巖溶塌陷的災(zāi)情評(píng)價(jià)及防治措施

1、吉林大學(xué)精品課 >專門水文地質(zhì)學(xué) >教材 >> 專門水文地質(zhì)學(xué)§ 13.2巖溶塌陷的災(zāi)情評(píng)估及防治措施一、巖溶塌陷的概念及產(chǎn)生原因巖溶地面塌陷是指覆蓋在溶蝕洞穴之上的松散土體，在外動(dòng)力或人為因素作用下產(chǎn)生的突發(fā)性地面變形破壞，其結(jié)果多形成圓錐形塌陷坑。巖溶地面塌陷是地面變形破壞的主要類型，多發(fā)生于碳酸鹽巖、鈣質(zhì)碎屑巖和鹽巖等可溶性巖石分布地區(qū)。激發(fā)塌陷活動(dòng)的直接誘因除降雨、洪水、干旱、地震等自然因素外，往 往與抽水、排水、蓄水和其他工程活動(dòng)等人為因素密切相關(guān)，而后者往往規(guī)模大、突發(fā)性強(qiáng)、危害也就大。巖溶地面塌陷發(fā)現(xiàn)于碳酸鹽巖分布區(qū)，其形成受到環(huán)境和人類活動(dòng)的雙

2、重影響。1. 可溶巖及巖溶發(fā)育程度可溶巖是由巖溶地面塌陷形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，而巖溶洞穴的存在則為地面塌陷提供了必要的空間條件。大量塌陷事件表明，塌陷主要發(fā)生在覆蓋型巖溶和裸露型巖溶分布區(qū)，部分發(fā)育在埋藏型巖溶分布區(qū)。溶穴的發(fā)育和分布受巖溶發(fā)育條件的制約，一般主要沿構(gòu)造斷裂破碎帶、褶皺軸部張裂隙發(fā)育帶、質(zhì)純層厚的可溶巖分布地段、與非可溶巖接觸地帶分布。巖溶的發(fā)育程度和巖溶洞穴的開啟程度，是決定巖溶地面塌陷的直接因素，可溶巖洞穴和裂隙一方面造成巖體結(jié)構(gòu)的不完整，形成局部的不穩(wěn)定；另一方面為容納陷落物質(zhì)和地下水的強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)提供了充分的 空間條件。一般情況下，巖溶越發(fā)育，溶穴的開啟性越好，洞穴的規(guī)模越大，則

3、巖溶地面塌 陷也越嚴(yán)重。2. 覆蓋層厚度、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)松散破碎的蓋層是塌陷體的主要組成部分，由基巖構(gòu)造成的塌陷體在重力作用下沿溶 洞、管道頂板陷落而成的塌陷為基巖塌陷。塌陷體物質(zhì)主要為第四系松散沉積物所形成的塌陷叫土層塌陷。據(jù)南方十省區(qū)統(tǒng)計(jì)，土層塌陷占塌陷總數(shù)的96.7%。3. 地下水運(yùn)動(dòng)地下水運(yùn)動(dòng)是塌陷產(chǎn)生的動(dòng)力條件主要?jiǎng)恿Α５叵滤牧鲃?dòng)及其水動(dòng)力條件的改變是巖溶塌陷形成的最重要?jiǎng)恿σ蛩?，地下水徑流集中和?qiáng)烈的地帶，最易產(chǎn)生塌陷，這些地帶有：(1) 巖溶地下水的主徑流帶;(2) 巖溶地下水的(集中)排泄帶；(3) 地下水位埋藏淺、變幅大的地帶(地段)；(4) 地下水位在基巖面上下頻繁波動(dòng)的地段

4、；(5) 雙層(上為孔隙、下為巖溶)含水介質(zhì)分布的地段，或地下水位急劇變化的地段；(6) 地下水與地表水轉(zhuǎn)移密切的地段。地下水位急劇變化帶是塌陷產(chǎn)生的敏感區(qū)，水動(dòng)力條件的改變是產(chǎn)生塌陷的主要觸發(fā)因素。水動(dòng)力條件發(fā)生急劇變化的原因主要有降雨、水庫蓄水、井下充水、灌溉滲漏、嚴(yán)重干旱、礦井排水、強(qiáng)烈抽水等。此外，地震、附加荷載、人為排放的酸堿廢液對(duì)可溶巖的強(qiáng)烈溶蝕等均可誘發(fā)巖溶地面 塌陷。二、巖溶塌陷勘查及預(yù)報(bào)(一) 勘查工作內(nèi)容的一般要求(1) 查明巖溶塌陷的發(fā)育現(xiàn)狀、歷史過程及其危害性。(2) 確定巖溶塌陷的成因、類型、形成條件和地質(zhì)模式，研究其分布規(guī)律。(3) 確定巖溶塌陷發(fā)育的動(dòng)力因素，研究

