水文地质学讲义讲稿

XX大学精品课>>专门水文地质学>>教材>>专门水文地质学§13.3地面沉降的灾情评估及防治措施一、地面沉降的概念及产生原因地面沉降（LandSubsidence）是指在自然因素或人为因素影响下发生的幅度较大、速率较大的地表高程垂直下降的现象。地面沉降，又称地面下沉或地陷，是指某一区域内由于开采地下水或其它地下流体所导致的地表浅部松散沉积物压实或压密引起的地面标高下降的现象。意大利威尼斯城最早发现地面沉降。之后随着经济发展，人口增加和地下水（油气）开采量增大，世界上许多国家如美国、日本、墨西哥、欧洲和东南亚一些国家均发生了严重的地面沉降。地面沉降的特征是主要发生于大型沉积盆地和沿海平原地区的工业发达城市及油气田开采区。其特点是涉及范围广，下沉速率缓慢，往往不易被察觉；在城市内过量开采地下水引起的地面沉降，其波及的面积大；地面沉降具有不可逆特性，就是用人工回灌办法，也难使地面沉降的地面回复到原来的标高。因此地面沉降对于建筑物、城市建设和农田水利设施危害极大。经过对地面沉降的长期观测和研究，对地面沉降的主要原因已取得比较一致的看法。地面沉降的原因颇多，有地质构造、气候等自然因素，也有人为原因。人类工程活动是主要原因之一，人类工程活动既可导致地面沉降，又可加剧地面沉降，其主要表现在以下几方面：1.大量抽取液体资源(地下水、石油等)、地下气体(天然气、沼气等)活动是造成大幅度、急剧地面沉降的最主要原因；2.采掘地下团体矿藏(如沉积型煤矿、铁矿等)形成的大范围采空区，及地下工程(隧道、防空洞、地下铁道等)是导致地面下沉变形的原因之一。3.地面上的人为振动作用(大型机械、机动车辆等及爆破等引起的地面振动)在一定条件下也可引起土体的压密变形。4.重大建筑物、蓄水工程(如水库)对地基施加的静荷载，使地基土体发生压密下沉变形。5.由于在建筑工程中对地基处理不当，即地基勘探不周。从地层结构而言，透水性差的隔水层(粘土层)与透水性好的含水层(砂质土层、砂层、砂砾层)互层结构易于发生地面沉降，即在含水性较好的砂层、砂砾层内抽排地下水时，隔水层中的孔隙水向含水层流动就会引起地面沉降。根据土的固结理论可知，含水层上覆荷载的总应力P应由含水层中水体和土体颗粒共同承受。其中由水体所承受的孔隙压力Pw并不能引起土层压密，称之为中性压力。由土体承受的部分压力直接作用于含水层固体骨架之上。可直接造成土层压密，称之为有效压力Ps。水压力Pw和有效压力Ps共同承担上覆荷载，即P=Pw+Ps。从孔隙承压含水层中抽汲地下水，引起含水层中地下水位下降，水压降低，但不会引起外部荷载的变化，这将导致有效应力的增加。从成因上看，我国地面沉降绝大多数是地下水超量开采所致，地域分布具有明显的地带性（松散岩层区）：（1）大型河流三角洲及沿海平原区（长江、黄河、海河、辽河下游平原及河口三角洲地区）；（2）小型河流三角洲区（东南沿海地区）；（3）山前冲洪积扇及倾斜平原区（北京、保定、邯郸、郑州、安阳等）；（4）山间盆地和河谷地区（渭河盆地、汾河谷地）。二、地面沉降调查与监测鸭地面沉降勘察通有两种情况，昨一是勘察地区展已发生了地面冲沉降；一是勘振察地区有可能酬发生地面沉降侨。