地面塌陷因素重要度分析
2015-06-21刘定一何叶波郑宗棋任高峰张卅卅
刘定一, 何叶波, 郑宗棋, 郭 锐, 任高峰, 张卅卅
(武汉理工大学 资源与环境工程学院,湖北 武汉 430070)
地面塌陷因素重要度分析
刘定一, 何叶波, 郑宗棋, 郭 锐, 任高峰, 张卅卅
(武汉理工大学 资源与环境工程学院,湖北 武汉 430070)
通过收集大量文献,总结已有的研究工作,将地面塌陷因素概括为水、采矿、工程活动、地质四个方面,简述各因素的作用机理,建立相应的评价体系,在此基础上通过收集已有塌陷事故,运用数理统计方法及极差与方差分析,相互验证得出塌陷因素的重要性排序,对塌陷面积影响显著的因素为工程活动,水与地质的交互影响。
地面塌陷;塌陷评价体系;极差分析;方差分析
地面塌陷是指地表岩、土体在自然或人为因素作用下向下陷落,并在地面形成塌陷坑(洞)的一种动力地质现象。自2000年起,中国塌陷事故频发,给人民的生命及财产安全带来了极大威胁。尤其是在人口集中的城市地区,塌陷的社会危害更为巨大。地面塌陷形成原因复杂,具有突发性、随机性、隐伏性等特点,不易探查,加强对地面塌陷的研究显得尤为必要。
近年来诸多学者对地面塌陷机理做了很多的研究。杨彩侠等[1]通过统计研究分析2007年—2010年发生在北京市区内的路基空洞、路面塌陷情况,认为道路塌陷的原因有先前空洞,地下水移动,地下水位变化,冻融,施工质量,地下水管渗漏,车辆超载,地下施工;任新红等[2]通过模型试验和理论分析,研究了裂隙开度对覆盖型岩溶潜蚀塌陷的影响及其变化规律,认为覆盖型潜蚀塌陷的关键控制因素是临界裂隙开度,而临界裂隙开度又受覆盖层土质、密实度、临界水力梯度等因素的影响;刘勇健等[3]通过对广花盆地塌陷灾害调查分析认为岩溶的发育程度、上覆松散岩土层是岩溶地面塌陷形成的基本条件, 强烈地下水位变、振动( 震动) 荷载等动力扰动是岩溶地面塌陷的动力条件;贾淑霞和马霄汉[4]通过建立岩溶地面塌陷数学模型,认为岩溶管道的发育程度、上覆土层性质、岩溶含水层与孔隙含水之间的水位差是武汉市区岩溶地面塌陷的基本条件;张泰丽等[5]通过分析南京市地面塌陷程度,认为影响南京市地面塌陷的主要因素有:地下丰富的矿产、空间和地下水资源、岩溶发育、平原区砂层发育、大量的人类工程活动等。
以上研究工作对深入了解地面塌陷,预防减少地面塌陷灾害具有重要意义。可以看到上述研究都是通过对局部地区进行深入研究,进而分析塌陷因素的。在这些已有工作的基础上,从较大范围分析塌陷因素,通过分析总结归纳[6-20],将各个因素统一建立评价体系,并通过统计全国近十年来发生的塌陷事故,以此为基础运用极差分析和方差进行重要性分析,定性与定量相结合探究影响地面塌陷的各因素,并将各因素的重要性进行排序。
1 塌陷因素浅析
通过统计全国有关地面塌陷的研究,将导致地面塌陷的因素归结如下:
1.1 水因素
(1) 局部水流突然涌出,影响范围为几个立方,范围小。由于水的局部突然涌出,水力梯度大,动水力大,容易造成渗透破坏。在土质环境中,周围土层在水的作用下,一方面自身的粘聚力减小,另一方面土体成分遭到破坏,部分颗粒较小的成分如粉土、粉细砂等被侵蚀带走。由于水的突发性,一般周围介质难以维持自稳就被破坏,从而形成塌陷范围较小的区域。
(2) 由于下雨等突发水量大,影响范围较大,具有季节性的特点。此类塌陷多发生在雨季,由于降水造成水的活动程度加大,发生机理与局部水流涌出基本相同。尤其对位于江河附近的省市,由于存在雨季,当地的水位就会存在地下水与江河水互相补充的问题,这种水体的活动较为频繁,地下水位规律性的变化,伴随着地下水位的涨落,发生着水体的垂直与水平运动,潜蚀作用随之发生。长此以往,很容易造成地面塌陷。并且这种水力作用范围广,从而容易造成较大范围的塌陷。
