名师名校勘测设计注册工程师讲义第111讲第十九章第五节 动力地质

四、滑坡、崩塌、岩溶、泥石流、土洞和塌陷、活动沙丘等不良地质现象的成因、发育过程和规律 及其对工程的影响(一) 滑坡 滑坡是指斜坡上的岩、土体在重力作用下，沿着斜坡内部一定的连续贯通的破裂面(称滑动面或滑 动带)，整体向下滑动的过程和现象。1滑坡的组成要素 一个发育完全、比较典型的滑坡通常由以下几个要素组成(见图19-31)。封闭洼地滑坡白阶滑坡周界床圏19 31滑坡际剖面形态轉征扌耀邮4骨皴舌主袈隙U滑坡壁乙.封团燥地潛坡壁(1) 滑坡体。脱离斜坡体向下滑动的那部分岩、土体。(2) 滑坡周界。滑坡体和周围没有滑动部分的分界线。(3) 滑动面(带)。滑坡体向下滑动的界面，是滑坡体与其下部稳定不动的岩土体之间的分界面。有 些滑坡没有明显的滑动面，而是形成软塑状的岩、土体，厚度数厘米至数米，叫滑动带。(4) 滑坡床。滑动面以下稳定不动的岩土体。(5) 滑坡壁。滑坡体后部与母体断开处形成的陡壁。常呈圈椅状地貌。(6) 滑坡台地。由于多次滑坡或各段滑坡体滑动速度的差异，滑坡体上形成阶梯状的台地。(7) 滑坡舌。滑坡体前缘形如舌状向前伸出的部分叫滑坡舌。滑坡舌的隆起部分叫滑坡鼓丘。(8) 滑坡裂隙。滑坡体各部分向下滑动速度不同，受力不均匀，形成一系列不同性质的裂隙。在滑 坡前缘，因滑坡体下滑受阻土体隆起而形成的鼓张裂隙，其方向垂直于滑动方向。在滑坡体后缘受拉力 作用形成平行于滑坡壁的弧形拉张裂隙。在滑坡体两侧，因滑坡体与滑坡床的相对位移而形成剪切裂隙， 常伴生有羽毛状裂隙。在滑坡前缘，因滑坡体向两侧扩散形成放射状的裂隙，为扇形裂隙。其中滑动面(带)是滑坡形成的关键要素。滑动面的埋藏深度在很大程度上决定了滑坡体的规模。 滑动面一般有直线形、折线形、圈椅形、阶梯形等，其形状直接控制着滑坡体的稳定状态，是滑坡稳定 性分析、灾害预测预报、工程处理的重要依据。2滑坡的形成条件(1) 地形地貌一般山地的缓坡地段，由于地表水流动缓慢，易于渗入地下，因而有利于滑坡的形成和发展。山区 河流的凹岸易被流水冲刷和淘蚀，当黄土地区高阶地前缘坡脚被地表水侵蚀和地下水浸润，这些地段常 易发生滑坡。(2) 地层岩性地层岩性是滑坡产生的物质基础。软弱的地层岩性，在水和其他外营力作用下，因强度降低而易形 成滑动带，从而具备了产生滑坡的基本条件。(3) 地质构造滑坡沿断裂破碎带往往成群成带分布。各种软弱结构面(如断层面、岩层面、节理面、片理面及不 整合面等)控制了滑动面的空间展布及滑坡的范围。(4) 水文地质条件地下水进入滑坡体增加了滑体的重量，滑体在地下水的浸润下抗剪强度降低。地下水位上升产生的静水压力对上覆不透水岩层产生浮托力，降低了抗滑力，造成斜坡失稳。另外，地下水 与周围岩体长期作用会改变岩土的性质和强度，容易引发滑坡。(5) 人类活动 人工开挖边坡或在斜坡上部加载，改变了斜坡的外形和应力状态，增大了滑体的下滑力， 减小了斜坡的支撑力，从而引发滑坡。3滑坡的发育过程及规律滑坡的发育是一个缓慢的变化过程，通常将滑坡发育过程划分为三个阶段。(1) 蠕动变形阶段由于各种因素的影响，斜坡岩土体强度逐渐降低或斜坡内部剪切应力不断增加，使斜坡的稳定状态 受到破坏。