地面塌陷成因及其防治对策的研究

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  摘要:2010年8月21日,辽宁省海城市牌楼镇庙沟村发生了三处地面塌陷,对当地居民的生命和财产安全造成了威胁。地面塌陷已成为威胁城市建设和人民生命财产安全的主要地质灾害之一,而对于地面塌陷的成因和防治措施的研究,将会是资源性城市发展过程中必须要考虑和解决的课题。本文分析了导致庙沟村地面塌陷发生的成因,并提出了相应的防治对策。
  关键词:地面塌陷成因防治对策
  Abstract:On August 21, 2010, three ground collapses occurred,which was a threat to the safety of life and property of local residents in Miaogou Village of Haicheng city, in Liaoning province. The ground collapse has been one of the major geologic hazards in the threat of urban construction and people's lives and property, and study about the ground collapse will be the subject which the future urban development must be faced and resolved. This paper analyzed the causes that lead to the occurrence of ground collapse in Miaogou Village, and the prevention measures were put forward.
  Keywords:Ground collapse Cause of formationPrevention measure
  中图分类号:TU767+.4文献标识码: A
  1 引言
  地面塌陷是与其所处的地质环境和地质作用等因素密切相关的,是指地表岩体和土体在自然或人为因素的作用下,向下陷落,并在地面形成塌陷坑洞的一种地质现象[1]。当地面塌陷发生在人类活动区域或造成生命财产的损失时,这一现象就会成为地质灾害。由于城市化进程的加快,人类对资源的需求越来越大,固体矿产和地下水的开采不断加剧,以及城市地下工程的频繁施工,对地质环境造成了巨大的破坏,在外应力条件下,很容易造成地面塌陷的发生。
  近年来,城市地面塌陷现象频发,不仅阻碍了城市化进程的发展,还造成了巨大的经济损失和人员伤亡。据统计,广州自1990年以来发生地面塌陷60余次,直接经济损失达8000万元以上[2];北京从2005到2010年间共发生地面塌陷达150多次[1];内蒙古地区截止到2000年底,发现的塌陷共有197 处,造成的经济损失高达2. 146亿元[3];地面塌陷已成为威胁城市建设和人民生命财产安全的主要地质灾害之一。因此,对于地面塌陷的成因和防治措施的研究,将是未来城市化发展过程中必须要考虑和解决的课题。本次以2010年8月21日发生在辽宁省海城市牌楼镇庙沟村的三处地面塌陷为例,对于地面塌陷的成因和防治措施进行初步探讨,提出相应的防治措施。
  2 研究区地质环境背景
  2.1 研究区地理位置
  研究区位于辽宁省海城市牌楼镇庙沟村。该区是我国的老海城镁矿区,采矿业发达,交通十分便利。
  2.2 地形地貌特征
  研究區位于山谷交汇处冲积平原地带,地势呈东南高、西北低,属东部山区低山丘陵区过渡段,山山相连,沟谷交错,海拔高程位于212.5~67.5m之间。
  2.3 水文气象特征
  研究区位于暖温带季风气候区。春暖秋爽,夏热冬寒,春季偏旱,少雨多风,蒸发量大;夏季多东南风,气候炎热,湿润多雨;秋季短,降温快,气候凉爽;冬季冷,降雪少,降水主要集中在7和8月份,研究区内季均降雨量约400mm。海城市的年温差和日温差都较大,对岩石的热胀冷缩和加速风化起到不可忽视的作用。
  研究区有溪流庙沟河穿过。庙沟河发源于马家堡子,流经本区,横穿王家堡子矿段西段,而后沿下盘黑云母片岩向东流出,汇入下房身河。庙沟河主要由大气降水和基岩裂隙水补给,平时流量不大,但暴雨条件,洪峰流量迅速增大,洪峰径流量达21988.8m3/d。
  2.4 地层岩性
  研究区出露的地层主要为下元古代辽河群大石桥岩组二段、三段及第四系(Q)土层。区内大理岩发育,主要为白云大理岩、菱镁矿夹菱镁大理岩及少量闪透白云大理岩、方解石大理岩,第四系(Q)土层多为冲洪积物组成的粉质粘土、细砂、砂砾石及砾石层等。
  2.5 地质构造
  研究区共有两条构造断裂带经过,其中一条长约80m,走向NE,倾向NW,另一条长约160m,走向NW,倾向NE。研究区位于地震烈度Ⅵ度,其设计基本地震加速度为0.10g,属高烈度地区。
  2.6 地下水发育特征
  研究区地下水丰富,多为松散岩类孔隙水和碳酸盐岩类裂隙、岩溶水。其中第四系松散岩类孔隙水多埋藏于河谷平原,山间谷地等较低部位的松散岩层中,垂直方向上接受大气降水的补给,而侧向则由山区基岩裂隙水来补给,近河地段与河水有着明显的水力联系。研究区富镁碳酸盐岩发育,故雨水的溶蚀作用较强,岩溶地貌发育,岩溶裂隙水也较为丰富。
  2.7 人类工程活动
  研究区内人类工程活动强烈,主要以采矿、房屋建筑和道路施工为主,而镁矿的开采对环境影响最大。其中牌楼镁矿和富源镁矿均为露天开采,海鹰镁矿为井下开采,这些对该区地质环境的破坏极大,在海鹰矿区以及形成了多处地面塌陷,造成了较大经济损失。
  3 研究区地面塌陷概况
  研究区共发现3处地面塌陷:1#塌陷坑(见图3-1)位于庙沟村休闲广场附近的村民院内,塌陷坑直径约为3m,深度达7m以上,呈漏斗状;2#塌陷坑位于1#塌陷坑的西南方院墙外小路边上,直径约为3m,最大深度约为3.5m;3#塌陷坑则位于2#塌陷坑的南侧庄稼地里,直径约1.5m,较浅,深度约为0.3m,洞口呈圆形。
  