(3) 水的长期作用在一定时间爆发,是长期积累的结果,影响范围大。虽然可能本身动水力不大,但由于长期作用,且掏空部位可在一定程度内维持自稳,从而逐渐形成空洞,最后发展至地表,导致影响范围大。这种作用往往与岩溶地貌有关。
1.2 地质因素
当有不良地质体,如存在土洞,地质构造、覆盖层岩性、结构、厚度满足一定的条件下,引起的塌陷范围较小。存在土洞时,上部车辆通过或机械的振动等,会对附近的岩体产生扰动进而使空洞顶部坍塌或土洞发展,形成塌陷。当区域内存在断裂带时,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。覆盖层厚度对塌陷影响显著,塌陷多发育在厚度为15~50 m的地带。当地质有岩溶时,塌陷呈多发性、长期性的特点。中国岩溶塌陷分布广泛,除天津、上海、甘肃、宁夏以外的26个省(区)中都有发生,其中以广西、湖南、贵州、湖北、江西、广东、云南、四川、河北、辽宁等省(区)最为发育[21]。
1.3 工程活动
人类工程活动是引起地面塌陷的重要因素,是地面塌陷的诱发动力,其主要有抽水或人工降水,动荷载等,尤以抽水影响最大。同时也直接或间接地影响了水体的活动,及原有地区应力的分布,破坏了当地已有的稳定性。一方面,人类抽排地下水,兴建基坑类工程活动引起降水漏斗的形成,在地下水降落漏斗周围,地下水径流强烈,水力坡度加大,水流加快,使得地下水对覆盖层的冲刷和侵蚀作用加强,从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带。另一方面,人类的工程活动如在大量地下工程建设的过程中,也会影响原有地应力的平衡,使表层土体失稳,造成塌陷。
1.4 采矿因素
影响范围大,影响可达到数百—数千平方米。当矿山大部分采空区没有进行回填时,采空区顶板在重力作用下,逐渐改变了原始地应力的平衡,失去支撑,进而发生断裂、破碎,形成塌陷。此外,由于地面塌陷的形成,改变了塌陷区内的水文地质条件,使汇水面积增大,地表水和浅层孔隙裂隙水向下渗漏,使矿体上部基岩的风化加剧,并且地层软弱面和裂隙中的充填物不断被冲刷和搬运,使岩体抗剪强度减弱,加快了塌陷的速度。在每次降水之后,塌陷区范围均有发展,最后导致塌陷范围急剧扩大。
综上所述,建立如图1的地面塌陷评价体系。
图1 地面塌陷评价体系Fig.1 Evaluation system of the ground collapse
2 塌陷因素重要性分析
2.1 数据预处理
通过统计收集近10年来发生的塌陷事故,共计128起,分析这些塌陷的形成原因,去掉缺失相关数据无法获知原因的事件后剩余108起,将这些事件看作是一次次的试验进行处理,试验结果可作为在各因素影响下发生塌陷的面积大小,各因素导致的塌陷面积最后以平均值来代替。
表1 塌陷事件统计表Table 1 Statistics of collapse incident
塌陷因子为水、地质、工程活动和采矿,根据事件具体分析,考虑各因素间的交互作用,增加因素工程活动与采矿、地质与工程活动、水与工程活动、水与地质、水与采矿。将水、地质、工程活动和采矿分别对应字母A,B,C,D。将每个因子设为2个水平,1代表无该影响或良好,2代表存在影响或不良,据此将108起事件看作9起试验,建立塌陷事件计算表(表1)。
2.2 极差分析
极差分析就是在考虑某一因素时,认为其它因素对结果的影响是均衡的,从而认为,该因素各水平的差异是由于该因素本身引起的。
Rj反映了j列因素的水平变动时,试验指标的最大变动幅度。Rj越大,表明该因素的水平改变对试验指标的影响越显著,因此重要度越大。
表2 各因素极差分析表Table 2 Range analysis results of factors
2.3 方差分析
方差分析是用于两个及两个以上样本均数差别的显著性检验。由于各种因素的影响,研究所得的数据呈现波动状,造成波动的原因可分成两类:一类是不可控的随机因素;另一类是研究中施加的对结果形成影响的可控因素。
