珠江三角洲地面塌陷的成灾机制及致灾因子分析.docx
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珠江三角洲地面塌陷的成灾机制及致灾因子分析
珠江三角洲地面塌陷的形成机理及致灾因子分析——以广州市为例
1引言
地面塌陷是指地表土体或岩体在自然和人为因素作用下陷落或沉陷的一种动力地质现象,当它作用于人类社会时,造成人员伤亡、财产损失、经济活动停顿或生态环境破坏。
地面塌陷是珠江三角洲城市地质灾害的主要类型之一。
广州市位于广东省中部偏南、珠江三角洲的北缘,地处海陆结合部,地质环境复杂,淤泥质软土广泛分布。
近年来,广州市经济高速发展,城市化进程加快,人类活动剧烈,地面塌陷灾害尤其是工程地面塌陷灾害频繁发生,灾害损失呈不断增长趋势。
由图1看出，过去10年呈明显的波浪状上升趋势,1999年以来,数量更多、频率更高。
这一时期为厄尔尼诺多发期,气候异常,多暴雨和洪水,易于诱发地面塌陷等各种地质灾害。
同时,由于城市地铁等地下工程建设全面展开,地下施工震动大,过量抽取地下水,对岩土层破坏显著,地表失稳,工程地面塌陷灾害频繁发生。
（据刘江龙，广州市地面塌陷的形成原因与时空分布.2007.12.灾害学.）
地面塌陷灾害与高度发达的经济、完善的城市基础设施相耦合,必然放大灾害的破坏效应,使国民经济发展的受到严重影响。
据不完全统计[3],1995～2005年广州市发生的经济损失超过5万元的人为工程地面塌陷达26次,直接经济损失达1500万元以上。
截止到2006年9月，南沙近期重点发展区已发生软基沉降灾害87处，沉降面积达182.96km2，沉降量5～130cm不等，沉降体积1.10×108m3，损毁房屋658栋，损毁路段长16.55km，损毁桥梁6座、港口码头1座、堤坝2.1km、底下管线130m。
地面沉降严重影响工业与民用建筑工程、堤围水利工程、地下供水—供电网络等基础设施的正常使用，或使路面凹凸不平不能发挥正常运营。
广州市荔湾区大坦沙及周边仅数平方公里范围内，频繁发生岩溶地面塌陷等灾害，仅2008年发生9次，造成了较大的经济损失和严重的社会影响。
据不完全统计，区内地面塌陷所造成的损失累计超过200亿元。
2008年1月17日下午3时，广州地铁五号线大西盾构区间2#联络通道在施工中突然涌水发生塌方，造成双桥路和珠江大桥的引桥交界处花圃内的地面塌方，面积100m2，深约5m，事故过程没有人员伤亡，但对地铁施工造成了重大阻碍，地面交通被迫暂时封闭，27条公交线路临时调整，数千群众受到影响。
2005年11月25日，白云区石井街滘心村一栋在建的村民楼，突然塌陷1.5米深，整座楼体倾斜30度变成了“比萨斜塔”。
2008年12月20日，广州白云区石井夏茅经济联合社“沙园坊”地陷塌楼事故灾害，共致73栋房屋受到影响，涉及面积5000多平方米，其中12栋房屋出现不同程度塌陷、倾斜、裂纹等现象，导致381人生活受到影响，直接经济损失约300多万元。
因此，对成灾机制和致灾因子进行正确分析并做出恰当危险性评价对珠江三角洲城市建设与规划、资源利用、环境保护和公共安全具有十分重要的意义。
2广州市地面塌陷的主要类型及特征
21主要类型
结合近年来广州市地面塌陷情况的调查和研究,按照塌陷形成的物质基础，广州市地面塌陷灾害可分为岩溶型塌陷、土洞型塌陷、冒顶型塌陷三种；按照形成机理又可分为自然塌陷和诱发塌陷。
必须指出，塌陷形成的原因往往是多方面综合作用的结果，形成的物质基础也有可能是两种或多种的组合。
如岩溶型塌陷是由于岩石中存在岩溶洞隙而产生。
在可溶岩石上有松散土层覆盖的岩溶区，塌陷主要产生在土层，称为土层塌陷；当组成洞隙顶板的各类岩石破碎时，也可发生顶板陷落的“基岩塌陷”。
又如诱发地面塌陷是指由于城市化进程的加快、城市经济活动和工程强度加大，地表、地下基础工程建设直接诱发或间接导致的地面塌陷，这些塌陷往往形成于有利于岩溶发育的地带。
广州市荔湾区双桥公园土洞型塌陷
白云区石井街滘心村岩溶型塌陷
