地质大学地面沉降详解讲义t95

第十讲地面沉降提纲一、概述二、我国地面沉降现状三、地面沉降形成机理及规律四、地面沉降主要特征五、地面沉降的调查与评价六、地面沉降监测与预测七、地面沉降防治一、概述地面沉降

定义:地壳运动或开采地下流体引起的区域性地面标高降低。

区别于地表塌陷、地裂缝世界上已有50多个国家和地区发生了地面沉降，比较严重的国家是美国、日本、墨西哥和意大利等。我国也有50多个大中城市出现了不同程度的地面沉降，较严重的有上海、天津、台北、苏州、常州、无锡、宁波等。地面沉降灾害《地质灾害分类分级标准（试行）》（DZ0238-2004）定义：在自然和人为作用下发生的大面积地表高程降低，并对社会经济和环境造成危害的地质现象或过程。地面沉降灾害会给城市建筑物、道路交通、管道系统及给排水、防洪等带来诸多困难。因此，城市地面沉降已被列为十大地质灾害之一。它具有生成缓慢、持续时间长、成因复杂和防治难度大等特点，其影响范围之广、治理难度之大远远超过了其它城市地质灾害。一、概述地面沉降的危害一、概述苏州防汛堤有三次明显加高

据统计，嘉兴市平均田面高程为2.29m，水位每增加10mm，淹没面积增加1.6万亩。洪涝灾害加剧一、概述洪涝灾害加剧2003.7.7雨后西工大沉降中心太原市武家庄村常年积水一、概述洪涝灾害加剧河北平原地面沉降区宁波地面沉降区常年积水一、概述建筑物受损2003年2月28日因地面不均匀沉降错断西安子午路2m粗的供水管道2002年12月10因地面不均匀沉降错断西安翠华南路2米粗的供水管道一、概述太原市西安大雁塔无锡市建筑物受损一、概述建筑物受损太原市江阴长泾西安长安路一、概述建筑物受损一、概述珠海西区海华华新村住宅区区落成仅10年，地面沉降降最大达1.5m建筑物受损一、概述不均匀地面沉沉降加速了地地铁隧道设施施的磨损建筑物受损一、概述不均匀地面沉沉降加速了地地铁隧道设施施的磨损建筑物受损一、概述海岸灾害加剧剧天津市因地面面沉降受风暴暴潮危害严重重上海市因地面面沉降致使防防浪堤三次加加高一、概述根据长江三角角洲、华北地地区、汾渭地地堑主要城市市等的研究，，粗略统计，，建国以来，，我国地面沉沉降和地裂缝缝造成的损失失累计高达4500～5000亿元，其中，，直接经济损损失累计为350～400亿元，年均总总损失为90～100亿元,年均直接损失失8～10亿元。一、概述到2003年地面沉降面面积已达到93,855km2，形成长三角角、华北平原原、和汾渭盆盆地等地面沉沉降灾害严重重区。二、我国地面面沉降现状图例沉降量大于2000mm沉降量500~1000mm沉降量1000~2000mm沉降量小于500mm西安太原天津上海无锡唐海苏州常州杭州湖州阜阳沧州北京曲周绍兴宁波温岭温州南通泰州徐州衡水晋州石家庄大城任丘保定霸洲德州东营济宁菏泽许昌洛阳开封淮北宿州台北大同榆次临汾运城广州珠海海口昆明哈尔滨大庆福州嘉兴扬州00200100300400500KM洪湖屏东云林台北云林屏东广州珠海海口我国发现地面面沉降的主要要城市二、我国地面面沉降现状长江三角洲地地面沉降现状状图二、我国地面面沉降现状上海市地面累累积沉降量等等值线图（一九九六∣二○○一年）二、我国地面面沉降现状苏锡常地区2002年地面沉降速率率图苏锡常地区至至2002年地面累计沉降降量等值线图图二、我国地面面沉降现状华北平原地面面沉降等值线线图二、我国地面面沉降现状太原市累计地地面沉降等值值线图(1956～2000年)大同市累计地地面沉降等值值线图(1988～1993年)二、我国地面面沉降现状三、地面沉降降的形成机理理及规律饱水多孔介质质的失水压密密原理太沙基有效应应力原理σ=σ’+µσ=γ土·Hµ=γ水·hσ=(σ’+△σ’)+(µ-△µ)△σ’=△µ垂直位移的变变化图1江苏张家港市市、广东珠海海市的地面沉沉降三、地面沉降降的形成机理理及规律图3垂直位移量的的空间变化规律性：由沉沉降中心向周周边方向逐渐渐减小三、地面沉降降的形成机理理及规律ABABOO垂直位移量三、地面沉降降的形成机理理及规律图4上海闵行区华华漕地面沉降降与地下水位位变化发展趋趋势垂直位移量随随着地下水位位的降低而逐逐渐增大三、地面沉降降的形成机理理及规律图5苏锡常地区地地面沉降面积积不断扩大1985年1991年2000年三、地面沉降降的形成机理理及规律水平位移的变变化图6在亚利桑那州州皮卡乔附近近，因抽地下下水的沉降引引发地裂缝。。