1、環境地質學,主講教師：李小倩,分論若干地質環境問題的論述,Environmental Geology,地面沉降,2,地面沉降,3,提 綱,一、概述 二、我國地面沉降現狀 三、地面沉降形成機理及規律 四、地面沉降的時空特征 五、地面沉降主要特點 六、地面沉降的調查與評價 七、地面沉降監測與預測 八、地面沉降防治,4,一、概述,地面沉降,定義:是指發生在較大面積的地表高程降低、地面舒緩變形的現象和持續過程。 區別于地面塌陷、地裂縫 世界上已有 50 多個國家和地區發生了地面沉降，比較嚴重的國家是美國、日本、墨西哥和意大利等。截至2011年12月我國已有 50 余個城市出現了地面沉降，長三角地區、華

2、北平原和汾渭盆地已成重災區。2012年2月，中國首部地面沉降防治規劃獲得國務院批復。,5,地面沉降災害,地質災害分類分級標準（試行）（DZ0238-2004） 定義：在自然和人為作用下發生的大面積地表高程降低，并對社會經濟和環境造成危害的地質現象或過程。,地面沉降災害會給城市建筑物、道路交通、管道系統及給排水、防洪等帶來諸多困難。因此，城市地面沉降已被列為十大地質災害之一。它具有生成緩慢、持續時間長、成因復雜和防治難度大等特點，其影響范圍之廣、治理難度之大遠遠超過了其它城市地質災害。,一、概述,6,地面沉降的危害,一、概述,7,1、洪澇災害加劇,一、概述,地面沉降長期發展，使沉降中心的地面高度

3、明顯降低，形成碟型洼地，改變了原始地表水徑流條件，影響排澇和排水管網運行能力，若遇較大洪水，積水難排，行洪能力下降，洪澇災害加劇。,8,蘇州防汛堤有三次明顯加高,據統計，嘉興市平均田面高程為 2.29m，水位每增加 10mm ，淹沒面積增加 1.6 萬畝。,洪澇災害加劇,一、概述,9,洪澇災害加劇,2003.7.7雨后西工大沉降中心,太原市武家莊村常年積水,一、概述,10,洪澇災害加劇,河北平原地面沉降區,寧波地面沉降區常年積水,一、概述,11,地面沉降尤其是不均勻沉降及其引發的地裂縫，會造成鐵路的路基沉降、橋梁裂縫、瀝青路面開裂、地下管道錯斷、供水井井管上升、泵房報廢等；特別是對標高要求嚴格

4、的堤壩、水閘、橋梁、鐵路、高架道路等基礎設施標高一旦降低，將使得安全運營和維護成本增高，造成的房屋開裂倒塌，甚至直接威脅到人的生命安全。,一、概述,2、建筑物基礎下沉、工程設施毀壞,12,建筑物受損,2003年2月28日因地面不均勻沉降錯斷西安子午路2m粗的供水管道,2002年12月10因地面不均勻沉降錯斷西安翠華南路2米粗的供水管道,一、概述,13,太原市,西安大雁塔,無錫市,建筑物受損,一、概述,14,建筑物受損,太原市,江陰長涇,西安長安路,一、概述,15,建筑物受損,一、概述,16,珠海西區海華新村住宅區落成僅10年，地面沉降最大達1.5m,建筑物受損,一、概述,17,不均勻地面沉降加

5、速了地鐵隧道設施的磨損,建筑物受損,一、概述,18,一、概述,3、導致地下水環境惡化,地面沉降所造成的地面標高下降和積水洼地的形成，嚴重影響著城市污水的排放，所造成的排污管道破壞也使污水溢出，這都會污染地下水。在沿海地區，地面沉降還會造成海水入侵或海水倒灌，使地下水礦化度增高，并引起土壤鹽漬化。部分內陸地區在地面沉降過程中，劣質地下水和許多有毒、有害元素污染的地下水會隨著含水層的壓密釋水向淡水擴散，造成地下水水質變差。,19,一、概述,4、濱海地區風暴潮及海岸侵蝕加重,在沿海地區，地面沉降會造成海平面相對上升，風暴潮災害加重。地面沉降使天津市部分地區已處于海平面以下，伴生的風暴潮災害加劇。,2

