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地质灾害与防治 天津城建大学地质与测绘学院 2013 6 什么是地质灾害滑坡崩塌泥石流地面塌陷地裂缝地面沉降 课程内容 地下水开采的负环境效应及防治 一 概述1891年墨西哥城最早记录地面沉降现象 但当时由于地面沉降量不大 危害也不明显 所以没有引起人们的重视 目前平均沉降量达到0 3cm a 最大累计沉降量超过7 5m 有的地区甚至超过15m 地面沉降对墨西哥城的基础设施 如建筑物基础 地下管线等造成严重破坏 日本于1898年在新泻最早发生地面沉降 至1958年地面沉降速率达530mm a 1952 1956年新泻是日本地面沉降最严重的地区 日本产生严重地面沉降的城市或地区还有东京 大阪和佐贺县平原 其它地区还有名古屋 川崎 山口 尼崎及西宫等 地下水开采的负环境效应及防治 一 概述上个世纪意大利的Ravenna 拉韦纳 地区发生了大面积的地面沉降 起初沉降不大 每年数毫米 第二次世界大战后 由于过度抽取地下水 以每年110mm的沉降量剧增 目前 意大利大部分地区的地面沉降得到控制 除了一些沿海地区 以每年10mm的沉降速率进行 虽然沉降量明显小于过去 但对基础设施及环境仍然产生显著的危害 地下水开采的负环境效应及防治 美国于1922年最早在加州萨克拉门托SanJoaquin流域发现沉降 由于抽取深层 305 764m 地下水供农田灌溉 1920 1969年地下水位下降达137米 累积地面沉降达2 6m 影响范围9100km2 几乎自公元452年建城起 威尼斯便一直以每百年超过一厘米的速度下沉 意大利所处的非洲板块目前正滑落到欧洲板块下面 引起亚得里亚海的海平面上升 此外 意大利重工业不断从威尼斯城下抽取地下水 而货船和油轮经过时留下的潮水痕迹更是加剧了这一趋势 据报道 到2100年 威尼斯将永久被水淹没 在1900年 威尼斯市中心最大的广场 圣马可广场每年只会被水淹上10次 但如今 圣马可广场每年至少要被洪水淹上100次 威尼斯商人 都拉着摊车要走了 地下水开采的负环境效应及防治 一 概述20世纪20年代初 中国最早在上海和天津市区发现地面沉降灾害 至20世纪60年代两地地面沉降灾害已十分严重 20世纪70年代 长江三角洲主要城市及平原区 天津市平原区 华北平原东部地区相继产生地面沉降 80年代以来 中小城市和农村地区地下水开采利用量大幅度增加 地面沉降范围也由此从城市向农村扩展 在城市上连片发展 同时 地面沉降地区伴生的地裂缝 加剧了地面沉降灾害 粗略统计 1949年以来 我国地面沉降造成的损失累计高达4500 5000亿元 其中 年均总损失为90 100亿元 年均直接损失8 10亿元 地下水开采的负环境效应及防治 一 概述 自1921年上海市区最早发现地面沉降以来 至今中国已有90多个城市和地区发生不同程度的地面沉降 到2003年沉降面积达93885km2 代表性地区有上海 天津 浙江的宁波 嘉兴 江苏的苏州 无锡 常州 河北的沧州 唐山 衡水 保定 任丘 南宫 山东的菏泽 济宁 德州 安徽的阜阳 山西的临汾 太原 大同 河南的安阳 开封 洛阳 许昌 郑州 台湾的台北 彰化 屏东等8个县市 陕西的西安 北京和松辽平原等 在这些地区中 最为突出的是以上海为代表的长江三角洲 以天津为代表的环渤海区和西安等地 地下水开采的负环境效应及防治 一 概述 90年代末 苏锡常 杭嘉湖平原及上海市累积沉降超过200mm的面积近10000平方公里 为总面积的1 3 并在区域上有连成一片的趋势 以上海市中心 苏锡常 嘉兴为代表的沉降中心区的最大累积沉降量分别达2 63 2 80 0 82m 1990年后苏锡常地区发生了地裂缝灾害 已发现20余处地裂缝灾害 规模较大地区地裂缝带长数千m 宽数十m不等 地裂缝带沉降差异还在继续发展 仍处于高发时期 地下水开采的负环境效应及防治 一 概述 截止到2000年 