7-2-第七讲地面变形地质灾害-地面塌陷地面沉降

第七讲地面变形地质灾害,陈丽霞中国地质大学（武汉）地空学院地球信息科学与技术系,主要内容,概述地面变形地质灾害的类型中国地面变形地质灾害的分布规律地面塌陷地面沉降地裂缝,一、概述,地面变形地质灾害的定义广义：指因内、外动力地质作用和人类活动而使地面形态发生变形破坏，造成经济损失和（或）人员伤亡的现象和过程。如，构造运动引起的山地台升和盆地下沉；抽取地下水、开采地下矿产等人类活动造成的地裂缝、地面沉降和塌陷等。狭义：指地面沉降、地裂缝和地面塌陷等以地面垂直变形破坏或地面标高改变为主的地质灾害。,太原市,西安大雁塔,无锡市,地面沉降,地面塌陷,地裂缝,随着人类活动的加强，人为因素已经成为地面变形地质灾害的重要原因。因此，在发展经济、进行大规模建设和矿产开采的过程中，必须对地面变形地质灾害及其可能造成的危害有充分的认识，加强地面变形地质灾害的成因、预测和防治措施的研究，有效减轻地面变形地质灾害造成的经济损失。,基于SPOT-5图像解译的唐山市煤矿采矿沉陷区分布图（李成尊等，2006）,二、地面变形地质灾害的类型,按地面变形的形式分类地面沉降地面塌陷地裂缝渗透变形特殊岩土胀缩变形2.按地面变形的成因分类内动力地面变形：地震裂缝、地震塌陷、构造地裂缝、火山地面变形等水动力地面变形：由地表水和地下水运动引起的地面变形，如由江河湖海波浪和水流冲蚀而形成的库岸再造、岩溶水动态变化造成的岩溶塌陷、过量开采地下水引起的地面沉降、坡面流引起的地面冲刷等重力地面变形：崩塌、滑坡、黄土湿陷等人类活动诱发地面变形：修路开挖边坡、采矿地面塌陷、城市建设平整土地、农业活动中的梯田改造等,三、中国地质灾害的分布规律,东部地区（地势低平、人口密集、经济发达）长白山、燕山山地、松辽平原地面塌陷灾害区；华北平原、长江中下游平原地面沉降、地面塌陷灾害区；东南沿海丘陵特殊岩土变形和地面塌陷灾害区；台湾地震、地面沉降为主塌陷灾害区。中部地区（黄土高原、中低山）黄土高原湿陷、地裂缝、地面沉降塌陷灾害区；秦岭、川鄂、横断山地区地面塌陷灾害区；长江上游平原、云贵高原岩溶塌陷区。西部地区（高山、高原、人烟稀少）内蒙高原、准葛尔盆地、塔里木盆地土地砂化和盐渍化地面变形灾害区；天山、昆仑山地震地面变形灾害区；大兴安岭北段山地冻融塌陷灾害区；青藏高原山地岩土冻融、地震塌陷灾害区。,地面塌陷,概述地面塌陷的危害我国地面塌陷的分布特点地面塌陷的形成条件及发生机理岩溶塌陷的稳定性评价地面塌陷的防治,主要内容,一、概述,定义:地面塌陷是指天然洞穴或人工洞室、巷道上覆岩土体失稳突然陷落，导致地面快速下沉、开裂的现象和过程。地面塌陷造成的地面变形量大，变形速度快，且具有突然性，事前往往很难准确判断发生的时间，加之，其发生过程可导致地面建筑物开裂、倒塌，甚至整体陷落，公路、桥梁扭曲错断，农田肢解以及大量的人员伤亡，所以，地面塌陷是人类面临的一种地质灾害。,地面塌陷,地下存在空洞是地面塌陷发生的先决条件，地下空洞可分为天然洞穴和人工洞室两类。天然洞穴：由自然地质作用形成的，包括岩溶洞穴、土洞（黄土洞穴、红土洞穴、冻胀丘融化形成的土洞）和熔岩洞穴。人工洞室：人工采掘活动所形成的，包括人防工程、地铁、隧道、涵洞和采矿形成的地下巷道系统。目前面临的地面塌陷主要包括岩溶塌陷和采空区塌陷。矿山采空区地面塌陷是人为诱发地面塌陷的最主要类型。,二、地面塌陷的危害,1、破坏地面建筑、造成人员伤亡,2009年8月8日，安徽省合肥市长江中路与徽州大道交叉口发生路面塌陷，一辆蓝色出租车掉入塌陷区中,2009年7月4日凌晨2时30分许，鄂州市汀祖镇刘云村陈盛湾村内，一幢占地面积百余平方米的平顶楼房部分向地下塌陷6米，户主30岁的儿子被埋遇难。