方差分析的基本原理认为不同处理组的均数间的差别基本来源有两个:
(1) 随机误差,如测量误差造成的差异或个体间的差异,称为组内差异。用变量在各组的均值与该组内变量值之偏差平方和的总和表示, 记作SSw,组内自由度dfw。
(2) 实验条件,即不同的处理造成的差异,称为组间差异。用变量在各组的均值与总均值之偏差平方和表示,记作SSb,组间自由度dfb。
总偏差平方和SSt=SSb+SSw。
组内SSw、组间SSb除以各自的自由度(组内dfw=n-m,组间dfb=m-1,其中n为样本总数,m为组数),得到其均方MSw和MSb。一种情况是处理没有作用,即各组样本均来自同一总体,MSb/MSw≈1。另一种情况是处理确实有作用,组间均方是由于误差与不同处理共同导致的结果,即各样本来自不同总体。那么,MSb≫MSw。
方差分析是对多个正态总体在方差相同的条件下,检验其均值是否相等的一种统计方法,其具体思路是将数据的总变差平方和拆分为因素的变差平方和与随机误差平方和之和,然后作F检验(MSb/MSw比值构成F分布),用F值与其临界值比较,即可求得因素作用的显著性。
设第i号计算方案的结果为Ki,i=1,2,…,n;K1,K2,…,Kn相互独立且服从正态分布,即Ki~N(μi,σ2),于是对Ki进行方差分析,就相当于对假设T0∶μ1=μ2=μ3=…=μn作显著性检验。
记全部计算结果为:
Qe=Q-Qi
式中:Q为总偏差平方和;Qi为组间偏差平方和;Qe为组内偏差平方和。为提高精度,可把影响较小的因素合并到组内误差去[22]。将地质与工程活动的交互影响,水与工程活动的影响合并到组内误差中去。
根据表1和表2的分析结果,分别计算各因素的组间偏差平方和,进而计算评判标准F值。方差分析结果见表3。其重要性排序与极差分析结果一致,重要性排在前四位的依次是工程活动,水与地质交互影响,水与采矿交互影响,水。
表3 方差分析表Table 3 Results of analysis variance
对α=0.05查表得F0.95(1,1)=16.1。对塌陷面积影响显著的因素为工程活动,水和地质的交互影响。其余均不显著。
3 结论
(1) 通过查阅大量文献,总结归纳导致地面塌陷的影响因素,将因素归纳为四大类,并细化每一大类内容,最后建立地面塌陷因素评价体系,为以后科学评价地面塌陷提供参考。
(2) 通过定性与定量分析相结合,运用极差分析和方差分析,两种方法互相验证正确性。将影响地面塌陷的各个因素进行重要性排序,前四位依次为工程活动,水与地质交互影响,水与采矿交互影响,水。并且仅有工程活动,水与地质的交互影响对地面塌陷面积影响显著。
(3) 为以后预防地面塌陷提供指导。为预防地面塌陷,应注意人类的工程活动,加强监督管理,减少工程活动对周边的影响;同时加强探查相关区域的地质及水活动情况。从影响地面塌陷显著的两个因素上着手将有助于减少地面塌陷的发生。
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(责任编辑:陈姣霞)
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
刘定一(1990-),男,在读硕士,矿物资源工程专业,从事数字矿山的研究。E-mail:ldywhut@163.com
任高峰(1979-),男,副教授,博士,从事采矿工程、岩石力学等方面的教学和研究工作。E-mail:rgfwhut@163.com
P642.21
A
1671-1211(2015)02-0186-04
数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150204.1044.001.html 数字出版日期:2015-02-04 10:44