5、其動(dòng)態(tài)特征及其與塌陷的相關(guān)關(guān)系。(4) 確定巖镕塌陷的機(jī)制及其臨界條件。(5) 研究巖溶塌陷綜合評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)和信息管理系統(tǒng)，評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性。(6) 確定巖溶榻陷的前兆現(xiàn)象與監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)方法，研究預(yù)警措施。(7) 研究巖溶塌陷的防治工程方案和措施。(二) 勘查區(qū)巖溶環(huán)境調(diào)查研究目的是了解勘查區(qū)所處的巖溶工程地質(zhì)環(huán)境的特征及其組成要素的分布規(guī)律，以保證勘查工作的質(zhì)量。調(diào)查研究方法主要是綜合分析研究已有助各種資料，必要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充的路線調(diào)查。調(diào)查研究范圍以達(dá)到上述目的為原則，一般應(yīng)包括一個(gè)完整的水文地質(zhì)單元。調(diào)查研究的主要內(nèi)：1. 地形地貌調(diào)查研究山川形態(tài)與走勢(shì)， 地形切割起伏特征， 地表水文網(wǎng)的配置格局， 夷

6、平面和階地 的發(fā)育特征和分布高程， 地貌成因類型與形態(tài)特征， 各地貌單元的分布， 組成物質(zhì)與形成時(shí) 代等。著重調(diào)查巖溶地貌形態(tài)的成因類型和形態(tài)組合類型及其分布。2. 氣象與水文(1) 氣象要素中著重調(diào)查降水特征，包括多年長(zhǎng)周期豐、貧水年變化特征，多年平均降水量，年降水量分布特征，單次最大降水量及持續(xù)時(shí)間，最大降水強(qiáng)度(以小時(shí)計(jì))等。(2) 水文要素包括地表匯流面積，徑流特征，河、湖及其它地表水體(包括季節(jié)性淹沒的洼地)的流量和水位動(dòng)態(tài)，包括最高洪水位和最低估水位及出現(xiàn)日期和持續(xù)時(shí)間，汛期洪水頻率及變幅等。3. 地層調(diào)查研究組成地質(zhì)環(huán)境的地層層序及時(shí)代、成因類型、巖性巖相特征與接觸關(guān)系及其工程地

7、質(zhì)特征。其中，側(cè)重對(duì)碳酸鹽巖及其它可溶巖和第四系松散沉積物的調(diào)查研究，(1) 對(duì)碳酸鹽巖及其它可溶巖，調(diào)杏研究其巖石成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，非可溶巖夾層的巖性、厚度與分布，劃分巖溶層組類型。(2) 對(duì)第四系松散沉積物， 調(diào)查研究其巖性結(jié)構(gòu)、 沉積年代和成因類型及其厚度與分布。注意調(diào)查紅粘土、軟土及其它特殊土類的巖性成分、結(jié)構(gòu)、厚度及埋藏分布條件、根據(jù)上述特征劃分其巖性、結(jié)構(gòu)類型，一般可作如下劃分： 均一結(jié)構(gòu)：均一粘性土層或均一砂土層。由單一土層組成，其中夾層的單層厚度小于I m,累計(jì)厚度小于總厚度的10%。的兩種巖性土層或兩種不同時(shí)代、不同成因類型的土層組成。 多層結(jié)構(gòu)：雙層狀粘性土 -砂礫石層或雙層

8、狀砂礫石 -粘性土層，由同一成因類型的兩 種巖性土層或兩種不同時(shí)代、不同成因類型的土層組成。 多層結(jié)構(gòu)：多層狀粘性土夾砂礫石層或多層狀粘性土、砂礫石層。由同一成因類型的多種巖性土層或多種不同時(shí)代、不同成因類型的土層組成。4. 地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查研究區(qū)域構(gòu)造骨架與構(gòu)造線方向，主要構(gòu)造的形態(tài)特征、產(chǎn)狀、性質(zhì)、規(guī)模與分布，其形成時(shí)期與組合關(guān)系。著重調(diào)查斷裂構(gòu)造、其規(guī)模、產(chǎn)狀、力學(xué)性質(zhì)、組合與交切關(guān)系， 以及破碎帶的性狀與特征。對(duì)節(jié)理裂隙，要注意調(diào)查其在不同構(gòu)造部位、不同巖性中的發(fā)育特征與發(fā)育方向，著重調(diào)查裂隙密集帶的發(fā)育與分布。5. 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地震(1) 調(diào)查研究新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)與特征。根據(jù)地震活動(dòng)性、

