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第1篇
第三章地质灾害形成条件及动力学原理
第一节地质灾害形成的基本要素与动力来源
一、地质灾害形成的基本要素
所有自然灾害都是由灾害体或某些自然动力活动作用于受灾体的结果,地质灾害也是如此。
因此,地质灾害的基本要素包括灾害体或灾害动力活动与受灾体两方面。
地质灾害种类繁多,因此灾害体或灾害动力活动形式多样。
主要包括:
地震活动、火山活动、崩塌活动与崩塌体、滑坡活动与滑坡体、泥石流活动、地面沉降活动、地面塌陷活动、地裂缝活动……灾害动力活动是地质灾害形成的主导因素,它不但决定了地质灾害发生的时间和地点,而且在很大程度上决定了地质灾害的规模。
地质灾害受灾体也多种多样,而且随社会经济的不断发展和人类活动的日益广泛而不断增多。
主要包括:
人的生命健康;房屋、铁路、公路、桥梁、水库等各种工程设施;各种生产、生活物资;农作物;土地、森林、水源、矿产等资源与生态环境。
受灾体作为地质灾害的危害对象,其数量、价值分布以及对灾害的抗御能力直接影响地质灾害的成灾程度。
二、地质灾害活动的动力来源
促使地质灾害活动的动力主要来自于地球,即各种地质灾害都是伴随地球运动发生的。
根据动力性质分为内动力和外动力两大类。
内动力又称内营力,是由地球内部产生的改变地表形态、岩石特征的力量。
内动力的能源主要为地球转动、重力、放射性元素蜕变等。
由此产生的地质作用称为内动力地质作用,形成的地质灾害称为内动力地质灾害。
主要包括地震、火山以及构造地裂缝、岩爆等。
外动力又称外营力,由地球外部产生的改变地表形态、岩石特征的力量。
外动力是由大气、水和生物在太阳辐射能、重力能、日月引力等影响下产生的动力。
由此产生的地质作用称外动力地质作用或表生地质作用,主要包括风化、剥蚀、搬运、沉积、成岩作用等,形成的地质灾害称为外动力地质灾害,主要包括崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、非构造地裂缝、矿井突水、水土流失、土地沙漠化、土地盐渍化、海水入侵、海岸侵蚀等。
除上述两种主要动力外,地球以外的天体活动对地球运动和地质灾害的形成也具有一定的影响,这种动力称地外动力或地外营力。
此外,随着人类社会的不断发展,人类活动对地球表面性状、物质组成以及生物圈环境的影响越来越严重,因此不仅对许多地质灾害活动产生作用,甚至直接导致了一些地质灾害。
如因水库蓄水导致水库地震,因大量抽取地下水导致地面沉降、地面塌陷、海水入侵等。
因此,人类活动也是一种不容忽视的地质灾害动力,对此称为人类工程动力。
应该特别注意的是,上述各种动力作用虽然活动方式和成灾作用各不相同,但它们并不是孤立进行的,在地质灾害形成发展过程中,它们常常相互影响,共同控制了地质灾害。
例如,崩塌、滑坡、泥石流虽然主要受暴雨、洪水等外动力活动控制,但地球内动力活动控制了区域构造和新构造活动,因此使一些地区断裂发展,岩石破碎松散堆积物发育,从而为崩塌、滑坡、泥石流准备了比较充分的基础条件,成为灾害多发区或多发带。
再如,海水入侵的直接原因是因人类过量抽取地下水引起的,但断裂活动、岩溶活动为海水入浸提供了必须的通道,则为海水入侵活动创造了基础条件。
