劉定一, 何葉波, 鄭宗棋, 郭 銳, 任高峰, 張卅卅

(武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)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(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)

通過(guò)收集大量文獻(xiàn),總結(jié)已有的研究工作,將地面塌陷因素概括為水、采礦、工程活動(dòng)、地質(zhì)四個(gè)方面,簡(jiǎn)述各因素的作用機(jī)理,建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)體系,在此基礎(chǔ)上通過(guò)收集已有塌陷事故,運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法及極差與方差分析,相互驗(yàn)證得出塌陷因素的重要性排序,對(duì)塌陷面積影響顯著的因素為工程活動(dòng),水與地質(zhì)的交互影響。

地面塌陷;塌陷評(píng)價(jià)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(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象。自2000年起,中國(guó)塌陷事故頻發(fā),給人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了極大威脅。尤其是在人口集中的城市地區(qū),塌陷的社會(huì)危害更為巨大。地面塌陷形成原因復(fù)雜,具有突發(fā)性、隨機(jī)性、隱伏性等特點(diǎn),不易探查,加強(qiáng)對(duì)地面塌陷的研究顯得尤為必要。

近年來(lái)諸多學(xué)者對(duì)地面塌陷機(jī)理做了很多的研究。楊彩俠等[1]通過(guò)統(tǒng)計(jì)研究分析2007年—2010年發(fā)生在北京市區(qū)內(nèi)的路基空洞、路面塌陷情況,認(rèn)為道路塌陷的原因有先前空洞,地下水移動(dòng),地下水位變化,凍融,施工質(zhì)量,地下水管滲漏,車(chē)輛超載,地下施工;任新紅等[2]通過(guò)模型試驗(yàn)和理論分析,研究了裂隙開(kāi)度對(duì)覆蓋型巖溶潛蝕塌陷的影響及其變化規(guī)律,認(rèn)為覆蓋型潛蝕塌陷的關(guān)鍵控制因素是臨界裂隙開(kāi)度,而臨界裂隙開(kāi)度又受覆蓋層土質(zhì)、密實(shí)度、臨界水力梯度等因素的影響;劉勇健等[3]通過(guò)對(duì)廣花盆地塌陷災(zāi)害調(diào)查分析認(rèn)為巖溶的發(fā)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(qiáng)烈地下水位變、振動(dòng)( 震動(dòng)) 荷載等動(dòng)力擾動(dòng)是巖溶地面塌陷的動(dòng)力條件;賈淑霞和馬霄漢[4]通過(guò)建立巖溶地面塌陷數(shù)學(xué)模型,認(rèn)為巖溶管道的發(fā)育程度、上覆土層性質(zhì)、巖溶含水層與孔隙含水之間的水位差是武漢市區(qū)巖溶地面塌陷的基本條件;張?zhí)惖萚5]通過(guò)分析南京市地面塌陷程度,認(rèn)為影響南京市地面塌陷的主要因素有:地下豐富的礦產(chǎn)、空間和地下水資源、巖溶發(fā)育、平原區(qū)砂層發(fā)育、大量的人類(lèi)工程活動(dòng)等。

以上研究工作對(duì)深入了解地面塌陷,預(yù)防減少地面塌陷災(zāi)害具有重要意義?？梢钥吹缴鲜鲅芯慷际峭ㄟ^(guò)對(duì)局部地區(qū)進(jìn)行深入研究,進(jìn)而分析塌陷因素的。在這些已有工作的基礎(chǔ)上,從較大范圍分析塌陷因素,通過(guò)分析總結(jié)歸納[6-20],將各個(gè)因素統(tǒng)一建立評(píng)價(jià)體系,并通過(guò)統(tǒng)計(jì)全國(guó)近十年來(lái)發(fā)生的塌陷事故,以此為基礎(chǔ)運(yùn)用極差分析和方差進(jìn)行重要性分析,定性與定量相結(jié)合探究影響地面塌陷的各因素,并將各因素的重要性進(jìn)行排序。

1 塌陷因素淺析

通過(guò)統(tǒng)計(jì)全國(guó)有關(guān)地面塌陷的研究,將導(dǎo)致地面塌陷的因素歸結(jié)如下：

1.1 水因素

(1) 局部水流突然涌出,影響范圍為幾個(gè)立方,范圍小。由于水的局部突然涌出,水力梯度大,動(dòng)水力大,容易造成滲透破壞。在土質(zhì)環(huán)境中,周?chē)翆釉谒淖饔孟?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(xì)砂等被侵蝕帶走。由于水的突發(fā)性,一般周?chē)橘|(zhì)難以維持自穩(wěn)就被破壞,從而形成塌陷范圍較小的區(qū)域。