嘉兴沉降中心累计沉降量达827 6mm 1991 2000年平均沉降速率为23 0mm a 2000年沉降速率为14mm a 表明其沉降速率有减缓趋势 近年来 浙江省沿海地带的城市由于地下水超采严重 地面沉降发展较快 2002年宁波市沉降中心累计沉降量484 6mm 沉降面积超过175平方公里 沉降速率3 12mm a 沉降中心沉降速率在6 10mm a 温岭市西部平原已形成了多处沉降带 中心累计沉降量已大于1300mm 地面累计沉降量大于300mm的面积已达36 45平方公里 已成为浙江省地面沉降地质灾害最为严重的地区 地下水开采的负环境效应及防治 一 概述 西安地面沉降与地裂缝自20世纪60年代初发现至今已有近40a历史 截止1996年 西安地面沉降累计沉降量超过100mm的面积已达150平方公里 波及范围达200平方公里 最大沉降速率300mm a 并形成了7个沉降中心 累计沉降量均超过2000mm 最大累计沉降量达2600mm 地下水开采的负环境效应及防治 一 概述 山西太原市沉降范围SN长约40km EW宽约15km 形成多个沉降中心 目前 该沉降区正在向东部的高新技术开发区发展 1980年太原市盆地内沉降量大于100mm的面积为108平方公里 沉降中心吴家堡一带 累积沉降量达819mm 1990年吴家堡累积沉降量2600mm 地下水开采的负环境效应及防治 一 概述 山西大同市地面沉降出现于20世纪70年代末 沉降中心累计地面沉降量一般为40 50mm 最大累计沉降量124mm 平均沉降速度8 10mm a 大同地面沉降与地下水降落漏斗在时空分布上有较好的对应关系 地下水开采的负环境效应及防治 一 概述 华北平原是我国地面沉降灾害严重的地区 以天津 沧州和北京NE郊形成3个沉降中心 地下水开采的负环境效应及防治 一 概述 河北平原区地面沉降主要形成于20世纪80年代 随着地下水水位的下降和地下水水位降落漏斗的形成 河北平原逐渐形成了沧州 保定 衡水 任丘 南宫 霸州 大城 曲周 唐海等9个主要地面沉降区 截止到1998年 河北平原地面沉降大于200mm的面积达48550平方公里 沧州地面沉降累计已达2250mm 由于基底断块差异升降 出现了20多条地裂缝 最长达4km 山东省德州市地面沉降影响面积已达2037 5km2 累计沉降量150 387mm 沉降中心在300 387mm之间 地下水开采的负环境效应及防治 一 概述 天津地面沉降与上海同步 始于上世纪20年代 建国以来 地面沉降严重加剧 最大沉降量已经超过3 25m 为全国之最 天津的地面沉降问题非常复杂 特别是沉降中心向海岸线迁移 反映出有深层石油开采的迭加作用 沿海一带已出现负海拔标高地区近20平方公里 淤积突出 风暴潮灾害非常严重 一 概述 天津市地面沉降大致可分为以下几个阶段吴铁钧 1998 地面沉降初期阶段 1923 1957年 地下水开采量200 104 1200 104m3 a 沉降量7 1 12mm a 沉降中心初步形成阶段 1958 1966年 地下水开采量1200 104 4700 104m3 a 沉降量30 40mm a 形成若干沉降中心 地面沉降急剧发展阶段 1966 1985年 地下水开采量约8000 104 10000 104m3 a 地面沉降量80 100mm a 沉降中心进一步发展扩大 地面沉降治理阶段 1986年至今 大力压缩地下水开采量 减至2000 104m3 a 沉降量控制在15mm a左右 目前沉降中心最大累计沉降量2 176m 一 概述 塘沽城区自1959年至2006年47年间累计最大沉降量为3 25m 上海道与河北路交口 该点已低于海平面0 94m 区内负标高的面积约8km2 八十年代初期塘沽区年地面沉降量大于200mm 1986年实施控沉计划 封停机井196眼 用地表水逐步代替地下水 有效地遏止了地面沉降 2006年地面沉降量分布如图1 4所示 平均年地面沉降值为21mm 