环境地质学分论--地面沉降

环境地质学 主讲教师 李小倩 lixiaoqian2007 分论 若干地质环境问题的论述 EnvironmentalGeology 地面沉降 2 地面沉降 3 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 地面沉降的时空特征五 地面沉降主要特点六 地面沉降的调查与评价七 地面沉降监测与预测八 地面沉降防治 4 一 概述 地面沉降 定义 是指发生在较大面积的地表高程降低 地面舒缓变形的现象和持续过程 区别于地面塌陷 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 截至2011年12月我国已有50余个城市出现了地面沉降 长三角地区 华北平原和汾渭盆地已成重灾区 2012年2月 中国首部地面沉降防治规划获得国务院批复 5 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 6 地面沉降的危害 一 概述 7 1 洪涝灾害加剧 一 概述 地面沉降长期发展 使沉降中心的地面高度明显降低 形成碟型洼地 改变了原始地表水径流条件 影响排涝和排水管网运行能力 若遇较大洪水 积水难排 行洪能力下降 洪涝灾害加剧 8 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 9 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 10 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 11 地面沉降尤其是不均匀沉降及其引发的地裂缝 会造成铁路的路基沉降 桥梁裂缝 沥青路面开裂 地下管道错断 供水井井管上升 泵房报废等 特别是对标高要求严格的堤坝 水闸 桥梁 铁路 高架道路等基础设施标高一旦降低 将使得安全运营和维护成本增高 造成的房屋开裂倒塌 甚至直接威胁到人的生命安全 一 概述 2 建筑物基础下沉 工程设施毁坏 12 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 13 太原市 西安大雁塔 无锡市 建筑物受损 一 概述 14 建筑物受损 太原市 江阴长泾 西安长安路 一 概述 15 建筑物受损 一 概述 16 珠海西区海华新村住宅区落成仅10年 地面沉降最大达1 5m 建筑物受损 一 概述 17 不均匀地面沉降加速了地铁隧道设施的磨损 建筑物受损 一 概述 18 一 概述 3 导致地下水环境恶化 地面沉降所造成的地面标高下降和积水洼地的形成 严重影响着城市污水的排放 所造成的排污管道破坏也使污水溢出 这都会污染地下水 在沿海地区 地面沉降还会造成海水入侵或海水倒灌 使地下水矿化度增高 并引起土壤盐渍化 部分内陆地区在地面沉降过程中 劣质地下水和许多有毒 有害元素污染的地下水会随着含水层的压密释水向淡水扩散 造成地下水水质变差 19 一 概述 4 滨海地区风暴潮及海岸侵蚀加重 在沿海地区 地面沉降会造成海平面相对上升 风暴潮灾害加重 地面沉降使天津市部分地区已处于海平面以下 伴生的风暴潮灾害加剧 20 海岸灾害加剧 天津市因地面沉降受风暴潮危害严重 上海市因地面沉降致使防浪堤三次加高 一 概述 21 根据长江三角洲 华北地区 汾渭地堑主要城市等的研究 粗略统计 建国以来 我国地面沉降和地裂缝造成的损失累计高达4500 5000亿元 其中 直接经济损失累计为350 400亿元 年均总损失为90 100亿元 年均直接损失8 10亿元 一 概述 22 23 到2003年地面沉降面积已达到93 855km2 形成长三角 华北平原 和汾渭盆地等地面沉降灾害严重区 二 我国地面沉降现状 24 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 洪湖 屏东 云林 台北 云林 屏东 广州 珠海 海口 我国发现地面沉降的主要城市 二 我国地面沉降现状 25 长江三角洲地面沉降现状图 二 我国地面沉降现状 26 上海市地面累积沉降量等值线图 一九九六 二 一年 二 我国地面沉降现状 