(2) 由于下雨等突發(fā)水量大,影響范圍較大,具有季節(jié)性的特點(diǎn)。此類(lèi)塌陷多發(fā)生在雨季,由于降水造成水的活動(dòng)程度加大,發(fā)生機(jī)理與局部水流涌出基本相同。尤其對(duì)位于江河附近的省市,由于存在雨季,當(dāng)?shù)氐乃痪蜁?huì)存在地下水與江河水互相補(bǔ)充的問(wèn)題,這種水體的活動(dòng)較為頻繁,地下水位規(guī)律性的變化,伴隨著地下水位的漲落,發(fā)生著水體的垂直與水平運(yùn)動(dòng),潛蝕作用隨之發(fā)生。長(zhǎng)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(zhǎng)期作用在一定時(shí)間爆發(fā),是長(zhǎng)期積累的結(jié)果,影響范圍大。雖然可能本身動(dòng)水力不大,但由于長(zhǎng)期作用,且掏空部位可在一定程度內(nèi)維持自穩(wěn),從而逐漸形成空洞,最后發(fā)展至地表,導(dǎo)致影響范圍大。這種作用往往與巖溶地貌有關(guān)。

1.2 地質(zhì)因素

當(dāng)有不良地質(zhì)體,如存在土洞，地質(zhì)構(gòu)造、覆蓋層巖性、結(jié)構(gòu)、厚度滿(mǎn)足一定的條件下,引起的塌陷范圍較小。存在土洞時(shí),上部車(chē)輛通過(guò)或機(jī)械的振動(dòng)等,會(huì)對(duì)附近的巖體產(chǎn)生擾動(dòng)進(jìn)而使空洞頂部坍塌或土洞發(fā)展,形成塌陷。當(dāng)區(qū)域內(nèi)存在斷裂帶時(shí),在這些斷裂帶附近已存在多處“潛蝕擾動(dòng)點(diǎn)”,它們實(shí)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(duì)塌陷影響顯著,塌陷多發(fā)育在厚度為15～50 m的地帶。當(dāng)?shù)刭|(zhì)有巖溶時(shí),塌陷呈多發(fā)性、長(zhǎng)期性的特點(diǎn)。中國(guó)巖溶塌陷分布廣泛,除天津、上海、甘肅、寧夏以外的26個(gè)省(區(qū))中都有發(fā)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(qū))最為發(fā)育[21]。

1.3 工程活動(dòng)

人類(lèi)工程活動(dòng)是引起地面塌陷的重要因素，是地面塌陷的誘發(fā)動(dòng)力,其主要有抽水或人工降水,動(dòng)荷載等,尤以抽水影響最大。同時(shí)也直接或間接地影響了水體的活動(dòng),及原有地區(qū)應(yīng)力的分布,破壞了當(dāng)?shù)匾延械姆€(wěn)定性。一方面，人類(lèi)抽排地下水,興建基坑類(lèi)工程活動(dòng)引起降水漏斗的形成,在地下水降落漏斗周?chē)?地下水徑流強(qiáng)烈,水力坡度加大,水流加快,使得地下水對(duì)覆蓋層的沖刷和侵蝕作用加強(qiáng),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(lèi)的工程活動(dòng)如在大量地下工程建設(shè)的過(guò)程中,也會(huì)影響原有地應(yīng)力的平衡,使表層土體失穩(wěn),造成塌陷。

1.4 采礦因素

影響范圍大,影響可達(dá)到數(shù)百—數(shù)千平方米。當(dāng)?shù)V山大部分采空區(qū)沒(méi)有進(jìn)行回填時(shí),采空區(qū)頂板在重力作用下,逐漸改變了原始地應(yīng)力的平衡,失去支撐,進(jìn)而發(fā)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(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)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(fēng)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(yùn),使巖體抗剪強(qiáng)度減弱,加快了塌陷的速度。在每次降水之后,塌陷區(qū)范圍均有發(fā)展,最后導(dǎo)致塌陷范圍急劇擴(kuò)大。

綜上所述,建立如圖1的地面塌陷評(píng)價(jià)體系。

圖1 地面塌陷評(píng)價(jià)體系Fig.1 Evaluation system of the ground collapse

2 塌陷因素重要性分析

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

通過(guò)統(tǒng)計(jì)收集近10年來(lái)發(fā)生的塌陷事故,共計(jì)128起,分析這些塌陷的形成原因,去掉缺失相關(guān)數(shù)據(jù)無(wú)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(yàn)進(jìn)行處理,試驗(yàn)結(jié)果可作為在各因素影響下發(fā)生塌陷的面積大小,各因素導(dǎo)致的塌陷面積最后以平均值來(lái)代替。

表1 塌陷事件統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of collapse incident

塌陷因子為水、地質(zhì)、工程活動(dòng)和采礦,根據(jù)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(dòng)與采礦、地質(zhì)與工程活動(dòng)、水與工程活動(dòng)、水與地質(zhì)、水與采礦。將水、地質(zhì)、工程活動(dòng)和采礦分別對(duì)應(yīng)字母A,B,C,D。將每個(gè)因子設(shè)為2個(gè)水平,1代表無(wú)該影響或良好,2代表存在影響或不良,據(jù)此將108起事件看作9起試驗(yàn),建立塌陷事件計(jì)算表(表1)。