斜坡内较软弱的岩土体首先因抗剪强度小于剪切应力而发生变形，当变形发展至坡面便形成 断续的拉张裂缝。变形进一步发展，后缘裂缝加宽，并出现小的错断，滑体两侧的剪切裂缝也相继出现， 坡脚附近的岩土体被挤出。此时滑动面基本形成，但未全部贯通。当变形继续发展，后缘裂缝进一步加 宽，错距不断增大，两侧的剪切裂缝贯通，斜坡前缘的岩土体受推挤而鼓起，并出现大量鼓胀裂缝，滑 坡出口附近渗水浑浊时，滑动面全部贯通，斜坡岩土体开始沿滑动面整体向下滑动。(2) 滑动破坏阶段滑动面贯通后，滑坡开始整体作向下滑动。此时滑坡后缘迅速下陷，滑壁明显出露，有时形成滑坡 阶地。滑体上的树林形成醉汉林，建筑物严重变形倒塌。随着滑体向前滑动，滑坡体向前伸出形成滑坡 舌，并使前方道路、建筑物遭受破坏或被掩埋。发育在河谷岸坡的滑坡，或堵塞河流，或迫使河流弯曲 转向。(3) 压密稳定阶段 滑坡体在滑面摩擦阻力的作用下，最终要停止下来。停止后，在重力作用下，滑坡体上的松散岩土 体逐渐压密，地表裂缝被充填，滑动面附近的岩土体强度由于压密，固结程度提高。当滑坡坡面变缓， 滑坡前缘无渗水，滑坡表面植被重新生长时，说明滑坡基本稳定。(二) 崩塌 陡坡上的岩体或土体在重力作用下，突然脱离母体向下崩落的现象称为崩塌。崩塌的过 程表现为岩土体顺坡猛烈的翻滚、跳跃，相互撞击，最后堆积于坡角形成岩堆：崩塌的主要特征是 脱离母岩塌落速度快、发生突然，下落过程中崩塌体的整体性遭到破坏，崩塌的垂直位移大于水平位移， 具有崩塌前兆的不稳定岩土体称为危岩。1崩塌运动的形式 崩塌的运动形式主要有两种：一种是脱离母岩的岩块或土体以自由落体的方式而坠落，另一种是脱 离母岩的岩体顺坡滚动而崩落。2崩塌的形成条件(1) 地形地貌条件崩塌多发生于坡度大于55、高度大于30m、坡面凹凸不平的陡峻斜坡上。(2) 岩性条件 块状、厚层状的坚硬脆性岩石常形成较陡峻的边坡，若构造节理或卸荷裂隙发育且存在临空面，则 极易形成崩塌。由非均质的互层岩石组成的斜坡，岩体稳定性差，常发生崩塌。若软岩在下，硬岩在上、 下部软岩风化剥蚀后，上部坚硬岩体常发生大规模的倾倒式崩塌；含有软弱结构面的厚层坚硬岩石组成 的斜坡，若软弱结构面的倾向与坡向相同，极易发生大规模的崩塌。由单一均质岩石、页岩或泥岩组成 的边坡极少发生崩塌：(3) 地质构造条件 在地质构造复杂、新构造运动强烈的地区，断层、节理、褶皱发育。这些结构面，将斜坡岩体切割成不连续的块体，岩体破碎，为崩塌的发生创造了有利条件。(4) 水文地质条件 充满裂隙的地下水及其流动对潜在的崩塌体产生静水压力和动水压力，也可以对潜在 崩塌体产生浮托力。地下水降低了潜在崩塌体与稳定岩体之间的抗拉强度，也使裂隙充填物的抗剪强度在水的软化作用下大大降低。这些都使边坡上的潜在崩塌体更易于失稳。(5) 地震及振动 地震、人工爆破和列车运行时产生的振动可诱发崩塌。(6) 人类活动 修建铁路或公路、采石、露天开矿等大型工程开挖常使自然边坡的坡度变陡，从而诱发崩塌。如工 程设计不合理或施工措施不当，更易产生崩塌。3滑坡崩塌的工程危害 滑坡、崩塌是最为严重的山区道路地质灾害。