,安徽淮南采空区塌陷,黑龙江鹤岗煤矿，开采70多年来，已塌陷土地41.97km2，搬迁房屋总建筑面积39.7104m2，,目前山西省各类矿山采空区已达2万多平方公里，以全省15.6万平方公里的土地面积计算，山西有近七分之一的地面已经成为“悬空区”，使大面积土地塌陷。,2000年4月6日下午4时8时，洪山区青菱乡烽火村地面塌陷。陷坑18个，最大陷坑长63米、深67米；最小陷坑12长，深小于2米。陷坑带呈近东西向分布，散分在东西300米、南北250米的范围内。有2栋民房完全倒塌，有16栋民房出现不同程度的开裂、破损。,2008年8月11日，贵州沿河自治县谯家镇韩家村桃子坪发生一起地面塌陷，造成一人失踪，3间民房及2亩耕地损毁，危及附近农户9户38人，房屋24间。,贵州沿河一村庄发生地陷，村民跌入深坑失踪,西安70米长路面塌陷，9辆货运汽车掉进深约3米、长约70米的坑中附近群众以为地震,2、损毁铁路、公路和水利设施,2008年11月15日杭州地铁一号线地面塌陷事故，造成75米的路面陷落了15米，正在行驶的十一辆汽车包括一辆公交车陷入坑内，17人死亡，4人失踪。,我国东部岩溶区，铁路4010公里，岩溶塌陷376处，近十年间中断车1860小时，颠覆列车3次。,3、引发矿井水患,2009年7月22日黑龙江省鸡西市鑫永丰煤矿发生采空区地面塌陷，形成面积约3000m2、深10余米的塌坑，由于正值降雨，水与流沙大量涌入坑内，使矿井淹没，23名当班矿工被困井下。,4、破坏农田,三、我国地面塌陷分布的特点,（一）岩溶地面塌陷分布据1993年的不完全统计，南方岩溶地面塌陷点已发现34072个，占全国总数的96.5%。其中湖南省有14152个，居全国之首，其次为广东省和广西壮族自治区，分别为8751个、8735个，再其次为贵州、云南、四川。,1、北方岩溶地面塌陷区长江以北，由于华北地台大多为大型宽缓的褶皱和断块构造，气候较干旱，降水量少，岩溶发育程度不高，除古代的岩溶洞穴系统有部分残留外，现代岩溶主要以溶蚀裂隙为主。岩溶地面塌陷大多集中在山区与平原的过渡地带，如辽宁省的南部、山东的泰安、枣庄、莱芜、河北的唐山、秦皇岛柳江盆地、江苏的徐州、安徽的淮南、淮北等地。分布有古代岩溶塌陷的痕迹陷落柱。华北地台曾经历过多次构造运动，地下水的区域排泄基准面也多次变迁，致使碳酸盐岩地层形成大量的洞穴。洞穴坍塌使上覆石炭-二叠纪煤系地层随之下陷，从而形成大小分散的陷落体，即陷落柱。古代岩溶塌陷主要分布在晋、冀、鲁、豫、陕等省，太原西山、汾河沿岸、河北太行山一带的煤田中较为常见。现代已发地面塌陷点1252个，占全国岩溶塌陷总数的3.5%，北方岩溶对地面塌陷的影响并不突出。,2、南方岩溶塌陷区位于长江以南的广大地区，是我国碳酸盐岩分布最集中、面积最大的区域，总面积约176.08104km2。气候温热湿润，植被茂密，地质构造多为紧密的褶皱和密集的断块，现代岩溶十分发育。裸露岩溶区和半裸露岩溶区的面积占碳酸盐岩总面积的41.3%，主要分布于云南、贵州、四川、广西、湖南、江西、湖北等省。湖南省岩溶塌陷居全国之首，其次为广东省和广西壮族自治区，再其次为贵州、云南、四川。矿山排水、开采地下水、水库蓄水等人为干扰岩溶水流场的活动，是诱发岩溶地面塌陷的主导力量。,（二）矿山采空区地面塌陷的分布矿山采空区地面塌陷是我国地面塌陷中另一种重要形式。其中煤矿开采造成的地面塌陷比例最大。目前我国采矿业造成的地面塌陷主要分布在全国20个省区市，塌陷点总数达17138个，占全国各种类型地面塌陷总点数44.4%，其中湖南省为12549个，再其次为内蒙古自治区2800个，再其次分别为山西、黑龙江、安徽、河南等省。