1、第九讲第九讲地面塌陷和地面沉降地面塌陷和地面沉降中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG插插入全入全国经济区国经济区城市群城市群规划图规划图片片优势的交通、地理和资源背后，存在着地面塌陷、地面沉降等问题，限制着经济区和城市群的发展。中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG2010.4.2 德国贝恩堡直径30m、深40m塌陷坑2010.4.8 广西贺州一水塘出现近20个塌陷坑2010.5.3 四川宜宾半月43个塌陷坑，最大直径60米2010.5.26 甘肃兰州高速路塌陷坑2010.5.27 湖南沅
2、陵人行道突然塌陷2010.5.28 湖北武汉徐东大街路面塌陷2010.5.30 四川成都大邑新场镇、崇州怀远镇连续多个天坑2010.5.31 危地马拉地面塌陷形成大坑深60m、径30m 2010.6.3 广西来宾地陷巨坑连成200m塌陷带2010.6.4 江西南昌昌南大道与迎宾北大道交叉口突然塌陷2010.6.4 浙江衢州高速公路巨坑直径8米、深10m. 地面塌陷地面塌陷中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG2009年年7月月22日，黑龙江鸡西鑫永丰煤矿地面塌日，黑龙江鸡西鑫永丰煤矿地面塌陷，引发矿井水灾。陷，引发矿井水灾。 黑龙江鹤岗煤矿，
3、开采黑龙江鹤岗煤矿，开采70多年来，已塌陷土地多年来，已塌陷土地41.97km2，搬迁房屋总建筑面积，搬迁房屋总建筑面积39.7104m2， 2000年年4月月6日，洪山区青菱乡烽火村地面塌陷。日，洪山区青菱乡烽火村地面塌陷。陷坑陷坑18个，最大陷坑长个，最大陷坑长63米、深米、深67米。倒塌，米。倒塌，有有16栋民房出现不同程度的开裂、破损。栋民房出现不同程度的开裂、破损。2008年年11月月15日杭州地日杭州地铁铁一一号线号线地面塌陷事故，造地面塌陷事故，造成成75米的路面陷落了米的路面陷落了15米，正在行米，正在行驶驶的十一的十一辆辆汽汽车车包括一包括一辆辆公交公交车车陷入坑陷入坑内内，
4、17人死亡，人死亡，4人失踪。人失踪。 中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG（一）（一）岩溶岩溶地面塌陷分地面塌陷分布布 岩溶塌陷主岩溶塌陷主要集中在扬要集中在扬子地台和华子地台和华北地台的碳北地台的碳酸盐岩分布酸盐岩分布区区 ，可分为，可分为南、北岩溶南、北岩溶塌陷高发区。塌陷高发区。地面塌陷地面塌陷中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG地面塌陷地面塌陷1 1、北方岩溶地面塌陷区、北方岩溶地面塌陷区 以大型宽缓的褶皱和断块构造为主，气候较干旱，降水量少，以大型宽缓的褶皱和断块构造为主，气
5、候较干旱，降水量少，岩溶发育程度不高，除古代的岩溶洞穴系统有部分残留外，岩溶发育程度不高，除古代的岩溶洞穴系统有部分残留外，现代现代岩溶主要以溶蚀裂隙为主岩溶主要以溶蚀裂隙为主。 岩溶地面塌陷大多集中在山区与平原的过渡地带岩溶地面塌陷大多集中在山区与平原的过渡地带，如辽宁省，如辽宁省的南部、山东的泰安、枣庄、莱芜、河北的唐山、秦皇岛柳江盆的南部、山东的泰安、枣庄、莱芜、河北的唐山、秦皇岛柳江盆地、江苏的徐州、安徽的淮南、淮北等地。地、江苏的徐州、安徽的淮南、淮北等地。 分布有古代岩溶塌陷的痕迹分布有古代岩溶塌陷的痕迹陷落柱陷落柱。华北地台曾经历。华北地台曾经历过多次构造运动，地下水的区域排泄基
6、准面也多次变迁，致使碳过多次构造运动，地下水的区域排泄基准面也多次变迁，致使碳酸盐岩地层形成大量的洞穴。酸盐岩地层形成大量的洞穴。中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG2 2、南方岩溶塌陷区、南方岩溶塌陷区 气候温热湿润，植被茂密，地质构造多为紧密的褶皱和密集的气候温热湿润，植被茂密，地质构造多为紧密的褶皱和密集的断块，断块，现代岩溶十分发育现代岩溶十分发育。 裸露岩溶区和半裸露岩溶区的面积占碳酸盐岩总面积的裸露岩溶区和半裸露岩溶区的面积占碳酸盐岩总面积的41.3%41.3%，主要分布于云南、贵州、四川、广西、湖南、江西、湖北等省。主要分布于