因此,在研究和防治地质灾害过程中,必须对其动力条件和形成原因进行全面调查和综合分析,才能揭示地质灾害的本质特征,有的放矢地采取防治措施,才能取得事半功倍的防治效果。
地质灾害形成的动力来源如图3-1所示。
图3-1地质灾害形成的动力示意图
第二节几种主要地质灾害的
形成条件及动力机制
一、崩塌、滑坡活动的形成条件与动力机制
(一)崩塌、滑坡活动的形成条件
崩塌、滑坡属斜坡变形现象。
它们的发生一方面取决于斜坡本身的基础条件,另一方面与斜坡受到的营力作用有关,因此将崩塌、滑坡形成条件分为基础条件和外界条件两个方面。
1.基础条件
地貌是形成崩塌、滑坡的最基础条件。
从区域地貌条件看,崩塌、滑坡形成于山地、高原地区,通常情况下,海拔高程越大,切割越剧烈,崩塌、滑坡越发育。
从局部地形看,要有适宜的斜坡坡度、高度和形态,形成便于岩体崩落、滑动的临空面或斜坡,这些对崩塌、滑坡形成具有最直接的作用:
崩塌多发生在坡度大于55°、高度大于30米、坡面凹凸不平的陡峻斜坡上;滑坡多发生在15°以上的斜坡。
基于这一条件,崩塌、滑坡广泛发育在山区,以山间谷地、江河两岸最发育。
岩土体是崩塌、滑坡的物质基础,它的性质和结构对崩塌、滑坡活动具有决定性作用。
一般情况下,岩性坚硬,结构完整的岩石,抗剪强度大,抗风化能力强,斜坡整体性好,不容易发生崩塌、滑坡。
相反,岩性松软,结构不完整,特别是裂隙发育,斜坡岩土体中发育有软弱夹层时,容易失稳变形,发生崩塌、滑坡。
地质构造是崩塌、滑坡活动的重要影响因素。
断裂构造不但使斜坡岩土体发育大量裂隙,甚至使斜坡变得支离破碎,而且促进了斜坡岩土体的风化作用和地下水活动,降低了斜坡的稳定性,加大崩塌、滑坡活动的可能。
2.外界条件。
外界条件是导致崩塌、滑坡活动的诱发因素。
主要包括由于暴雨、洪水、融雪、水库渗漏溃决、人工灌溉或排水等原因,使大量地表水或地下水进入斜坡,岩石抗剪强度急剧下降,诱发崩塌、滑坡;地震、人为爆破、工程开挖、填弃碴土等原因改变斜坡应力状态,引起斜坡失稳。
(二)崩塌活动的动力机制
崩塌是斜坡上的岩土体在自重作用下突然崩落的现象。
崩塌的孕育、发生可大致分为三个阶段:
第一阶段为不稳定因素积累阶段;第二阶段为重力崩坠阶段;第三阶段为平衡恢复阶段。
第一阶段为孕育阶段,岩土体在长期的地质营力作用下,产生节理、裂隙或断裂,使其完整性受到破坏,甚至破裂成支离破碎的块体,为崩塌活动奠定了基础。
此阶段历时长,随岩石性质与结构、构造活动程度、边坡形状、外营力强度等而不同。
第二阶段是崩塌体脱离母岩,沿最大重力梯度方向急剧而猛烈地崩落,然后堆积于坡麓。
第三阶段为平衡恢复阶段,同时又是下一次可能崩塌的准备阶段。
如此周期变化。
崩塌活动受多种因素影响,其主要发生在雨季。
而软硬相间岩层,由于差异风化,硬岩突出,由结构面切割或重力蠕变,硬岩体就会产生崩塌、落石。
人为影响主要是开挖坡脚,改变应力场,使坡体内积存的弹性应变能释放而造成应力重新分布,岩体产生卸荷裂隙,它们多张开且平行边坡面,并使原有裂隙扩展和张开,由其所切割的岩体,便会失稳而形成崩塌。
崩塌活动的主要特征参数除崩塌体体积外,主要为崩体的运动速度和沿斜坡的弹跳距离(见图3-2)。
若忽略声能,认为崩塌、落石的势能只转变为动能及克服摩擦作功(热能),并设初速度为零,据功能原理,则崩落体运动速度:
图3-2崩落体沿斜坡弹跳距离计算示意图(符号说明见正文)
其中:
式中:
