環(huán)境地質(zhì)學(xué)課件柴波-第十講地面沉降

地面沉降一、概述二、我國(guó)地面沉降現(xiàn)狀三、地面沉降形成機(jī)理及規(guī)律四、地面沉降主要特征五、地面沉降的調(diào)查與評(píng)價(jià)六、地面沉降監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)七、地面沉降防治一、概述地面沉降

定義:地殼運(yùn)動(dòng)或開采地下流體引起的區(qū)域性地面標(biāo)高降低。

區(qū)別于地表塌陷、地裂縫世界上已有50多個(gè)國(guó)家和地區(qū)發(fā)生了地面沉降，比較嚴(yán)重的國(guó)家是美國(guó)、日本、墨西哥和意大利等。我國(guó)也有50多個(gè)大中城市出現(xiàn)了不同程度的地面沉降，較嚴(yán)重的有上海、天津、臺(tái)北、蘇州、常州、無(wú)錫、寧波等。地面沉降災(zāi)害《地質(zhì)災(zāi)害分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（DZ0238-2004）定義：在自然和人為作用下發(fā)生的大面積地表高程降低，并對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境造成危害的地質(zhì)現(xiàn)象或過程。地面沉降災(zāi)害會(huì)給城市建筑物、道路交通、管道系統(tǒng)及給排水、防洪等帶來(lái)諸多困難。因此，城市地面沉降已被列為十大地質(zhì)災(zāi)害之一。它具有生成緩慢、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、成因復(fù)雜和防治難度大等特點(diǎn)，其影響范圍之廣、治理難度之大遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其它城市地質(zhì)災(zāi)害。一、概述洪澇災(zāi)害加劇建筑物受損海岸災(zāi)害加劇地面沉降的危害一、概述

到2003年地面沉降面積已達(dá)到93,855km2，形成長(zhǎng)三角、華北平原、和汾渭盆地等地面沉降災(zāi)害嚴(yán)重區(qū)。二、我國(guó)地面沉降現(xiàn)狀三、地面沉降的形成機(jī)理及規(guī)律

飽水多孔介質(zhì)的失水壓密原理太沙基有效應(yīng)力原理σ=σ’+μ

σ=γ土

·Hμ=γ水·hσ=(σ’+△σ’)+(μ-△μ)△σ’=△μ規(guī)律性：由沉降中心向周邊方向逐漸減小三、地面沉降的形成機(jī)理及規(guī)律

垂直位移的變化垂直位移量隨著地下水位的降低而逐漸增大圖8水平位移量的空間變化規(guī)律性：最大位移在沉降中心的兩側(cè)，沉降中心及最外圍較小三、地面沉降的形成機(jī)理及規(guī)律

水平位移的變化圖9地面破壞的表現(xiàn)形式三、地面沉降的形成機(jī)理及規(guī)律

抽水對(duì)地面沉降的影響（1）抽水量的影響規(guī)律性：抽水量越大，沉降量、沉降速率和沉降范圍越大。圖10抽水量對(duì)地面沉降的影響Q2Q1Q1<Q2三、地面沉降的形成機(jī)理及規(guī)律

抽水對(duì)地面沉降的影響（2）抽水方式的影響連續(xù)抽水，抽水量恒定，補(bǔ)給充沛連續(xù)抽水，抽水量恒定，補(bǔ)給不足間斷抽水，抽水量恒定

間斷抽水，抽水量不定

三、地面沉降的形成機(jī)理及規(guī)律eб圖11土體反復(fù)受壓縮過程三、地面沉降的形成機(jī)理及規(guī)律（3）開采布局的影響圖12不同的開采布局對(duì)地面沉降的影響

抽水對(duì)地面沉降的影響三、地面沉降的形成機(jī)理及規(guī)律

地層對(duì)地面沉降的影響（1）地層巖性的影響圖13不同的地層巖性對(duì)地面沉降的影響規(guī)律性：砂礫層的壓縮量小于等有效應(yīng)力作用下粘性土的壓縮量。三、地面沉降的形成機(jī)理及規(guī)律

地層對(duì)地面沉降的影響（2）地層厚度的影響圖14不同的地層巖性對(duì)地面沉降的影響規(guī)律性：粘性土的累積厚度越大，壓縮總量越大三、地面沉降的形成機(jī)理及規(guī)律