图7河北沧州因开开采地下水而而产生的地裂裂缝三、地面沉降降的形成机理理及规律图8水平位移量的的空间变化规律性：最大大位移在沉降降中心的两侧侧，沉降中心心及最外围较较小三、地面沉降降的形成机理理及规律图9地面破坏的表表现形式三、地面沉降降的形成机理理及规律抽水对地面沉沉降的影响（1）抽水量的影影响规律律性性：：抽抽水水量量越越大大，，沉沉降降量量、、沉沉降降速速率率和和沉沉降降范范围围越越大大。。图10抽水量对地面沉降的影响Q2Q1Q1<Q2三、、地地面面沉沉降降的的形形成成机机理理及及规规律律抽水水对对地地面面沉沉降降的的影影响响（2）抽抽水水方方式式的的影影响响连续抽水，抽水量恒定，补给充沛连续抽水，抽水量恒定，补给不足间断抽水，抽水量恒定

间断抽水，抽水量不定

三、、地地面面沉沉降降的的形形成成机机理理及及规规律律eб图11土体反复受压缩过程三、、地地面面沉沉降降的的形形成成机机理理及及规规律律（3）开开采采布布局局的的影影响响图12不同同的的开开采采布布局局对对地地面面沉沉降降的的影影响响抽水水对对地地面面沉沉降降的的影影响响三、、地地面面沉沉降降的的形形成成机机理理及及规规律律地层层对对地地面面沉沉降降的的影影响响（1）地地层层岩岩性性的的影影响响图13不同同的的地地层层岩岩性性对对地地面面沉沉降降的的影影响响规律律性性：：砂砂砾砾层层的的压压缩缩量量小小于于等等有有效效应应力力作作用用下下粘粘性性土土的的压压缩缩量量。。三、、地地面面沉沉降降的的形形成成机机理理及及规规律律地层层对对地地面面沉沉降降的的影影响响（2）地地层层厚厚度度的的影影响响图14不同同的的地地层层岩岩性性对对地地面面沉沉降降的的影影响响规律律性性：：粘粘性性土土的的累累积积厚厚度度越越大大，，压压缩缩总总量量越越大大三、、地地面面沉沉降降的的形形成成机机理理及及规规律律地层层对对地地面面沉沉降降的的影影响响（3）地地层层组组合合的的影影响响图15不同同的的地地层层组组合合对对地地面面沉沉降降的的影影响响规律律性性：：在在同同等等开开采采条条件件下下，，粘粘性性土土层层数数越越多多，，沉沉降降速速率率越越大大。。三、、地地面面沉沉降降的的形形成成机机理理及及规规律律图16在某某些些情情况况下下地地下下水水开开采采漏漏斗斗区区与与地地面面沉沉降降中中心心并并不不一一致致三、、地地面面沉沉降降的的形形成成机机理理及及规规律律四、、地地面面沉沉降降的的主主要要特特点点区域域易易发发性性时间间累累进进性性过程程渐渐变变性性成因因复复杂杂性性难以以逆逆转转性性区域域易易发发性性国内内：：17个省省（（区区市市））95个城城市市多见见面广广国外外：：200多个个城城市市或或地地区区三角角洲洲平平原原：：上海海、、苏苏锡锡常常、、南南通通、、嘉嘉兴兴、、桐桐乡乡、、海海宁宁、、广广州州、、珠珠海海、、中中山山、、台台山山、、东东莞莞等等城城市市。。冲积积－－海海积积平平原原：：唐山山、、沧沧州州、、衡衡水水、、任任丘丘、、河河间间、、南南宫宫、、保保定定等等12个沉沉降降中中心心；；天天津津、、盐盐城城、、大大丰丰、、宁宁波波、、温温州州、、台台州州、、海海口口、、北北海海等等城城市市。。