地面塌陷因素重要度分析

劉定一, 何葉波, 鄭宗棋, 郭 銳, 任高峰, 張卅卅

(武漢理工大學 資源與環境工程學院,湖北 武漢 430070)

地面塌陷因素重要度分析

劉定一, 何葉波, 鄭宗棋, 郭 銳, 任高峰, 張卅卅

(武漢理工大學 資源與環境工程學院,湖北 武漢 430070)

通過收集大量文獻,總結已有的研究工作,將地面塌陷因素概括為水、采礦、工程活動、地質四個方面,簡述各因素的作用機理,建立相應的評價體系,在此基礎上通過收集已有塌陷事故,運用數理統計方法及極差與方差分析,相互驗證得出塌陷因素的重要性排序,對塌陷面積影響顯著的因素為工程活動,水與地質的交互影響。

地面塌陷;塌陷評價體系;極差分析;方差分析

地面塌陷是指地表巖、土體在自然或人為因素作用下向下陷落,并在地面形成塌陷坑(洞)的一種動力地質現象。自2000年起,中國塌陷事故頻發,給人民的生命及財產安全帶來了極大威脅。尤其是在人口集中的城市地區,塌陷的社會危害更為巨大。地面塌陷形成原因復雜,具有突發性、隨機性、隱伏性等特點,不易探查,加強對地面塌陷的研究顯得尤為必要。

近年來諸多學者對地面塌陷機理做了很多的研究。楊彩俠等[1]通過統計研究分析2007年—2010年發生在北京市區內的路基空洞、路面塌陷情況,認為道路塌陷的原因有先前空洞,地下水移動,地下水位變化,凍融,施工質量,地下水管滲漏,車輛超載,地下施工;任新紅等[2]通過模型試驗和理論分析,研究了裂隙開度對覆蓋型巖溶潛蝕塌陷的影響及其變化規律,認為覆蓋型潛蝕塌陷的關鍵控制因素是臨界裂隙開度,而臨界裂隙開度又受覆蓋層土質、密實度、臨界水力梯度等因素的影響;劉勇健等[3]通過對廣花盆地塌陷災害調查分析認為巖溶的發育程度、上覆松散巖土層是巖溶地面塌陷形成的基本條件, 強烈地下水位變、振動( 震動) 荷載等動力擾動是巖溶地面塌陷的動力條件;賈淑霞和馬霄漢[4]通過建立巖溶地面塌陷數學模型,認為巖溶管道的發育程度、上覆土層性質、巖溶含水層與孔隙含水之間的水位差是武漢市區巖溶地面塌陷的基本條件;張泰麗等[5]通過分析南京市地面塌陷程度,認為影響南京市地面塌陷的主要因素有:地下豐富的礦產、空間和地下水資源、巖溶發育、平原區砂層發育、大量的人類工程活動等。

以上研究工作對深入了解地面塌陷,預防減少地面塌陷災害具有重要意義。可以看到上述研究都是通過對局部地區進行深入研究,進而分析塌陷因素的。在這些已有工作的基礎上,從較大范圍分析塌陷因素,通過分析總結歸納[6-20],將各個因素統一建立評價體系,并通過統計全國近十年來發生的塌陷事故,以此為基礎運用極差分析和方差進行重要性分析,定性與定量相結合探究影響地面塌陷的各因素,并將各因素的重要性進行排序。

1 塌陷因素淺析

通過統計全國有關地面塌陷的研究,將導致地面塌陷的因素歸結如下：

1.1 水因素

(1) 局部水流突然涌出,影響范圍為幾個立方,范圍小。由于水的局部突然涌出,水力梯度大,動水力大,容易造成滲透破壞。在土質環境中,周圍土層在水的作用下,一方面自身的粘聚力減小,另一方面土體成分遭到破壞,部分顆粒較小的成分如粉土、粉細砂等被侵蝕帶走。由于水的突發性,一般周圍介質難以維持自穩就被破壞,從而形成塌陷范圍較小的區域。

(2) 由于下雨等突發水量大,影響范圍較大,具有季節性的特點。此類塌陷多發生在雨季,由于降水造成水的活動程度加大,發生機理與局部水流涌出基本相同。尤其對位于江河附近的省市,由于存在雨季,當地的水位就會存在地下水與江河水互相補充的問題,這種水體的活動較為頻繁,地下水位規律性的變化,伴隨著地下水位的漲落,發生著水體的垂直與水平運動,潛蝕作用隨之發生。長此以往,很容易造成地面塌陷。并且這種水力作用范圍廣,從而容易造成較大范圍的塌陷。