27 28 苏锡常地区2002年地面沉降速率图 苏锡常地区至2002年地面累计沉降量等值线图 二 我国地面沉降现状 29 华北平原地面沉降等值线图 二 我国地面沉降现状 30 太原市累计地面沉降等值线图 1956 2000年 大同市累计地面沉降等值线图 1988 1993年 二 我国地面沉降现状 31 三 地面沉降的形成机理及规律 1 饱水多孔介质的失水压密原理 土 H 水 h 太沙基有效应力原理 32 1 抽水条件下饱水多孔介质含水层的失水压密 由太沙基公式可以看出 抽水时 含水层水位下降 会使颗粒间的孔隙水压力变小 由于上覆地层自重不变 为保持平衡 有效应力必然会增大 如果有效应力的增量 附加应力 大于颗粒间的摩擦阻力时 颗粒就会位移 错动 形成更紧密的排列 含水层压密 体积变小 地面下沉 直至形成新的压力平衡 式中 为有效应力的增量 为孔隙水压力的增量 因抽水是减压过程 所以用负值表示 为孔隙水压力增量的绝对值 33 2 注水条件下饱水多孔介质含水层厚度变化 如果注水或水位恢复上升时 孔隙水压力 会增大且为正值 由于上覆地层自重不变 水的浮托力会使有效应力减小 颗粒会变得松散 在宏观上含水层厚度变大 34 3 地面加载条件下饱水多孔介质含水层的失水压密 地面加载会使总压力 增大 孔隙水压力和有效应力也随之增大 如果 大于粒间阻力 而且大于 时 会引起骨架压密 表现为含水层总体积变小 水将从孔隙中挤出 进入水井中 这种平衡状态可用下式表示 35 2 不同类型岩土失水压密特点 1 砂粒质含水层失水压密特点 砂砾质含水层一旦被抽汲 释水快 压力传递快 压密作用显现得快 地面可在较短时间内出现沉降 即滞后时间短 延迟效应不明显 由于砂砾质含水层本身的孔隙度较小 可供压密的空间小 所以 地面总沉降量较小 砂砾质含水层颗粒间为硬连接 失水和充水能够以可逆方式进行 形成的地面沉降具有弹性变形的特点 抽水时 地面下沉 水位恢复时 又可回弹 36 2 粘性土的失水压密特点 粘性土孔隙虽小 但孔隙度大 远远超过砂砾质土 粘性土一旦失水压密 可压缩空间大 能够产生较大的地面下沉量 由于粘性土中的水主要是结合水 水压传递和应力消散慢 失压后需要相当长的时间才可建立新的压力平衡 所以抽水对它的影响来得慢 即滞后时间长 延迟效应也十分明显 这就是为什么在许多粗细颗粒相迭置的地下水分布区抽水时地面沉降不明显 水位恢复后 地面沉降仍会持续发展的原因 粘性土失水压密过程失去的水主要是结合水 骨架的压密是塑性变形 两者都是不可逆过程 所以 所造成的地面沉降大部分是永久性的 37 1 垂直位移的变化 图1江苏张家港市 广东珠海市的地面沉降 四 地面沉降的时空特征 38 图3垂直位移量的空间变化 规律性 由沉降中心向周边方向逐渐减小 四 地面沉降的时空特征 地面沉降以地层的垂直位移变形为主 并随各地点有效应力增量大小的不同而不同 39 B A B O 垂直位移量 四 地面沉降的时空特征 由于垂直应变不均匀 在沉降区中心 两侧土体会向中心挤压 产生剪切破裂面 地面出现地裂缝 40 图4上海闵行区华漕地面沉降与地下水位变化发展趋势 垂直位移量随着地下水位的降低而逐渐增大 四 地面沉降的时空特征 41 图5苏锡常地区地面沉降面积不断扩大 四 地面沉降的时空特征 42 2 水平位移的变化 图6在亚利桑那州皮卡乔附近 因抽地下水的沉降引发地裂缝 图7河北沧州因开采地下水而产生的地裂缝 四 地面沉降的时空特征 43 图8水平位移量的空间变化 规律性 最大位移在沉降中心的两侧 沉降中心及最外围较小 四 地面沉降的时空特征 地面沉降垂直变形的过程中 土体也会形成侧向拉力 产生水平位移 与垂直位移相比 水平位移形成的变形量要小得多 44 图9地面破坏的表现形式 四 地面沉降的时空特征 45 3 抽水对地面沉降的影响 1 抽水量的影响 规律性 抽水量越大 沉降量 沉降速率和沉降范围越大 四 地面沉降的时空特征 46 2 抽水方式的影响 四 地面沉降的时空特征 4 地面沉降的形成机理及规律 48 3 开采布局的影响 图12不同的开采布局对地面沉降的影响 四 地面沉降的时空特征 49 4 地层对地面沉降的影响 1 地层岩性的影响 图13不同的地层岩性对地面沉降的影响 规律性 