6、0,海岸災害加劇,天津市因地面沉降受風暴潮危害嚴重,上海市因地面沉降致使防浪堤三次加高,一、概述,21,根據長江三角洲、華北地區、汾渭地塹主要城市等的研究，粗略統計，建國以來，我國地面沉降和地裂縫造成的損失累計高達45005000億元，其中，直接經濟損失累計為350400億元，年均總損失為90100億元,年均直接損失810億元。,一、概述,22,23,到2003年地面沉降面積已達到93,855km2，形成長三角、華北平原、和汾渭盆地等地面沉降災害嚴重區。,二、我國地面沉降現狀,24,圖 例,沉降量大于2000mm,沉降量5001000mm,沉降量10002000mm,沉降量小于500mm,西安

7、,太原,天津,上海,無錫,唐海,蘇州,常州,杭州,湖州,阜陽,滄州,北京,曲周,紹興,寧波,溫嶺,溫州,南通,泰州,徐州,衡水,晉州,石家莊,大城,任丘,保定,霸洲,德州,東營,濟寧,菏澤,許昌,洛陽,開封,淮北,宿州,臺北,大同,榆次,臨汾,運城,廣州,珠海,海口,昆明,哈爾濱,大慶,福州,嘉興,揚州,洪湖,屏東,云林,臺北,云林,屏東,廣州,珠海,海口,我國發現地面沉降的主要城市,二、我國地面沉降現狀,25,長江三角洲地面沉降現狀圖,二、我國地面沉降現狀,26,上海市地面累積沉降量等值線圖 （一九九六二一年）,二、我國地面沉降現狀,27,28,蘇錫常地區2002年 地面沉降速率圖,蘇錫常地

8、區至2002年 地面累計沉降量等值線圖,二、我國地面沉降現狀,29,華北平原地面沉降等值線圖,二、我國地面沉降現狀,30,太原市累計地面沉降等值線圖 (19562000年),大同市累計地面沉降等值線圖 (19881993年),二、我國地面沉降現狀,31,三、地面沉降的形成機理及規律,1、飽水多孔介質的失水壓密原理,= + =土 H = 水h,太沙基有效應力原理,32,（1）抽水條件下飽水多孔介質含水層的失水壓密,由太沙基公式可以看出，抽水時，含水層水位下降，會使顆粒間的孔隙水壓力變小，由于上覆地層自重不變，為保持平衡，有效應力必然會增大。如果有效應力的增量（附加應力）大于顆粒間的摩擦阻力時，顆

9、粒就會位移、錯動，形成更緊密的排列，含水層壓密，體積變小，地面下沉，直至形成新的壓力平衡。,式中，為有效應力的增量；為孔隙水壓力的增量，因抽水是減壓過程，所以用負值表示，|為孔隙水壓力增量的絕對值。,33,（2）注水條件下飽水多孔介質含水層厚度變化,如果注水或水位恢復上升時，孔隙水壓力會增大且為正值，由于上覆地層自重不變，水的浮托力會使有效應力減小，顆粒會變得松散，在宏觀上含水層厚度變大。,34,（3）地面加載條件下飽水多孔介質含水層的失水壓密,地面加載會使總壓力增大，孔隙水壓力和有效應力也隨之增大。如果大于粒間阻力，而且大于時，會引起骨架壓密，表現為含水層總體積變小，水將從孔隙中擠出，進入水

10、井中。這種平衡狀態可用下式表示：,35,2、不同類型巖土失水壓密特點,（1）砂粒質含水層失水壓密特點,砂礫質含水層一旦被抽汲，釋水快，壓力傳遞快，壓密作用顯現得快，地面可在較短時間內出現沉降，即滯后時間短，延遲效應不明顯； 由于砂礫質含水層本身的孔隙度較小，可供壓密的空間小，所以，地面總沉降量較小； 砂礫質含水層顆粒間為硬連接，失水和充水能夠以可逆方式進行，形成的地面沉降具有彈性變形的特點，抽水時，地面下沉，水位恢復時，又可回彈。,36,（2）粘性土的失水壓密特點,粘性土孔隙雖小，但孔隙度大，遠遠超過砂礫質土，粘性土一旦失水壓密，可壓縮空間大，能夠產生較大的地面下沉量； 由于粘性土中的水主要是

