地質(zhì)大學(xué)地面沉降詳解講義ppt（95頁(yè)）

1、第十講地面沉降提 綱一、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

2、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、概述地面沉降的危害一、概述蘇州防汛堤有三次明顯加高 據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(wàn)畝。洪澇災(zāi)害加劇一、概述洪澇災(zāi)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、概述洪澇災(zāi)害加劇河北平原地面沉降區(qū)寧波地面沉降區(qū)常年積水一、概述建筑物受損2003年2月28日因地面不均勻沉

3、降錯(cuò)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(cuò)斷西安翠華南路2米粗的供水管道一、概述太原市西安大雁塔無(wú)錫市建筑物受損一、概述建筑物受損太原市江陰長(zhǎng)涇西安長(zhǎng)安路一、概述建筑物受損一、概述珠海西區(qū)海華新村住宅區(qū)落成僅10年，地面沉降最大達(dá)1.5m建筑物受損一、概述不均勻地面沉降加速了地鐵隧道設(shè)施的磨損建筑物受損一、概述不均勻地面沉降加速了地鐵隧道設(shè)施的磨損建筑物受損一、概述海岸災(zāi)害加劇天津市因地面沉降受風(fēng)暴潮危害嚴(yán)重上海市因地面沉降致使防浪堤三次加高一、概述根據(jù)長(zhǎng)江三角洲、華北地區(qū)、汾渭地塹主要城市等的研究，粗略統(tǒng)計(jì)，建國(guó)以來(lái)，我國(guó)地面沉降和地裂縫造成的損失累計(jì)高達(dá)4500

4、5000億元，其中，直接經(jīng)濟(jì)損失累計(jì)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 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)狀圖 例沉降量大于2000mm沉降量5001000mm沉降量10002000mm沉降量小于500mm西安太原天津上海無(wú)錫唐海蘇州常州杭州湖州阜陽(yáng)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(yíng)濟(jì)寧菏澤許昌洛陽(yáng)開封淮北宿州臺(tái)北大同榆次臨汾運(yùn)城廣州珠海?？诶ッ鞴枮I大慶福州嘉興揚(yáng)州00200100300400500KM洪湖屏東云林臺(tái)

5、北云林屏東廣州珠海?？谖覈?guó)發(fā)現(xiàn)地面沉降的主要城市二、我國(guó)地面沉降現(xiàn)狀長(zhǎng)江三角洲地面沉降現(xiàn)狀圖二、我國(guó)地面沉降現(xiàn)狀上海市地面累積沉降量等值線圖（一九九六二一年）二、我國(guó)地面沉降現(xiàn)狀蘇錫常地區(qū)2002年地面沉降速率圖 蘇錫常地區(qū)至2002年地面累計(jì)沉降量等值線圖二、我國(guó)地面沉降現(xiàn)狀華北平原地面沉降等值線圖二、我國(guó)地面沉降現(xiàn)狀太原市累計(jì)地面沉降等值線圖(19562000年)大同市累計(jì)地面沉降等值線圖(19881993年)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= + =土 H = 水h=(+)+(-) = 垂直位移的變化圖1 江蘇張家港市、廣東

6、珠海市的地面沉降三、地面沉降的形成機(jī)理及規(guī)律圖3 垂直位移量的空間變化規(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ABABOO垂直位移量三、地面沉降的形成機(jī)理及規(guī)律圖4 上海閔行區(qū)華漕地面沉降與地下水位變化發(fā)展趨勢(shì)垂直位移量隨著地下水位的降低而逐漸增大 三、地面沉降的形成機(jī)理及規(guī)律圖5 蘇錫常地區(qū)地面沉降面積不斷擴(kuò)大1985年1991年2000年三、地面沉降的形成機(jī)理及規(guī)律 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(fā)地裂縫。圖7 河北滄州因開采地下水而產(chǎn)生的地裂縫三、地面沉降的形成機(jī)理及規(guī)律圖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

7、降中心及最外圍較小三、地面沉降的形成機(jī)理及規(guī)律圖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Q2Q1Q1Q2三、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e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

8、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)

9、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

10、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)） 時(shí)間累進(jìn)性長(zhǎng)江三角洲典型城市地面沉降發(fā)展歷時(shí)曲線過程漸變性錫西地區(qū)石塘灣鎮(zhèn)歷年地面沉降圖成因復(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

11、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

12、）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)實(shí)例介紹長(zhǎng)江三角洲（長(zhǎng)江以南）地下水資源與地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)（1：25萬(wàn)）南京地質(zhì)礦產(chǎn)研究所江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院上海市地質(zhì)調(diào)查研究院浙江

13、省地質(zhì)調(diào)查研究院江蘇省浙江省總面積30340km2 ，海拔高度35m, 環(huán)太湖地帶12m，沿江68m 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(qū)第四系相對(duì)較薄，厚度變化大，第四系厚度100200米，地下潛山分布區(qū)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(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

14、；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)路線基巖構(gòu)造模型基巖起伏面 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。以5

15、年為間隔進(jìn)行上海市水準(zhǔn)復(fù)測(cè)，全面掌握了地面沉降的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。上海市一九九六二一年累積地面沉降圖蘇錫常地區(qū)2002年地面沉降速率圖 蘇錫常地區(qū)至2002年地面累計(jì)沉降量等值線圖長(zhǎng)江三角洲地區(qū)地面沉降發(fā)生發(fā)展及現(xiàn)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。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

16、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)。（隧道口）（塘橋）（高化）（外灘）（勞動(dòng)公園）（雙陽(yáng)中學(xué)）（吳淞）（寶鋼）（汽二）（面粉廠）（姜家橋）（桃浦）J5（北新涇）（小閘）（吳涇）J14（華漕）L4L3L20L1L5L10L6L12L16L2（1

17、）L19L17L15L24L25L22L21L27L28L23L30L29L7L115.317.030.98.110.04.210.94.78.410.34.97.695.2814.26.915.36.016.411.53.215.9（源深、楊高路）（高行）（外高橋）L26L2（2）（復(fù)興島）L18L13L14（劉行）（上鋼五廠）L8L93.142.38.812.32.49.55.28.410.27.5 黃 浦 江浦東浦西上海市區(qū)一等水準(zhǔn)網(wǎng)示意圖 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

18、動(dòng)采集及處理六、地面沉降的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)7、地面沉降的監(jiān)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.

19、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SQ或Sh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

20、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。 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(yīng)力增量。具體的計(jì)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(zhì)土的變形模量，抽水時(shí)，Es= 1/a

21、0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： S=a0/(1+0)P*B式中：S為粘性土的變形量；a0為某一壓應(yīng)力區(qū)間(1-2)的壓縮系數(shù)；0為粘性土起始孔隙比；B為粘性土層起始厚度；P為水頭下降值。若按靜水壓力來(lái)考慮，上式可寫成： S =mr/(1+0)*h*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 S總(t)=Si(t)=avi/(1+i0)*Bi0*wiw*g*hi式中：S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)；i0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；wiw第i層水的密度；hi(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)濟(jì)寧市地面沉降模型由研究范圍內(nèi)的地下水準(zhǔn)三維數(shù)學(xué)模型和一維垂向固結(jié)模型耦合組成。 六、地面沉降的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)六、地面沉降的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)六、地面沉降的監(jiān)