,四、地面塌陷的形成条件及发生机理,（一）地面塌陷的形成条件1、岩土体的内部条件（1）地下存在空洞（先决条件）具备一定规模的地下无岩土的空间，即空洞。地下空洞的存在有着两方面的意义：其一，它是洞体顶板、侧壁局部冒落物以及塌陷发生时坠落物的储容空间，在地下岩溶发育区，地下洞穴以及溶蚀裂隙还起着将洞穴暂时堆积物输移到远处或深处溶洞的通道作用。其二，地下空洞为具有多个临空面的空腔，空洞的顶、底板和侧壁在周围岩压的作用下极易发生应力集中，而处于稳定性很差的状态，一旦受到外力干扰，容易失稳而发生覆岩的冒落，甚至发生波及地表的塌陷。,地下空洞的形成，可以是自然力，也可以是人工挖掘的结果。1）岩溶系统：在可溶盐岩分布区的岩溶洞穴包括各种形态的溶洞、溶隙、管道等。一般而言，当可溶岩岩性较纯，岩层厚度较大，出露分布广，断层较发育、岩层较破碎时，岩溶较易发育。岩溶洞隙的发育一般受岩溶地下水排泄基准面的控制，多发育于浅部，向深部逐渐减弱。浅部岩溶洞隙由于地下水活动频繁，交替强烈，一般连通性较好，成为塌陷物质的储集空间和运移通道。塌陷坑与开口洞隙存在着密切的垂向对应关系。洞穴愈大，塌陷规模也愈大；洞隙开口愈大，塌陷速度愈快。,2)地下井巷系统是最易引发地面塌陷的一种人工洞室。人为针对某种专门目的而挖掘，可出现在不同的岩性地层中，而不限于可溶盐岩地层，洞室规模可大可小、可深可浅。随施工进度或采矿计划不断扩大，即在施工完成或闭矿之前，洞室的面积和体积随时间而变，采掘区地应力的变化和调整一致在持续进行，而处于宏观的不稳定状态。人工洞室，尤其是长时间不间断采掘的矿山发生地面塌陷的几率最大。,（2）洞穴围岩状况地下洞穴的受力状况如同梁的受力，洞的顶板相当于承载上覆岩土体自重的梁，洞的两侧如同位于梁端的两个支点。是否发生塌陷取决于顶板能够形成稳定的支撑拱。,一般而论，当洞穴埋藏深度与洞穴高度之比小于25：1时，洞顶上部就会形成三个变形特点不同的带，即冒落带、裂隙带和弯曲带。,2、岩土体的外部条件（1）自然影响因素（a）大气降水降雨入渗水可以使洞顶覆岩的含水层增大，自重加大；下渗水流会湿润裂隙面，降低岩石块体间的抗滑阻力，从而引起洞顶和洞壁的进一步变形而失稳。降雨强度大、历时较长时，入渗的水流进入围岩中的宽大裂隙，形成较大的动水压力和冲刷作用。在岩溶地区，降水入渗对补给封闭岩溶洞穴，快速上升的岩溶水会压缩洞内，形成上挤的压力，导致气爆发生，引发洞顶塌陷。,（b）河、湖近岸地带的侧向倒灌作用河、湖近岸地带普遍分布着孔隙潜水与岩溶水组成的双层含水介质。汛期洪水位急剧上升的情况下，河、湖水将向地下水产生侧向倒灌，地下水位随之上升。这时岩溶地下水对洞隙上覆盖层土体产生正压力或使浮托力增大。在洪水位迅速回落时，岩溶地下水位回落快于潜水位，对洞隙上覆盖层的浮托力很快消减，通过洞隙开口处从潜水含水层向岩溶洞隙产生垂向的渗透潜蚀作用，在盖层中形成土洞进而扩展形成塌陷。这种现象称之为洪水倒灌潜蚀塌陷，简称为洪水塌陷。,（c）地震一是地震力可使洞顶覆岩以及洞壁的裂隙进一步扩大，引起岩层破裂、位移加剧；二是洞隙上覆松散饱水细粒物质发生“液化”，而形成地面塌陷。2、人为活动的影响矿山采空区地面塌陷：人为激发活动主要表现在地面施加荷载、人为爆破和车辆振动、水库蓄放水的人工调节等。岩溶地面塌陷：除上述人为活动外，地下水的抽排、回灌，尤其是快速、大降深的抽水活动往往是引发地面塌陷最普遍的原因。,（二）地面塌陷的发生机理,1、矿山采空区地面塌陷的机理,第一阶段为掘进和回采的初期，存在冒落带、裂隙带和弯曲带；第二阶段为地裂缝发展阶段，仅存在冒落带和裂隙带；第三阶段为地面塌陷阶段，仅存在冒落带。