7、云南、贵州、四川、广西、湖南、江西、湖北等省。湖南省岩溶塌陷居全国之首，其次为广东省和广西壮族自治区，湖南省岩溶塌陷居全国之首，其次为广东省和广西壮族自治区，再其次为贵州、云南、四川。再其次为贵州、云南、四川。 矿山排水、开采地下水、水库蓄水等矿山排水、开采地下水、水库蓄水等人为干扰岩溶水流场的活人为干扰岩溶水流场的活动，是诱发岩溶地面塌陷的主导力量动，是诱发岩溶地面塌陷的主导力量。 地面塌陷地面塌陷中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG（二）矿山采空区地面塌陷的分布（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
8、形式。其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。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目前我国采矿业造成的地面塌陷主要分布在全国2020个省区市，个省区市，塌陷点总数达塌陷点总数达1713817138个，占全国各种类型地面塌陷总点数个，占全国各种类型地面塌陷总点数44.4%44.4%，其中湖南省为其中湖南省为1254912549个，再其次为内蒙古自治区个，再其次为内蒙古自治区28002800个，再其个，再其次分别为山西、黑龙江、安徽、河南等省。次分别为山西、黑龙江、安徽、河南等省。 地面塌陷地面塌陷中国地质大
9、学环境学院School of Environmental Studies-CUG 到2003年地面沉降 面 积 已 达 到93,855km2，形成长三角、华北平原、和汾渭盆地等地面沉降灾害严重区。地面沉降地面沉降中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG图 例沉降量大于2000mm沉降量5001000mm沉降量10002000mm沉降量小于500mm西安太原天津上海无锡唐海苏州常州杭州湖州阜阳沧州北京曲周绍兴宁波温岭温州南通泰州徐州衡水晋州石家庄大城任丘保定霸洲德州东营济宁菏泽许昌洛阳开封淮北宿州台北大同榆次临汾运城广州珠海海口昆明哈尔滨大庆福州
10、嘉兴扬州00200100300400500KM洪湖屏东云林台北云林屏东广州珠海海口我国发现地面沉降的主要城市我国发现地面沉降的主要城市地面沉降地面沉降中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG长江三角洲地面沉降现状图长江三角洲地面沉降现状图地面沉降地面沉降中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG上海市地面累积沉降量等值线上海市地面累积沉降量等值线图图（一九九六（一九九六二二一一年）年）地面沉降地面沉降中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG苏锡常地
11、区苏锡常地区2002年年地面沉降速率图地面沉降速率图 苏锡常地区至苏锡常地区至2002年年地面累计沉降量等值线图地面累计沉降量等值线图地面沉降地面沉降中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG华北平原地面沉降等值线图华北平原地面沉降等值线图地面沉降地面沉降中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG太原市累计地面沉降等值线图太原市累计地面沉降等值线图(19562000年年)大同市累计地面沉降等值线图大同市累计地面沉降等值线图(19881993年年)地面沉降地面沉降地面塌陷地面塌陷中国地质大学环境学院S
12、chool of Environmental Studies-CUG提 纲l一、概述l二、地面塌陷形成条件及发生机理l三、岩溶塌陷稳定性评价l四、地面塌陷的防治中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG一、概述一、概述u 地面塌陷地面塌陷 定义定义: :天然洞穴或人工洞室上覆岩土体失稳突然陷落，导致地面快速下沉、开裂的现象和过程。 地下存在空洞是地面塌陷发生的先决条件，地下空洞可分为天然洞穴和人工洞室两类。天然洞穴是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）。人工洞室是人工采掘活动所形成的，包括人防工程、
