岩溶塌陷风险性综合分析与评价 岩溶塌陷影响因素分析
根据岩溶塌陷强度的影响因素，并对各影响因素的贡献做出了分析和排序。但岩溶塌陷是各影响因素影响程度的综合，同一指标可能同时属于几个级别，只是各级别的隶属程度不同，因此很难用经典的数学模型划分统一的标准进行度量。模糊数学方法则可以对大量的资料进行判断识别，从中提取对岩溶塌陷风险影响最大的因素，进行模糊综合评判，从而很好地解决了岩溶塌陷风险评价这一模糊概念。
综合各种评判方法，选取模糊综合评判法对枣庄十里泉域岩溶水系统岩溶塌陷进行风险评价。模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评价方法。该综合评价法根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价。它具有结果清晰，系统性强的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的问题，适用于进行枣庄十里泉域岩溶塌陷风险评价研究。
一、评价范围及评价单元确定
根据评价需求，确定以十里泉、丁庄-王庄水源地为中心，枣庄市市中区为主要评价区并向外延伸至北纬34°46′～34°58′，东经117°27′～117°46′矩形范围区域。
将评价区栅格化成每个单元面积定为2km×2km小区，共计180个大计算单元；在岩溶塌陷灾害比较集中的地区，对大计算单元进一步细分，对每个单元进行赋值评价。
二、评价模型
以岩溶塌陷风险评价为例，其评价因素集为{岩溶发育程度、岩溶地层岩性、岩溶塌陷历史、覆盖层岩性、覆盖层厚度、覆盖层结构、地貌类型、地下水活动、地下水水位埋深、地下水富水性、抽水强度、距抽水井距离，人口密度、降雨条件}。综合评判集确定为岩溶塌陷风险等级集{高（Ⅰ）、较高（Ⅱ）、中（Ⅲ）、低（Ⅳ）}。
设U={u1，u2，…，um}为评价因素集，V={v1，v2，…，vn}为质量等级集。评价因素论域和质量等级论域之间的模糊关系用矩阵R来表示：
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
式中：rij=u（ui，vj）（0≤rij≤1），表示就因素ui而言被评为vj的隶属度；矩阵R中第i行Ri=（ril，ri2，…，rin）为第i个评价因素ui的单因素评判，它是V上的模糊子集。
实际上，不同因素在岩溶塌陷风险评价中所起的作用是有大小之分的，即必须考虑因素的权重问题。假定a1，…，am分别是评价因素u1，…，um的权重，并满足a1+…+am=1，令A=（a1，a2，…，am），则A为反映了因素权重的模糊集（即权向量）。
由权向量与模糊矩阵进行“合成”得到综合隶属度B，即通过模糊B=A·R，求出模糊集B=（b1，b2，…，bn）（0≤bj≤1），bj=airij[M（·，+）]。根据最大隶属度准则，bj={bj}所对应的分级即为质量等级。
三、评价指标体系的建立
1.评价因子的选取原则
影响枣庄十里泉域岩溶塌陷的因素很多，根据以上原则，采用目标分析法建立评价指标体系，即将目标分解，直到子目标能够用定量或定性的独立指标衡量为止，可采用三层结构：第一层为基础指标层（C），第二层为类指标层（B），第三层为目标层（A），结合第三节岩溶塌陷影响因子的分析选取了14个评价指标，构造了综合评价指标体系（图9-3）。该体系包括岩溶条件子系统、盖层条件子系统、水环境子系统及动力因素子系统。