ν-崩落体沿斜坡运动的速度/(米/s);
g-重力加速度/(米/s2);
f-斜坡平均阻力系数;
α-斜坡坡角(度);
H-斜坡顶到底的垂直高度(米);
a-崩落体沿斜坡运动的加速度(米/s2);
h-台坎高度(米);
L-试验的落石体在台坎处抛射的距离(米)。
崩落体沿斜坡的弹跳距离:
其中:
崩落体的弹跳抛射角:
式中符号同前。
(三)滑坡活动的动力机制
1.滑体变形功率理论
该理论认为滑坡滑带塑性区的发育和发展过程是滑坡灾变的力学过程。
它包括滑带岩土渐近破坏或滑带塑性区逐渐扩展,滑坡全部贯通并达到极限破坏,直到滑坡发生的全过程。
根据塑性力学理论导出:
式中:
Fi-滑坡体积力;
Vi-滑坡变形速度场;
K-滑面剪切屈服极限;
Vpi-斜坡刚塑性体上真实破坏时的位移速度场;
SD-滑坡面面积;
Vt-滑面上的速度间断;
Fpi-斜坡刚性体上真实破坏时的滑坡体积力。
公式表明:
在斜坡变形破坏过程中,在任意速度场上体力所做功的功率都不大于斜坡极限破坏时体力在其相应速度场上所做功的功率。
并且破坏时的功率对某具体滑坡而言是一个定值。
该值可由数值计算方法模拟斜坡求得。
∫νFiVidvo为变形功率,∫νFpiVpidv为破坏功率,比较二者的相对大小,即可进行滑坡变形阶段预测。
滑坡坡体变形过程中所做的功:
式中符合同前。
根据滑坡变形破坏的特点,其变形有(位移)功必须满足渐进破坏准则,并最终达到某一峰值才能导致滑体整体下滑。
2.极限平衡理论
该理论是在有关地质概念模型和滑坡发生的影响因素分析、变形破坏机制分析基础上,建立力学分析模型计算滑坡稳定系数(见图3-3)。
条间力的求解:
式中:
ENi-条间推力(是EAi的反作用力);
EAi-第i-1条块对i条块的作用力;
Wi-由第i条块自身重量引起的重力;
βi-1-EAi的作用线与水平面的夹角;
βi-ENi的作用线与水平面的夹角;
αi-第i条块底面对水平面的倾角;
φi-第i条块底部土体的内摩擦角;
Ci-第i条块底部土体的粘聚力;
Li-第i条块底面长度。
以上是采用以牛顿定律为根据的“矢量力学”的极限平衡法所得到的结果。
因方程中同时含有两个变量(ENi和βi),故求不出ENi和βi的具体值。
研究证明,凡是处于稳定平衡的位置,弹性系数的势能具有极小值。
推而广之,一切系统的总势能都趋向于达到最小的状态,这就是经典的最小势能原理。
对于位移和变形都很小的弹性系统,可将最小势能原理表述为:
在所有能满足几何边界条件的位移中,使系统的势能为最小的位移乃是能够满足平衡条件的位移,因而是真实的位移。
也就是说,在所有能满足几何边界条件的力中,使系统势能最小的力乃是能够满足平衡条件的力,因而是真实的力。
如图3-3所示。
将条块i看作一个受力物体,它将受到来自条块i-1的条间力EAi的作用,由ENi、EAi、Wi的共同贡献而形成平衡。
Wi是恒量,ENi必将随着EAi增大而增大。
最小势能原理告诉我们,凡处于稳定平衡的位置,系统的势能具极小值。
一切系统的总势能都趋向于达到势能最小的状态,因而趋向于稳定态。
对于条块i来讲,在所有能够满足边界条件的力中,使该条块处于势能最小状态的力才是作用于该条块上真实的力。
由图3-3
图3-3极限平衡法计算条间推力示意图(符号说明见正文)
和平衡公式均可看出,EAi越小,越有利于条块i的稳定,从而使条块i趋向具有最小势能。
