厚度;α3与α4-正常数。
由(2)式表明,当溶腔平面直径2γ0达到一定程度以后,溶腔内液体的支撑力p对保持顶板岩层的稳定起到了决定性作用;溶腔埋深(顶板厚度h)越大,顶板越容易稳定。
在通过钻孔注水采盐过程中,溶腔密闭,溶腔内液体的支撑压力等于溶腔顶板岩层压力时,q-p等于零,溶腔顶板处于稳定状态。
当溶腔的封闭性被破坏,溶腔侧壁局部抵抗力减弱,水体(渗出)变形,p衰减。停止采盐后,注水压力消失,p进一步减弱。
初期表现为顶板岩层蠕变弯曲变形(地面沉降);后期其它顶板岩层参数相对稳定不变时,随着q-p逐渐增大到一定程度,达到溶腔顶板岩层失稳的突变点,顶板岩层内产生巨大的剪切应力,导致溶腔顶板切断;沿着溶腔顶板最先产生的剪切破裂面,溶腔内水体在巨大压力下挤压喷出,产生了冲天水柱,又进一步减弱了溶腔内水体的支撑力,在短时间内局部的顶板岩层失稳牵引着整个溶腔顶板垮落。
3.3溶腔顶板失稳概算
根据Пpoтoдьякoңoв塌落拱理论[9]概算溶腔顶板塌落影响高度为:
H=
式中:H-顶板坍塌影响高度(m);H0-采空高度(m);K-顶板岩层碎胀系数;θ-顶板岩层倾角。由于东兴盐矿开采区溶腔顶板坍塌诱发的地面塌陷,完全是断陷的形态,顶板岩层并不是逐渐地剥落,而是在短时间内完成了整体坍塌过程,导致顶板岩层坍塌后碎胀的时间条件不具备,因此,碎胀系数K取1.1,当H0=50m、θ=0时,求得H=500m。
上述概算求得的溶腔顶板塌落对地表的危害严重,表明了该矿山地质环境质量较差。
4结论、建议
(1)钻井水溶法开采深部岩盐时,比较容易使溶腔卤水处于封闭的环境,即使溶腔形状发生改变,水体仍然具有抵抗压缩的能力,对溶腔顶板岩层具有一定的支撑作用,可防止地面塌陷。
(2)钻井水溶法开采浅部岩盐时,断层是导致溶腔卤水外溢的主要通道,一旦发生溶腔卤水外溢,将面临地面塌陷的危险构成重大安全隐患,应当及时采取应急防范措施,避免人员伤亡。
(3)钻井水溶法开采浅部岩盐时,断层是导致溶腔向上扩张的有利部位,采用油垫法等新技术采盐,控制溶腔的扩张方向,是未来开采浅部岩盐、确保公共安全和生产安全需要重点解决的问题。
(4)建议在开采浅部盐岩的矿区建立地面沉降监测和地下水监测网络,监测地下水位和水质的变化,同时还要监测记录溶腔内卤水的压力变化,以利于及早发现、及时处理溶腔卤水泄漏事故。
(5)根据采盐矿区地质环境条件,适时组织开展相应的地下水环境治理工作[10,11],把可能造成的地质环境问题减少到最低限度。
摘要：为了防范钻井水溶法开采盐矿诱发卤水溢出、地面塌陷等愈发严重的地质环境和公共安全问题,本文以安徽省定远县东兴盐矿为例,对采空区地面塌陷灾害机理进行了深入研究。根据岩盐矿体的埋藏条件和采空区地面塌陷的过程,结合帕斯卡定律讨论了盐矿采空区顶板岩层保持稳定的前提,是必须保持采空区密闭为基本条件;通过尖点突变模型给出的顶板岩层大变形失稳突变条件,是采空区的封闭性遭受破坏、卤水外溢导致顶板岩层失去支撑;根据Пpoтoдьякooв塌落拱理论等方法估算了采空区顶板岩层失稳对地面的影响程度,提出了对开采盐矿诱发地面塌陷灾害的防范措施,对其它地区同类矿山安全开采具有重要的指导意义。
关键词：水溶法采盐,卤水外溢,地面塌陷,机理分析,东兴盐矿
参考文献
[1]《盐矿开采基本知识》编写组.盐矿开采基本知识[M].北京:轻工业出版社,1978:230-243
[2]安徽省地矿局.安徽省区域地质志[M].北京:地质出版社,1987:177-190