大型滑坡、崩塌能掩埋摧毁路基，中断行车，造成人 员伤亡。滑坡、崩塌堆积物可使水库淤积加剧，缩短水库寿命，甚至威胁大坝安全。河流沿岸特别是峡 谷地段，多为滑坡崩塌的密集发生地区，对航运影响很大。它们还能造成破坏农田、摧毁建筑物等灾害。(三) 岩溶 岩溶(喀斯特)是地下水和地表水对可溶性岩石以溶蚀作用为主 7，所形成的各种地质现象的总 称。1.岩溶的形成条件、(1) 具有可溶性的岩石(碳酸盐类岩石、硫酸盐类岩石和氯化盐类岩石)：这是岩溶发育的基本条件。(2) 可溶岩具有透水性：这是岩溶发育的必要条件，主要取决于可溶岩中的裂隙和孔隙，尤以裂隙 为主。裂隙的存在为地表水的下渗提供了良好的通道，利于岩溶的发育。(3) 具有溶蚀能力的水：这是岩溶发育的外因。水对碳酸盐类岩石的溶解能力主要取决于水中侵蚀 性CO。的含量。其溶蚀过程为：CaCO + HO + CO T Ca2+ 2HCO -。2 3 2 2 3(4) 循环交替的水流：通过水的运动，可以不断地将溶解下来的物质带走，同时又能不断地提供新 的有侵蚀性的水，使岩溶不断地进行。2岩溶的发育规律(1) 岩溶的发育具有垂直分带性 在厚度为百米、数百米质纯的可溶岩中，在受当地岩溶侵蚀基准面的控制下，岩溶发育随着深度的 增加及地下水的动力特征，可划分为四个带：垂直岩溶发育带、水平和垂直岩溶交替发育带、水平岩溶 发育带和深部岩溶发育带，如图19-32 所示。HI111轟云A團19 32强辭乖介带示盘:捌IJ.艮滞水亡-地F水址高水忡线：地卜水址低朮位空4地下木流向 直岩溶发育带(D：位于地表以下，最高地下水位以上的包气带，大气降水通过各种裂隙深入岩 层中后，主要做垂直运动，因此以近垂直岩溶形态发育为主要形式，如溶蚀漏斗、落水洞和竖井等。 水平和垂直岩溶交替发育带(II):位于地下水最高和最低水位之间的季节循环带，地下水位上升 时期，地下水呈水平方向流动；而水位下降时期，地下水做垂直方向运动，因此这一带的岩溶形态有垂 直的落水洞，也有近水平方向的溶洞。 水平岩溶发育带(III)：位于地下水最低水位以下及地方性侵蚀基准面以上的水平循环 带，该带地下水主要做水平方向运动，故岩溶发育主要有溶洞、暗河、地下湖泊等。此外，河谷底部水流以承压方式自下向上排泄于河床之中，在河床下部可有呈放射状的岩溶分布。 深部岩溶发育带(W):在当地岩溶侵蚀基准面以下，地下水向更远更低的区域运动，同时其循环 交替的强度变弱，岩溶的发育亦减弱，主要分布为溶隙和溶孔。(2) 岩溶发育受岩层组合的控制岩层组合是指可溶岩层与非可溶岩层的比例和相互组合关系。在非可溶岩地区不会发育 岩溶，在质纯的石灰岩中岩溶就很发育。在可溶岩与非可溶岩相间区岩溶呈带状分布。(3) 岩溶分布受地质构造控制断层和裂隙是地下水在岩层中流动的良好通道，特别是区域性的断裂，对岩溶发育常起控制作用。 然而，不同力学性质的断层，其岩溶发育的部位也不相同，如压性断层本身阻水，因而岩溶不发育，但 其上盘往往岩体较破碎，故岩溶较发育；张拉断层，其断裂带裂隙多而呈张开状态，故张拉断层带岩溶 十分发育。另外，在褶皱的核部和转折部位，因多是张拉裂隙，常是岩溶最发育的地带；而褶皱的翼部岩溶发 育相对较弱。