其中经济技术开发区年均沉降量为20mm 保税区年均沉降量为18mm 防潮堤年均沉降量为23mm 天津港地区年均沉降10mm 塘沽区主要沉降漏斗位于胡家园街 年均沉降量为19mm 最大沉降值为68mm 地下水开采的负环境效应及防治 一 概述 地下水开采的负环境效应及防治 一 概述 地下水开采的负环境效应及防治 地下水开采的负环境效应及防治 地面沉降的形成机理 地面沉降主要是由于过量抽取承压含水层中的地下水引起的 从承压水含水层中抽取地下水 引起承压水水位下降 产生两种压缩作用 一砂砾质含水层孔隙水压力降低而压密 二是相对隔水层的粘性土失水固结 这两种作用都会引起松散土层压缩 导致地面发生沉降 前者是弹性变形 速度快 沉降量小 水位恢复时可全部回弹 后者基本上是塑性变形 速度慢 沉降大 水位恢复回弹量很小 地面变形显著 地下水开采的负环境效应及防治 地面沉降的危害 地面沉降造成的破坏和影响是多方面的 地面沉降主要表现为地面标高损失 而地面标高损失会导致以下灾害发生 天津沿海一带已出现数处低于海面的凹地 伴生的风暴潮灾害加剧 在1985 1992 1997 2003年发生了4次风暴潮 天津防潮堤有十几处被冲垮 天津港码头上水 仓库被淹 油田被淹 沿海渔民虾池 鱼池被冲坏 农户进水等 地下水开采的负环境效应及防治 地面沉降的危害 长江三角洲地区由于地势低平 水灾一直是本地区的一大隐患 解放后随着大兴水利工程 水灾一度得到遏制 但地面沉降使地面标高不断降低 相对水位上升 导致已建的水利设施防洪防汛功能降低 城市 农村排涝能力下降 内陆洪灾 沿海潮灾无论是灾频率还是成灾规模及范围均趋于加剧 严重时城市交通瘫痪 生产停顿 农作物减产甚至绝收 人民财产受损 由于地势低洼 造成地表水流不畅 污染物聚集 地下水开采的负环境效应及防治 地面沉降的危害 建筑物地基下沉 房屋开裂破坏 地下管道受损 地下水开采的负环境效应及防治 地面沉降的危害 沧州市佟家花园一号井井台与地面脱节裂缝达9 12cm 北京市区各类地下管道较多 受地面不均匀沉降的影响 地下管道弯曲变形 甚至产生破裂 轻者地下管道产生 滴 漏 冒 并影响正常使用 重者地下管道断裂 输送液溢出污染地下水或无法输送 其后果严重 地下水开采的负环境效应及防治 地面沉降的危害 地面水准点失效 地面高程资料失效地面水准点对城市建设 管理及防洪防潮调度起着重要作用 由于地面沉降导致水准点失稳失效 使城市规划 工程建设项目失去依据 需要重新校核 水文站 验潮站的水位 潮位标高失真 影响防洪防潮决策 由此需从未发生地面沉降区的水准点引测 增大了水准测量的工作量 地下水开采的负环境效应及防治 地面沉降的危害 长江三角洲地区水网密布 桥梁众多 历史上因水路交通便利 带动了地区经济和商贸的繁荣 然而目前地面沉降却使河网水位抬升 桥梁净空减少 通航能力降低 尤其是汛期高潮位 船只已经难以通行 地下水开采的负环境效应及防治 地面沉降的危害 据测算 因地面沉降造成海河流域行洪能力下降约20 20世纪60年代以前 沧州市遇较大降雨 大部分降水会产生地表径流排出市外 80年代以后 遇同等雨量 区内大部分积水必须用人工扬水排出 地下水开采的负环境效应及防治 地面沉降的危害 加剧了农业渍害 土质趋于恶化地面沉降造成了局部农田低洼 常年积水 土壤的墒情改变 原有渍害治理难度加大 农作物产量下降 对农业的潜在威胁十分严重 浙江温岭市西部平原地形平坦 地势低洼 原地面高程仅2 5 3 3m 由于农田灌溉及防汛抗旱的需要 控制地表水位高程一直为1 93 2 13m 随着大规模深层地下水的开采 地下水位持续下降 导致了严重的地面沉降 地面高程已降低至1 55m 2 0m 造成了部分农田长期水淹 当地农民称为 水泡地 而无法耕种 地下水开采的负环境效应及防治 经济损失 1949年以来 我国地面沉降和地裂缝造成的经济损失累计高达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 