[3]安徽省地质局区域地质调查队.1/20万定远幅区域地质调查报告(地质部分)[R].巢湖,1977:159-171The Regional Geological Investigating Group of GeologyBureau of Anhui Province.Report of Regional GeologicalSurvey(1:200000 DingyuanⅠ-50-XXXIV)(GeologyPart)[R].Chaohu,1977:159-171
[4]安徽省地质局323队.安徽省定远县东兴盐矿东段地质勘探总结报告[R].蚌埠,1973:17-22No.323 Geological Brigade of Geology Bureau of AnhuiProvince.Summary Report of Geological Exploration in theEast Part of Dongxing Salt Deposit,Din-gyuan County ofAnhui Province[R].Bengbu,1973:17-22
[5]GB50021-2001.岩土工程勘察规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002:7-8
[6]王清明.盐类矿床水溶开采[M].北京:化学工业出版社,2003:149-347
[7]李玉柱,苑明顺.流体力学[M].北京:高等教育出版社,2003:11-28
[8]姜德义,任松,刘新荣,等.岩盐溶腔顶板稳定性突变理论分析[J].岩土力学,2005,26(7):1099-1103JIANG De-yi,REN Song,LIU Xin-rong,etc.Stability a-nalysis of rock salt cavern with catastrophe theory[J].Rock and Soil Mechanics,2005,26(7):1099-1103
[9]《工程地质手册》编写委员会.工程地质手册(第三版)[M].北京:中国建筑工业出版社,1992:689-690
[10]邱志勇,苏学云.试论地下水环境治理[J].地下水,2008,30(3):53-57QIU Zhi-yong,SU Xue-yun.Research on the treatment ofunderground environment[J].Ground Water,2008,30(3):53-57
地面塌陷变形 篇6
20世纪80年代中期至20世纪末靖远矿区有多达上百家地方煤矿与私营小煤窑进行煤炭开采经营,不仅造成矿区煤炭资源严重浪费,而且导致矿区地质灾害进一步加剧。小煤窑基本在矿区煤田的浅部开采,其无序的乱挖滥采不仅严重破坏了煤炭资源的分布,而且给煤炭开采埋下了严重的安全隐患,加剧了矿区地面塌陷、地裂缝等地质灾害的危害程度。
2 矿区地面塌陷现状
2.1 地面塌陷
悠久的开采历史和大量的煤炭开采在靖远矿区形成了大范围的地下采空区,导致矿区地面塌陷变形强烈、变形范围大。
1)变形特征:
地面塌陷变形特征包括地表最大下沉量、最大水平移动、最大倾斜变形、最大水平变形和最大曲率变形量等。根据现场调查结果,经计算分析,靖远煤矿地表最大下塌、最大水平移动、最大倾斜变形、最大水平变形和最大曲率变形量见表1,靖远矿区的地面塌陷面积见表2。