最小的EAi将最有利于条块i的稳定,使其达到势能最小值。
因此,EAi的极小值才是作用于条块i上的真正条间推力。
βi=αi-фi
若已知初始条件EAi和β0,则通过上两个公式求出各条间的相互作用力――若求出的ENi为负值,说明从第i条块开始无推力作用。
二、泥石流的形成条件与动力机制
(一)泥石流活动的形成条件
泥石流是突发性很强的山地地质灾害,它同崩塌、滑坡一样,也是在一定的基础背景条件下,由某些突发性的因素激发而形成的。
1.基础条件
泥石流是含有大量泥砂、石块的特殊洪流,因此急促的水流和充分的松散固体物质是泥石流形成的物质基础。
急促水流主要来自暴雨,其次来自冰川积雪融水、河湖水库溃块等。
因此,气候条件是影响泥石流的重要因素。
其突出特点是,降水充沛,暴雨多发地区泥石流最发育。
松散固体物质除一部分来自矿山废碴和工程弃土外,主要来源是各种成因的堆积物――断裂破碎、岩土风化后形成的残积物、坡积物、崩塌体、滑坡体、洪积碎屑物、冲积碎屑物等。
这些碎屑物的形成又与地质条件有一定关系:
断裂构造发育,现今构造运动强烈的地区,山坡稳定性差,岩体结构不完整,风化作用强烈,岩石破碎,崩塌、滑坡发育,松散碎屑物质来源充分,最容易发生泥石流。
地形地貌条件是形成泥石流的又一个重要基础条件。
从区域地貌条件看,在海拔高程较大,切割剧烈的山地高原地区,泥石流最发育。
从局部地形条件看,泥石流一般要具有比较充分的汇纳水流和碎屑物的形成区、足够坡度的流通区、比较宽敞的堆积区。
因此流域面积越大,地形坡度越大,越有利于泥石流的形成。
此外,植被条件对泥石流形成也有比较重要的作用。
实践表明,在天然植被稀少,或由于人类过度放牧、垦殖以至滥砍乱伐等原因使植被严重破坏后,常常造成严重的水土流失,因此为泥石流活动提供比较充分的物质条件,促进泥石流的发生发展。
2.激发条件
泥石流最常见的激发条件是暴雨。
在具有充分松散固体物质条件和适宜的地形条件下,只要出现暴雨,就会激发泥石流;而且暴雨强度越大,泥石流活动规模也越大。
除暴雨外,冰川积雪的迅速消融,河堤、水库、冰湖溃块等暴发的急促洪流也会引起泥石流活动。
(二)泥石流活动的动力机制
泥石流是小流域(流域面积30平方千米~300平方千米)和特小流域(<30平方千米)内的高浓度泥沙输移现象。
上述流域中生态环境严重恶化,水土流失达到灾变程度的称为泥石流流域。
泥石流形成的水土融合过程,主要在形成区和流通区,是坡面和沟道的重力侵蚀现象,而不是一般的流域汇流过程。
该过程中物质补给的数量大、时间短,以集中补给、高浓度输沙为特点。
主要补给来源为崩塌、滑坡体补给和沟床物质补给,补给方式可归纳为土体失稳产生流变模式、饱和沟床物质起动模式和坝库溃块冲刷模式。
包为民从动力学成因角度分析泥石流灾害的形成机理,提出泥石流起动的动力学临界条件通式:
式中:
K-稳定性系数;
f-磨擦系数;
W-准泥石流体自身重力W=S+V·θ·γ(准泥石流体的固体重量为S;体积为
V;准泥石流体含水率θ;水的密度为γ);
α-沟坡角度;
K0-最大单位面积内聚力;
As-准泥石流体与坡面母体接触面积As=V/H(准泥石流体积为V;平均泥深为H)。
准泥石流体起动临界式的三个常系数(f、K0、K1),可以通过实测资料来确定。
云南蒋家沟流域f=0.558;K0=0.0457(吨/平方米);K1=0.107(吨/平方米)。