9、地形變特征、地貌差異及水 熱活動(dòng)等跡象判定活動(dòng)性斷裂，注意調(diào)查其產(chǎn)狀規(guī)模和破碎帶特征，切割的最新地層及最新充填情況，判明其活動(dòng)時(shí)期、活動(dòng)特點(diǎn)及強(qiáng)度。著重調(diào)查構(gòu)造現(xiàn)今活動(dòng)跡象，根據(jù)地形變資料，分析現(xiàn)今活動(dòng)特征。(2) 搜集歷史地震資料，了解震中位置與震級(jí)，分析評(píng)價(jià)地震活動(dòng)水平。搜集附近地震臺(tái)站測(cè)震資料，了解地震活動(dòng)規(guī)模及其與區(qū)域構(gòu)造的關(guān)系。著重調(diào)查歷史上破壞性地震所引起的各種地震效應(yīng)，調(diào)查研究與塌陷有關(guān)的各種現(xiàn)象，如噴砂、冒水、地面開裂、塌陷、砂 土液化、地下水位驟然升降的異常變化等、6 巖溶發(fā)育特征(1) 調(diào)查研究巖溶的形態(tài)、規(guī)模、組合特征及其分布，統(tǒng)計(jì)分析不同條件下巖溶發(fā)育密度。分析研究巖溶

10、發(fā)育與巖溶層組類型、構(gòu)造、地貌及地下水動(dòng)力條件的關(guān)系，了解巖溶發(fā)育與分布規(guī)律。(2) 以巖溶層組類型及巖溶地貌特征為基礎(chǔ)，結(jié)合地表巖溶形態(tài)、巖溶率及蓄水性等指標(biāo)，評(píng)價(jià)巖溶的發(fā)育程度，一般可劃分為強(qiáng)、中、弱三級(jí)。(3) 對(duì)覆蓋巖溶區(qū)、著重調(diào)查研究淺層巖溶洞隙的發(fā)育特征，包括其形態(tài)、規(guī)模、組合特征、連通情況及充填狀況，分析研究強(qiáng)巖溶發(fā)育帶在平面上的分布和剖面上的發(fā)育深度。注意調(diào)查研究隱伏于松散覆蓋層之下的巖溶形態(tài)及其分布特征如漏斗、洼地、槽谷等，分析研究其與淺層巖溶發(fā)育的關(guān)系7 巖溶水文地質(zhì)條件(1) 調(diào)查研究巖溶地下水的類型及其特征巖溶地下水總體上具有賦存狀態(tài)復(fù)雜(集中管道狀或分散網(wǎng)絡(luò)狀)，動(dòng)態(tài)

11、變化迅猛，徑流通暢，流態(tài)多變的特點(diǎn)。這些特征在不同的地區(qū)，由于其補(bǔ)、徑、排條件的不同又有明顯的差異。影響補(bǔ)、徑、排條件的因素除了地質(zhì)構(gòu)造外，主要是受地貌，即碳酸鹽巖的出露條件、地形切割程度及水文網(wǎng)的配置格局所控制，不同的地貌類型具有不同巖溶地下水特征。據(jù)此可將巖溶地下水劃分為三種類型：巖溶山地(棵露型巖溶)的巖溶地下水，巖溶平原、盆地、谷地(覆蓋型巖溶)的巖溶地下水和河湖近岸地帶的巖溶地下水。(2) 調(diào)查研究巖溶水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查研究各巖溶含水層組的層位、巖性、 含水介質(zhì)類型、富水性及水化學(xué)特征，其埋藏 和分布條件，其相互間的水力聯(lián)系及與第四系孔隙水和地表水體的關(guān)系，分析研究巖溶水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的類

12、型及特征。(2)調(diào)查研究巖溶水系統(tǒng)的組成與分布特征調(diào)查研究巖溶泉和地下河的發(fā)育與分布特征，結(jié)合巖溶水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，分析研究巖溶水系統(tǒng)的組成和分布特征，其補(bǔ)給、徑流、排泄的水動(dòng)力條件及其水位、流量的動(dòng)態(tài)變化持征。(4) 調(diào)查研究覆蓋巖溶區(qū)的地下水流場(chǎng)特證。著重調(diào)查研究巖溶水的流場(chǎng)特征和水位(水頭)埋深與基巖面的關(guān)系及其動(dòng)態(tài)變化。巖溶水主徑流帶的分布與水動(dòng)力特征。近河(湖)地段注意調(diào)查研究巖溶地下水、上覆土層水與地表水之間的補(bǔ)排關(guān)系、洪水漲落過程所引起的它們之間的水位(頭)差及水力坡降的變化，以及洪水倒灌的影響范圍。 對(duì)于第四系覆蓋層包括粘性土層，注意調(diào)查其含水性及其分布，以及與巖溶地下水的水力聯(lián)系