图9-3 岩溶塌陷风险指标体系
2.模糊综合评判法权重确定
运用数量化理论建立模型的目的是对各影响因子进行分析，确定各影响因素对岩溶塌陷强度的贡献大小。为考虑每个项目单独对基准变量的贡献，进而从众多因子中分辨出影响岩溶塌陷的主导因子、次要因子及不显著因子，需要计算岩溶塌陷历史次数等14个项目的偏相关系数，偏相关系数越大，说明影响因子贡献越大，即为主导因子。最后将计算各因子的偏相关系数及其贡献排序（表9-4）。
表9-4 岩溶塌陷风险各指标偏相关系数及权重
将上述偏相关系数采用aj=，ri=2.3357，aj=，进行归一化处理，依次计算出a1～a14，得出权重矩阵A：
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
3.评价指标分级标准的确定
本次模糊综合评判的评价指标一级有4个，二级有14个，将评价等级分为四个等级，即岩溶塌陷风险等级集{高（Ⅰ）、较高（Ⅱ）、中（Ⅲ）、低（Ⅳ）}。分级标准见（表9-5）。定量指标根据资料实测得出的结果进行赋值，并将评价等级大（Ⅰ）、较大（Ⅱ）、中（Ⅲ）、小（Ⅳ）量化为0.8、0.6、0.4、0.2。
表9-5 评价指标分级标准类指标层
四、岩溶塌陷风险性评价
根据评价指标的分级标准特征，确定所采用的隶属函数为直线型隶属函数。对于分级标准aj，直线型隶属函数的图形及所对应的函数公式如下：
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
式中：rij为隶属度；aj为分区标准；x为实测值。
由实测值x代入上述公式即可确定出隶属度。
对每隔栅格化计算小区，借助MAPGIS对评价区域进行剖分成180个评价单元并分别赋值，然后对隶属度函数进行计算，从而确定模糊矩阵R：
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
通过权重矩阵A和模糊矩阵R相乘，即C=A·R，由此得出每个单元的评价结果，根据最大隶属度原则确定评价等级，结果见表9-6。
表9-6 枣庄岩溶塌陷风险性分区评价分级表
续表
五、岩溶塌陷风险区的划分结果
1.高风险区
分布于十里泉地段，西王庄境内的佟庄-姚庄地段，东王庄地段以及税郭镇良辛庄地段。这些地段三山子组白云岩、马家沟组灰岩裂隙岩溶极发育，第四系覆盖层厚度小于10m，岩性以粉质黏土为主，局部夹砂砾石，疏松、呈软塑，地势平坦或低洼，地表水体发育，是十里泉水源地和丁庄-东王庄水源地的集中开采区，地下水活动较强烈。现有塌陷大部分发生在两个集中开采区内，产生塌陷或塌陷复活的可能性大，预测该区域内当地下水水位大幅度下降时，在枯水年、枯水期或丰水期初期产生塌陷的可能较大。
2.较高风险区
分布于两集中开采区的外延部分，十里泉水源地和丁庄-东王庄水源地的边界之内上游区段，如十里泉边缘的西各塔埠、岳楼地段，西王庄乡的黄楼、付湾、付刘耀地段，税郭镇三里屯地段以及永安乡的张林、大洼等地。区内碳酸盐岩裂隙岩溶较发育，第四系厚度基本小于10m，岩性以粉质黏土为主，地势相对较高，是两水源地的补给区。这些地区历史上都曾经发生过较小规模岩溶塌陷，预测今后在大量集中开采地下水等诱发因素的影响下，地下水水位大幅度下降，裂隙、岩溶内充填物不断被水带走，仍然会形成第四系土洞，发生岩溶塌陷。另外，伴随渴口水源地水量开采的不断增加，该区域开采程度已经接近允许最大开采量，甚至出现过超采现象，尽管没有岩溶塌陷历史记载，但是本区域岩溶塌陷风险较高，必须引起高度重视。