2)塌陷程度分析:
红会矿区地面塌陷面积11.39 km2,地表最大下沉值11.7 m,最大水平移动3.7 m,最大倾斜309 mm/m,最大水平变形+83.66 mm/m,-120.13 mm/m,最大曲率变形为+11.11×10-3/m,-3.09×10-3/m。王家山矿区地面塌陷面积4.37 km2,地表最大下沉值11.5 m,最大水平移动值5.2 m,最大倾斜值157 mm/m,最大水平变形值+81.88 mm/m,-92.79 mm/m,最大曲率变形为+4.24×10-3/m,-4.2×10-3/m。
2.2 地裂缝
煤矿开采形成的地裂缝往往与地面塌陷地质灾害相伴而生,地裂缝发育特征受地质条件、地下采空区特征等因素控制。
1)根据矿区地裂缝地表延伸长度特征及危害性将矿区地裂缝分成三级规模。矿区的Ⅱ级地裂缝最发育,其次为Ⅲ级地裂缝,Ⅰ级地裂缝最不发育,但其危害性最大,Ⅰ级地裂缝不仅会使受危害的建筑物报废,并且易使矿井产生透水事故。矿区的Ⅱ级地裂缝不仅对建筑物危害较大,而且可能发生地表水渗漏现象。因此矿区的Ⅱ级地裂缝和Ⅰ级地裂缝是地质灾害研究的重点。
2)一般地面塌陷范围与地裂缝级别相辅相成,地面塌陷区范围大,则地裂缝规模随之增大,反之亦然,矿区地裂缝分布主要具有以下特征:
a.塌陷区周边附近的地裂缝发育数量较少,塌陷区中部附近地裂缝发育数量多;
b.Ⅰ级地裂缝在靠近地面塌陷区中部附近的部位比较发育;Ⅱ级地裂缝在塌陷区中部分布较多;Ⅲ级地裂缝在塌陷区边缘多,在Ⅰ级和Ⅱ级地裂缝尖灭处常伴生有Ⅲ级的弧形裂缝;
c.第四纪覆盖层厚度大的宽阔河滩、山间盆地等部位地裂缝发育;第四纪覆盖层厚度小(<1 m)或基岩出露的山脊、陡坡和沟谷部位地裂缝少;
d.由于小煤窑开采深度较小、没有留足够的安全煤柱,因此,小煤窑采空区的地裂缝比大煤矿开采区的地裂缝发育数量多;
e.地面塌陷稳定区的地裂缝分布数量比塌陷非稳定区的地裂缝分布数量明显少,其主要原因是地面塌陷稳定区一般不再有新的地裂缝产生,而且塌陷稳定区以前早期形成的地裂缝已基本被填埋或阶坎已被夷平;
f.众多小煤窑集中开采区的各个小煤窑相互影响导致地裂缝分布多、密度大、规模大、危害性大。
3)不同级别的地裂缝延伸特征有差异,大多情况下Ⅰ级地裂缝沿开采范围边界附近呈中部直、两端弧形延伸,Ⅱ级和Ⅲ级地裂缝呈近似直线状延伸。
3 地面塌陷稳定性分析
3.1 地面塌陷
根据原煤炭工业局颁布的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》有关规定,参照靖远矿区地表移动观测资料,综合分析研究,矿区地面塌陷区地表移动延续时间与开采深度之间具有如下关系:
1)开采深度小于100 m时,地表移动延续总时间为1年;2)开采深度为100 m～200 m时,地表移动延续总时间为1.5年;3)开采深度为200 m～300 m时,地表移动延续总时间为2年;4)开采深度为300 m～400 m时,地表移动延续总时间为2.5年;5)开采深度为400 m～500 m时,地表移动延续总时间为3年。
从上述结果来看,开采深度越大,地面移动延续时间越长。综合考虑各影响因素,通过分析研究,矿区地表塌陷稳定性特征如下:
红会煤矿:红会一矿二号井为塌陷稳定区;一号井+1 560 m高程以上为塌陷稳定区;五、六采区现已经开采的4个工作面为塌陷非稳定区;红会三矿井田属塌陷稳定区;红会一矿八采区为塌陷非稳定区;红会四矿井田北翼煤层+1 580 m等高线以上为塌陷稳定区该高程以下生产水平为塌陷非稳定区。