两种情况的俩勘察内容是有堆区别的，对于景前者，主要是悄调查地面沉降赖的原因，预测宜地面沉降的发温展趋势，并提次出控制和治理烛方案；对于后席者，主要应预泊测地面沉降的柏可能性和估算歌沉降量。春地面沉降原因番的调查内容包垒括三个方面钟，匹即场地工程地录质条件，场地替地下水埋藏条伯件和地下水变旨化动态。并国内外地面沉教降的实例表明荷，发生地面沉仰降地区的共同胁特点是它们都瞧位于厚度较大晶的松散堆积物耕，主要是第四慈纪堆积物之上婶。沉降的部位伟几乎无例外地由都在较细的砂岗土和粘性土互腰层之上。当含傲水层上的粘性休土厚度较大，始性质松软时，毙更易造成较大饮沉降。因此，营在调查地面沉俱降原因时，应扯首先查明场地阅的沉积环境和阳年代，清楚冲渠积、湖积或浅炮海相沉积平原酿或盆地中第四杀纪松散堆积物狮的岩性、厚度论和埋藏条件。疮特别要查明硬哨土层和软弱压夹缩层的分布。隶要时尚可根据否这些地层单元目体的空间组合掩，分出不同的凡地面沉降地质坛结构区。例如勒，上海地区按堵照三个软粘土训压缩层和暗绿冷色硬粘土层的程空间组合，分蛇成四个不同的牢地面沉降地质里结构区，其产晴生地面沉降的懒效应也不一样信。近从岩土工程角差度研究地面沉桂降，应着重研债究地表下一定怜深度内压缩层螺的变形机理及缸其过程。国内正外已有研究成行果表明，地面狱沉降机制与产退生沉降的土层笼的地质成因、跳固答结历史、骤固里结状态、孔隙际水的赋存形式踩及其释水机理软等有密切关系铃。灾抽吸地下水引抽起水位或水压奇下降，使上覆凡土层有效自重车压力增加，所稿产生的附加荷倾载使土层固结恶，是产生地面毕沉降的主要原遮因。因此，对例场地地下水埋撤藏条件和历年社来地下水变化绪动态进行调查挤分析，对于研忆究地面沉降来爷说是至关重要轮的。龙地面沉降现状道调查内容主要烈包括下列三方瓶面洽：地面沉降量恒的观测；地下之水的观测；对干地面沉降范围会内已有建筑物灯的调查。赴地面沉降量的仅观测是以高精鞋度的水准测量穿为基础的。由独于地面沉降的证发展和变化一封般都较缓慢，游用常规水准测询量方法已满足户不了精度要求获，因此地面沉搅降观测应满足捉专门的水准测毯量精度要求。牵进行地面沉降会水准测量时一喘般需要设置三亲种标点，即基留准标，也称背林景标，设置在身地面沉降所不昌能影响的范围废，作为衡量地抵面沉降基准的丛标点；地面沉部降标用于观测虾地面升降的地水面水准点；分寿层沉降标，用韵于观测某一深潜度处土层的沉逝降幅度的观测缩标。匪地面沉降水准僻测量的方法和术要求应按现行骄国家标准《国扩家一二等水准医测量规范惊》剩GB1289匀7捐)尽规定执行。一室般在沉降速率络大时可用等精干度水准，缓慢牧时要呼用艳Ⅰ暖等精度水准。佩对已发生地面患沉降的地区进搅行调查研究，锄其成果可综合皇反映到以地面乔沉降为主要特辅征的问专门环境地质巷分区图上，从虾该图可以看出舟地下水开采量桌、回灌量、水最位变化、地质胀结构与地面沉惯降的关系。梅对已发生地面肤沉降的地区，禁控制地面沉降奥的基本措施是酷进行地下水资锯源管理，我国废上海地区首先冻进行了各种措屑施的试验研究棋，先后采取了欠压缩用水量、题人工补给地下谊水和调整地下身水开采层次等睁综合措施，在村上海市区取得伤了基本控制地捐面沉降的成效灿。在这三种主原要措施中，压辟缩地下水开采遍量使地下水位袖恢复是控制地直面沉降的最主糊要措施，这些麦措施的综合利株用已为国内条蜂件与上海类似创的地区所采用咬。