3.中风险区
主要分布于陶枣盆地边缘，十里泉水源地和丁庄-东王庄水源地的外延区，渴口水源区边界。主要有：光明路街道办事处岳楼、东山阴附近，西王庄乡丁庄一线，东花沟、付刘耀附近，税郭镇野岗埠、大辛庄，永安乡李庄、马庄等地。区内碳酸盐岩裂隙岩溶较发育，第四系厚度10～50m，岩性以粉质黏土为主，地势较高，距地下水集中开采区远，地下水活动较弱。历史上有岩溶塌陷记录，考虑到该区域地下水环境特殊性，岩溶发育条件以及相对较薄的盖层条件，存在继续发生塌陷的可能。
4.低风险区
为大面积分布的碳酸盐岩丘陵、侵入岩和煤层分布区，尚不具备产生塌陷的基础条件，今后不可能产生或发生几率很低。
岩溶地面塌陷风险经济学评价~
岩溶塌陷通常是由于覆盖在隐伏溶洞或强烈溶蚀带之上的堆积体失稳而突然坍塌造成的。由于这些溶洞、溶蚀带已被第四纪沉积物覆盖，因而难以确定其准确位置和逐个地进行稳定性评价。所以，在城市规划、建设的前期，由于缺乏充分的科学论证，不可避免地遇到了岩溶塌陷的潜在威胁。而对其进行风险评估，掌握其可能发生的概率(危险性)、分布范围及其可能带来的危害和损失，在城市规划、建设、设计和施工过程中有效地进行风险控制与管理，意义十分重大。
一、研究区岩溶塌陷概况［127］
1.评价区概况
评价区主要在市中心区包括路北和路南两个区，为唐山市的岩溶塌陷严重地区，总面积为202km2，人口约76万。
2.地质条件
唐山市地处“唐山块陷”之中。该块陷四周为活动断裂环绕。南界为宁河－昌黎深断裂;北界为丰台－野鸡沱深断裂;东界为滦县乐亭深断裂;西界为蓟运河深断裂。基岩岩性主要为古生代的碳酸盐岩。其上为厚度为14～93m的第四纪沉积物覆盖。
碳酸盐岩的岩溶作用较为强烈，规模不大的隐伏岩溶形态较为发育，以开口较宽的溶蚀裂隙为主，其次为小型溶洞。裂隙和溶洞交织成网格状。这些溶隙主要由构造裂隙或层间裂隙发育而成，其宽度一般为1～5m，主要以NE及NW向展布。
二、岩溶塌陷的风险识别
判定一个地方是否发生岩溶塌陷，一是要看历史上有没有发生过;二是要看是否仍具备发生的条件。根据已有资料［127、128、150～152］分析，研究区具备下列条件:
1.过去塌陷频繁发生
据调查，唐山市区共有地面塌陷26处，其中岩溶塌陷有20处、地震塌陷1处、其他塌陷5处;岩溶塌陷坑的平面形态多呈圆形、椭圆形，剖面形态则多呈筒状或坛状。塌坑的直径一般为2～8m，最大可达55m，其可见深度一般为2～6m，最深为10m;一般塌坑外围3～20m为影响带，其内多有地面变形开裂现象。区内的塌陷发生后，均进行了填平处理，较严重的塌陷采用了钻孔水泥灌浆处理。经处理后的塌坑大多已经趋于稳定，但也有不少塌坑仍有多次复塌。
2.目前仍然具备发生的条件
岩溶塌陷的形成受诸多因素的影响。其中岩溶化程度、覆盖层性质与厚度、活动断裂、地震和地下水开采是导致唐山岩溶塌陷的主要影响因素。目前，这些条件仍未消除。
(1)岩溶化程度高，构成了塌陷条件之一。隐伏碳酸盐岩发生岩溶化作用，是岩溶塌陷形成的先决条件。钻孔资料表明，研究区内第四纪沉积物之下的基岩大多为碳酸盐岩。燕山运动以来，开平向斜两翼碳酸盐岩被暴露于地表，使浅部岩层岩溶化作用得以加强，岩溶形态发育，以宽大溶隙为主，其次为溶洞。不过，岩溶发育在空间上具有明显的不均匀性。根据钻孔线岩溶率统计，强烈岩溶化的深度范围为30m，其下岩溶发育显著减弱，岩溶发育具有随深度增大而逐渐减弱的特征。岩溶发育以奥陶系灰岩最为强烈。