13、與水頭差。巖溶地區(qū)第四系粘性土常為坡、殘積成因，多含砂礫質(zhì)、且垂直裂隙發(fā)育，因而具有不均一的含水性，往往組成弱含水層。許多塌陷區(qū)部發(fā)現(xiàn)有隱伏土洞，上洞最發(fā)育的部位有兩個(gè)，一是基巖面附近，一是地下水的季節(jié)變動(dòng)帶。后一部位往往位于土層剖面的中部。土洞的形成從另一側(cè)面表明上層中有水流的滲透作用。因此第四系粘性土不能一概當(dāng)作相對(duì)隔水層，而應(yīng)具體了解其滲透性和含水性，它們對(duì)粘性土蓋層中土洞和塌陷的形成有著相當(dāng)重要的意義。(三) 巖溶塌陷監(jiān)測(cè)巖溶塌陷研究中，要監(jiān)測(cè)地面、 建筑物的變形和井泉或水庫水量、 水位變化，地下洞穴 發(fā)展動(dòng)態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)塌陷前兆現(xiàn)象，對(duì)預(yù)防、減輕塌陷災(zāi)害損失非常重要。在地面塌陷頻繁 發(fā)

14、生地區(qū)或潛在地面塌陷區(qū)內(nèi)，可采取以下監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)措施：(1) 在具備地面塌陷的三個(gè)基本條件(即塌陷動(dòng)力、塌陷物質(zhì)、儲(chǔ)運(yùn)條件)與巖溶低洼地形地區(qū)，在抽排地下水的井孔附近，應(yīng)對(duì)地面變形(開裂、沉降)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。(2) 進(jìn)行宏觀水文監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)地表積水或突然干枯，放水灌溉及雨季前期降雨都可視為可能發(fā)生塌陷的前兆。(3) 注意收集或及時(shí)發(fā)現(xiàn)具塌陷前兆的異?，F(xiàn)象，如出現(xiàn)建筑物開裂或作響、植物傾斜變態(tài)、井泉或水庫突然干枯或冒水、逸氣，地下水位突升突降，地下有土層塌落聲及動(dòng)物驚恐等異?，F(xiàn)象，皆應(yīng)警惕塌陷即將來臨。(4) 監(jiān)視井泉內(nèi)、坑道與水庫滲漏點(diǎn)的地下水位降深是否超過設(shè)計(jì)允許值，地下水位升降速度有否驟然變化，

15、 滲漏水中泥沙含量是否高。另外可以在井孔內(nèi)安裝伸縮性水準(zhǔn)儀，中子探針計(jì)數(shù)器、鉆孔深部應(yīng)變儀，及其他常規(guī)測(cè)量?jī)x器等監(jiān)測(cè)地下變形異常。(5) 塌陷時(shí)地表會(huì)發(fā)生變形，地球物理場(chǎng)亦會(huì)發(fā)生一定的變化，利用這種特性，在洞穴上部埋設(shè)裝有聚氯乙烯銅線的混凝土管，當(dāng)臨塌陷或大塌陷前， 地表覆蓋層發(fā)生變形時(shí)， 混凝土管就會(huì)被折斷從而發(fā)出警報(bào)；也可以監(jiān)測(cè)重力的變化，將重力變化的信號(hào)轉(zhuǎn)換為音響的報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警。三、巖溶塌陷的災(zāi)情評(píng)估（一）巖溶塌陷等級(jí)劃分巖溶塌陷應(yīng)查明：塌陷的位置、范圍及面積；塌陷量；塌陷區(qū)的環(huán)境水文地質(zhì)條件；塌 陷原因以及發(fā)展趨勢(shì)。依據(jù)塌陷面積進(jìn)行等級(jí)劃分（表13-3 ）。表13-3巖溶塌陷災(zāi)變等