视向地下水进行晌人工补给灌注敢时，要严格控钥制回灌水源的堆水质标准，以题防止地下水被谎污染，并要根侨据地下水动态包和地面沉降规况律，制定合理趋的采灌方案。序可能发生地面盼沉降的地区，吸一般是指具有快以下情况的地雀区，具有产生品地面沉降的地韵质环境模式，税如冲积平原、较三角洲平原、宽断陷盆地等；惩具有产生地面灰沉降的地质结辰构，即第四纪荒松散堆积层厚战度很大；据已开有地面测量和蛾建筑物观测资设料，随着地下捡水的进一步开萄采，已有发生霉地面沉降的趋假势。队对可能发生地骡面沉降的地区棒，主要是预测挠地面沉降的发柿展趋势，即预狸测地面沉降量查和沉降过程。瘦国内外有不少饲资料对地面沉景降提供了多种仁计算方法，归勒纳起来大腊致核偶有理论计算方办法。半理论半逢经验方法和经尚验方法等三种暮。由于地面沉散降区地质条件井和各种边界条库件的复杂性，泪采用半理论半阶经验方法或经灯验方法，经实玩践证明是较简夹单实用的计算团方法。残通常采用的地逼面沉降监测方观法有：堵(1)乞低在地面沉降区娃或研究区内布锈设水准测量点城，定期进行测播量，监测地面荒沉降的变形。洽(2)犬残监测含水层地护下水的抽排量歪、回灌量及地组下水位的变化宅，观测地面沉笔降。追(3)红闭用室内试咏验掩(络常规试验、微互观结构研究、摘高压固结、三俯轴剪切、长期培流变、孔隙水滨压力消散、室甚内模型试验翼等惩)抛和野外试面验诚(渔抽水试验、回摇灌试验、静力胜触探勒等斩)且，探索地面沉虎降发生、发展吩规律，并运用广试验取得的数悄据进行经验性纱、理论性预测他。饥(4)攻握在地面沉降区袄及附近，设立惨相对沉降、孔魂隙水压力和基吨岩等标志，监怖测各岩土层和鹰含水层的变形泡及地下水位动耀态变化。他三、地面沉降雷的灾情评估从（一）地面沉母降等级划分遥地面沉降调查范应查明：沉降句的位置、范围言及面积；沉降衣量；沉降区的蔑环境水文地质矿条件；沉降原泰因以及发展趋揉势。依据地面是沉降面积、累租计沉降量进行燕等级划分（岂表住13-身5沾）。冬表营13-5疏跳地面沉降灾变众等级划分表伤种类堆指友脖标写特大型伏大型站中型种小型祖地面沉降创沉降面积喝（筝km寒2淡）许>500质500~10诵0欠100~10厕<10庙累计沉降量怒（夏m夏）痒>2.0均2~1诚1.0~0.杜5踩<0.5喘引自杏张梁等著《地赤质灾害灾情评迎估理论与实践点》称199肌8英，想P28逆（二）地面沉傍降的灾情评估舌地面沉降的危穗害是多方面的喷，包括：叛1.腾李损失地面标高屯，造成雨季地处表积水，防洪诚能力下降；映2.恳苗沿海城市低地节面积扩大，海始堤高度下降，高海水倒灌；镰3.豪坡海港建筑物破赴坏，装卸能力某降低；遮4.袄撞地面运输线、承地下管线扭曲足断裂；我5.构鬼城市建筑物基津础下沉脱空开仪裂；股6.叛斑桥梁净空减小宫，影响通航；夹7.悲模深井井管上升熊，井台破坏，忧供水排水系统肺失效；驼8.面合农田低洼地区踢洪涝积水，农剖作物减产。蛮地面沉降的预蹲测评价可采用骡统计模型、土富水模型、生命低旋回模型等。齿统计模型：晴大量开采地下洲水引起地下水迷位持续下降，食进而引起隔水灯层失水固结是弟地面沉降的根撕本原因，通过祖统计方法建立袜开采乎量肚Q姥（或含水层水麻位重h巾）与地面沉降贱量特s(mm仁)委之间的统计关序系。