经过初步评估 自20世纪50年代初到2001年 长三角地区由地面沉降灾害造成的经济损失达3496 8亿元 其中 上海市市区经济损失高达2900余亿元 苏锡常地区达840余亿元人民币 杭嘉湖 嘉兴市 达85亿元 地下水开采的负环境效应及防治 华北平原地区根据天津市地质环境监测总站1994年编写出版的 天津市地面沉降防治对策勘查报告 对天津市地面沉降经济损失初步评价 1985 1992年8a间 地面沉降地质灾害直接经济损失约为13 86亿元 粗略估计 建国以来 天津地面沉降直接经济损失100 140亿元 年均直接经济损失2 5 3亿元 经济损失 地下水开采的负环境效应及防治 汾渭地堑地区地裂缝灾害是汾渭地堑地区主要的损失原因 迄今为止 尚未按统一标准开展过该区经济损失评估 据不完全统计 该区地裂缝和地面沉降造成的直接损失达50亿元 据不完全统计 西安地区地裂缝和地面沉降灾害直接经济经济损失达40亿元 截止2002年不完全统计 因地裂缝与地面沉降超常活动毁坏楼房170余栋 厂房 车间57座 民房近2000间 74条道路遭到破坏 累计错断供水 供气管道50余次 立交桥2座 经济损失 地下水开采的负环境效应及防治 西安 地面沉降还危及多处文物古迹的安全 著名的唐代大雁塔向NE方向倾斜1004mm 钟楼下沉1000mm之多 经济损失 地下水开采的负环境效应及防治 天津市地下水水文地质条件概况 根据地下水赋存条件 水动力特征 水质特征及地下水开发利用条件等诸因素 本地区第四纪及新近纪明化镇组地下水划分为三个含水系统 其间分为若干含水组 浅层含水系统 第 含水岩组 Qh 中层含水系统 咸水体 Qp3 深层含水系统 第 含水岩组 Qp2 第 含水岩组 Qp1 2 第 含水岩组 Qp1 第 含水岩组 Nm 地下水开采的负环境效应及防治 天津市地下水水文地质条件概况 2001年 2005年年均各含水组地下水开采比例统计 地下水开采的负环境效应及防治 天津市地下水水文地质条件概况 1 浅层含水系统底界埋深小于25m 含水介质为第四系全新统 Qh 冲 海积形成的粉细砂 砂质粉土 含水层呈透镜状或条带状分布于古河道带或现代河道两侧 水位埋深1 3m 水位变幅一般0 7m 为潜水 微承压水 该系统地下水主要受大气降水 地表水 农田灌溉水回归 盐田水入渗补给 以蒸发为主要排泄方式 无统一地下水流场 地下水开采的负环境效应及防治 天津市地下水水文地质条件概况 2 中层含水系统为第四系上更新统 Qp3 以来 受多次海侵及后期改造形成 矿化度大于2g l的地下咸水组成的含水系统 底界埋深受地质构造及沉积作用变化较大 自北向南渐深 海河以北地区底界埋深小于80m 沿海河底界埋深呈变化梯度带 底界埋深80 120m 大港地区底界埋深大于200m 含水介质为粉细砂 砂层厚度变化较大 一般20 30m 局部大于40m 水位埋深15 20m 为承压水 该含水系统地下水开采由于对地面沉降及地表水水质影响较大 目前尚未进行规模性开发利用 地下水呈封闭状态 地下水水位动态稳定 地下水开采的负环境效应及防治 天津市地下水水文地质条件概况 3 深层含水系统该含水系统地下水为赋存于第四系中更新统 Qp2 至新近系明化镇组 Nm 松散沉积物中的承压孔隙水 受长期地下水开采影响 地下水流场表现人工开采状态下的地下水流场 第 含水岩组 Qp2 底板埋深180 200m 顶板与咸水底板一致 受咸水体影响 大港地区该含水岩组缺失 含水介质以粉细砂为主 北部见中砂含水层 含水层呈条带状分布 并具有自北向南 自西向东含水层颗粒由粗变细 单层厚度由厚变薄 层数由少到多的特点 砂层累计厚度20 40m 单位涌水量5 8t h m 导水系数自西北向东南渐小 一般200 350m2 d 水位埋深30 67m 形成以汉沽城区和葛沽为中心的局部地下水水位降落漏斗 塘沽城区在大幅度压缩地下水开采量后 地下水水位有较大回升 地下水水位漏斗已不明显 第 含水岩组 Qp1 2 底板埋深250 