(4) 岩溶发育的成层性 地壳常常处于间歇性的上升或下降阶段。由于地壳抬升，岩溶侵蚀基准面相对下降，地下 水为适应基准面的下降而进行垂向溶蚀，从而产生垂直的管道，如漏斗、落水洞；当地壳上升到一 定阶段并处于相对稳定时期时，地下水则向地表河谷方向运动，从而发育成近水平的廊道，如地下河； 若地壳再次上升和进而相对稳定，就会相应地形成另一高程上的垂直和水平的岩溶洞穴。如此反复，就 在可溶岩厚度大、裂隙发育、地下水径流量大的地区，形成多个不同高程的溶洞层，溶洞层上老下新， 往往可与该区的河谷阶地或剥蚀面相对比。相反，由于地壳间歇性下降，也可形成各层分布的溶洞，但 溶洞下老上新。【例 19-27】在相同岩性与水文地质条件下，有利于溶洞发育的构造条件是：A. 气孔状构造B. 层理构造C. 褶皱构造D. 断裂构造 解：断层和裂隙是地下水在岩层中流动的良好通道，特别是断裂和区域性断裂，对岩溶发育起控制性作用。气孔状构造和层理构造属于岩层结构构造，褶皱构造较断裂构造对岩溶发育的控制性相对较弱。答案：D【例 19-28】下列条件中不是岩溶发育的必需条件为：A. 岩石具有可溶性B. 岩体具有透水结构面C. 具有溶蚀能力的水D. 岩石具有软化性解具有可溶性岩石、可溶岩体具有透水性及具有循环交替的溶蚀能力的水是岩溶发育 的三个必要条件。答案：D3岩溶对工程的影响(1) 岩溶渗漏问题 渗漏问题是岩溶地区修建水库的，主要工程地质问题。岩溶通道和洞穴，使透水性加大且不均一，常成为水库渗漏的主要通道。(2) 岩溶地基稳定性问题 地基不均匀下沉：在覆盖型岩溶区，下伏石芽、溶沟、落水洞、漏斗等造成基岩面起伏较大，当 其上部有性质不同、厚度不等的土层分布时，在建筑物附加荷载作用下，致使地基不均匀下沉，或因桩 柱不可靠而导致建筑物倾斜、开裂、倾倒及破坏。 地表塌陷：在地基主要受力层范围内，如有溶洞、暗河、土洞等，在自然条件下，或因建筑物的 附加荷载、抽排地下水等因素作用，产生洞顶坍塌，引起地面沉陷、开裂，使地基突然下沉，导致建筑 物破坏。 地基滑动：在裸露型岩溶区，当基础砌置在溶沟、溶隙、落水洞、漏斗附近时，有可能使基础下 岩体沿倾向临空的软弱结构面产生滑动，引起建筑物破坏。 地基承载力不足：在覆盖型岩溶区，上覆松软土强度较低，或建筑荷载过大，引起地基发生剪切 破坏，导致建筑物的变形和破坏。(3) 岩溶区地下工程中的洞室稳定和涌水问题 岩溶对洞壁的影响：若洞底或附近有较大洞穴、培河存在时，则可能引起塌陷或基础悬空、突水； 若洞底为松散堆积物，则应注意洞底发生鼓凸现象。 岩溶对洞顶的影响：由于裂隙的切割、地下水的活动，以及洞顶、侧壁上的灰化沉积物的存在， 还有洞壁内溶隙、洞穴巾的充填物，可引起落石、塌方或突水、涌砂的事故。涌水问题：当洞室在地下水循环带开挖时，若挖穿积水大溶洞或暗河通道，就会发生集中突水， 并伴随涌泥、涌砂现象。(四) 泥石流 泥石流是含有大量泥沙石块等固体松散物质的有很大破坏力的洪流。1泥石流的形成条件 泥石流形成必须具备丰富的松散固体物质、足够的突发性水源和陡峻的地形三个基 本条件。