2.2 極差分析

極差分析就是在考慮某一因素時(shí),認(rèn)為其它因素對(duì)結(jié)果的影響是均衡的,從而認(rèn)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(dòng)時(shí),試驗(yàn)指標(biāo)的最大變動(dòng)幅度。Rj越大,表明該因素的水平改變對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)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(gè)及兩個(gè)以上樣本均數(shù)差別的顯著性檢驗(yàn)。由于各種因素的影響,研究所得的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)波動(dòng)狀,造成波動(dòng)的原因可分成兩類(lèi)：一類(lèi)是不可控的隨機(jī)因素；另一類(lèi)是研究中施加的對(duì)結(jié)果形成影響的可控因素。

方差分析的基本原理認(rèn)為不同處理組的均數(shù)間的差別基本來(lái)源有兩個(gè)：

(1) 隨機(jī)誤差,如測(cè)量誤差造成的差異或個(gè)體間的差異,稱(chēng)為組內(nèi)差異。用變量在各組的均值與該組內(nèi)變量值之偏差平方和的總和表示, 記作SSw,組內(nèi)自由度dfw。

(2) 實(shí)驗(yàn)條件,即不同的處理造成的差異,稱(chēng)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(nèi)SSw、組間SSb除以各自的自由度(組內(nèi)dfw=n-m,組間dfb=m-1,其中n為樣本總數(shù),m為組數(shù)),得到其均方MSw和MSb。一種情況是處理沒(méi)有作用,即各組樣本均來(lái)自同一總體,MSb/MSw≈1。另一種情況是處理確實(shí)有作用,組間均方是由于誤差與不同處理共同導(dǎo)致的結(jié)果,即各樣本來(lái)自不同總體。那么,MSb?MSw。

方差分析是對(duì)多個(gè)正態(tài)總體在方差相同的條件下,檢驗(yàn)其均值是否相等的一種統(tǒng)計(jì)方法,其具體思路是將數(shù)據(jù)的總變差平方和拆分為因素的變差平方和與隨機(jī)誤差平方和之和,然后作F檢驗(yàn)(MSb/MSw比值構(gòu)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(shè)第i號(hào)計(jì)算方案的結(jié)果為Ki,i=1,2,…,n;K1,K2,…,Kn相互獨(dú)立且服從正態(tài)分布,即Ki～N(μi,σ2)，于是對(duì)Ki進(jìn)行方差分析,就相當(dāng)于對(duì)假設(shè)T0∶μ1=μ2=μ3=…=μn作顯著性檢驗(yàn)。

記全部計(jì)算結(jié)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(nèi)偏差平方和。為提高精度,可把影響較小的因素合并到組內(nèi)誤差去[22]。將地質(zhì)與工程活動(dòng)的交互影響,水與工程活動(dòng)的影響合并到組內(nèi)誤差中去。

根據(jù)表1和表2的分析結(jié)果,分別計(jì)算各因素的組間偏差平方和,進(jìn)而計(jì)算評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)F值。方差分析結(jié)果見(jiàn)表3。其重要性排序與極差分析結(jié)果一致,重要性排在前四位的依次是工程活動(dòng),水與地質(zhì)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(duì)α=0.05查表得F0.95(1,1)=16.1。對(duì)塌陷面積影響顯著的因素為工程活動(dòng),水和地質(zhì)的交互影響。其余均不顯著。

3 結(jié)論

(1) 通過(guò)查閱大量文獻(xiàn),總結(jié)歸納導(dǎo)致地面塌陷的影響因素,將因素歸納為四大類(lèi),并細(xì)化每一大類(lèi)內(nèi)容,最后建立地面塌陷因素評(píng)價(jià)體系,為以后科學(xué)評(píng)價(jià)地面塌陷提供參考。

(2) 通過(guò)定性與定量分析相結(jié)合,運(yùn)用極差分析和方差分析,兩種方法互相驗(yàn)證正確性。將影響地面塌陷的各個(gè)因素進(jìn)行重要性排序,前四位依次為工程活動(dòng),水與地質(zhì)交互影響,水與采礦交互影響,水。并且僅有工程活動(dòng),水與地質(zhì)的交互影響對(duì)地面塌陷面積影響顯著。

(3) 為以后預(yù)防地面塌陷提供指導(dǎo)。為預(yù)防地面塌陷,應(yīng)注意人類(lèi)的工程活動(dòng),加強(qiáng)監(jiān)督管理,減少工程活動(dòng)對(duì)周邊的影響；同時(shí)加強(qiáng)探查相關(guān)區(qū)域的地質(zhì)及水活動(dòng)情況。從影響地面塌陷顯著的兩個(gè)因素上著手將有助于減少地面塌陷的發(fā)生。

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(責(zé)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(zhuān)業(yè)，從事數(shù)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(xué)等方面的教學(xué)和研究工作。E-mail:rgfwhut@163.com

P642.21

A

1671-1211(2015)02-0186-04

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150204.1044.001.html 數(shù)字出版日期:2015-02-04 10:44