地層對(duì)地面沉降的影響（3）地層組合的影響圖15不同的地層組合對(duì)地面沉降的影響規(guī)律性：在同等開采條件下，粘性土層數(shù)越多，沉降速率越大。三、地面沉降的形成機(jī)理及規(guī)律圖16在某些情況下地下水開采漏斗區(qū)與地面沉降中心并不一致三、地面沉降的形成機(jī)理及規(guī)律四、地面沉降的主要特點(diǎn)區(qū)域易發(fā)性時(shí)間累進(jìn)性過程漸變性成因復(fù)雜性難以逆轉(zhuǎn)性區(qū)域易發(fā)性國(guó)內(nèi)：17個(gè)省（區(qū)市）95個(gè)城市多見面廣國(guó)外：200多個(gè)城市或地區(qū)三角洲平原：上海、蘇錫常、南通、嘉興、桐鄉(xiāng)、海寧、廣州、珠海、中山、臺(tái)山、東莞等城市。沖積－海積平原：唐山、滄州、衡水、任丘、河間、南宮、保定等12個(gè)沉降中心；天津、鹽城、大豐、寧波、溫州、臺(tái)州、?？?、北海等城市。沖積－洪積平原：北京、許昌、濮陽(yáng)、開封、商丘、洛陽(yáng)、安陽(yáng)；濟(jì)寧、阜陽(yáng)等城市。河谷平原和山間盆地：西安、太原、大同、榆次、臨汾、昆明福州等城市。世界上最早發(fā)現(xiàn)地面沉降：1898年在日本新瀉；有50多個(gè)地區(qū)的地面沉降量達(dá)到了10m（墨西哥、日本、美國(guó)等）中國(guó)最早發(fā)現(xiàn)地面沉降：1921年上海；總沉降面積達(dá)5萬(wàn)多km2；最大沉降量3.14m（天津塘沽區(qū)）成因復(fù)雜性影響因素多構(gòu)造沉降：新構(gòu)造沉降、斷裂活動(dòng)軟土層次固結(jié)變形沉降排水固結(jié)變形沉降工程加荷引起承載土體固結(jié)變形沉降復(fù)合性強(qiáng)二種、三種或四種因素疊加，綜合作用后果不可逆性粘性土釋水壓密時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化，即使孔隙水壓力恢復(fù)，粘性土仍保持壓密狀態(tài)，發(fā)生塑性變形。當(dāng)?shù)叵滤怀掷m(xù)下降，含水層附加應(yīng)力增加至其前期固結(jié)壓力時(shí)，含水層通過顆粒間的明顯滑動(dòng)與滾動(dòng)來(lái)調(diào)整含水層顆粒骨架而逐漸形成新的應(yīng)力平衡。當(dāng)含水層附加應(yīng)力超過其的前期固結(jié)壓力時(shí)，也將呈現(xiàn)塑性變形特征。地面沉降造成的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失是不可挽回的。五、地面沉降的調(diào)查與評(píng)價(jià)地質(zhì)環(huán)境條件；人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的方式、強(qiáng)度；地面沉降現(xiàn)狀與發(fā)生發(fā)展歷史；分析預(yù)測(cè)沉降發(fā)展趨勢(shì)及可能的成災(zāi)范圍；了解地面沉降勘查、監(jiān)測(cè)和防治現(xiàn)狀（人工回灌、控制地下水開采量等措施）及效果，提出預(yù)防與控制地面沉降的建議。五、地面沉降的調(diào)查與評(píng)價(jià)

平原區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件地質(zhì)構(gòu)造：新構(gòu)造沉降、活動(dòng)斷裂；地形地貌：濱海平原、三角洲平原、沖積－海積平原、沖積－湖積平原、沖積－洪積平原前緣、山間盆地的地表形態(tài)及高程變化、水系分布及流向、湖沼水域面積及其變化；松散沉積層厚度、巖性、垂向組合；各土體（重點(diǎn)是軟弱壓縮層）的分布及其工程地質(zhì)特征；含水層的分布、厚度、補(bǔ)給條件。

人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的方式、強(qiáng)度地下水、油氣資源的開采利用現(xiàn)狀；地下水水位降低及影響范圍；城市建設(shè)（路、橋、高層建筑、地下工程等）對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響程度、施工中和竣工后出現(xiàn)的地質(zhì)環(huán)境問題。五、地面沉降的調(diào)查與評(píng)價(jià)