(2)覆盖层性质与厚度构成了塌陷条件之二。研究区内第四系松散层的岩性以冲洪积亚粘土、粘土、中砂、粗砂为主，少量卵砾石层，除残丘边缘地带局部为残坡积中粒结构的含砾粘土外，绝大部分地带为黏性土和砂层交叠的多层结构。
第四系表层普遍分布一层黄土状亚砂土，厚度为3～5m，含长石、石英颗粒，长石已剧烈风化，垂向节理发育，与下部砂层逐渐接触。
第四系底部存在一层不连续的残坡积粘土，厚度1～6m。该层土结构致密，呈硬塑状，具胀缩性。本层粘土裂隙发育，裂隙面光滑并具擦痕，可见锈膜。裂隙宽度一般为0.1～0.5cm，最宽可达1.5cm，且充填具水流痕迹的纯净砂。说明本层在新构造运动的作用下，遭揉挫破碎，裂隙已成为地下水渗透的通道。此层局部缺失，砂、砾石直接与基岩接触，形成“天窗”。
第四系中可见2～3层砂层，砂层单层厚度为1～10m，松散，磨圆中等，颗粒不均，含少量卵砾石，不均匀系数一般为2～6，大者42。渗透系数为7～20m/d，透水性较好。据钻探资料验证，塌陷发育处一般为黏性土、中砂，二层结构或多层结构。塌陷坑的形态与覆盖层砂土层和粘土层厚度比的大小有关，砂层厚度大的地带，塌陷形态以碟状为主，而砂层厚度相对小的地带，塌陷形态以筒状为主。
根据第四系覆盖层厚度与其相应范围内的塌陷个数的统计分析结果表明，覆盖层厚度对塌陷影响显著，塌陷多发育在厚度为0～15m的地带，最厚达65m。
(3)活动断裂的存在，是塌陷发生的又一因素。本区岩溶发育的另一特点是与活动断裂关系比较密切。据地质勘查和浅层地震资料解译，本区的主要活动断裂有6条。其中，未错断整个第四系的断层有陡倾断层2条;已错断整个第四系的断裂有4条。这些活动断裂既是岩溶活动的场所，又沟通了岩溶水与第四系水的水力联系并使第四系土层的完整性降低，从而有利于渗透潜蚀作用的发生和发展。
据浅层地震勘探结果表明，在这些断裂带附近已存在多处“潜蚀扰动点”，它们实际为土洞破坏带或潜蚀作用形成的土洞雏形。因此，潜蚀作用主要沿活动断裂带发展，活动断裂带亦属于潜在的塌陷危险区。
(4)地震活动。唐山地区是地震多发区。1976年7月发生7.8级地震以后，本区的岩溶塌陷显著增多，产生了本质的影响。可见，岩溶塌陷增多与地震有关这是不争的事实。
(5)地下水开采是塌陷的人为因素。1976年以前，岩溶水开采量最大只有10×104m3/a，但自1976年，重建唐山后，大量开采岩溶水，使取水量急剧增加，至1981年开采量最高峰达到15.1×104m3/a，加之1978～1981年连续干旱，从1978年起，岩溶水和第四系孔隙水水位以每年6mm的速度大幅下降，形成了双层降落漏斗，其水位差不断增加，最大可达到46m，大量的土洞形成并发生密集的岩溶塌陷。1983年以后，由于采取了限制开采的措施，加之1984～1987年降雨充沛，使岩溶水位得到回升，造成大幅度震荡和强烈入渗作用，使土层饱和、软化，降低其抗塌强度，已形成的土洞纷纷塌落，形成了1988年的塌陷高峰。由此可见，岩溶水水位的剧烈变化是引起地面塌陷的又一个重要原因。
三、危险度评估
即对本区塌陷发生的可能概率进行分析，对塌陷发生危险度进行计算或评估。