11、結合水，水壓傳遞和應力消散慢，失壓后需要相當長的時間才可建立新的壓力平衡，所以抽水對它的影響來得慢，即滯后時間長，延遲效應也十分明顯，這就是為什么在許多粗細顆粒相迭置的地下水分布區抽水時地面沉降不明顯，水位恢復后，地面沉降仍會持續發展的原因； 粘性土失水壓密過程失去的水主要是結合水，骨架的壓密是塑性變形，兩者都是不可逆過程，所以，所造成的地面沉降大部分是永久性的。,37,1、垂直位移的變化,圖1 江蘇張家港市、廣東珠海市的地面沉降,四、地面沉降的時空特征,38,圖3 垂直位移量的空間變化,規律性：由沉降中心向周邊方向逐漸減小,四、地面沉降的時空特征,地面沉降以地層的垂直位移變形為主，并隨各地點

12、有效應力增量大小的不同而不同。,39,B,A,B,O,垂直位移量,四、地面沉降的時空特征,由于垂直應變不均勻，在沉降區中心，兩側土體會向中心擠壓，產生剪切破裂面，地面出現地裂縫。,40,圖4 上海閔行區華漕地面沉降與地下水位變化發展趨勢,垂直位移量隨著地下水位的降低而逐漸增大,四、地面沉降的時空特征,41,圖5 蘇錫常地區地面沉降面積不斷擴大,四、地面沉降的時空特征,42,2、水平位移的變化,圖6 在亞利桑那州皮卡喬附近，因抽地下水的沉降引發地裂縫。,圖7 河北滄州因開采地下水而產生的地裂縫,四、地面沉降的時空特征,43,圖8 水平位移量的空間變化,規律性：最大位移在沉降中心的兩側，沉降中心及

13、最外圍較小,四、地面沉降的時空特征,地面沉降垂直變形的過程中，土體也會形成側向拉力，產生水平位移。與垂直位移相比，水平位移形成的變形量要小得多，,44,圖9 地面破壞的表現形式,四、地面沉降的時空特征,45,3、抽水對地面沉降的影響,（1）抽水量的影響,規律性：抽水量越大，沉降量、沉降速率和沉降范圍越大。,四、地面沉降的時空特征,46,（2）抽水方式的影響,四、地面沉降的時空特征,4、地面沉降的形成機理及規律,48,（3）開采布局的影響,圖12 不同的開采布局對地面沉降的影響,四、地面沉降的時空特征,49,4、地層對地面沉降的影響,（1）地層巖性的影響,圖13 不同的地層巖性對地面沉降的影響,

14、規律性：砂礫層的壓縮量小于等有效應力作用下粘性土的壓縮量。,四、地面沉降的時空特征,50,（2）地層厚度的影響,圖14 不同的地層巖性對地面沉降的影響,規律性：粘性土的累積厚度越大，壓縮總量越大,四、地面沉降的時空特征,51,（3）地層組合的影響,圖15 不同的地層組合對地面沉降的影響,規律性：在同等開采條件下，粘性土層數越多，沉降速率越大。,四、地面沉降的時空特征,52,圖16 在某些情況下地下水開采漏斗區與地面沉降中心并不一致,四、地面沉降的時空特征,53,五、地面沉降的主要特點,區域易發性 時間累進性 過程漸變性 成因復雜性 難以逆轉性,區域易發性,國內：17個省（區市）95個城市,多