16、級(jí)劃分表種類指標(biāo)特大型大型中型小型地面塌陷巖溶塌陷面積（km2）>202010101.0<1.0采空塌陷面積（km2）>551.01.00.1<0.1（據(jù)張梁等著地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情評(píng)估理論與實(shí)踐1998,P28)（二）巖溶塌陷的災(zāi)情預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)步驟包括以下三個(gè)：1. 查明研究區(qū)的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件。2. 調(diào)查已有塌陷點(diǎn)的塌陷特征、分布規(guī)律及形成條件（環(huán)境及觸發(fā)因素），確定出現(xiàn) 塌陷的綜合判斷指標(biāo)。3. 考慮塌陷發(fā)展趨勢(shì)和對(duì)環(huán)境的影響程度，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行塌陷預(yù)測(cè)分區(qū)，提出地表各 種重要設(shè)施的保護(hù)方案和預(yù)防措施。通常，采排地下水或礦坑突水時(shí)，在水位降落漏斗內(nèi)，容易產(chǎn)生巖溶塌陷的地段如下

17、：1. 淺部巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，可溶巖頂板起伏較大，并有洞口和裂口，洞穴無充填物或充填 物少，且充填物多為砂、碎石、粉質(zhì)粘土的地段。2. 采排地下水點(diǎn)附近或地下水位降落漏斗范圍中心（特別是地下水的主要補(bǔ)給徑流方 向上）地段。3. 構(gòu)造斷裂帶（特別是新構(gòu)造斷裂帶）背、向斜軸部，可溶巖與非可溶巖的接觸部位。4. 溶蝕洼地、積水低地和池塘、沖溝地段。5. 第四系土層為砂、粉質(zhì)粘土，且厚度小于10m地段。6河床及其兩側(cè)附近。地面塌陷預(yù)測(cè)可考慮的影響因子：1. 排水量（Q）2. 水位降低值（S）3. 蓋層物理、力學(xué)性質(zhì)的指標(biāo)（ n i）4. 蓋層厚度（M ）5. 巖溶發(fā)育程度的指標(biāo)（K）6. 表征構(gòu)造破壞程度

18、的參數(shù)（G）7. 預(yù)測(cè)擴(kuò)展半徑時(shí)要考慮時(shí)間8. 預(yù)測(cè)時(shí)間、強(qiáng)度時(shí)，要考慮到抽水中心的距離地面塌陷在時(shí)間上具有突發(fā)性，空間上具有隱蔽性，其預(yù)報(bào)為當(dāng)前的前沿課題?？捎糜趲r溶地面塌陷的探測(cè)方法和儀器有地質(zhì)雷達(dá)（探溶洞）、淺層地震、電磁波、聲波透視（CT）等。近年來，用 GIS技術(shù)中的空間數(shù)據(jù)管理、分析處理和建模技術(shù)對(duì)潛在塌陷危險(xiǎn)性進(jìn)行 預(yù)測(cè)，效果良好。目前國(guó)內(nèi)巖溶塌陷災(zāi)情評(píng)估的方法，主要采用經(jīng)驗(yàn)公式法、 多元統(tǒng)計(jì)分析法，也可根據(jù)巖溶類型、巖溶發(fā)育程度、覆蓋層厚度和覆蓋層結(jié)構(gòu)，進(jìn)行巖溶塌陷活動(dòng)程度判定 （表13-4 ）。表13-4巖溶塌陷活動(dòng)程度判定表塢陷活動(dòng)可船性巖豁類星巖蒔境育薦度覆盞層蓋層站悔會(huì)

19、A塌陷特別容易形跋溶和豪蠱特別發(fā)育地表巖濬密岌A 1飼牛 /Kb氣館孔巖陽宰A1QX<1&站構(gòu)不均且土閥持別 變甫的非均質(zhì)土較境音，堆表巖曙密應(yīng)5-10T/kn円仙幾巖靜率盤“1Q歸1030苗枸不均丄洞比較蛙育的菲均厳土不容易彥成1不發(fā)育：地表巖痢書度txkm"鉆孔巖幣率】5%3080培恂不太均勻土舸不 蚩育的七不會(huì)形進(jìn)堆陷埋藏型曙幣圾不岌育：地表巖櫓宙度C】牛/ kmStt H黑権事UL開>B01厚度較犬結(jié)構(gòu)均一的 鉆性土（據(jù)張梁等著地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情評(píng)估理論與實(shí)踐1998, P67）四、巖溶塌陷的防治措施我國(guó)對(duì)巖溶塌陷的防治工作開始于60年代，目前已有一套比較憲整和成熟的方法、防治的關(guān)鍵是在掌握礦區(qū)和區(qū)域塌陷規(guī)律的前提下，對(duì)塌陷做出科學(xué)的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)， 即采取以早期預(yù)測(cè)、預(yù)防為主，治理為輔、防治相結(jié)合的辦法。塌陷前的預(yù)防措施主要有： 合理安排廠礦企業(yè)建設(shè)總體布局；河流改道引流，避開塌陷 區(qū)；修筑特