根据本区可溶岩地层分布和岩溶发育程度、上覆土层厚度、已有塌陷发育特征及分布、地形地貌特征等情况，利用上述岩溶塌陷危险性评价及危险度的计算方法，计算出本区塌陷发生的危险度pi分布见图9－6－1。
图9－6－1 唐山市岩溶地面塌陷危险度分布图
四、风险评估
(1)危害评估:研究区岩溶塌陷将造成的危害有:破坏建筑物、土地和生态，毁坏生活和生产设施，造成人员伤亡和财产损失等。由于要获得各项数字是非常难的，且危害评估又带有某种虚拟性质(即评估假设塌陷发生后可能的危害)，因此，在进行本项危害评估时，从地面人口密度、人均产值、个人财产等方面来核算。
研究区主要是唐山市中心路北区和路南区，是人口密度最大、财产集中、居民比较富裕、人均收入较高的地带。通过对唐山年鉴和“中国唐山网”及相关文献的查阅，结合实地调查访问，得到2006年研究区人口密度2100～3800人/km2(具体小区有所差距)、人均产值2.8万元、人均财产20万/人。
也就是说，按照2006年数据评估，在研究区内岩溶塌陷威胁到(包括生命和财产安全)的人员为2100～3800人/km2、2.8万元/人·a、人均财产20万/人。
(2)风险核算:按照风险度的计算式“风险度(Risk)=危险度(Haz-ard)×危害损失(Loss)”，结合上述危害评估结果，对区内岩溶塌陷风险进行计算，结果见图9－6－2。
图9－6－2 唐山市岩溶地面塌陷风险分区图
五、风险评判
本例所谓的塌陷危险度或概率，并不是数学意义的概率，而是一种相对可能性大小，其分布也只具有相对意义。所核算出的风险值，表明了单位面积(平方千米)上威胁到的人数、发生后可能引起的财产损失，并没有落实到户或人。事实表明，评价区多年来一直有塌陷发生，已造成伤亡或财产损失，这种事故摊在一个小区或政府，似乎不是太大的风险。但要是塌陷事故的风险由某家庭或某人来承受，则是难以想像的或不能承受的。
六、风险控制
要避免或降低塌陷风险，减少人员伤亡或财产损失，必须根据岩溶塌陷形成原因和诱发因素来提出回避或降低风险的对策或措施。根据研究区的实际情况，风险控制措施主要有:
(1)加大地质勘察力度，查明塌陷易发(概率高、危险度大)地区隐伏岩溶和土洞的发育程度、覆盖土层的工程性质和厚度、地下水动力条件等，找出将要发生的塌陷的具体地点，采取工程措施加固或搬迁以避免伤亡和损失。
(2)停止在危险区开采地下水和不合理的地下开挖，避免新的塌陷产生。
(3)对已经出现塌陷迹象，并造成房屋开裂等危险建筑，且又没有及时搬走的住户或单位，要注意观测塌陷发生动向，随时准备避让。
岩溶塌陷的勘查及预报
答：(5) 研究岩溶塌陷综合评价预测和信息管理系统,评价其稳定性。(6) 确定岩溶榻陷的前兆现象与监测预报方法,研究预警措施。(7) 研究岩溶塌陷的防治工程方案和措施。(二)勘查区岩溶环境调查研究目的是了解勘查区所处的岩溶工程地质环境的特征及其组成要素的分布规律,以保证勘查工作的质量。调查研究方法主要是综合分析研究...
岩溶塌陷形成的影响因素与临界条件
答：(二)第四系覆盖层中形成的土洞是塌陷产生的前提 土洞的发育过程是岩溶塌陷的前期阶段,初始土洞的形成标志着岩溶塌陷的开始(图8-5)。土洞的形成与扩张是覆盖层土体剥落破坏造成的,随着土洞规模的逐渐扩展,覆盖层土体整体稳定系数降低,最终完全塌陷的危险性增强。覆盖层内部一般形成较为明显的空腔型土洞,在下伏存...