冲积积－－洪洪积积平平原原：：北京京、、许许昌昌、、濮濮阳阳、、开开封封、、商商丘丘、、洛洛阳阳、、安安阳阳；；济济宁宁、、阜阜阳阳等等城城市市。。河谷谷平平原原和和山山间间盆盆地地：：西安安、、太太原原、、大大同同、、榆榆次次、、临临汾汾、、昆昆明明福福州州等等城城市市。。世界界上上最最早早发发现现地地面面沉沉降降：：1898年在在日本本新新泻泻；有50多个个地地区区的的地地面面沉沉降降量量达达到到了了10m（墨墨西西哥哥、、日日本本、、美美国国等等））中国国最最早早发发现现地地面面沉沉降降：：1921年上海海；总沉沉降降面面积积达达5万多多km2；最大大沉沉降降量量3.14m（天天津津塘塘沽沽区区））时间间累累进进性性长江江三三角角洲洲典典型型城城市市地地面面沉沉降降发发展展历历时时曲曲线线过程程渐渐变变性性锡西西地地区区石石塘塘湾湾镇镇历历年年地地面面沉沉降降图图成因因复复杂杂性性影响响因因素素多多构造造沉沉降降：：新新构构造造沉沉降降、、断断裂裂活活动动软土土层层次次固固结结变变形形沉沉降降排水水固固结结变变形形沉沉降降工程程加加荷荷引引起起承承载载土土体体固固结结变变形形沉沉降降复合合性性强强二种种、、三三种种或或四四种种因因素素叠叠加加，，综综合合作作用用后果果不不可可逆逆性性粘性性土土释释水水压压密密时时，，结结构构发发生生不不可可逆逆转转的的变变化化，，即即使使孔孔隙隙水水压压力力恢恢复复，，粘粘性性土土仍仍保保持持压压密密状状态态，，发发生生塑塑性性变变形形。。当地下下水水水位持持续下下降，，含水水层附附加应应力增增加至至其前前期固固结压压力时时，含含水层层通过过颗粒粒间的的明显显滑动动与滚滚动来来调整整含水水层颗颗粒骨骨架而而逐渐渐形成成新的的应力力平衡衡。当当含水水层附附加应应力超超过其其的前前期固固结压压力时时，也也将呈呈现塑塑性变变形特特征。。地面沉沉降造造成的的社会会经济济损失失是不不可挽挽回的的。五、地地面沉沉降的的调查查与评评价地质环环境条条件；；人类工工程经经济活活动的的方式式、强强度；；地面沉沉降现现状与与发生生发展展历史史；分析预预测沉沉降发发展趋趋势及及可能能的成成灾范范围；；了解地地面沉沉降勘勘查、、监测测和防防治现现状（（人工工回灌灌、控控制地地下水水开采采量等等措施施）及及效果果，提提出预预防与与控制制地面面沉降降的建建议。。五、地地面沉沉降的的调查查与评评价平原区区地质质环境境条件件地质构构造：：新构构造沉沉降、、活动动断裂裂；地形地地貌：：滨海海平原原、三三角洲洲平原原、冲冲积－－海积积平原原、冲冲积－－湖积积平原原、冲冲积－－洪积积平原原前缘缘、山山间盆盆地的的地表表形态态及高高程变变化、、水系系分布布及流流向、、湖沼沼水域域面积积及其其变化化；松散沉沉积层层厚度度、岩岩性、、垂向向组合合；各土体体（重重点是是软弱弱压缩缩层））的分分布及及其工工程地地质特特征；；含水层层的分分布、、厚度度、补补给条条件。。人类工工程经经济活活动的的方式式、强强度地下水水、油油气资资源的的开采采利用用现状状；地下水水水位位降低低及影影响范范围；；城市建建设（（路、、桥、、高层层建筑筑、地地下工工程等等）对对地质质环境境的影影响程程度、、施工工中和和竣工工后出出现的的地质质环境境问题题。五、地地面沉沉降的的调查查与评评价地面沉沉降现现状与与发生生发展展历史史地面沉沉降区区沉降降发生生时间间、分分布范范围、、形状状、面面积及及累计计沉降降量、、历年年变化化与沉沉降速速率的的调查查与分分析；；地面沉沉降影影响因因素分分析；；地面沉沉降造造成的的直接接与间间接经经济损损失评评估。。