该方法简馋单明了，但有龄弱点，带有人障为性，难于了联解沉降机制。剩土水模型悔：包括水位预数测模型、土力敏学模型两部分博，可利用相关委法、解析法和漠数值法等进行单地下水位预测墙分析；土力学阅模型包括含水棍层弹性计算模线型、粘性土层直最终沉降量模听型、太沙基固尸结模型、流变写固结模型、比盛奥韵（席Bio蚂t狱）固结理论模胆型、弹塑性固轿结模型、回归别计算模型及半恳理论半经验模辽型（如单位变咬形量法等）和秀最优化计算方牢法等。占(1和)听含水层的沉降拐计算方法燥一般采用弹性星公式：宿乐负歉S肠=愉Δ隔hE煮γ柱w悲H仇报溜敢筝（保13-柔3边）戚式中熔：畅Δ题h码—奶—典含水层水位变腰幅（赴m屿）；溜E母—把—焦含水层压缩或役回弹模量（常克采用反算值）军；渠γ区w笋渡————萍水容重；摘H礼—鸣—教含水层厚度；暗S肥—尺—睛含水层变形量籍。貌(2倚)朱粘性土沉降变团形的计算方法题粘性土层的固讽结是一个缓慢给的过程，土层摄的最终沉降量逆是指土层完全膛固结情况下的放沉降量，常采禁用分层总和法竹（垫e屠—包logP瓦曲线法）：垦S层=由∑欧S好i吧烂隆河悉骂丧县季(停13-4健)飞枪砂性土听：爪S您i误=脉Δ传P落i脏祸H描i邮吐女许腥烛占(反13-5鲁)宽或躁S却i匙=线Δ示h语i炭锈γ睁w宜H务砂敬鹅旷须盐系帝廉陵(锐13-6狸)辰粘性土设：洁S僵i=渴C张0i骂lg悬丰晕颂(令13-7脸)书常或荣S罗∞洁=篮睛工唐按榴(乖13-8敢)沫蛙式中撑：因S浆—赏—衰土层总沉降量御（糕cm色）；狡S鼠i成—撒—胜第替i喝层土层的沉降费量（通cm意）；颤S样∞利—饼—梯土层的最终压裂密量（旦cm载）；义H顶砂妖H部粘拣—因—佛砂层、粘性土泰层的厚度（惨cm殖）；熊γ贵w饱——屯水的容重岭（否10富-3煌kg/cm旱3冒）踪，柱1kN/m仗3绒=1kPa/望m披2休Δ材h首—胶—更承压水位的降导低值（咐cm唐）弄，爬1kN/m妖3灶=10朋4缴kg/cm百3品E醉—吸—程砂层的弹性模敲量（汗MPa柿）；灯e驰0雁、杂a您v孤—弹—深粘性土层的孔固隙比、压缩系卵数（抖Mpa渣-1健）；磁H洪i鞋—唱—牛第磁i宽层土的厚度；择C桂ci主、庆e朝oi排—袖—犁第属i衔层土的压缩指伴数、初始孔隙猛比；者P裤oi玉、胃Δ旗P愁i威—丰—屯第幻i怒层土层中点的岩自重应力、所涂受的附加应力骤；惕P瓦c倾i想—抖—吸第觉i促层土层的先期分固结压力；男E衡si末—械—骄第欣i司层土层的变形昂模量。绣反映土层平均默固结程度的指凯标译—浇—坝固结树度辱Q倘，定义为崭停Q=罪友来并倘饱工害硬晶（冈13-节9膜）爸Q哑=1-蓝≈掘1叠—剂0.8e坡-N盼培指（大13-1谨0蝴）端N袄=nt负冲她单面排将水讨N=货茶n=捎影双面排籍水诵蚊C纪V忧=愿证脆估悼督粗扮望（锤13-1灭1全）半式中沃：俯Q州N鲜—必—朴固结度、时间陪因数；别C妙V纲K鹰—驼—蕉固结系数（黎cm仿2逼/s茅）、渗透系数塘（幻cm/s缴）；罢t幼—览时间（众s奖）；照st茄—画—筹承压水头降低兵后在时间缝t傻内的压缩量（缎cm恋）。融该法曾用于对锣日本东京、中敢国上海、常州