13、地铁、隧道、蚀洞和采矿形成的地下巷道系统。中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUGu 地面塌陷的危害地面塌陷的危害一、概述一、概述（一）破坏地面建筑、造成人员伤亡（一）破坏地面建筑、造成人员伤亡（二）损毁铁路、公路和水利设施（二）损毁铁路、公路和水利设施（三）破坏农田（三）破坏农田 （四）引发矿井水患（四）引发矿井水患 中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG二、地面塌陷的形成条件及发生机理二、地面塌陷的形成条件及发生机理l 地面塌陷的形成条件地面塌陷的形成条件（一）岩土体的内部条件（一）岩土体
14、的内部条件1 1、地下存在空洞、地下存在空洞2 2、洞穴围岩状况、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。点。是否发生塌陷取决于顶板能够形成稳定的支撑拱是否发生塌陷取决于顶板能够形成稳定的支撑拱。 中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG（二）岩土体的外部条件（二）岩土体的外部条件1 1、自然影响因素、自然影响因素（1 1）大气降水）大气降水l 使洞顶覆岩的含水层增大，自重
15、加大；使洞顶覆岩的含水层增大，自重加大；l 下渗水流会湿润裂隙面，降低岩石块体间的抗滑阻力。下渗水流会湿润裂隙面，降低岩石块体间的抗滑阻力。l 入渗的水流进入围岩中的宽大裂隙，形成动水压力和冲刷作用。入渗的水流进入围岩中的宽大裂隙，形成动水压力和冲刷作用。l 在岩溶地区，降水入渗对补给封闭岩溶洞穴，引起洞内气压变化，在岩溶地区，降水入渗对补给封闭岩溶洞穴，引起洞内气压变化，导致气爆发生，引发洞顶塌陷。导致气爆发生，引发洞顶塌陷。二、地面塌陷的形成条件及发生机理二、地面塌陷的形成条件及发生机理中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG（2 2）河、
16、湖近岸地带的侧向倒灌作用）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。含水介质。 河湖水位变动引起地下空腔内和上浮覆盖层水位的变化，河湖水位变动引起地下空腔内和上浮覆盖层水位的变化，引起岩土层潜蚀、气压变化等，促使地面塌陷发生。引起岩土层潜蚀、气压变化等，促使地面塌陷发生。（3 3）地震）地震 地震力引起洞顶覆岩及洞壁岩土体损伤，加剧变形；地震力引起洞顶覆岩及洞壁岩土体损伤，加剧变形； 当上覆松散饱水细粒物质时，易当上覆松散饱水细粒物质时，易“液化液化” ” 形成地面塌陷。形成地面塌陷。 二、地面塌
17、陷的形成条件及发生机理二、地面塌陷的形成条件及发生机理中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG2 2、人为活动的影响、人为活动的影响 人为激发活动主要表现在地面施加荷载、人为爆破和车辆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。对于岩溶地面塌陷，除上述振动、水库蓄放水的人工调节等。对于岩溶地面塌陷，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。水活动往往是引发地面塌陷最普遍的原因。 二、地面塌陷的形成条件
18、及发生机理二、地面塌陷的形成条件及发生机理中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG二、地面塌陷的形成条件及发生机理二、地面塌陷的形成条件及发生机理l 地面塌陷发生的机理地面塌陷发生的机理（一）矿山采空区地面塌陷的机理（一）矿山采空区地面塌陷的机理 l 第一阶段为掘进和回采的初期，存第一阶段为掘进和回采的初期，存在冒落带、断裂带和弯曲带在冒落带、断裂带和弯曲带 ；l 第二阶段为地裂缝发展阶段，仅存第二阶段为地裂缝发展阶段，仅存在冒落带和断裂带；在冒落带和断裂带；l 第三阶段为地面塌陷阶段，仅存在第三阶段为地面塌陷阶段，仅存在冒落带。冒落带。中国地
19、质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG1 1、潜蚀作用、潜蚀作用2 2、真空吸蚀效应、真空吸蚀效应3 3、压强差效应、压强差效应4 4、自重效应、自重效应5 5、浮力效应、浮力效应6 6、土体强度效应、土体强度效应、其他效应、其他效应 形成塌陷的原因很多，因地制宜，可能是一种原因为形成塌陷的原因很多，因地制宜，可能是一种原因为主导，也可能是多种因素综合作用的结果。主导，也可能是多种因素综合作用的结果。二、地面塌陷的形成条件及发生机理二、地面塌陷的形成条件及发生机理（二）岩溶地面塌陷的机理（二）岩溶地面塌陷的机理中国地质大学环境学院School of