,2、岩溶地面塌陷的机理,岩溶：水（包括地表水和地下水）对可溶性岩石进行的以化学溶蚀作用为主的改造和破坏地质作用以及由此产生的地貌及水文地质现象的总称。岩溶作用：以化学溶蚀为主，同时还包括机械破碎、沉积、坍塌、搬运等作用，是一个化学物理相结合的综合作用。可溶性岩石包括碳酸盐岩、硫酸盐岩、卤化物等。,（1）地下水潜蚀机制地下水位下降时，水力梯度也随之增大，地下水流速加快，动水压力增强，当动水压力大于土体内聚力与颗粒间摩擦力，土颗粒开始被渗流带动迁移，这一现象称为潜蚀或管涌。在覆盖型岩溶区，下伏存在溶蚀空洞，地下水经覆盖层向空洞渗流(或地下水位下降时，水力梯度增大)。在一定的水压力作用下，地下水对土体或空隙中的充填物进行冲蚀、掏空。从而在洞体顶板处的土体开始形成土洞,随着土洞的不断扩大，最终引发动洞顶塌落。当土层较厚或有一定深度时，可以形成塌落拱而维持上伏土层的整体稳定。当土堆较薄时，土洞不能形成平衡。,形成塌陷的原因很多。如潜蚀、真空吸蚀、振动、土体软化、建筑荷载。因条件不同，产生塌陷的原因而不同，也可能是以一种原因为主导，多种因素综合作用的结果。,A.水位下降前的平衡状态；B.水位下降，随着向上侵蚀过程使通道被排空，出现活跃的地下侵蚀(潜蚀进入开阔的洞穴)；C.洞穴的顶部逐渐坍陷，可能短期内受钙化砾石层的抑制；D.最后的拱顶坍陷，形成了被同心球状张力裂缝包围的落水洞。,（2）真空吸蚀效应我国徐卫国等于1979年提出的，国内也普遍接受这一论点。岩溶网络的封闭空腔（溶洞或土洞）中，当地下水位大幅度下降到空腔盖层底面下时，地下水由承压转为无压,空腔上部便形成低气压状态的真空，产生抽吸力,吸蚀顶板的土颗粒.同时内外压作用，覆盖层表面出现一种“冲压”作用，从而加速土体破坏。（3）压强差效应压强差是指岩溶空腔与松散介质（或土洞）接触面上下侧水、气流体，因岩溶管道水位变化而产生相应的压强差值.,(4)自重效应雨水入渗后，盖层饱和容重比干容重一般增加30%-40%。使土拱承受更大的重量，导致塌陷。(5)浮力效应岩土体位于地下水位之中，当地下水位下降时，除产生压强差效应外，土体的浮托力也随之减小，产生塌陷。(6)土体强度效应土体吸水饱和后，土体抗剪强度降低，土拱抗塌力减小，产生塌陷。(7)其他效应振动效应、荷载效应、酸液效应,五、岩溶塌陷稳定性评价,（一）岩溶塌陷的地质模式岩溶塌陷的地质模式是其形成条件组合特征的概括，反映其形成条件的差异。其划分主要考虑塌陷盖层的岩性结构、含水结构、岩溶水位与基岩面及上覆土层水的关系。,岩溶塌陷地质模式的组合因子,岩溶塌陷稳定性的评价包括：塌陷堆积体（简称塌陷体）、土洞及浅埋岩溶洞隙等三个方面的稳定性评价。,塌陷体的稳定性主要根据塌陷的微地貌特征、堆积物的性状及地下水埋藏与活动情况等因素进行定性评价见表。,（二）岩溶塌陷的稳定性评价,1、塌陷体的稳定性评价,2、土洞稳定性的评价休止状态的土洞其稳定性主要取决于土洞顶板埋深或其与安全临界厚度之比。,（1）成拱分析法（普罗特尼可夫塌落拱理论）当洞隙顶板岩体被密集裂隙切割呈块状或碎块状时，或处于松散层中的土洞，可认为顶板将成拱形塌落，而其上荷载及岩、土体则由拱自身承担。此时破裂拱高h为：,式中，h破裂拱高（安全临界高度，m）；h0洞隙高度（m）；b洞隙宽度之半（m）；内摩擦角（度）；f坚固系数（普氏系数）；R岩石单轴饱和抗压强度（MPa）；n粘性土剪切面上的正压力；c土的粘聚力。,（2）坍塌平衡法土洞顶板土体的平衡条件（见图）是：,式中，GABDC土体自重；F侧壁摩擦阻力；H0极限平衡时的顶板厚度（安全临界厚度）；D土洞跨度；土体密度；侧压力系数；内摩擦角。