公式表明,如果K>1.0,起动力小于抗动力,准泥石流体稳定不运动;如果K<1.0,则准泥石流体失稳而发生运动;K=1.0则为起动的临界条件。
泥石流爆发有两个必要条件:
一是充足的松散堆积物;二是丰富的水分补给来源。
据有关资料,四川省日降水量≥50毫米,且具有充足松散堆积物的沟谷都爆发泥石流。
李后强等在分析研究多种观察资料的基础上,提出泥石流爆发的“自组织临界(SOC)”理论,提出了泥石流发育的渗流模型。
由类比得到泥石流爆发的临界值:
式中:
d――欧氏空间维数;
z――是配位数。
根据广义Fibonacci数列,得到临界状态时的分形维数:
式中:
p、q是与人类活动、环境因素有关的参数。
三、岩溶塌陷的形成条件与动力机制
(一)岩溶塌陷的形成条件
同其它地质灾害一样,岩溶塌陷也是多种因素综合作用的结果。
其形成条件也归纳为基础条件和诱发因素。
1.基础条件。
(1)可溶岩及岩溶发育程度。
岩溶洞隙发育的可溶岩是岩溶塌陷的最根本的基础条件。
我国发生塌陷活动的可溶岩除部分地区为晚中生界、第三系、第四系富含膏盐芒硝或钙质的砂泥岩、灰质砾岩及盐岩外,主要是古生界、中生界的石灰岩、白云岩、白云质灰岩等碳酸盐岩。
碳酸盐岩的岩溶类型分为3种:
裸露型岩溶――碳酸盐岩基本上直接出露地表,没有或者很少被第四系松散沉积物覆盖;覆盖型岩溶――碳酸盐岩大部分被第四系松散沉积物覆盖,覆盖率一般在70%以上,仅局部出露地表,覆盖层厚度一般小于30毫米,最厚不超过100毫米;埋藏型岩溶――碳酸盐岩被很厚的第四系松散沉积物或其他非可溶岩覆盖,埋藏深度数十米以上。
大量实践表明,岩溶塌陷主要发生在半覆盖型岩溶和裸露型岩溶分布区,部分分布在覆盖型岩溶分布区。
除可溶岩岩性和岩溶类型外,碳酸盐岩的岩溶发育程度和岩溶洞穴的开启程度是决定岩溶塌陷的直接因素。
从岩溶塌陷形成机理看,可溶岩洞隙一方面造成岩体结构的不完整,形成局部不稳定地带,另一方面为容纳溶蚀陷落物质和地下水的强烈活动提供了充分条件。
因此,一般情况下,可溶岩的岩溶越发育,岩溶洞隙的开启性越好,岩溶塌陷越严重。
根据碳酸盐岩岩溶发育密度和有关特征,将岩溶发育程度分为强、中、弱三个等级(表3-1)。
表3-1碳酸盐岩岩溶发育程度分级标志
岩溶
发育
程度
特征
参考性指标
地表岩溶
发育密度
(个/平方千米)
钻孔岩溶率
(%)*
钻孔遇洞率
(%)
泉流量
(升/秒)
单位涌水量
(升/米·秒)
强
碳酸盐岩岩性较纯,连续厚度较大,出露面积较广。
地表有较多的洼地、漏斗、落水洞、地下溶洞发育。
多岩溶大泉和暗河,岩溶发育深度较大。
>6
>10
>60
>100
>1
中
以次纯碳酸盐为主,多间夹层。
地表有洼地、漏斗、落水洞发育,地下洞穴通道不多。
岩溶大泉数量较少,暗河稀疏。
深部岩溶不发育。
5-1
10-3
60-30
100-10
0.1-1
弱
以不纯碳酸盐岩为主,多间夹层或互层型。
地表岩溶形态稀疏发育,地下洞穴较少,岩溶大泉及暗河少见。
<1
<3
<30
<10
<0.1
注:
据康言红等,1990。
*指地表下100米或基岩面下50米以内孔段统计数;对于孔深100米以上全孔岩溶率,指标减半。
可溶岩岩溶发育程度主要受地质构造、水文地质条件和气候条件影响。