20、 Environmental Studies-CUG 岩溶塌陷稳定性的评价包括：岩溶塌陷稳定性的评价包括：塌陷堆积体（简称塌陷体）、土洞塌陷堆积体（简称塌陷体）、土洞及浅埋岩溶洞隙及浅埋岩溶洞隙等三个方面的稳定性评价。等三个方面的稳定性评价。（一）塌陷体的（一）塌陷体的稳定性评价稳定性评价 塌陷体的稳定塌陷体的稳定性主要根据塌陷的性主要根据塌陷的微地貌特征、堆积微地貌特征、堆积物的性状及地下水物的性状及地下水埋藏与活动情况等埋藏与活动情况等因素进行定性评价因素进行定性评价见表。见表。三、岩溶塌陷稳定性评价三、岩溶塌陷稳定性评价中国地质大学环境学院School of Environmental
21、Studies-CUG（二）土洞稳定性的评价（二）土洞稳定性的评价 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。临界厚度之比。1成拱分析法（普罗特尼可夫塌落拱理成拱分析法（普罗特尼可夫塌落拱理论）论） 当洞隙顶板岩体被密集裂隙切割呈块当洞隙顶板岩体被密集裂隙切割呈块状或碎块状时，或处于松散层中的土洞，状或碎块状时，或处于松散层中的土洞，可认为顶板将成拱形塌落，而其上荷载及可认为顶板将成拱形塌落，而其上荷载及岩、土体则由拱自身承担。此时破裂拱高岩、土体则由拱自身承担。此时破裂拱高h 为：为：式中，式中，h 破裂拱高（安
22、全临界高度，破裂拱高（安全临界高度，m）；）； h0 洞隙高度（洞隙高度（m ）；）； b 洞隙宽度之半（洞隙宽度之半（m）；）； 内摩擦角（度）；内摩擦角（度）； f 坚固系数（普氏系数）；坚固系数（普氏系数）； R 岩石单轴饱和抗压强度（岩石单轴饱和抗压强度（M Pa）；）； n粘性土剪切面上的正压力；粘性土剪切面上的正压力； c 土的粘聚力。土的粘聚力。三、岩溶塌陷稳定性评价三、岩溶塌陷稳定性评价中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG2 2坍塌平衡法坍塌平衡法 土洞顶板土体的平衡条件（见图）是：式中，式中，G A B D C 土体自重；
23、土体自重； F 侧壁摩擦阻力；侧壁摩擦阻力； H 0 极限平衡时的顶板厚度（安全临界厚极限平衡时的顶板厚度（安全临界厚度）；度）； D 土洞跨度；土洞跨度； 土体密度；土体密度； 侧压力系数；侧压力系数； 内摩擦角。内摩擦角。三、岩溶塌陷稳定性评价三、岩溶塌陷稳定性评价中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG10101001101100113011.0511.15 1.20,1,31V KVVKKVVKKVF h VF hhhKVF h VF hhhK岩石的涨余系数土层 岩石 假设为柱体， 假设溶洞为圆柱体，坍塌体为锥体3顶板坍塌堵塞法顶板坍塌
24、堵塞法 对于顶板较破碎的洞隙或土洞顶板，在洞内无水流搬运迁移的情况下，坍落后对于顶板较破碎的洞隙或土洞顶板，在洞内无水流搬运迁移的情况下，坍落后其体积松胀，当坍塌到一定高度时，洞体将被完全堵塞，此时可认为洞体空间已被其体积松胀，当坍塌到一定高度时，洞体将被完全堵塞，此时可认为洞体空间已被支撑，不再向上扩展。其所需的坍塌高度（即安全临界高度）支撑，不再向上扩展。其所需的坍塌高度（即安全临界高度）h1 可估算如下：可估算如下：三、岩溶塌陷稳定性评价三、岩溶塌陷稳定性评价中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG（三）浅埋岩溶洞隙的稳定性评价（三）浅埋
25、岩溶洞隙的稳定性评价三、岩溶塌陷稳定性评价三、岩溶塌陷稳定性评价1 1、洞洞隙隙稳稳定定性性的的定定性性评评价价 中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG2 2、 洞隙稳定性的半定量评价洞隙稳定性的半定量评价（1 1）洞隙顶板的安全厚度评价）洞隙顶板的安全厚度评价 对于比较完整的微风化坚硬岩石组成的洞隙顶板，根据大量的洞隙地基工对于比较完整的微风化坚硬岩石组成的洞隙顶板，根据大量的洞隙地基工程实例调查统计，其安全厚度主要与洞跨有关，一般洞隙厚跨比程实例调查统计，其安全厚度主要与洞跨有关，一般洞隙厚跨比 ， 即为稳定安全。即为稳定安全。1hl（2