(3) 水的長期作用在一定時間爆發,是長期積累的結果,影響范圍大。雖然可能本身動水力不大,但由于長期作用,且掏空部位可在一定程度內維持自穩,從而逐漸形成空洞,最后發展至地表,導致影響范圍大。這種作用往往與巖溶地貌有關。

1.2 地質因素

當有不良地質體,如存在土洞，地質構造、覆蓋層巖性、結構、厚度滿足一定的條件下,引起的塌陷范圍較小。存在土洞時,上部車輛通過或機械的振動等,會對附近的巖體產生擾動進而使空洞頂部坍塌或土洞發展,形成塌陷。當區域內存在斷裂帶時,在這些斷裂帶附近已存在多處“潛蝕擾動點”,它們實際為土洞破壞帶或潛蝕作用形成的土洞雛形。覆蓋層厚度對塌陷影響顯著,塌陷多發育在厚度為15～50 m的地帶。當地質有巖溶時,塌陷呈多發性、長期性的特點。中國巖溶塌陷分布廣泛,除天津、上海、甘肅、寧夏以外的26個省(區)中都有發生,其中以廣西、湖南、貴州、湖北、江西、廣東、云南、四川、河北、遼寧等省(區)最為發育[21]。

1.3 工程活動

人類工程活動是引起地面塌陷的重要因素，是地面塌陷的誘發動力,其主要有抽水或人工降水,動荷載等,尤以抽水影響最大。同時也直接或間接地影響了水體的活動,及原有地區應力的分布,破壞了當地已有的穩定性。一方面，人類抽排地下水,興建基坑類工程活動引起降水漏斗的形成,在地下水降落漏斗周圍,地下水徑流強烈,水力坡度加大,水流加快,使得地下水對覆蓋層的沖刷和侵蝕作用加強,從而形成地面沉降和塌陷,主要集中分布在地下水降落漏斗中心及附近地帶。另一方面,人類的工程活動如在大量地下工程建設的過程中,也會影響原有地應力的平衡,使表層土體失穩,造成塌陷。

1.4 采礦因素

影響范圍大,影響可達到數百—數千平方米。當礦山大部分采空區沒有進行回填時,采空區頂板在重力作用下,逐漸改變了原始地應力的平衡,失去支撐,進而發生斷裂、破碎,形成塌陷。此外,由于地面塌陷的形成,改變了塌陷區內的水文地質條件,使匯水面積增大,地表水和淺層孔隙裂隙水向下滲漏,使礦體上部基巖的風化加劇,并且地層軟弱面和裂隙中的充填物不斷被沖刷和搬運,使巖體抗剪強度減弱,加快了塌陷的速度。在每次降水之后,塌陷區范圍均有發展,最后導致塌陷范圍急劇擴大。

綜上所述,建立如圖1的地面塌陷評價體系。

圖1 地面塌陷評價體系Fig.1 Evaluation system of the ground collapse

2 塌陷因素重要性分析

2.1 數據預處理

通過統計收集近10年來發生的塌陷事故,共計128起,分析這些塌陷的形成原因,去掉缺失相關數據無法獲知原因的事件后剩余108起,將這些事件看作是一次次的試驗進行處理,試驗結果可作為在各因素影響下發生塌陷的面積大小,各因素導致的塌陷面積最后以平均值來代替。

表1 塌陷事件統計表Table 1 Statistics of collapse incident

塌陷因子為水、地質、工程活動和采礦,根據事件具體分析,考慮各因素間的交互作用,增加因素工程活動與采礦、地質與工程活動、水與工程活動、水與地質、水與采礦。將水、地質、工程活動和采礦分別對應字母A,B,C,D。將每個因子設為2個水平,1代表無該影響或良好,2代表存在影響或不良,據此將108起事件看作9起試驗,建立塌陷事件計算表(表1)。

2.2 極差分析

極差分析就是在考慮某一因素時,認為其它因素對結果的影響是均衡的,從而認為,該因素各水平的差異是由于該因素本身引起的。

Rj反映了j列因素的水平變動時,試驗指標的最大變動幅度。Rj越大,表明該因素的水平改變對試驗指標的影響越顯著,因此重要度越大。

表2 各因素極差分析表Table 2 Range analysis results of factors

2.3 方差分析

方差分析是用于兩個及兩個以上樣本均數差別的顯著性檢驗。由于各種因素的影響,研究所得的數據呈現波動狀,造成波動的原因可分成兩類：一類是不可控的隨機因素；另一類是研究中施加的對結果形成影響的可控因素。