地面沉降現(xiàn)狀與發(fā)生發(fā)展歷史地面沉降區(qū)沉降發(fā)生時(shí)間、分布范圍、形狀、面積及累計(jì)沉降量、歷年變化與沉降速率的調(diào)查與分析；地面沉降影響因素分析；地面沉降造成的直接與間接經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估。五、地面沉降的調(diào)查與評(píng)價(jià)長(zhǎng)江三角洲平原第四紀(jì)地質(zhì)特征厚度大，變化迅速

第四系厚度160－210米，自西向東、自南向北厚度增大；上海浦東第四系厚度250米左右；蘇錫常地區(qū)第四系相對(duì)較薄，厚度變化大，第四系厚度100－200米，地下潛山分布區(qū)僅60－80米。成因類型多，沉積相變快海相、海陸過渡相、沖積相、沖洪積相、湖相和湖沼相歷經(jīng)破壞，難以對(duì)比經(jīng)歷了長(zhǎng)江大沉積、大破壞的形成過程，保留下來(lái)的第四系已非連續(xù)沉積，加大了建立第四紀(jì)地層層序、進(jìn)行區(qū)域第四系劃分對(duì)比的難度。

地質(zhì)環(huán)境條件調(diào)查充分收集、分析區(qū)內(nèi)鉆孔資料、物探資料；有針對(duì)性地部署了6個(gè)第四系綜合測(cè)試孔，系統(tǒng)采集了古地磁測(cè)試、孢粉、微體古生物分析、14C測(cè)年、ESR測(cè)年、熱釋光測(cè)年、粒度分析、重礦物、碳酸鹽等樣品，建立了依據(jù)較充分的第四系基準(zhǔn)孔。由多個(gè)基準(zhǔn)孔帶動(dòng)區(qū)內(nèi)各類鉆孔第四紀(jì)地層的劃分和對(duì)比。在對(duì)第四系沉積結(jié)構(gòu)新認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善了區(qū)內(nèi)含水層組的劃分和對(duì)比，確定地下水資源評(píng)價(jià)的邊界條件。

技術(shù)路線

地面沉降現(xiàn)狀與發(fā)生發(fā)展歷史調(diào)查、分析地面沉降跡象及損失調(diào)查訪問。井管拔高、海水倒灌，河（渠）水倒流、港口、碼頭或堤岸失效加高、橋梁凈空減少、城市排水不暢、河流泄洪能力降低、建筑物破壞、農(nóng)田受淹、一次降水過程地面積水范圍等。地下水超量開采是長(zhǎng)江三角洲區(qū)域地面沉降的主要影響因素（上海市區(qū)90年代占70%）。

地面沉降隨地下水的開采而持續(xù)發(fā)展

年內(nèi)沉降量隨地下水位的升降而變化

地面沉降速率受地下水位控制

地面沉降影響因素分析大規(guī)模城市建設(shè)、建筑物荷載是長(zhǎng)江三角洲城市局部地區(qū)地面沉降的重要影響因素（上海市區(qū)90年代占30%）。代表性高層建筑與所在地區(qū)對(duì)比典型區(qū)對(duì)比

地質(zhì)環(huán)境是區(qū)域地面沉降重要的內(nèi)在因素。松散沉積層厚度、巖性松散沉積層垂向組合含水層補(bǔ)給條件

地面沉降影響因素分析六、地面沉降的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)（1）基巖標(biāo)、分層標(biāo)組；（2）地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)；（3）水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

地面沉降自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)（1）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成六、地面沉降的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)（2）JS型靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

六、地面沉降的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)（3）數(shù)據(jù)自動(dòng)采集及處理六、地面沉降的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)

對(duì)抽水引起的地面沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，因影響因素復(fù)雜，預(yù)測(cè)難度較大。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)此作了大量的研究工作。我國(guó)地面沉降問題較嚴(yán)重的幾個(gè)城市也先后進(jìn)行了系統(tǒng)的沉降量觀測(cè)、模型試驗(yàn)、沉降量計(jì)算和預(yù)測(cè)工作。

統(tǒng)計(jì)模型傳統(tǒng)的理論模型數(shù)值方法六、地面沉降的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)這種方法適用于已長(zhǎng)期地面沉降及地下水位詳細(xì)觀測(cè)資料的地區(qū)。由于大量開采地下水（油、氣）引起地下水位（油、氣壓）持續(xù)下降，進(jìn)而引起介質(zhì)失水壓迷是地面沉降的根本原因。所以可利用地下水開采量或地下水水位于地面沉降量的資料，建立兩者之間的回歸方程。例如：根據(jù)天津市資料，可得