王家山煤矿:王家山矿一、二号井+1 650 m等高线以上为塌陷稳定区;四、五号井+1 600 m等高线以上为塌陷稳定区;+1 600 m等高线以下为塌陷非稳定区。
通过分析,各矿区的塌陷稳定区与非稳定区的评价结果如表3所示。
km2
3.2地裂缝
地裂缝稳定性受多种因素影响,除受塌陷区稳定性影响外,还受到地质条件、地表水和人类活动等因素影响。靖远矿区地裂缝稳定性具有如下特征:
1)地面塌陷稳定区现有地裂缝多数基本上处于稳定状态,该区不易产生新的地裂缝;塌陷非稳定区不仅已有地裂缝继续发展扩大,而且容易产生新的地裂缝;
2)松散物覆盖层厚度大的部位,特别是黄土厚度大的部位,不仅已有地裂缝稳定性差,而且易形成新的地裂缝。松散物覆盖层的工程特性差,遭受外力容易破坏,已有的地裂缝易形成垮塌变形。
4矿区地面塌陷治理建议
1)地裂缝夯填:对于红会沙河的地裂缝采用以下措施:a.排导沟范围内的地裂缝首先回填夯实,然后在排导沟沟底铺设30 cm的浆砌片石;b.对土地整治范围的地裂缝进行回填夯实,对Ⅰ级和Ⅱ级地裂缝分层回填夯实。
2)塌陷坑回填:对沙河河道附近堆积的煤矸石与小煤窑形成的塌陷坑,采用煤矸石回填塌陷坑、整治河道和整治土地。
3)恢复耕地:根据地面塌陷、地裂缝造成的土地破坏现状,修筑高1 m～1.5 m的田坎,梯田坎用块石垒砌,并用细料充实。梯田宽度50 m～200 m,表部覆0.3 m～0.5 m厚的黄土。
摘要：在研究靖远矿区地质环境的基础上,较为详细地叙述了地面塌陷、地裂缝地质灾害发育特征,对地面塌陷进行了分区稳定性分析评价和地裂缝稳定性分析,针对不同灾害类型、区段,提出了回填、夯填、耕地恢复等治理建议。
关键词：地面塌陷,地裂缝,稳定性分析,灾害治理
参考文献
地面塌陷变形 篇7
关键词：城市隧道,施工,诱发,地面塌陷,灾害机制
0前言
随着我国经济发展水平的不断提高, 城市隧道工程建设规模不断扩大, 隧道施工塌方事故时有发生。隧道塌方具有偶然性强、危害性大的特点, 直接影响到施工人员和城市居民生命财产安全, 引起了社会的广泛关注。导致城市地铁隧道施工塌方事故发生的因素是多样化的, 主要原因在于施工单位没有透彻理解塌方的诱因、形成过程和演变规律, 并对此作出相应的预防措施。因此研究地铁隧道施工塌方的形成机制和规律, 并以此为依据制定科学合理的预防方案, 具有十分重要的现实指导意义。
1 城市隧道施工地面塌陷机制分析
地面塌陷的成因及形成过程十分复杂, 本文将其诱因分成三大类: (1) 施工过程中, 机械设备以及人员在隧道上方造成负荷过重, 引发隧道塌陷; (2) 隧道施工处土质条件较差, 难以承受工程受力, 导致地面塌陷; (3) 隧道工程引起地下水渗透, 导致土层松软发生塌方。
1.1 隧道施工直接导致的地面塌陷
根据普氏理论, 在土层中开挖隧道涵洞后, 如果在没有支称外力的情况下, 土层力学结构会遭受严重破坏, 如果隧道上方土层较厚, 就会导致隧道塌方, 之后会形成围岩, 产生自然平衡的压力拱, 此时土层结构重新进入平衡当中。普氏理论主要适用于开挖较深的隧道, 比较浅的涵洞则不会产生压力拱。普氏压力拱理论可以很好的解释隧道开挖直接导致塌方的情况, 压力拱会根据隧道开挖深度发生相应变化, 是一个重新形成拱形平衡的过程。随着隧道开挖深度的增加, 其压力拱平衡会在受力增大的情况下打破, 如果没有提供足够的支撑力, 就会发生塌方。