一般情况下,断裂构造发育,新构造运动强烈,地下水循环交替强烈、雨量充沛的碳酸盐岩分布区,岩石结构比较破碎,节理、裂隙发育,地下水溶蚀、潜蚀作用强烈,最容易形成岩溶塌陷。
(2)覆盖层厚度、结构、性质。
岩溶塌陷除发生在裸露型岩溶分布区外,还广泛发生在覆盖型岩溶分布区。
这种塌陷不仅仅是覆盖在第四系松散堆积物下面的可溶岩洞穴的陷落,有相当数量的塌陷是由于溶洞和上覆土层中土洞陷落所造成的。
除此而外,覆盖层情况还影响了地下水活动,对岩溶塌陷也产生一定的影响。
因此覆盖层是影响岩溶塌陷的重要因素。
覆盖层厚度对岩溶塌陷形成具有决定性作用。
据大量调查统计结果,覆盖层厚度小于10米塌陷发生的机会最多,10米~30米可发生少量塌陷,30米以上可发生零星塌陷。
覆盖层岩性结构对岩溶塌陷也具有一定作用。
一般情况下,覆盖层为比较均一的砂性土最容易产生塌陷,夹砂砾石的层状非均质土壤,均一的粘性土或者覆盖层底部发育有稳定层状粘性土的非均质土,发生塌陷的机会较少。
此外,当覆盖层中有土洞时,容易发生塌陷;土洞越发育,塌陷越严重。
(3)地下水活动。
岩溶发育地区,一般地下水活动都比较强烈。
强烈的地下水活动,不但促进了溶岩洞隙的发展,而且是形成岩溶塌陷的重要动力因素。
它的作用方式包括:
溶蚀作用,改变岩土体物理性质和力学性质,导致土的含水量上升,容重增加,使粘性土塑性状态发生坚硬状态→可塑状态→流塑状态的变化;浮托作用;侵蚀及潜蚀作用;搬运作用等。
因此岩溶塌陷多发育在地下水活动强烈地带,且多发生于地下水动力条件剧烈变化的时候。
2.动力条件。
(1)水动力条件的急剧变化,使岩土体平衡状态遭到严重破坏,诱发岩溶塌陷。
引起水动力条件急剧变化的原因主要有降雨、水库蓄水、井下充水、灌溉渗漏以及严重干旱、井下排水、高强度抽水等。
(2)天然地震和人为振动。
(3)附加荷载。
(4)废液导致的酸碱液溶蚀活动。
(二)岩溶塌陷的动力机制
1.压强差效应。
压强差是指被盖层封闭的岩溶管道开口端A,当出口端B地下水头下降时,通过岩溶管道传递,在A处形成压强差ΔPA(图3-4)。
图3-4压强差形成示意图
ΔPA=PA′-PA=-γW(h1+h2+h3)
式中:
ΔPA-A点的压强差(cm);
PA′,PA-水位变动前后A点的压强值;
γW-水的容重(g/cm3);
h1-水位变动前A点的水头(cm);
h2-A、B两点间的高差(cm);
h3-水位变动后B点的水头(cm)。
压强差ΔPA的值相当于出口端B点的水头降。
考虑传递的阻力水头hW时,前式为:
ΔPA=-γW(h1+h2-h3-hW)
同理,当B点地下水位上升(即h3>h1+h2),对A点的压力方向将由水位下降时水、气下吸变为上顶作用,压强差的大小则为:
ΔPA=γW(h3-h1-h2-hW)
压强差增至足够大时,产生塌陷。
其机理主要表现为两方面的力学作用:
一是压强差作用于盖层,使土体直接承受相应的水、气压力;二是当压强差作用于盖层时,使土体中的水、气在孔隙中运动,形成水、气动力,对土体产生潜蚀和气蚀作用。
因此,压强效应并非单一的真空负压或潜蚀,而是既包括压强差作用,又有由此而产生的潜蚀和气蚀作用。
采用多元逐步回归,求得致塌时的临界压强差:
ΔP=7.057+3.921×10-3Es-2.439×107K+0.3556h/d+0.6183τ
式中:
ΔP-盖层土体开始塌落时的临界压强差(Kpa);
Es-土体的压缩模量(kPa);