26、 2）结构力学近似分析法）结构力学近似分析法 按洞隙顶板抗弯厚度计算按洞隙顶板抗弯厚度计算 按板梁受力情况，其受力弯矩按下列情况计算：按板梁受力情况，其受力弯矩按下列情况计算： A A当顶板跨中有裂缝，顶板两端支座岩石坚固完整时，当顶板跨中有裂缝，顶板两端支座岩石坚固完整时，按悬臂梁计逄：按悬臂梁计逄： B B当裂隙位于支座处，而顶板较完整时，按简支梁计算：当裂隙位于支座处，而顶板较完整时，按简支梁计算： C C若支座和顶板岩石均较完整、裂隙胶结良好时，按两若支座和顶板岩石均较完整、裂隙胶结良好时，按两端因定梁计算：端因定梁计算：214Mql218Mql2112Mql三、岩溶塌陷稳定性评价三、
27、岩溶塌陷稳定性评价中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG抗弯验算：抗弯验算： （ 对于矩形梁：对于矩形梁： ）故故 MW26bhW 6 Mhb式中，式中，M M 弯矩（弯矩（kNkNm m）；）； q q 顶板所受总荷载，顶板所受总荷载，q q q1 q1 q2 q2 q3 q3 ； q1 q1 顶板厚为顶板厚为h h 的岩石自重（的岩石自重（kNkNm m）；）； q2 q2 顶板覆土层自重（顶板覆土层自重（kNkNm m）；）； q3 q3 顶板上附加荷载（顶板上附加荷载（kNkNm m）；）； l l 洞隙跨度（洞隙跨度（m m）；）；
28、 弯曲应力（弯曲应力（kPakPa）；）； 抗弯强度（抗弯强度（kPakPa），对灰岩一般取抗压强度的），对灰岩一般取抗压强度的1 110 10 0 0125 125 ； b b 梁板的宽度（梁板的宽度（m m）；）； h h 顶板岩层厚度（顶板岩层厚度（m m）。）。三、岩溶塌陷稳定性评价三、岩溶塌陷稳定性评价中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG 按洞隙顶板抗剪的安全厚度验算：按洞隙顶板抗剪的安全厚度验算： 由下列极限平衡条件计算顶板厚度由下列极限平衡条件计算顶板厚度h h ：rvFGUh f式中，式中，F F上部荷载传至顶板的竖向力（上
29、部荷载传至顶板的竖向力（kNkN）；）； G G 顶板岩土自重（顶板岩土自重（kNkN）；）； U U 洞体顶板处平面周长（洞体顶板处平面周长（m m）；）； f frvrv 顶板岩体的抗剪强度，对灰岩一般取抗压强度的顶板岩体的抗剪强度，对灰岩一般取抗压强度的0.06 0.06 0.13 0.13 （kPakPa）。）。 除上述计算公式外，应用于土洞稳定性评价的成拱分析法，坍塌平衡法除上述计算公式外，应用于土洞稳定性评价的成拱分析法，坍塌平衡法及坍塌堵塞法等计算公式，也可利用。及坍塌堵塞法等计算公式，也可利用。三、岩溶塌陷稳定性评价三、岩溶塌陷稳定性评价中国地质大学环境学院School of
30、Environmental Studies-CUG四、地面塌陷的防治四、地面塌陷的防治“以防为主、及时治理” （一）岩溶地面塌陷的防治（一）岩溶地面塌陷的防治1 1、岩溶地面塌陷灾害预防、岩溶地面塌陷灾害预防 （1 1）查明洞穴分布：）查明洞穴分布：区域地质区域地质遥感遥感物探物探钻探钻探划分危险区等级；划分危险区等级； （2 2）对已出现地面变形，但尚未塌陷的地点，要圈围）对已出现地面变形，但尚未塌陷的地点，要圈围出警戒区，及时撤离人员；出警戒区，及时撤离人员； （3 3）减少溶洞地下水变动；）减少溶洞地下水变动； （4 4）加强宣传教育、群测群防。）加强宣传教育、群测群防。中国地质大学环境
31、学院School of Environmental Studies-CUG四、地面塌陷的防治四、地面塌陷的防治2. 2. 岩溶地面塌陷的治理岩溶地面塌陷的治理 （1 1）清除填堵法）清除填堵法（2 2）跨越法）跨越法（3 3）强夯法）强夯法（4 4）钻孔充气法）钻孔充气法（5 5）灌注填充法）灌注填充法（6 6）深基础法）深基础法 （7 7）旋喷加固法）旋喷加固法 广西桂林榕城回填堵塞法治理岩溶地面塌陷铁道部门用扣轨梁跨越岩溶塌陷山东泰安车站用灌浆堵塞岩溶裂隙防治地面塌陷铁道部门用旋喷桩加固软土地基防治岩溶塌陷湖南白洋湾水库用卧管和烟筒通气法防治岩溶塌陷中国地质大学环境学院School of