广州市荔湾区大坦沙城西花园土洞型塌陷
2008年白云区石井街下茅村岩溶型塌陷
22 基本特征
对1995～2005年广州市地面塌陷进行分析,主要体现为以下特征:
①隐伏性,其发育发展情况、规模大小、可能造成地表塌陷的时间及地点具有极大的隐伏性,发生之前很难被人意识到。
②突发性,一次完整的塌陷过程可能就是1min左右[4],往往使人们在塌陷发生时措手不及,造成财产损失和人员伤亡。
③群发性与复发性,地面塌陷灾害往往不是孤立存在的,常在同一地区或某一时段集中形成灾害群。
如:
1995年6月11日至7月18日,白云区人和镇矮岗村附近发生数10处地面塌陷。
2001～2004年,仅几千米的广州黄埔大道就发生数10处塌陷点。
④损害的严重性,近10年来,广州市地面塌陷灾害造成城市房屋地基失稳,建筑物受到破坏、地下管网受损,交通、供水、供电中断等事故发生,并夺去多人生命,造成重大的经济损失。
3广州市地面塌陷的空间分布特征
岩溶塌陷灾害的隐患点主要分布在广花盆地内花都区,白云区江高镇、石井镇,从化市的良口、石岭和石塘等隐伏岩溶区（图3）。
分布特征表现为:
多发生在断裂带或褶皱轴部;多发生在隐伏溶斗、落水洞等负地形上方;多发生在隐伏灰岩上方或覆盖层较薄且无稳定隔水层之处;多发生在地下水位变化强烈地区或地下水主要补给方向上游地区[9]。
土洞地面塌陷主要分布在广州市中心城区（图4）,包括越秀区、荔湾区、海珠区、天河区、萝岗区、番禺区,其大致范围是珠江两岸环市高速公路环绕地区,面积约为290km2。
比较集中分布的有几个典型的塌陷群,如:
康王路塌陷群、黄浦大道塌陷群、鹅掌坦塌陷群、工业大道塌陷群等。
冒顶型塌陷则主要集中在采空区，地铁等地下空间利用区。
其中采空区主要集中在
4广州市地面塌陷的致灾因子分析
塌陷的形成是多因子异变耦合的结果，内在因子是塌陷形成的物质基础，外在因子的影响进一步加速了内在因子的成熟，导致塌陷的形成和失稳，同时内外因子间互相制约，对塌陷的形成是灰色的[9-10]。
在地学中，很多因素都不是能以数字来表示的，往往只能用某一方面的标准来反映其相对大小。
4.1地层岩性
从溶洞发育与地层、岩性的关系来看,溶洞发育与岩性具明显专属性,在质纯、层厚的可溶岩中岩溶作用最强烈,含杂质多、层薄的可溶岩中岩溶作用相对变弱。
岩溶层以中上泥盆统和石炭系分布最广,而且石炭系比泥盆系的可溶性更好。
另外，土层的性质
4.2活动的断裂构造
受加里东构造运动、海西运动、燕山运动和喜山运动等多期构造运动作用,广州地区构造格局非常复杂。
广州市断裂构造发育且均为活动性断裂。
它们不仅控制着区域地壳的升降运动、地貌景观差异和大地构造单元,而且会诱发地震。
具有明显活动性的断裂有3组[6],即EW向组:
瘦狗岭断裂、广三断裂;NNE向组:
广从断裂;NNW-NW向组:
石榴岗断裂、化龙断裂和文冲断裂。
曾作过统计，
4.3水文条件对碳酸盐溶洞发育的控制
数量多、规模大、延伸长的大型溶洞主要分布在河流岸边和中上游地区（如阳春崆峒岩、凌霄岩,云浮的蟠龙洞）。
这是由于在水系发育地带,河流流域多是下切较深的谷地,在岸边地带地下水水力梯度大,水交替强烈,并有外源地表水和远处地下水的补给。
外源水不但从水量上增强降水的作用,而且来自非岩溶地区的水具有较低的碳酸盐饱和度,对碳酸盐介质溶蚀和侵蚀能力强。
远离水系相对水力梯度变小,汇水面积小,岩溶作用相对较弱,一般发育的溶洞规模也较小。
在河流的中上游地区地势较高,河流切割深度大,常常导致梯度很大的水动力条件,有利于岩溶作用,常形成大型的竖井、溶洞及地下河。
另外,中上游地区地形变化小,溶蚀洼地和岩溶谷地发育,降水主要汇入这些负地形中补给地下水,有利于形成集中径流,形成较大规模的溶洞。
下游地区是山地、丘陵向平原的过渡带,地形坡度小,地表沟谷发育,降水主要形成地表径流排泄,不利于形成大的溶洞。
4.4土地利用现状
在两面临空的地形条件下，危岩体上硬下软的岩体结构易于在重力作用下蠕变溃屈，并产生向临空方向的卸荷。
刘传正等将重力卸荷机制表现归结为三方面：