(1) 松散固体物质 地质条件决定了松散固体物质的来源及其是否丰富。泥石流强烈发育的地区，都是地质 构造复杂、岩石风化破碎严重、新构造运动活跃、地震频发、构造断裂发育、崩塌滑坡灾害多发的地段。这样的地段岩石破碎，为泥石流的形成提供了丰富的物质来源。此外，人为采石、采矿弃渣及滥 伐山林造成山坡水土流失等，往往会产生大量碎屑物质，也为泥石流提供大量的物质来源。(2) 地形条件 泥石流总是发生在地势陡峻、纵坡降较大的山岳地区。典型的泥石流流域可划分为形成区、流通区和堆积区三个区段。如图19-33 所示。形成区地形多为 三面环山一面出口的圈椅状，中心比较开阔，周围山高坡陡，岩石破碎，植被生长不良，有利于聚积周勘测设计注册工程师讲义 围山坡上的碎屑物和水；中游流通区多为狭窄而深切的峡谷或冲沟，谷壁陡峻而纵坡较大，为泥石流的 排泻提供了强大的动能；下游为平坦开阔的山前平原或河谷阶地，便于碎屑物堆积。泥石流在此处堆积 后形成扇形、锥形或带形的堆积体。典型的地貌形态为洪积扇。L.II图19-33 典型泥石流流域示意图【-泥石沆形应区泥仟浇就通区.111泥和流堆积区；】叮泥石凉绪取河流形成的湖泊:1-峡各仕有水沟床；齐无水陶床沁竹区界我R渝域鼎线(3) 水源条件水不仅是泥石流的组成部分，也是固体物质的搬运介质，泥石流的形成必须有强烈的地表径流，这 是爆发泥石流的动力条件。地表径流主要来源于暴雨、冰雪融水、高山湖泊、水库溃决等。2泥石流对工程的影响 灾害性泥石流具有爆发突然，来势凶猛，冲击力强，冲淤变幅大，主流摆动速度快、幅度大等特点， 其危害方式主要有冲刷、冲击、磨蚀和淤埋。(五) 土洞和塌陷 土洞是因地下水或地表水流入地下土体内，将颗粒间可溶成分溶滤、带走细小颗粒，使土体被掏空 成洞穴形成的。空洞的不断发展而导致地面塌陷。在覆盖形岩溶地区，由于水动力条件的变化，常在上 覆土层内形成空洞。由于土滴较岩溶洞穴发育速度快，分布密度大，所以它往往较溶洞危害要大得多。1成因机制 土洞和地面塌陷系地下水活动所致。其成因机制，以潜蚀机制最为普遍，此外尚有真空吸蚀和气爆 等机制。(1) 潜蚀机制 所谓潜蚀是指地下水在渗流过程中，由于渗透压力(或称动水压力)的作用，使碳酸盐岩溶洞裂隙中的充填物被携走，在土层中产生土洞。随着土洞的不断扩大，其顶板不足以形成天然平衡拱而不断塌 落，最终在地表形成碟形洼地或塌陷坑。潜蚀机制一般产生在基岩岩溶水与上覆松散土体中的孔隙水有强水力联系的地段。(2) 真空吸蚀机制相对密闭的岩溶水，由于抽水等原因地下水位大幅度下降，尤其在承压岩溶水条件下，当地下水位 低于覆盖层底板时，地下水面以上的洞穴成为“真空腔”。此时真空腔内的水面如同吸盘一样，强有力 地抽吸覆盖层底板的土体，使其逐渐被吸蚀掏空而形成土洞。随着地下水位下降，真空腔内外压差效应 不断加剧，而使土洞不断扩展，最终可导致突发地面塌陷。真空吸蚀一般发生在覆盖层隔水性好且分布 较均匀的地段。在碳酸盐岩残积黏土(红黏土)分布较厚的地区，地面塌陷多因真空吸蚀所致。(3) 气爆机制气爆机制一般也是产生在密闭的岩溶水地段，但它与真空吸蚀机制的不同之处是岩溶 水呈无压状态，岩溶洞穴中地下水面以上有相当大的空间。