  图3-11#塌陷坑
  4 研究区地面塌陷的成因分析
  影响地面塌陷的因素有很多,其中人类地下开采活动造成的采空区是形成地面塌陷的主要原因,而其他外力作用如降雨、自然重力、过量抽排地下水等则是诱发因素。
  4.1 采空区稳定性分析
  采空区的面积大小反映了地下的开挖程度,也决定了地面塌陷发生的可能性的大小[5]。研究区地下存在有两条平行巷道,分布在露天采矿场到庙沟村休闲广场南侧这一段。平行巷道长约110m,宽约为10m,高度约为5.7~8.5m,平均高约7.1m,中间有6m的宽矿柱。研究区内的采空区总面积约为4917m2,塌陷1#位于巷道北侧岩溶区,塌陷2#位于岩溶区和采空区临界位置,塌陷3#位于巷道正上方,采空区分布范围较广,面积也较大,其深度也有加大的趋势。
  该采空区顶板岩层厚度19-27m、冒落区顶板岩层厚度14-19m(均含第四系)。岩性主要有两种,菱镁大理岩和蛇纹石化大理岩,岩溶发育。根据岩石力学试验抗压强度 31~178MPa,属坚硬岩。但是由于有公路并且有超重载重汽车通过,并且不断有放炮震动影响,因此对坑道顶板进行验算。
  结合力学试验成果分析对巷道顶板进行稳定性验算,结果如下:
  根据《工程地质手册》,当建筑物已建在巷道上部时,可按式(1-1)验算地基的稳定性
  
  
  ……………………(1-1)
  