1脱皮；2“劈条子”，它起因于重力或构造作用向临空方向的拉裂卸荷，也可以包含采空造成的悬板效应与弯矩作用；3脱层，从下向上开裂[1]。
重力卸荷作用与危岩体规模正相关。
危岩体规模的大小直接影响致灾的严重程度，与影响危岩稳定性计算的地震力、重力紧密相关。
危岩体规模愈大，失稳的可能性愈大。
4.5人类活动
（1）人类活动强度
雨季是危岩失稳的多发季节，降雨强度越大、历时越长越易发生。
地表水的入渗量与岩石的裂隙大小、深度及密度息息相关。
（2）工程活动强度
地下水对边坡的影响总的说来表现在物理、化学2个方面，前者表现在地下水压力使有效正应力减小，后者表现在地下水的软化使岩石的粘结力和摩擦力减小，二者均使边坡的稳定性减弱。
Hoek和Bray[11]进行的实例分析表明（坡前无积水），岩坡滑动安全系数随张裂隙积水的增多迅速降低。
稳定系数从张裂隙无水时的1.34（稳定）骤然降到张裂隙满水时的0.77（不稳定或已破坏），几乎降低了一半（图3）。
另外，由于地下水的存在，使边坡可能破坏，饱和岩坡抗倾覆稳定系数急剧降低（图4）。
同时考虑了地表水（降雨、河流冲刷）和地下水，根据三峡库区地下水的分布情况，将地下水埋深情况分为3等:
好（埋藏深）、中等和差（埋藏浅）。
1.6风化作用
边坡岩体在温度场、水、日照、风等因素的长期作用下发生风化，使岩体更加破碎，不利危岩稳定。
风化越厉害，岩体越破碎，危岩越易失稳。
边坡不同岩层的差异风化，也会导致危岩发育。
由于砂岩、泥岩软硬岩性造成的差异风化，是危岩形成的一个重要因子。
为了量化其指标的方便，风化程度按形成的危岩体岩腔体积与危岩体的体积之比值来确定
5影响因子权重的确定
通过以上库区危岩形成因素的分析，根据资料的有效性和可获得性，选取地形地貌、岩性、岩体结构、危岩体规模、水体作用、风化作用、土地利用类型7个影响崩塌发生的因素作为评价指标，根据层次分析法，建立指标层关于准则层的判断矩阵（表1），矩阵每个元素的取值根据1~9标度法获得，判断矩阵的最大特征根λmax及对应的特征向量（即层次单排序w）,可以采用方根法求出[7-10]。
表1层次分析法计算各影响因子的权重系数
Ｔab.1WeightofinfluncefactorsinAHPmethod
岩体
结构
地形
地貌
岩性
危岩体
规模
水文
地质
土地
利用
风化
作用
Wi求积
开方
ai
（TA）i
（TA）i/ai
特征值
岩体结构
1
3
4
5
6
7
5
12600
3.852718
0.406161
2.969793
7.311868
地形地貌
1/3
1
2
3
3
4
3
72
1.842185
0.194207
1.419155
7.307455
岩性
1/4
1/2
1
2
3
4
3
9
1.368738
0.144295
1.06804
7.401786
7.353774
危岩体规模
1/5
1/3
1/2
1
2
3
1/2
0.1
0.719686
0.075871
0.556955
7.34086
水文地质
1/6
1/3
1/3
1/2
1
3
1/2
0.013889
0.542834
0.057227
0.4071
7.113833
土地利用
1/7
1/4
1/3
1/3
1/3
1
1/3
0.000441
0.331606
0.034959
0.263091
7.525811
风化作用
1/5
1/3
1/3
2
2
3
1
0.266666
0.827933
0.087282
0.652418
7.474805
为了保持判别思维的一致性，还需要对每个层次单排序进行一致性检验。
采用一致性指标CI=（λmax-n）/（n-1）
（1），
其中：
λmax为判断矩阵的最大特征根，n为矩阵阶数。
利用判断矩阵的一致性指标CI和平均随机一致性指标RI（可查表获取）的比值进行因子权重的一致性检验：
CR=CI/RI。
当CR的值小于0.1时，认为矩阵具有满意的一致性，因子权重的选取合理，否则要调整矩阵元素取值。