1.2 地质层受力结构被破坏导致地面塌陷
地质结构破坏导致塌方形成的主要由空洞导致, 空洞的存在会导致土层受力不均匀, 当隧道掘进到空洞处时, 就会导致土层支撑平衡力被破坏, 从而发生塌方。如果没有隧道施工活动的影响, 土层中的空洞处于一种相对稳定的状态, 一旦施工活动接近这个区域时, 空洞平衡状态就会被打破。因此, 地质层受力结构被破坏导致地面塌陷属于一种间接施工引起的地质灾害。
1.3 管线渗水导致的地面塌陷
城市地铁隧道施工十分容易遇到地下渗水的情况, 其中管线渗漏是主要原因。有专家统计发现, 管线渗漏水通常会诱发地下层流沙运动, 流沙在隧道周边形成水囊或空洞;当隧道工程掘进到管线附近时, 施工活动就会导致更加严重的管线渗漏水情况发生, 严重的情况还会造成管线破裂, 引发大量涌水, 在渗漏水的影响下地质物理结构会发生明显变化, 导致地质受力结构失衡, 从而诱发塌方。
导致管线遭受破坏的原因十分多样化。以供水管线为例, 根据建设部颁发的CJJ92-2002J187-2002《城市供水管网漏损控制及评估方法》, 一般来说, 城市生活用水管线渗漏率低于12%是符合使用规范的。当前, 自来水供水管网中, 管线接头漏水情况也十分普遍, 在渗漏水长期浸泡下, 管线的物理化学性质发生了巨大的变化, 会对管线周边的地质条件产生重大影响, 降低地基的负荷能力, 严重的甚至会架空管线, 管线断裂也多为这种情况引起。
2 城市隧道施工地面塌陷控制
从前面的分析可以知道, 引起城市地铁隧道塌方的因素十分多样化, 其演化过程也异常复杂, 因此隧道工程地面塌方防控是一项系统工程。工程实践经验告诉我们, 导致城市隧道施工地面塌陷最主要的两类原因分别是不良地质体和管线渗漏水, 本文现针对这两类塌陷提出有效的应对措施。
2.1 不良地质体应对方案
不良地质体塌方防护方案主要有两种:一种是事先进行地质条件检测, 为后期施工提供准确数据;另一种是针对不良地质土层进行加固处理, 提高其结构稳固性。广州地铁12号线在三元里站施工时, 遇到了不良地质, 工程部立即组织了地质超前检测。针对不同的地质条件, 例如松散区、富水区和空洞区制定了相应的技术处理方案: (1) 地质松散区易发于回填区域, 且隧道深度不大, 可以采用钻井灌浆的方法来加固; (2) 富水区主要是由充沛的地下水和管线渗漏导致的, 由于该区域存在大量的水分, 在处理之前要探明是否有补充水源存在, 例如泉水、排水管等, 如果存在就要对其进行封堵处理。处理完毕之后再对底层进行钻孔, 将渗漏水全部抽离。富水区由于长期受到水浸泡, 抽离水分之后土层依然松软脆弱, 因此要采取灌浆加固处理, 以提高地质的稳固性; (3) 导致空洞产生的原因也很多, 主要是因为地下构筑物密实度不够高以及管线漏水严重形成的, 因此要对空洞区域进行灌浆处理, 提高其结构的稳定性。
2.2 地下管线安全控制技术
地下管线渗漏会导致塌方, 严重威胁城市隧道工程施工安全, 对施工人员生命安全造成巨大的威胁。为此, 广州地铁12号线三元里工程采用了以下几方面措施:
1) 掌握施工区域管线总体分布情况。要安全控制地下管线, 首先就要全面掌握施工区域管线分布情况。由于管线采用地下埋设, 且所属单位各不同, 这给管线摸排工作造成了巨大困难。因此, 不仅要在施工图纸上掌握地下管线的布置情况, 还要对地下管线进行实地探测工作。目前, 主要有三种地下管线探测方法, 即明显管线点实地调查、隐藏管线点物探探查和开挖调查法。