15、見,面 廣,國外：200多個城市或地區,三角洲平原：上海、蘇錫常、南通、嘉興、桐鄉、海寧、廣州、珠海、中山、臺山、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個沉降中心；天津、鹽城、大豐、寧波、溫州、臺州、海口、北海等城市。 沖積洪積平原：北京、許昌、濮陽、開封、商丘、洛陽、安陽；濟寧、阜陽等城市。 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 。,世界上最早發現地面沉降：1898年在日本新瀉； 有50多個地區的地面沉降量達到了10m（墨西哥、日本、美國等）,中國最早發現地面沉降：1921年上海； 總沉降面積達5萬多km2； 最大沉降量3.14

16、m（天津塘沽區）,時間累進性,長江三角洲典型城市地面沉降發展歷時曲線,過程漸變性,錫西地區石塘灣鎮歷年地面沉降圖,成因復雜性,影響因素多 構造沉降：新構造沉降、斷裂活動 軟土層次固結變形沉降 排水固結變形沉降 工程加荷引起承載土體固結變形沉降 復合性強 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，結構發生不可逆轉的變化，即使孔隙水壓力恢復，粘性土仍保持壓密狀態，發生塑性變形。 當地下水水位持續下降，含水層附加應力增加至其前期固結壓力時，含水層通過顆粒間的明顯滑動與滾動來調整含水層顆粒骨架而逐漸形成新的應力平衡。當含水層附加應力超過其的前期固結壓力時，也將呈現塑性變形特征

17、。 地面沉降造成的社會經濟損失是不可挽回的。,59,六、地面沉降的調查與評價,地質環境條件； 人類工程經濟活動的方式、強度； 地面沉降現狀與發生發展歷史； 分析預測沉降發展趨勢及可能的成災范圍； 了解地面沉降勘查、監測和防治現狀（人工回灌、控制地下水開采量等措施）及效果，提出預防與控制地面沉降的建議。,60,平原區地質環境條件,地質構造：新構造沉降、活動斷裂； 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（重點是軟弱壓縮層）的分布及其工程地質特征； 含

18、水層的分布、厚度、補給條件。,六、地面沉降的調查與評價,61,人類工程經濟活動的方式、強度,地下水、油氣資源的開采利用現狀； 地下水水位降低及影響范圍； 城市建設（路、橋、高層建筑、地下工程等）對地質環境的影響程度、施工中和竣工后出現的地質環境問題。,六、地面沉降的調查與評價,62,地面沉降現狀與發生發展歷史,地面沉降區沉降發生時間、分布范圍、形狀、面積及累計沉降量、歷年變化與沉降速率的調查與分析； 地面沉降影響因素分析； 地面沉降造成的直接與間接經濟損失評估。,六、地面沉降的調查與評價,63,實例介紹,長江三角洲（長江以南）地下水資源與地質災害調查評價（1：25萬） 南京地質礦產研究所 江蘇

19、省地質調查研究院 上海市地質調查研究院 浙江省地質調查研究院,江蘇省,浙江省,總面積30340km2 ，海拔高度35m, 環太湖地帶12m，沿江68m,65,長江三角洲平原第四紀地質特征 厚度大，變化迅速 第四系厚度160210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；蘇錫常地區第四系相對較薄，厚度變化大，第四系厚度100200米，地下潛山分布區僅6080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 歷經破壞，難以對比 經歷了長江大沉積、大破壞的形成過程，保留下來的第四系已非連續沉積，加大了建立第四紀地層層序、進行區域第四系劃分對比的難度

20、。,地質環境條件調查,66,充分收集、分析區內鉆孔資料、物探資料； 有針對性地部署了6個第四系綜合測試孔，系統采集了古地磁測試、孢粉、微體古生物分析、14C測年、ESR測年、熱釋光測年、粒度分析、重礦物、碳酸鹽等樣品，建立了依據較充分的第四系基準孔。 由多個基準孔帶動區內各類鉆孔第四紀地層的劃分和對比。 在對第四系沉積結構新認識的基礎上，進一步完善了區內含水層組的劃分和對比，確定地下水資源評價的邊界條件。,技術路線,67,基巖構造模型基巖起伏面,69,地面沉降現狀與發生發展歷史調查、分析,地面沉降跡象及損失調查訪問。 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、