32、Environmental Studies-CUG（二）采空区地面塌陷的防治（二）采空区地面塌陷的防治 1、采空区地面塌陷危害的预防、采空区地面塌陷危害的预防 （1 1）矿山开采前应结合开采方式、开采进度，运用采动理论）矿山开采前应结合开采方式、开采进度，运用采动理论估算不同开采期，地面变形的范围和程度，做出风险评估，必要估算不同开采期，地面变形的范围和程度，做出风险评估，必要时修改原有开采方式和流程。时修改原有开采方式和流程。 （2 2）要明确禁采区和限采区，对重要建筑物和城镇区，拿出）要明确禁采区和限采区，对重要建筑物和城镇区，拿出危害后果最小的开采方案。危害后果最小的开采方案。 （3 3
33、）对不同区块的地面变形进行监测预报，及时撤离人员。）对不同区块的地面变形进行监测预报，及时撤离人员。 （4 4）矿坑排水设计必须考虑地面塌陷。）矿坑排水设计必须考虑地面塌陷。 （5 5）改进井巷顶板管理方法，在条件允许的情况下，尽可能）改进井巷顶板管理方法，在条件允许的情况下，尽可能采用充填法。在一般情况下，应留有足够数量的保安矿柱。采用充填法。在一般情况下，应留有足够数量的保安矿柱。四、地面塌陷的防治四、地面塌陷的防治中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG 2. 采空区地面塌陷的治理采空区地面塌陷的治理 （1 1）对破坏的土地应进行整理、平
34、复。）对破坏的土地应进行整理、平复。 （2 2）危房改造必须到位，拆除严重损毁的房屋。）危房改造必须到位，拆除严重损毁的房屋。 （3 3）对进入充分采动阶段（冒落带发育到地表）的地段，土地）对进入充分采动阶段（冒落带发育到地表）的地段，土地整理工作至少应在塌陷后两年进行，由于残余变形将持续很长时间，整理工作至少应在塌陷后两年进行，由于残余变形将持续很长时间，这些地段短期内一般不宜建造永久性建筑物。对仍处于非充分采动这些地段短期内一般不宜建造永久性建筑物。对仍处于非充分采动阶段的地段，不宜开展正规的土地整理，以免前功尽弃，或采用钻阶段的地段，不宜开展正规的土地整理，以免前功尽弃，或采用钻孔灌注法
35、，填充地下空腔，使之达到稳定状态。孔灌注法，填充地下空腔，使之达到稳定状态。 四、地面塌陷的防治四、地面塌陷的防治地面沉降地面沉降中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG提 纲l一、概述一、概述l二、地面沉降形成机理及规律二、地面沉降形成机理及规律l三、地面沉降的调查与评价三、地面沉降的调查与评价l四、地面沉降监测与预测四、地面沉降监测与预测l五、地面沉降防治五、地面沉降防治中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG一、概述一、概述u 地面沉降地面沉降 定义定义: :地壳运动或开采地下流体引起的区
36、域性地面标高降低。 区别于地表塌陷、地裂缝区别于地表塌陷、地裂缝 世界上已有世界上已有 50 多个国家和地区发生了地面沉降，比较严重的国家多个国家和地区发生了地面沉降，比较严重的国家是美国、日本、墨西哥和意大利等。我国也有是美国、日本、墨西哥和意大利等。我国也有 50 多个大中城市出现多个大中城市出现了不同程度的地面沉降，较严重的有上海、天津、台北、苏州、常州、了不同程度的地面沉降，较严重的有上海、天津、台北、苏州、常州、无锡、宁波等。无锡、宁波等。中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG地面沉降的危害地面沉降的危害一、概述一、概述中国地质大学
37、环境学院School of Environmental Studies-CUG苏州防汛堤有三次明显加高 据统计，嘉兴市平均田面高程为 2.29m，水位每增加 10mm ，淹没面积增加 1.6 万亩。洪涝灾害加剧洪涝灾害加剧一、概述一、概述中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG洪涝灾害加剧洪涝灾害加剧河北平原地面沉降区宁波地面沉降区常年积水一、概述一、概述中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG建筑物受损建筑物受损2003年2月28日因地面不均匀沉降错断西安子午路2m粗的供水管道2002年12月
38、10因地面不均匀沉降错断西安翠华南路2米粗的供水管道一、概述一、概述中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG太原市太原市西安大雁塔西安大雁塔无锡市无锡市建筑物受损建筑物受损一、概述一、概述中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG建筑物受损建筑物受损太原市太原市江阴长泾江阴长泾西安长安路西安长安路一、概述一、概述中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG不均匀地面沉降加速了地铁隧道设施的磨损建筑物受损建筑物受损一、概述一、概述中国地质大学环境学院Sc