五、地地面沉沉降的的调查查与评评价实例介介绍长江三三角洲洲（长长江以以南））地下下水资资源与与地地质灾灾害调调查评评价（（1：25万）南京地地质矿矿产研研究所所江苏省省地质质调查查研究究院上海市市地质质调查查研究究院浙江省省地质质调查查研究究院江苏省省浙江省省总面积积30340km2，海拔高高度3－5m,环太湖湖地带带1－2m，沿江江6－8m长江三三角洲洲平原原第四四纪地地质特特征厚度大大，变变化迅迅速第四系系厚度度160－210米，自自西向向东、、自南南向北北厚度度增大大；上上海浦浦东第第四系系厚度度250米左右右；苏苏锡常常地区区第四四系相相对较较薄，，厚度度变化化大，，第四四系厚厚度100－200米，地地下潜潜山分分布区区仅60－80米。成因类类型多多，沉沉积相相变快快海相、、海陆陆过渡渡相、、冲积积相、、冲洪洪积相相、湖湖相和和湖沼沼相历经破破坏，，难以以对比比经历了了长江江大沉沉积、、大破破坏的的形成成过程程，保保留下下来的的第四四系已已非连连续沉沉积，，加大大了建建立第第四纪纪地层层层序序、进进行区区域第第四系系划分分对比比的难难度。。地质环环境条条件调调查充分收收集、、分析析区内内钻孔孔资料料、物物探资资料；；有针对对性地地部署署了6个第四四系综综合测测试孔孔，系系统采采集了了古地地磁测测试、、孢粉粉、微微体古古生物物分析析、14C测年、、ESR测年、、热释释光测测年、、粒度度分析析、重重矿物物、碳碳酸盐盐等样样品，，建立立了依依据较较充分分的第第四系系基准准孔。。由多个个基准准孔带带动区区内各各类钻钻孔第第四纪纪地层层的划划分和和对比比。在对第第四系系沉积积结构构新认认识的的基础础上，，进一一步完完善了了区内内含水水层组组的划划分和和对比比，确确定地地下水水资源源评价价的边边界条条件。。技术路路线基岩构构造模模型—基岩起起伏面面地面沉沉降现现状与与发生生发展展历史史调查查、分分析地面沉沉降迹迹象及及损失失调查查访问问。井管拔拔高、、海水水倒灌灌，河河（渠渠）水水倒流流、港港口、、码头头或堤堤岸失失效加加高、、桥梁梁净空空减少少、城城市排排水不不畅、、河流流泄洪洪能力力降低低、建建筑物物破坏坏、农农田受受淹、、一次次降水水过程程地面面积水水范围围等。。以5年为间间隔进进行上上海市市水准准复测测，全全面掌掌握了了地面面沉降降的现现状与与发展展趋势势。上海市市一九九九六六∣二○○一一年累积积地面面沉降降图苏锡常常地区区2002年地面沉沉降速速率图图苏锡常常地区区至2002年地面累累计沉沉降量量等值值线图图长江三三角洲洲地区区地面面沉降降发生生发展展及现现状累积沉沉降量量200-600mm的沉降降面积积约4650km2；0.6-1.0m的沉降面积积约1350km2；1.0－1.4m的沉降面积积约300km2；1.4－1.8m的沉降面积积约30km2；大于于1.8m的沉降面积积约6.5km2。地下水超量量开采是长长江三角洲洲区域地面面沉降的主主要影响因因素（上海海市区90年代占70%）。地面沉降随随地下水的的开采而持持续发展年内沉降量量随地下水水位的升降降而变化地面沉降速速率受地下下水位控制制地面沉降影影响因素分分析大规模城市市建设、建建筑物荷载载是长江三三角洲城市市局部地区区地面沉降降的重要影影响因素（（上海市区区90年代占30%）。代表性高层层建筑与所所在地区对对比典型区对比比地质环境是是区域地面面沉降重要要的内在因因素。松散沉积层层厚度、岩岩性松散沉积层层垂向组合合含水层补给给条件地面沉降影影响因素分分析六、地面沉沉降的监测测与预测（1）基岩标、分分层标组；（2）地下水动态态监测网；（3）水准监测网网。（隧道口）（塘桥）（高化）（外滩）（劳动公园）（双阳中学）（吴淞）（宝钢）（汽二）（面粉厂）（姜家桥）（桃浦）J5（北新泾）（小闸）（吴泾）J14（华漕）L4L3L20L1L5L10L6L12L16L2（1）L19L17L15L24L25L22L21L27L28L23L30L29L7L115.317.030.98.110.04.210.94.78.410.34.97.695.2814.26.915.36.016.411.53.215.9（源深、杨高路）（高行）（外高桥）L26L2（2）（复兴岛）L18L13L14（刘行）（上钢五厂）L8L93.142.38.812.32.49.55.28.410.27.5