21、城市排水不暢、河流泄洪能力降低、建筑物破壞、農田受淹、一次降水過程地面積水范圍等。,以5年為間隔進行上海市水準復測，全面掌握了地面沉降的現狀與發展趨勢。,上海市一九九六二一年累積地面沉降圖,蘇錫常地區2002年 地面沉降速率圖,蘇錫常地區至2002年 地面累計沉降量等值線圖,72,長江三角洲地區地面沉降發生發展及現狀,累積沉降量200-600mm的沉降面積約4650 km2； 0.6-1.0m的沉降面積約1350km2； 1.01.4m的沉降面積約300 km2； 1.41.8m的沉降面積約30 km2； 大于1.8m的沉降面積約6.5 km2。,73,地下水超量開采是長江三角洲區域地面沉降的

22、主要影響因素（上海市區90年代占70%）。 地面沉降隨地下水的開采而持續發展 年內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,大規模城市建設、建筑物荷載是長江三角洲城市局部地區地面沉降的重要影響因素（上海市區90年代占30%）。 代表性高層建筑與所在地區對比 典型區對比,74,地質環境是區域地面沉降重要的內在因素,地面沉降影響因素分析,松散沉積層厚度 巖性松散沉積層垂向組合 含水層補排條件,75,六、地面沉降的監測與預測,區域地面沉降監測技術： 水準測量；GPS測量；InSAR技術 地面沉降分層動態監測： 基巖標、分層標 自動化監測技術： 監測控制中心+通信

23、網絡+現場測量系統,地面沉降的監測,76,上海市區一等水準網示意圖,基巖標剖面圖,80,地面沉降自動監測系統建設,（1） 自動化監測系統組成,七、地面沉降的監測與預測,81,（2）數據自動采集及處理,七、地面沉降的監測與預測,7、地面沉降的監測,84,統計模型 傳統的理論模型 數值方法,七、地面沉降的監測與預測,地面沉降的預測,85,這種方法適用于已長期地面沉降及地下水位詳細觀測資料的地區。由于大量開采地下水（油、氣）引起地下水位（油、氣壓）持續下降，進而引起介質失水壓密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與地面沉降量的資料，建立兩者之間的回歸方程。 例如：根據天津市資料，

24、可得 S =28.13 +0.0067Q 式中：S為地面累計沉降量；Q為累計開采量。 又如，根據上海市資料，得： S = B0 + B1h +B2D +B3H 式中：B0、B1、B2、B3為回歸系數；h為水位變幅；D為水位作用天數；H為該水作用期間平均水位。,統計模型,七、地面沉降的監測與預測,86,統計模型優缺點,如果建立SQ或Sh的回歸方程，即可根據未來的開采計劃推算地面沉降量的值。 這種方法的優點是簡單明了，適用范圍廣。只要把主要的影響因素考慮進去，可以不考慮復雜的物理過程。但該方法有很大的弱點，從理論上講，不能對機理有更深刻的了解。,七、地面沉降的監測與預測,87,傳統的理論模型,這類

25、模型主要是根據土力學固結理論的基本原理，對在某一特定抽水條件下，各巖性層對應的有效應力增量，分別計算器壓縮變形量，然后累加，計算地面沉降量。,（1）砂礫質土的變形量計算 （2）粘性土層的變形量計算 （3）地表某一地點的累計計算量,七、地面沉降的監測與預測,88,（1）砂礫質土的變形量計算 對砂礫質土層可按彈性理論處理，其變形可在短時間內完成。 S =(B*)/E 式中：S為變形增量；B為該層的初始厚度；E為平均的變形模量；唯有效應力增量。 具體的計算公式為： S =(w*g*h)/Es*B 式中：S為變形增量（cm）；h為水頭變化值（m）；w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為砂礫質土的變形模量，抽水時，Es= 1/a0為壓縮系數，停抽或回灌時，地層回彈，Es= 1/as，as為回彈系數。,七、地面沉降的監測與預測,89,（2）粘性土層的變形量計算 粘性土的變形量可采用線性公式