K-土体的渗透系数(cm/s);
h/d-土体的厚度与溶洞开口处直径之比;
τ-土体的抗剪强度(kPa);
致塌时波动源点的临界地下水位降深ΔH则可根据ΔP求得:
ΔH=10ΔP/γW+hW
式中:
ΔH-波动源点临界水位降深(厘米);
γW-水的容重(克/立方厘米);
hW-沿程阻力水头(cm)。
2.垂直渗压效应。
雨水或河水、湖水向土体渗透并使其饱和后,其渗透压力值就相当于渗透时的水头损失。
当水流以相反方向由上向下垂直渗透时,渗透压力将与土体自重叠加共同作用于土拱。
其合力大于土拱抗塌力时,便产生塌陷。
3.其他效应。
(1)土体强度降低。
降雨入渗后,土体含水量增加,其内聚力(c)及磨擦角(Φ)值减小,导致土体抗剪强度降低,土拱抗塌力减小。
(2)附加荷载。
建筑物、积水、振动等对盖层产生的静、动附加荷载,将导致塌力增大,促进和诱发塌陷。
(3)浮力与自重。
地下水位下降时,水对盖层的浮托力随之减小,土体重量则相应增大。
对于不同厚度的盖层,在同一水位降深时,减少的绝对浮力值相近,但影响有别。
土体厚度大者影响小。
同时降雨入渗后,盖层饱和容重比干容量一般增加30%-40%,使土拱承受更大的重量。
四、地面沉降的形成条件与动力机制
(一)地面沉降形成条件
如前所述,地面沉降可由多方面活动引起,主要包括地壳沉降活动、松散沉积物的自然固结压实、人类开采地下水或油气资源引起的土层压缩沉降。
从灾害研究角度,所说的地面沉降是指人类活动引起的沉降,或者以人类活动为主,以自然动力为辅助作用引起的沉降活动。
基于这种概念,地面沉降的形成条件也主要由两方面构成。
一是地面沉降的基础条件。
主要是具有一定厚度压缩性较高的松散沉积物。
这类沉积物主要发育在沿海平原、内陆盆地及河谷平原地区,这些地区一般又都是地壳沉降地区,所以这些地区的地面沉降活动不仅与人类活动密切相关,而且持续的地壳沉降也起到了“雪上加霜”的作用。
影响地面沉降的人为动力条件主要是长时期超强度开采地下水,使含水量和临近非含水层中的孔隙水压力减少,土的有效应力增大,发生压缩沉降。
(二)地面沉降的动力原理
经过国内外地面沉降的长期调查研究,普遍认为地面沉降主要是开采天然气、石油、地下水而引起的。
根据分层沉降标的观测资料,粘土层的压缩程度最大,因此,粘土排水固结原理是解释地面沉降的基本理论。
过度抽取地下水时,含水层不能得到及时补给,地下水位迅速下降,在隔水层顶板和含水层接触面上产生水力坡度,使粘土层中的水相应地进入含水层中,粘土层中的孔隙水压力降低,有效压力增加,引起土层压密。
如果这种粘土层压缩性强,厚度又较大时,其压密的结果就会引起地面沉降。
在地面沉降过程中,地下水位下降是矛盾转化的主要方面。
要控制地面沉降,首先要控制地下水位下降。
为了达到这一目的,世界上提出的控制地下水位的措施大体有以下几个方面:
(1)另外寻求供水水源,减少或停止抽用地下水,以控制地下水位下降;
(2)在外援水源未开始供水之前,只准抽吸深层地下水;
(3)向含水层中注入压缩空气,以恢复自由水的压力;
(4)人工补给地下水,提高地下水位。
五、地裂缝形成条件与动力原理
(一)地裂缝形成条件
如前所述,地裂缝分为构造地裂缝和非构造地裂缝两类,它们具有不同的形成条件。
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