砂砾层的压缩量小于等有效应力作用下粘性土的压缩量 四 地面沉降的时空特征 50 2 地层厚度的影响 图14不同的地层岩性对地面沉降的影响 规律性 粘性土的累积厚度越大 压缩总量越大 四 地面沉降的时空特征 51 3 地层组合的影响 图15不同的地层组合对地面沉降的影响 规律性 在同等开采条件下 粘性土层数越多 沉降速率越大 四 地面沉降的时空特征 52 图16在某些情况下地下水开采漏斗区与地面沉降中心并不一致 四 地面沉降的时空特征 53 五 地面沉降的主要特点 区域易发性时间累进性过程渐变性成因复杂性难以逆转性 区域易发性 国内 17个省 区市 95个城市 多见 面广 国外 200多个城市或地区 三角洲平原 上海 苏锡常 南通 嘉兴 桐乡 海宁 广州 珠海 中山 台山 东莞等城市 冲积 海积平原 唐山 沧州 衡水 任丘 河间 南宫 保定等12个沉降中心 天津 盐城 大丰 宁波 温州 台州 海口 北海等城市 冲积 洪积平原 北京 许昌 濮阳 开封 商丘 洛阳 安阳 济宁 阜阳等城市 河谷平原和山间盆地 西安 太原 大同 榆次 临汾 昆明福州等城市 世界上最早发现地面沉降 1898年在日本新泻 有50多个地区的地面沉降量达到了10m 墨西哥 日本 美国等 中国最早发现地面沉降 1921年上海 总沉降面积达5万多km2 最大沉降量3 14m 天津塘沽区 时间累进性 长江三角洲典型城市地面沉降发展历时曲线 过程渐变性 锡西地区石塘湾镇历年地面沉降图 成因复杂性 影响因素多构造沉降 新构造沉降 断裂活动软土层次固结变形沉降排水固结变形沉降工程加荷引起承载土体固结变形沉降复合性强二种 三种或四种因素叠加 综合作用 后果不可逆性 粘性土释水压密时 结构发生不可逆转的变化 即使孔隙水压力恢复 粘性土仍保持压密状态 发生塑性变形 当地下水水位持续下降 含水层附加应力增加至其前期固结压力时 含水层通过颗粒间的明显滑动与滚动来调整含水层颗粒骨架而逐渐形成新的应力平衡 当含水层附加应力超过其的前期固结压力时 也将呈现塑性变形特征 地面沉降造成的社会经济损失是不可挽回的 59 六 地面沉降的调查与评价 地质环境条件 人类工程经济活动的方式 强度 地面沉降现状与发生发展历史 分析预测沉降发展趋势及可能的成灾范围 了解地面沉降勘查 监测和防治现状 人工回灌 控制地下水开采量等措施 及效果 提出预防与控制地面沉降的建议 60 平原区地质环境条件 地质构造 新构造沉降 活动断裂 地形地貌 滨海平原 三角洲平原 冲积 海积平原 冲积 湖积平原 冲积 洪积平原前缘 山间盆地的地表形态及高程变化 水系分布及流向 湖沼水域面积及其变化 松散沉积层厚度 岩性 垂向组合 各土体 重点是软弱压缩层 的分布及其工程地质特征 含水层的分布 厚度 补给条件 六 地面沉降的调查与评价 61 人类工程经济活动的方式 强度 地下水 油气资源的开采利用现状 地下水水位降低及影响范围 城市建设 路 桥 高层建筑 地下工程等 对地质环境的影响程度 施工中和竣工后出现的地质环境问题 六 地面沉降的调查与评价 62 地面沉降现状与发生发展历史 地面沉降区沉降发生时间 分布范围 形状 面积及累计沉降量 历年变化与沉降速率的调查与分析 地面沉降影响因素分析 地面沉降造成的直接与间接经济损失评估 六 地面沉降的调查与评价 63 实例介绍 长江三角洲 长江以南 地下水资源与地质灾害调查评价 1 25万 南京地质矿产研究所江苏省地质调查研究院上海市地质调查研究院浙江省地质调查研究院 江苏省 浙江省 总面积30340km2 海拔高度3 5m 环太湖地带1 2m 沿江6 8m 65 长江三角洲平原第四纪地质特征厚度大 变化迅速第四系厚度160 210米 自西向东 自南向北厚度增大 上海浦东第四系厚度250米左右 苏锡常地区第四系相对较薄 厚度变化大 第四系厚度100 200米 地下潜山分布区仅60 80米 成因类型多 沉积相变快海相 海陆过渡相 冲积相 冲洪积相 湖相和湖沼相历经破坏 难以对比经历了长江大沉积 大破坏的形成过程 保留下来的第四系已非连续沉积 加大了建立第四纪地层层序 进行区域第四系划分对比的难度 地质环境条件调查 66 充分收集 分析区内钻孔资料 物探资料 有针对性地部署了6个第四系综合测试孔 