  
  式中:
  H0为巷道顶板的埋藏临界深度,m;
  B 为巷道高度,m。10m;
  γ为顶板岩体容重,KN/m3。菱镁大理岩和蛇纹石化大理岩取27.7~29.9 kN/m3;
  φ为内摩擦角,°。45~52°;
  P0为附加应力,KPa。取149 KPa(包括土附加应力和车载附加应力)。
  φ =45°时,按坑道宽10m,γ=27.7kN/m3,H0=63.78m;
  φ =45°时,按坑道宽10m,γ=29.9kN/m3,H0=63.44m;
  φ =52°时,按坑道宽10m,γ=27.7kN/m3,H0=70.1m;
  φ =52°时,按坑道宽10m,γ=29.9kN/m3,H0=69.72m;
  从安全的角度出发,实际采空区宽10m时的H0最大值,即63.78m,1.5倍 H0为95.67m。当采空区顶板小于H0(63.88m)时,顶板不稳定;
  当采空区顶板大于H0(63.88m)时而小于1.5 H0(95.67m)时,顶板稳定性差;当采空区顶板大于1.5 H0(95.67m)时,顶板稳定;
  根据以上不稳定的基本条件分析和依照坑道顶板稳定性验算结果,本次地面塌陷地段可以确认为不稳定或稳定性差,需要进行治理。
  4.2大气降水的影响
  由于2010年汛期雨量较大,且持续时间较长,加大塌陷区顶板自重的同时也导致塌陷区孔隙水压力及地应力结构不断发生改变,成为导致顶板失稳形成地面塌陷的诱发因素。
  4.3 地下水作用的影响
  为保证矿体开采,在洞口处抽排地下水。连续长时间的抽排研究区矿坑的地下水,在含水层裂隙岩溶与采空区之间形成渗水通道,导致该区地下水流场发生变化,形成以矿洞为中心的降落漏斗,导致该区地下水作用相对较高。特别是上覆第四系与基岩面以下采空区之间通过裂隙直接或间接连通,在地下水作用加大的条件下,局部第四系被夹带至空洞中,导致第四系下部形成土洞,使其地应力变化失稳,成为地面塌陷形成的主要因素。
  4.4岩溶区的影响
  研究区地层以大理岩为主,受降雨的溶蚀作用强烈,地下溶蚀现象发育,该区内的岩溶发育面积约为1200m2。地下溶洞直径约为1~5m,平均埋深在15m左右,局部埋深较浅,仅为0.2m。
  岩溶的发育反映了地下的空旷程度,岩溶的埋深则间接反映了塌陷区的形成位置及规模[6],进而决定了发生地面塌陷的可能程度。
  4.5 塌陷成因分析
  由于研究区主体为巷道采空区,规模较大,顶板埋深较浅,经计算不能满足顶板稳定性要求;采空区背离洞口方向水位较高,不断向洞口处补给,加之洞口处不断对地下水进行疏干,并且2010年汛期降雨量较大,加速了地下水的径流与疏干,并且岩溶区和采空区相邻,地下水径流的同时不断夹带顶板风化物进入坑道内,使顶板地应力不断改变,最终导致顶板的失稳进而产生地面塌陷。
  5 地面塌陷的防治对策
  地面塌陷是与高度发达的经济相耦合,这必然会放大灾害的破坏效应,因此防治地面塌陷为当务之急[4]。当前对于地面塌陷的防治原则主要为以防为主、防治结合,首先应对未发生地面塌陷的地区进行预防,以防灾害的发生,而对已经发生灾害的地区,应及时进行治理,以防灾害进一步扩大。
  (1)对未发生地面塌陷的地区进行详细的勘察,根据勘察结果来制定预防措施。首先停止使用可能出现塌陷的高危险区内的建筑物并进行搬迁;而拟建建筑物应避开易产生塌陷的危险区;对于轻度危险区应进行治理。
  (2)加强采矿区的监管工作。在地下开矿的同时应做好支护措施,以防上覆土层承载力下降而发生塌陷。此外矿坑的抽排水方式应进行合理的设计和选择,保证排水时,矿坑附近的地下水位缓慢变化,保证地下水位保持在一定的范围内,以防地下水位变化过快,导致表层土失稳而形成塌陷。
  (3)对采空区进行填充,对巷道内重要位置(如公路下方)采取混凝土浇筑的治理方式,在支撑地表公路的同时还可以封堵坑道的地下水,以防地下水泄露导致塌陷坑的进一步扩大,该工艺采用地面大孔径混凝土浇筑(选取顶板最高点布设浇筑孔),洞内支模板振捣,治理效果良好。此外,在巷道主体部分应采取大孔径投料、高压注浆密实的处理方法进行治理,该治理方法简单便于操作,但投料颗粒级配及注浆压力是重点与难点;对岩溶区采用高压注浆进行密实处理的同时可采用振冲碎石桩进行置换、振动密实处理,该治理方法加固效果良好,对于处理松软地层有较好加固作用,但是该治理方法需要较大的作业空间及排污场地,预计治理后单桩承载力可达40t,完全达到加固效果。
  (4)对于已经发生地面塌陷的地区,应禁止继续大量的抽取地下水,以防灾害的扩大。
  6 结论
  近年来,随着城市化进程的不断加快,资源的过度开采,地面塌陷地质灾害频发,地面塌陷已成为威胁城市建设和人民生命财产安全的主要地质灾害之一。因此,对于地面塌陷的成因和防治措施的研究,将会是未来城市化发展过程中必须要考虑和解决的课题之一。
  (1)研究区地面塌陷的发生主要受采空区和地下溶洞的影响,采空区的面积、岩溶的发育程度以及岩溶的埋深,都决定了发生地面塌陷的可能程度。其他因素,如降雨的强度和持续时间、地下水位的升降、地貌特征以及人为的地面动荷载等,也会对地面塌陷的发生起着一定的作用和影响。而连续长时间的抽排研究区矿坑的地下水,是导致此次的地面塌陷发生的诱发因素之一。
  (2)当前对于地面塌陷的防治原则主要为以防為主、防治结合的方针,对未发生地面塌陷的地区进行预防,以防灾害的发生,而对已经发生灾害的地区,应及时进行治理,以防灾害进一步扩大。
  
  参考文献
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  [4]张泰丽等.南京市地面塌陷发育特征及防治对策[J].中国安全科学学报,2011,21(3):3~8.
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