岩溶含水层保护区划分及保护对策
答：根据上节对枣庄十里泉域岩溶水系统岩溶塌陷风险评价结果，将岩溶含水层划分出三级保护区（图9-4）。图9-4 十里泉域岩溶水系统基于岩溶塌陷的含水层水量保护区分区图 1.Ⅰ级塌陷保护区 主要分布在十里泉水源地、丁庄-东王庄水源地和渴口水源地的集中开采区，面积17.56km2。该区岩溶塌陷风险性高，地...
非工程性的防治措施
答：然而，这对于地面塌陷的防治决策来说远远不够。因此，我们需要在地面塌陷的评价中，与环境地质学、土木工程学、地理学、城市规划和社会经济学等多个学科领域进行合作，对危险性、敏感性和脆弱性进行综合分析，以实现对地面塌陷的风险评价。2. 岩溶地面塌陷试验研究 通过室内模拟试验，我们可以确定在不同条件...
含溶洞岩石地基稳定性分析
答：对含溶洞岩石地基的失稳评价,可认为是溶洞上部的岩土体整体往下塌陷,即为整体破坏形式。通过溶洞发育规律及溶洞塌陷体的形状分析还发现,其破坏机制除整体破坏形式以外还有溶洞洞壁内部破坏的形式。 2.2.1 含溶洞岩石地基整体破坏形式的稳定性分析 假定溶洞岩石地基呈整体下塌失稳,稳定性评价计算,可按下面方法综合进行。
岩溶塌陷实时监测
答：近年来,随着岩溶区城市化建设的飞速发展,岩溶区土地资源、水资源和矿产资源开发的不断增强,由此而引发的岩溶塌陷问题日益突出,已成为岩溶区城市主要地质灾害问题,严重妨碍城市经济建设与发展。由于岩溶塌陷的产生在时间上具突发性,在空间上具隐蔽性,在机制上具复杂性,因此,被普遍认为难以采取地面常规监测手段,对塌陷...
桂林岩溶区岩土工程分析与评价
答：1.4.1.1 岩土工程分析评价的内容 岩土工程分析评价是岩土工程勘察成果整理的核心内容,它是在各项勘察工作成果和搜集已有资料的基础上,结合工程的结构荷载特点和使用要求进行的。岩土工程分析评价的内容主要包括: (1)岩溶场地的稳定性和适宜性评价。一般来说,桂林岩溶地区场地,除了岩溶强发育地带及塌陷区域外,绝大部分区...
桂林岩溶地基稳定性分析评价常用方法
答：影响含溶洞岩石地基稳定性的因素很多,有岩体的物理力学性质、构造发育情况(褶皱、断裂等)、结构面特征、地下水赋存状态、溶洞的几何形态、溶洞顶板承受的荷载(工程荷载及初始应力)、人为影响因素等,它们是地基稳定性分析评价的重要依据。 1.6.1.1 断裂构造 岩溶地基失稳的主要表现形式是岩溶塌陷,可溶性基岩中的断裂、裂...
岩溶塌陷的治理措施包括
答：6. 工程加固措施包括多种方法，如清除填堵、跨越、强夯、钻孔充气、灌注填充、深基础和旋喷加固，以应对不同深度的溶洞或土洞。7. 非工程性防治措施涉及风险评价、试验研究、防灾意见和防灾体系建设，以提高应对岩溶塌陷的能力。尽管岩溶塌陷防治存在挑战，但通过因地制宜采取综合性措施，是完全有可能有...
岩溶塌陷的防治措施
答：塌陷后的治理措施主要有：塌洞回填；河流局部改道与河槽防渗；综合治理。一般来说，岩溶塌陷的防治措施包括控水措施、工程加固措施和非工程性的防治措施。（一）控水措施1. 地表水防水措施：防地表水进入塌陷区，可以：（1）清理疏通河道，加速泄流，减少渗漏；（2）对漏水的河、库、塘铺底防漏或人工改...