S=28.13+0.0067Q式中：S為地面累計(jì)沉降量；Q為累計(jì)開采量。又如，根據(jù)上海市資料，得：

S=B0+B1h+B2D+B3H式中：B0、B1、B2、B3為回歸系數(shù)；h為水位變幅；D為水位作用天數(shù)；H為該水作用期間平均水位。

統(tǒng)計(jì)模型六、地面沉降的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)模型優(yōu)缺點(diǎn)如果建立S~Q或S~h的回歸方程，即可根據(jù)未來(lái)的開采計(jì)劃推算地面沉降量的值。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單明了，適用范圍廣。只要把主要的影響因素考慮進(jìn)去，可以不考慮復(fù)雜的物理過程。但該方法有很大的弱點(diǎn)，從理論上講，不能對(duì)機(jī)理有更深刻的了解。六、地面沉降的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)傳統(tǒng)的理論模型

這類模型主要是根據(jù)土力學(xué)固結(jié)理論的基本原理，對(duì)在某一特定抽水條件下，各巖性層對(duì)應(yīng)的有效應(yīng)力增量，分別計(jì)算器壓縮變形量，然后累加，計(jì)算地面沉降量。（1）砂礫質(zhì)土的變形量計(jì)算（2）粘性土層的變形量計(jì)算（3）地表某一地點(diǎn)的累計(jì)計(jì)算量六、地面沉降的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)（1）砂礫質(zhì)土的變形量計(jì)算對(duì)砂礫質(zhì)土層可按彈性理論處理，其變形可在短時(shí)間內(nèi)完成。

ΔS=(B*Δρ)/E式中：ΔS為變形增量；B為該層的初始厚度；E為平均的變形模量；Δρ唯有效應(yīng)力增量。具體的計(jì)算公式為：

ΔS=[(ρw*g*Δh)/Es]*B式中：ΔS為變形增量（cm）；Δh為水頭變化值（m）；ρw為水的密度（t/m3）；g為重力加速度(9.81m/s2)；B為砂礫層的初始厚度（m）；Es為砂礫質(zhì)土的變形模量，抽水時(shí)，Es=1/a0為壓縮系數(shù)，停抽或回灌時(shí)，地層回彈，Es=1/as，as為回彈系數(shù)。六、地面沉降的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)（2）粘性土層的變形量計(jì)算粘性土的變形量可采用線性公式計(jì)算：

ΔS=[a0/(1+ε0)]ΔP*B式中：ΔS為粘性土的變形量；a0為某一壓應(yīng)力區(qū)間(σ1-σ2)的壓縮系數(shù)；ε0為粘性土起始孔隙比；B為粘性土層起始厚度；ΔP為水頭下降值。若按靜水壓力來(lái)考慮，上式可寫成：

ΔS=[mr/(1+ε0)]*Δh*ρ*B六、地面沉降的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)（3）地表某一地點(diǎn)的累計(jì)計(jì)算量

ΔS總(t)=ΣΔSi(t)=Σ[avi/(1+εi0)]*Bi0*ρwiw*g*Δhi式中：ΔS總(t)為t時(shí)刻地面沉降累計(jì)量；avi為第i層壓縮系數(shù)；εi0為第i層起始時(shí)刻(t0)的孔隙比；Bi0為第i層起始時(shí)刻(t0)的厚度；ρwiw第i層水的密度；Δhi(t)為第i層t時(shí)刻的水頭與起始水頭的差值。六、地面沉降的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)

數(shù)值方法比奧固結(jié)理論地下水滲流模型與土體的固結(jié)模型耦合六、地面沉降的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)七、地面沉降的防治合理規(guī)劃水資源開發(fā)利用布局這是在開采利用地下水之前進(jìn)行的一項(xiàng)工作，包括：①取水地點(diǎn)盡可能安排在砂礫石層厚、粘性土夾層少的地段；②在粘性土層多且相變復(fù)雜的地區(qū)，盡量以地表水作為供水水源，減少或不開才地下水；③減少開采量，且盡量采用恒定開采辦法，不要形成長(zhǎng)期增長(zhǎng)的開采局面。④將集中開采變?yōu)榉稚㈤_采；