2) 制定科学合理的管线保护及加固方案。根据管线排查结果, 结合施工现场具体环境特点, 同时对管线的受力和弹性指标进行测量, 根据管道埋设深度、使用寿命设计选择合适型号和材质的管道。根据现有的管道施工技术检测标准来进行管道分类, 并制定科学合理的管线调整方案, 以保证管线施工符合地下隧道施工要求。对于破损严重、使用年代久远的管线要进行加固或者更替处理。对于无法达到安全施工要求的管线, 要及时进行加固或者清除处理。对于渗漏严重的管线, 且使用年限不长的, 可以采用灌浆加固的方法。
3) 采取科学合理的监测方法。检测方法主要有两种, 一种是间接测点;另一种是直接测点。直接测点是通过在管线周边埋设测量装置来测量管线沉降, 这种检测方法需要在不同的取样点进行开挖布设测量设备, 测量所需时间较长, 选样点是否合理直接影响到测量的精确性, 因此实际工作中很少采用这种方式。一般常用到综合管线监测方法, 即对部分关键管线进行直接监测, 对其他管线进行间接监测, 通过综合分析两种测量数据来提高测量的精确度, 保证管线沉降测量结果符合实际情况。
3 结论
1) 通过分析广州地铁12号线隧道施工发生的45起安全事故分析发现:地面塌陷达到15起, 占比达到33%;如果将因施工管理纰漏导致的20起事故排除在外, 地面塌陷事故占比将会高达67%, 由此可见, 地面塌陷是广州地铁施工事故中的主要安全影响因素。
2) 本文抽取了国内几大重要城市地铁施工安全事故数据, 发现隧道塌方事故主要有四种原因导致:恶劣的地质条件、管线渗漏水、地下复杂的地层结构以及施工现场管理纰漏。因管线渗漏水导致地面塌陷事故11起, 占比为38%;因不良地质条件导致地面塌方事故9起, 占比为31%。上述两种因素诱发的塌方事故占比达到69%, 可见不良地质条件和管线渗透是导致地铁隧道施工塌方事故的主要诱因。
3) 根据前面的数据统计结果, 本文将导致隧道施工塌方事故的原因归结三类: (1) 因人为施工后导致地层结构受到破坏形成的塌方; (2) 因地下恶劣的地质条件造成地层受力不均匀导致的塌方; (3) 因为管线损害渗透造成的塌方。前一种属于隧道施工直接导致地面塌陷, 后两种方式属于间接施工导致地面塌方。
4) 揭示了上述三种塌陷的成因和变化规律:第一种塌陷成因是因为人为施工活动破坏了地层受力平衡, 由于隧道处缺乏有效的支撑导致地面出现塌陷;第二种塌陷的成因是在施工过程中施工扰动下上覆地层不良地质体结构遭受毁坏, 主要是因为空洞断面的扩展或空洞间的中空地带导致上层地质结构遭受破坏, 从而引起空洞上方底层结构失衡造成地面塌方;第三种塌陷成因是因为人为扰动因素导致管线渗漏引发流沙导致地面塌陷。
最后, 本文针对两种最主要的引起城市地铁隧道施工地面塌陷的成因———不良地质体和管线渗漏水进行了深入分析, 针对其原理和演化规律进行了全面研究, 并提出了有效的解决方案和建议, 希望能够给国内隧道工程施工提供有益理论指导。
参考文献
[1]王立峰, 熊鹤鸣.广州地铁施工塌方事故原因分析及应对对策[J].上海交通大学学报, 2007, 41 (3) .
[2]和平高, 章力.刚性管线纵向应变安全研究[J].土木工程, 2008 (11) .
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