黄浦江浦东浦西上海市区一等水准网示意图地面沉降自自动监测系系统建设（1）自动化化监测系统统组成六、地面沉沉降的监测测与预测（2）JS型静力水准准自动化监监测系统六、地面沉沉降的监测测与预测（3）数据自动动采集及处处理六、地面沉沉降的监测测与预测7、地面沉降降的监测对抽水引起起的地面沉沉降进行预预测，因影影响因素复复杂，预测测难度较大大。近年来来，国内外外对此作了了大量的研研究工作。。我国地面面沉降问题题较严重的的几个城市市也先后进进行了系统统的沉降量量观测、模模型试验、、沉降量计计算和预测测工作。统计模型传统的理论论模型数值方法六、地面沉沉降的监测测与预测这种方法适适用于已长长期地面沉沉降及地下下水位详细细观测资料料的地区。。由于大量量开采地下下水（油、、气）引起起地下水位位（油、气气压）持续续下降，进进而引起介介质失水压压迷是地面面沉降的根根本原因。。所以可利利用地下水水开采量或或地下水水水位于地面面沉降量的的资料，建建立两者之之间的回归归方程。例如：根据据天津市资资料，可得得S=28.13+0.0067Q式中：S为地面累计计沉降量；；Q为累计开采采量。又如，根据据上海市资资料，得：：S=B0+B1h+B2D+B3H式中：B0、B1、B2、B3为回归系数数；h为水位变幅幅；D为水位作用用天数；H为该水作用用期间平均均水位。统计模型六、地面沉沉降的监测测与预测统计模型优优缺点如果建立S~Q或S~h的回归方程程，即可根根据未来的的开采计划划推算地面面沉降量的的值。这种方法的的优点是简简单明了，，适用范围围广。只要要把主要的的影响因素素考虑进去去，可以不不考虑复杂杂的物理过过程。但该该方法有很很大的弱点点，从理论论上讲，不不能对机理理有更深刻刻的了解。。六、地面沉沉降的监测测与预测传统的理论论模型这类模型主要要是根据土力力学固结理论论的基本原理理，对在某一一特定抽水条条件下，各岩岩性层对应的的有效应力增增量，分别计计算器压缩变变形量，然后后累加，计算算地面沉降量量。（1）砂砾质土的的变形量计算算（2）粘性土层的的变形量计算算（3）地表某一地地点的累计计计算量六、地面沉降降的监测与预预测（1）砂砾质土的的变形量计算算对砂砾质土层层可按弹性理理论处理，其其变形可在短短时间内完成成。ΔS=(B*Δρ)/E式中：ΔS为变形增量；；B为该层的初始始厚度；E为平均的变形形模量；Δρ唯有效应力增增量。具体的计算公公式为：ΔS=[(ρw*g*Δh)/Es]*B式中：ΔS为变形增量（（cm）；Δh为水头变化值值（m）；ρw为水的密度（（t/m3）；g为重力加速度度(9.81m/s2)；B为砂砾层的初初始厚度（m）；Es为砂砾质土的的变形模量，，抽水时，Es=1/a0为压缩系数，，停抽或回灌灌时，地层回回弹，Es=1/as，as为回弹系数。。六、地面沉降降的监测与预预测（2）粘性土层的的变形量计算算粘性土的变形形量可采用线线性公式计算算：ΔS=[a0/(1+ε0)]ΔP*B式中：ΔS为粘性土的变变形量；a0为某一压应力力区间(σ1-σ2)的压缩系数；；ε0为粘性土起始始孔隙比；B为粘性土层起起始厚度；ΔP为水头下降值值。若按静水压力力来考虑，上上式可写成：：ΔS=[mr/(1+ε0)]*Δh*ρ*B六、地面沉降降的监测与预预测（3）地表某一地地点的累计计计算量ΔS总(t)=ΣΔSi(t)=Σ[avi/(1+εi0)]*Bi0*ρwiw*g*Δhi式中：ΔS总(t)为t时刻地面沉降降累计量；avi为第i层压缩系数；；εi0为第i层起始时刻(t0)的孔隙比；Bi0