经检验:
ＣＲ=ＣＩ/ＲＩ ＣＩ=1/（7-1）×（7.354-7）=0.059,查表ＲＩ=1.32 ,ＣＲ=0.059/1.32=0.0447<0.1，所以层次总排序具有满意的一致性，求得的评价指标最终权重合理。
3影响因子的分级与赋值
各危险因子分级赋值是根据库区地质灾害调查的实际情况，参考对库区研究较有影响专家资料获取的。
其中岩体岩体结构从裂隙间距（0.35）和主控结构面（0.65）方面进行四级次级分级；地形地貌从临空面倾角（0.6）和危岩体处露高度（0.4）方面进行二级次级分级。
将7种危险因子分为3级赋值[8-10]，每因子3级赋值之和10，其具体分级赋值见表2。
表2广州市地面塌陷影响因子权重系数及分级赋值
影响因子（权重系数）
影响因子分级赋值
岩土特性（0.406）
第四系覆盖层岩性（0.35）
基岩
单层黏土
单层砂土
上黏下砂
上砂下黏
第四系覆盖层厚度（0.30）
3
4~6
7~9
10~12
>12
基岩岩性（0.15）
花岗岩
砾岩
泥岩
砂泥岩互层
灰岩
构造条件（0.144）
断裂发育情况
无断裂
发育微弱
发育中等
全境发育
断裂交汇
与褶皱方位关系
水文地质（0.076）
地下水类型
基岩裂隙水
层状裂隙水
埋藏型岩溶水
覆盖型岩溶水
松散孔隙水
与河流距离
很远下游
较远
较近
近
近且上游
水位变动幅度
·土地利用
地上
植被
建筑等
轻静载
建筑等
重静载
交通等动荷载
交汇区
地下
未利用
商场等
静止利用
地铁等
动利用
废弃采空区
活动采空区
人类活动（0.035）
人类活动强度
极不强烈
不强烈
比较强烈
强烈
特别强烈
工程活动强度
极不强烈
不强烈
比较强烈
强烈
特别强烈
4危岩体稳定性模糊评价的指数模型及实例
4.1危岩体稳定性模糊评价的指数模型
危岩体稳定性程度可以用稳定性指数来表示，它是危岩体稳定性的具体数量化指标，其数值越大，表示危险性越大。
本文对研究区危岩体稳定性指数的计算采取指标权重加法，其基本原理是以权重来反映各评价指标在稳定性评价中的不同地位。
基本模型建立如下。
设有m个评价因子，X1，X2，…Xm；Rn为危岩体的稳定性指数；W1，W2，…Wi为各评价因子的权重，则模型表示为：
（2）。
式中：
Wi为所选评价指标的权重，其值由层次分析法确定；Xi为所选评价指标概化分级并标准化后的值。
根据
（2）式进行运算得出危岩体稳定性指数的范围为1.53～5.40。
藉此并结合三峡库区危岩灾害的特点，将库区危岩体稳定性划分为基本稳定（1.53～2.49）、潜在不稳定（2.49～3.46）、不稳定（3.46～4.43）、极不稳定（4.43～5.40）四级[10]。
内因：
1水文地质
2岩土特性
3构造
外因：
1降雨
2土地用途
3周边环境
4人类活动
表1层次分析法计算各影响因子的权重系数
Ｔab.1WeightofinfluncefactorsinAHPmethod
岩体
结构
水文
地质
构造
环境
降雨
土地
利用
人类
活动
Wi求积
开方
ai
（TA）i
（TA）i/ai
特征值
岩土特性
1
3
4
5
6
7
5
12600
3.852718
0.406161
2.969793
7.311868
水文地质
1/3
1
2
3
3
4
3
72
1.842185
0.194207
1.419155
7.307455
构造
1/4
1/2
1
2
3
4
3
9
1.368738
0.144295
1.06804
7.401786
7.353774
环境
1/5
1/3
1/2
1
2
3
1/2
0.1
0.719686
0.075871
0.556955
7.34086
土地利用
1/7
1/4
1/3
1/3
1/3
1
1/3
0.000441
0.331606
0.034959
0.263091
7.525811
人类活动
1/5
1/3
1/3
2
2
3
1
0.266666
0.827933
0.087282
0.652418
7.474805
升级会员 