方差分析的基本原理認為不同處理組的均數間的差別基本來源有兩個：

(1) 隨機誤差,如測量誤差造成的差異或個體間的差異,稱為組內差異。用變量在各組的均值與該組內變量值之偏差平方和的總和表示, 記作SSw,組內自由度dfw。

(2) 實驗條件,即不同的處理造成的差異,稱為組間差異。用變量在各組的均值與總均值之偏差平方和表示,記作SSb,組間自由度dfb。

總偏差平方和SSt=SSb+SSw。

組內SSw、組間SSb除以各自的自由度(組內dfw=n-m,組間dfb=m-1,其中n為樣本總數,m為組數),得到其均方MSw和MSb。一種情況是處理沒有作用,即各組樣本均來自同一總體,MSb/MSw≈1。另一種情況是處理確實有作用,組間均方是由于誤差與不同處理共同導致的結果,即各樣本來自不同總體。那么,MSb?MSw。

方差分析是對多個正態總體在方差相同的條件下,檢驗其均值是否相等的一種統計方法,其具體思路是將數據的總變差平方和拆分為因素的變差平方和與隨機誤差平方和之和,然后作F檢驗(MSb/MSw比值構成F分布),用F值與其臨界值比較,即可求得因素作用的顯著性。

設第i號計算方案的結果為Ki,i=1,2,…,n;K1,K2,…,Kn相互獨立且服從正態分布,即Ki～N(μi,σ2)，于是對Ki進行方差分析,就相當于對假設T0∶μ1=μ2=μ3=…=μn作顯著性檢驗。

記全部計算結果為:

Qe=Q-Qi

式中：Q為總偏差平方和；Qi為組間偏差平方和；Qe為組內偏差平方和。為提高精度,可把影響較小的因素合并到組內誤差去[22]。將地質與工程活動的交互影響,水與工程活動的影響合并到組內誤差中去。

根據表1和表2的分析結果,分別計算各因素的組間偏差平方和,進而計算評判標準F值。方差分析結果見表3。其重要性排序與極差分析結果一致,重要性排在前四位的依次是工程活動,水與地質交互影響,水與采礦交互影響,水。

表3 方差分析表Table 3 Results of analysis variance

對α=0.05查表得F0.95(1,1)=16.1。對塌陷面積影響顯著的因素為工程活動,水和地質的交互影響。其余均不顯著。

3 結論

(1) 通過查閱大量文獻,總結歸納導致地面塌陷的影響因素,將因素歸納為四大類,并細化每一大類內容,最后建立地面塌陷因素評價體系,為以后科學評價地面塌陷提供參考。

(2) 通過定性與定量分析相結合,運用極差分析和方差分析,兩種方法互相驗證正確性。將影響地面塌陷的各個因素進行重要性排序,前四位依次為工程活動,水與地質交互影響,水與采礦交互影響,水。并且僅有工程活動,水與地質的交互影響對地面塌陷面積影響顯著。

(3) 為以后預防地面塌陷提供指導。為預防地面塌陷,應注意人類的工程活動,加強監督管理,減少工程活動對周邊的影響；同時加強探查相關區域的地質及水活動情況。從影響地面塌陷顯著的兩個因素上著手將有助于減少地面塌陷的發生。

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(責任編輯：陳姣霞)

LIU Dingyi, HE Yebo, ZHENG Zongqi, GUO Rui, REN Gaofeng, ZHANG Sasa
(SchoolofResourceandEnvironmentEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan，Hubei430070)

Importance Analysis of Ground Collapse Factors

Based on the analysis of the research of the nation,the main factors which are water,mining,engineering activities,geology,influencing ground collapse are

.By collecting actual event of the collapse,using the range analysis and variance analysis to get the important sort of ground collapse factors.The factors affecting significant ground collapse area are engineering activities,the interaction of water and geology.

ground collapse; evaluation system of collapse; range analysis; variance analysis

2014-06-18；改回日期：2014-10-22

劉定一(1990-),男,在讀碩士,礦物資源工程專業，從事數字礦山的研究。E-mail:ldywhut@163.com

任高峰(1979-)，男，副教授，博士，從事采礦工程、巖石力學等方面的教學和研究工作。E-mail:rgfwhut@163.com

P642.21

A

1671-1211(2015)02-0186-04

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150204.1044.001.html 數字出版日期:2015-02-04 10:44