系统采集了古地磁测试 孢粉 微体古生物分析 14C测年 ESR测年 热释光测年 粒度分析 重矿物 碳酸盐等样品 建立了依据较充分的第四系基准孔 由多个基准孔带动区内各类钻孔第四纪地层的划分和对比 在对第四系沉积结构新认识的基础上 进一步完善了区内含水层组的划分和对比 确定地下水资源评价的边界条件 技术路线 67 基岩构造模型 基岩起伏面 69 地面沉降现状与发生发展历史调查 分析 地面沉降迹象及损失调查访问 井管拔高 海水倒灌 河 渠 水倒流 港口 码头或堤岸失效加高 桥梁净空减少 城市排水不畅 河流泄洪能力降低 建筑物破坏 农田受淹 一次降水过程地面积水范围等 以5年为间隔进行上海市水准复测 全面掌握了地面沉降的现状与发展趋势 上海市一九九六 二 一年累积地面沉降图 苏锡常地区2002年地面沉降速率图 苏锡常地区至2002年地面累计沉降量等值线图 72 长江三角洲地区地面沉降发生发展及现状 累积沉降量200 600mm的沉降面积约4650km2 0 6 1 0m的沉降面积约1350km2 1 0 1 4m的沉降面积约300km2 1 4 1 8m的沉降面积约30km2 大于1 8m的沉降面积约6 5km2 73 地下水超量开采是长江三角洲区域地面沉降的主要影响因素 上海市区90年代占70 地面沉降随地下水的开采而持续发展年内沉降量随地下水位的升降而变化地面沉降速率受地下水位控制 地面沉降影响因素分析 大规模城市建设 建筑物荷载是长江三角洲城市局部地区地面沉降的重要影响因素 上海市区90年代占30 代表性高层建筑与所在地区对比典型区对比 74 地质环境是区域地面沉降重要的内在因素 地面沉降影响因素分析 松散沉积层厚度岩性松散沉积层垂向组合含水层补排条件 75 六 地面沉降的监测与预测 区域地面沉降监测技术 水准测量 GPS测量 InSAR技术地面沉降分层动态监测 基岩标 分层标自动化监测技术 监测控制中心 通信网络 现场测量系统 地面沉降的监测 76 上海市区一等水准网示意图 基岩标剖面图 80 地面沉降自动监测系统建设 1 自动化监测系统组成 七 地面沉降的监测与预测 81 2 数据自动采集及处理 七 地面沉降的监测与预测 7 地面沉降的监测 84 统计模型传统的理论模型数值方法 七 地面沉降的监测与预测 地面沉降的预测 85 这种方法适用于已长期地面沉降及地下水位详细观测资料的地区 由于大量开采地下水 油 气 引起地下水位 油 气压 持续下降 进而引起介质失水压密是地面沉降的根本原因 所以可利用地下水开采量或地下水水位与地面沉降量的资料 建立两者之间的回归方程 例如 根据天津市资料 可得S 28 13 0 0067Q式中 S为地面累计沉降量 Q为累计开采量 又如 根据上海市资料 得 S B0 B1h B2D B3H式中 B0 B1 B2 B3为回归系数 h为水位变幅 D为水位作用天数 H为该水作用期间平均水位 统计模型 七 地面沉降的监测与预测 86 统计模型优缺点 如果建立S Q或S h的回归方程 即可根据未来的开采计划推算地面沉降量的值 这种方法的优点是简单明了 适用范围广 只要把主要的影响因素考虑进去 可以不考虑复杂的物理过程 但该方法有很大的弱点 从理论上讲 不能对机理有更深刻的了解 七 地面沉降的监测与预测 87 传统的理论模型 这类模型主要是根据土力学固结理论的基本原理 对在某一特定抽水条件下 各岩性层对应的有效应力增量 分别计算器压缩变形量 然后累加 计算地面沉降量 1 砂砾质土的变形量计算 2 粘性土层的变形量计算 3 地表某一地点的累计计算量 七 地面沉降的监测与预测 88 1 砂砾质土的变形量计算对砂砾质土层可按弹性理论处理 其变形可在短时间内完成 S B E式中 S为变形增量 B为该层的初始厚度 E为平均的变形模量 唯有效应力增量 具体的计算公式为 S w g h Es B式中 S为变形增量 cm h为水头变化值 m w为水的密度 t m3 g为重力加速度 9 81m s2 B为砂砾层的初始厚度 m Es为砂砾质土的变形模量 抽水时 Es 1 a0为压缩系数 停抽或回灌时 地层回弹 Es 1 as as为回弹系数 七 地面沉降的监测与预测 89 2 粘性土层的变形量计算粘性土的变形