39、hool of Environmental Studies-CUG不均匀地面沉降加速了地铁隧道设施的磨损建筑物受损建筑物受损一、概述一、概述中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG海岸灾害加剧海岸灾害加剧天津市因地面沉降受风暴潮危害严重上海市因地面沉降致使防浪堤三次加高一、概述一、概述中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG二、地面沉降的形成机理及规律二、地面沉降的形成机理及规律u 饱水多孔介质的失水压密原理 太沙基有效应力原理太沙基有效应力原理Hhh= + =土 H = 水h=(+)+(-)
40、=中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUGu 垂直位移的变化二、地面沉降的形成机理及规律二、地面沉降的形成机理及规律垂直位移X地下水开采区集中开采井位置规律性：由沉降中心向周边方向逐渐减小图图3 垂直位移量的空间变化垂直位移量的空间变化中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG图图4 上海闵行区华漕地面沉降与地下水位变化发展趋势上海闵行区华漕地面沉降与地下水位变化发展趋势垂直位移量随着地下水位的降低而逐渐增大 二、地面沉降的形成机理及规律二、地面沉降的形成机理及规律中国地质大学环境学院School
41、 of Environmental Studies-CUG图图5 苏锡常地区地面沉降面积不断扩大苏锡常地区地面沉降面积不断扩大1985年年1991年年2000年年二、地面沉降的形成机理及规律二、地面沉降的形成机理及规律中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUGu 水平位移的变化图图6 在亚利桑那州皮卡乔附近，在亚利桑那州皮卡乔附近，因抽地下水的沉降引发地裂缝。因抽地下水的沉降引发地裂缝。图图7 河北沧州因开采地河北沧州因开采地下水而产生的地裂缝下水而产生的地裂缝二、地面沉降的形成机理及规律二、地面沉降的形成机理及规律中国地质大学环境学院Schoo
42、l of Environmental Studies-CUG图图8 水平位移量的空间变化水平位移量的空间变化X集中开采井位置地下水开采区水平位移规律性：最大位移在沉降中心的两侧，沉降中心及最外围较小二、地面沉降的形成机理及规律二、地面沉降的形成机理及规律中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG图图9 地面破坏的表现形式地面破坏的表现形式剪切破坏拉张破坏二、地面沉降的形成机理及规律二、地面沉降的形成机理及规律中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUGu 抽水对地面沉降的影响（1 1）抽水量的影响）抽
43、水量的影响规律性：抽水量越大，沉降量、沉降速率和沉降范围越大。图图10 10 抽水量对地面沉降的影响抽水量对地面沉降的影响QqQ2Q1Q1Q2二、地面沉降的形成机理及规律二、地面沉降的形成机理及规律中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUGu 抽水对地面沉降的影响（2 2）抽水方式的影响）抽水方式的影响连续抽水，抽水量恒定，补给充沛连续抽水，抽水量恒定，补给不足 间断抽水，抽水量恒定 间断抽水，抽水量不定 二、地面沉降的形成机理及规律二、地面沉降的形成机理及规律中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-C
44、UG卸荷加荷e图图11 11 土体反复受压缩过程土体反复受压缩过程二、地面沉降的形成机理及规律二、地面沉降的形成机理及规律中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG（3 3）开采布局的影响）开采布局的影响Q1QQ2Q3Q=Q1+Q2+Q3图图12 12 不同的开采布局对地面沉降的影响不同的开采布局对地面沉降的影响u 抽水对地面沉降的影响二、地面沉降的形成机理及规律二、地面沉降的形成机理及规律中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUGu 地层对地面沉降的影响（1 1）地层岩性的影响）地层岩性的影响图图