由于地下水位不断抬升。水面 以上的空气受到压缩而呈“高压”状态。当大气压达到一定程度时，就冲破上覆土体而突发 地面塌陷。由以上三种形成机制分析可知，前者属于渗透压力的作用，后两者则是大气压差的作用。2产生条件土洞和地面塌陷的产生，与岩溶区特定的岩性、地质结构、水文地质和地形地貌条件有关。(1) 覆盖层岩性及其厚度土洞和地面塌陷的分布，受第四系松散覆盖层的岩性和厚度控制。一般认为，含砂量较高的土体， 尤其是砂类土因临界水力梯度较小，容易产生土洞和地面塌陷；亲水性强抗水性差的黏性土地段也可形 成土洞。产生地面塌陷的地段第四系覆盖层厚度较小。据对我国南方岩溶地面塌陷的统计，大多数地面塌陷医的覆盖层厚度小于10m。一般情况是：厚度小于10m者塌陷严重，1030m者 塌陷数量较少，而厚度大于30m者塌陷可能性则很小。(2) 碳酸盐岩中的岩溶发育 碳酸盐岩中的岩溶洞隙，是容纳覆盖层塌陷物质的空间，也是渗透水流运移塌陷物质的通道。因而碳酸盐岩浅部开口岩溶的发育，是地面塌陷产生的基础。(3) 地下水活动地下水渗流及其水动力条件的变化，是土洞和地面塌陷形成的动力因素。在地下水径流集中而强烈的主径流带，一般是土洞和地面塌陷产生的敏感区。(4) 地形地貌条件 具备上述条件的河流低阶地或地形低洼处，是有利于地面塌陷的地形地貌条件。岩溶地区河谷地带的低阶地处，一般岩溶十分发育，岩溶水与河水水力联系密切，受河水位频繁的 涨落变化，地下水位也不断变化，地下水循环交替强烈。且覆盖层往往为较薄的松散砂土和粉土，易发 生潜蚀，因此河床两侧易产生地面塌陷。(六) 活动沙丘1成因 由于地面凹凸不平，存在着许多障碍物，如地面草丛、建筑物等，于是在风力作用下，在障碍物前 后形成不规则的沙堆。它们的规模视障碍物大小而定，可从高度不足一米到高达数米。沙堆的出现改变了近地表气流的动力结构，尤其是沙堆的背风坡形成的涡流，经久不 息地促使风积作用进行。风沙流在涡流之间发生堆积，并且不断地加高这些堆积物，形成 沙丘。沙丘是不稳定的堆积体，在风力地质作用之下，推移质和跃移质顺风向运动，引起沙丘的移 动。2沙丘移动的特点 沙丘移动是在风力作用下沙粒运动的总和。其运动过程主要表现为方向、方式和速度三 个方面。(1) 移动方向 沙丘的移动方向取决于有一定延续时间的起沙风的合成风向。起沙风的合成风向，在大 气环流影响下，随地区和季节而不同，所以沙丘移动方向也有很大变化，在通常情况下，风积地貌 形态可反映一个主要风向。在不同风向相互作用下，沙丘形态和移动方向会发生复杂的变化。因此，在 防风固沙林带的配置上应加以注意。(2) 移动方式 沙丘移动方式可分为一线前进式和来回摆动式。前者终年保持不断向前移动，后者则往 复前进和后退。(3) 移动速度 沙丘移动的速度受风向频率、风速、水分、植被、沙丘形态、沙丘高度、排列密度和沙粒粒径等多 种因素的影响。它们之间的主要关系如下：沙丘移动速度与风向频率及风速的平方成正比，与其本身高度成反比。沙丘移动速度与沙丘间距成正比。 含水量小的与裸露的沙丘移动较快。 地面平坦地区，沙丘移动较快。3沙丘对工程的危害以对道路工程的危害为例，见表 19-10。沙埋、风蚀、磨蚀