300m 含水介质以粉细砂 细砂为主 含水层分布不稳定 含水砂层累计厚度北部地区可达50 60m 而南部大港地区一般仅20 30m 单位涌水量一般3 9t h m 导水系数一般55 350m2 d 地下水水位埋深30 87m 地下水水位流场总体表现为北浅南深的趋势 并在汉沽城区 大港城区形成地下水水位降落漏斗 地下水开采的负环境效应及防治 3 深层含水系统 第 含水岩组 Qp1 底板埋深380 400m 含水介质以中细砂 粉细砂为主 砂层累计厚度变化较大 一般20 30m 局部可达60m以上 单井涌水量40 50t h 导水系数120 200m2 d 地下水水位埋深34 83m 呈现汉沽城区 海河下游和大港城区地下水水位降落漏斗 第 含水岩组 Nm 区内最大揭露深度800m 含水介质为中细砂 细砂 向下砂层胶结程度增高 砂层厚度20 50m 单井涌水量40 80t h 导水系数120 200m2 d 地下水水位埋深40 90m 表现出围绕汉沽城区 海河下游 大港城区及大港油田的地下水水位降落漏斗 地下水开采的负环境效应及防治 地面沉降的防治 一 减少地下水开采 地下水开采的负环境效应及防治 一 概述 岩溶发育地区 由于天然或人为因素使地面表层覆盖物出现下沉开裂以至突然向下塌落 形成各种规模形态的坑槽 这种想象称为岩溶地面塌陷 我国是世界上岩溶塌陷最发育国家之一 尤其是南方 岩溶问题非常突出 已扬中影响到各项经济建设和人民生活及生命安全 岩溶塌陷影响因素很多 其中开采地下水是引起的岩溶地面塌陷的主要原因 广西贺州市平桂管理区黄田镇长龙村北边山脚下一处干涸的水塘上出现近20个由地陷形成的 天坑 四川 天坑 地下水开采的负环境效应及防治 一 抽水坍塌形成的机制 岩溶地面塌陷的形成机制有许多种观点 比较有代表性的有潜蚀论 真空吸蚀论 气爆论和液化论等 从目前国内外研究来看 大多数学者认为抽水引起的岩溶地面塌陷主要是潜蚀作用形成的 地下水开采的负环境效应及防治 一 抽水坍塌形成的机制 1 潜蚀论在覆盖岩溶地区 在开采岩溶水时 必然引起水位下降 开采量愈大 水位下降幅度也愈大 同时形成了影响范围较大的区域性降落漏斗 在动水压力作用下 不断将土体颗粒迁移至深部岩溶洞隙中 在基岩面附近形成土洞 随着抽水时间的延续 土洞不断扩大 当地下水位降至岩基面附近时 松散层中的孔隙水逐渐被疏干 这时土体受到的浮托力减小 自重增加 据估算 地下水的浮托力可达到土体容重的42 25 地下水开采的负环境效应及防治 一 抽水坍塌形成的机制 1 潜蚀论当上覆土体自重超过土体抗剪强度时 导致土体突然陷落 潜蚀作用形成的岩溶地面塌陷具有突发性的特点 即在没有任何地表迹象的情况下 地面在极端的时间内就塌落下去 形成塌坑 虽然岩溶地面塌陷具有突发性 但却经历了较长时间的孕育发展阶段 岩溶塌陷的形成都经历以下几个阶段 1岩溶水水位下降 潜蚀作用产生阶段 2土洞形成阶段 3土洞扩大阶段 4塌陷产生阶段 地下水开采的负环境效应及防治 一 抽水坍塌形成的机制 2 真空吸蚀论这种观点岩认为溶地面塌陷主要是由于地下水动力条件的改变引起真空吸蚀作用的结果 发生与形成真空吸蚀作用的特定条件是 1岩溶网络条件 即岩溶地区普遍具有较发育的洞 隙和管道 统称为岩溶腔 2岩溶盖层条件 即岩溶网络直接表面或顶部均被隔水性能较好的残积粘性土覆盖 岩溶盖层 岩溶盖层的存在使下部岩溶网络处于相对密封状态 为岩溶腔内真空的形成创造了条件 也为塌陷准备了物质条件 3岩溶网络地下水动力条件 即岩溶网络结构体内赋存有丰富的地下水 承压水 地下水开采的负环境效应及防治 一 抽水坍塌形成的机制 当下降的水位低于盖成底面 腔内地下水由承压转为无压时 腔内水面与盖成之间便出现了增大的空腔 随抽水的继续形成岩溶真空 在此腔内靠重力下降的水体对盖层产生吸力 使盖层土体向下冒落 这就是真空吸蚀作用 2 真空吸蚀论抽排地下水可引起盖成下部岩溶腔内水位大幅度下降 从而改变了其中的水动力条件 地