45、13 13 不同的地层岩性对地面沉降的影响不同的地层岩性对地面沉降的影响QQQ规律性：砂砾层的压缩量小于等有效应力作用下粘性土的压缩量。二、地面沉降的形成机理及规律二、地面沉降的形成机理及规律中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUGu 地层对地面沉降的影响（2 2）地层厚度的影响）地层厚度的影响图图14 14 不同的地层岩性对地面沉降的影响不同的地层岩性对地面沉降的影响QQ规律性：粘性土的累积厚度越大，压缩总量越大二、地面沉降的形成机理及规律二、地面沉降的形成机理及规律中国地质大学环境学院School of Environmental Stud
46、ies-CUGu 地层对地面沉降的影响（3 3）地层组合的影响）地层组合的影响图图15 不同的地层组合对地面沉降的影响不同的地层组合对地面沉降的影响QQ规律性：在同等开采条件下，粘性土层数越多，沉降速率越大。二、地面沉降的形成机理及规律二、地面沉降的形成机理及规律中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUGQ图图16 16 在某些情况下地下水开采漏斗区与地面沉降中心并不一致在某些情况下地下水开采漏斗区与地面沉降中心并不一致二、地面沉降的形成机理及规律二、地面沉降的形成机理及规律中国地质大学环境学院School of Environmental St
47、udies-CUG三三、地面沉降的调查与评价、地面沉降的调查与评价l 地质环境条件；地质环境条件；l 人类工程经济活动的方式、强度；人类工程经济活动的方式、强度；l 地面沉降现状与发生发展历史；地面沉降现状与发生发展历史；l 分析预测沉降发展趋势及可能的成灾范围；分析预测沉降发展趋势及可能的成灾范围；l 了解地面沉降勘查、监测和防治现状（人工回灌、控了解地面沉降勘查、监测和防治现状（人工回灌、控制地下水开采量等措施）及效果，提出预防与控制地制地下水开采量等措施）及效果，提出预防与控制地面沉降的建议。面沉降的建议。中国地质大学环境学院School of Environmental Studies
48、-CUG长江三角洲（长江以南）地下水资源与长江三角洲（长江以南）地下水资源与地质灾害调查评价（地质灾害调查评价（1：25万）万）南京地质矿产研究所江苏省地质调查研究院上海市地质调查研究院浙江省地质调查研究院三三、地面沉降的调查与评价、地面沉降的调查与评价江苏省江苏省浙江省浙江省总面积总面积30340km2 ，海拔海拔高度高度35m, 环太湖地带环太湖地带12m，沿江，沿江68m 中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUGv长江三角洲平原第四纪地质特征 厚度大，变化迅速厚度大，变化迅速 第四系厚度160210米，自西向东、自南向北厚度增大；上海浦东
49、第四系厚度250米左右；苏锡常地区第四系相对较薄，厚度变化大，第四系厚度100200米，地下潜山分布区仅6080米。 成因类型多，沉积相变快成因类型多，沉积相变快 海相、海陆过渡相、冲积相、冲洪积相、湖相和湖沼相 历经破坏，难以对比历经破坏，难以对比 经历了长江大沉积、大破坏的形成过程，保留下来的第四系已非连续沉积，加大了建立第四纪地层层序、进行区域第四系划分对比的难度。 地质环境条件调查中国地质大学环境学院School of Environmental Studies-CUG充分收集、分析区内钻孔资料、物探资料；有针对性地部署了有针对性地部署了6 6个第四系综合测试孔，系统采集了古地磁个第四
50、系综合测试孔，系统采集了古地磁测试、孢粉、微体古生物分析、测试、孢粉、微体古生物分析、1414C C测年、测年、ESRESR测年、热释光测年、测年、热释光测年、粒度分析、重矿物、碳酸盐等样品，建立了依据较充分的第四系粒度分析、重矿物、碳酸盐等样品，建立了依据较充分的第四系基准孔。基准孔。由多个基准孔带动区内各类钻孔第四纪地层的划分和对比。由多个基准孔带动区内各类钻孔第四纪地层的划分和对比。在对第四系沉积结构新认识的基础上，进一步完善了区内含水在对第四系沉积结构新认识的基础上，进一步完善了区内含水层组的划分和对比，确定地下水资源评价的边界条件。层组的划分和对比，确定地下水资源评价的边界条件。 前