,（3）顶板坍塌堵塞法对于顶板较破碎的洞隙或土洞顶板，在洞内无水流搬运迁移的情况下，坍落后其体积松胀，当坍塌到一定高度时，洞体将被完全堵塞，此时可认为洞体空间已被支撑，不再向上扩展。其所需的坍塌高度（即安全临界高度）h1可估算如下：,3、浅埋岩溶洞隙的稳定性评价（1）浅埋岩溶洞隙稳定评价的原则当岩溶洞隙基岩顶板厚度过薄或软弱破碎时，将会丧失稳定而垮塌。对浅埋的岩溶洞隙，除主要受洞隙规模影响外，还受基岩埋深、覆土的岩性结构与性状及地下水位埋深等因素的影响。洞隙稳定性的评价一般采用定性评价与半定量评价相结合的方法。定性评价是洞隙稳定条件的地质分析，是评价的基础；半定量评价尽管计算方法比较严密，但限于条件的概化难以完全符合实际，其边界和参数的确定也难以达到足够的精度，因此只能起到补充和核对的作用。,（2）洞隙稳定性的定性评价根据洞隙的稳定条件和影响稳定的各种因素，综合分析评价其稳定性见表。,洞隙稳定性定性评价,（3）洞隙稳定性的半定量评价（a）洞隙顶板的安全厚度评价对于比较完整的微风化坚硬岩石组成的洞隙顶板，根据大量的洞隙地基工程实例调查统计，其安全厚度主要与洞跨有关，一般洞隙厚跨比，即为稳定安全。,（b）结构力学近似分析法按洞隙顶板抗弯厚度计算按板梁受力情况，其受力弯矩按下列情况计算：A当顶板跨中有裂缝，顶板两端支座岩石坚固完整时，按悬臂梁计逄：B当裂隙位于支座处，而顶板较完整时，按简支梁计算：C若支座和顶板岩石均较完整、裂隙胶结良好时，按两端因定梁计算：,抗弯验算：（对于矩形梁：）故,式中，M弯矩（kNm）；q顶板所受总荷载，qq1q2q3；q1顶板厚为h的岩石自重（kNm）；q2顶板覆土层自重（kNm）；q3顶板上附加荷载（kNm）；l洞隙跨度（m）；弯曲应力（kPa）；抗弯强度（kPa），对灰岩一般取抗压强度的1100125；b梁板的宽度（m）；h顶板岩层厚度（m）。,按洞隙顶板抗剪的安全厚度验算：由下列极限平衡条件计算顶板厚度h：,式中，F上部荷载传至顶板的竖向力（kN）；G顶板岩土自重（kN）；U洞体顶板处平面周长（m）；frv顶板岩体的抗剪强度，对灰岩一般取抗压强度的0.060.13（kPa）。除上述计算公式外，应用于土洞稳定性评价的成拱分析法，坍塌平衡法及坍塌堵塞法等计算公式，也可利用。,六、地面塌陷的防治,“以防为主、及时治理”,（一）岩溶地面塌陷的防治1、岩溶地面塌陷灾害预防（1）查明洞穴分布：调查工作应在查明区域地质、水文地质背景的基础上，运用钻探和物探手段确定浅表洞穴的分布情况，并从危险性的角度进行分区。对松散堆积物厚度不大，且直接覆盖在溶洞和隙宽较大溶隙开口处的那些地段，要予以高度重视，不应布设任何建筑物。（2）对已出现地面变形，但尚未塌陷的地点，要圈围出警戒区，及时撤离人员。,（3）拟建的以岩溶水为开采对象的供水源地布设地点，场地选择时，应事先进行致塌危险性的充分论证，并尽可能远离村镇和人口密集区。（4）对分散开采的农村井机，应强调小流量小降深逐渐过渡到预定开采量的操作方法，以避免洞穴负压的形成。（5）在可能出现塌陷的地段，要防止地表水的进入，对严重漏水的河溪、库塘进行铺底防漏或人工改道。（6）加强对岩溶水位，尤其是地面变形的监测，要注意宣传，加强群测群报的工作。,2、岩溶地面塌陷的治理,（1）清除填堵法常用于相对较浅的塌坑或埋藏浅的土洞。清除其中的松土，填入块石、碎石形成反滤层，其上覆盖以粘土并夯实。,广西桂林榕城回填堵塞法治理岩溶地面塌陷,（2）跨越法用于较深大的塌陷坑或土洞。对建筑物地基而言，可采用梁式基础、拱形结构，或以刚性大的平板基础跨越、遮盖溶洞，避免塌陷危害。对道路路基而言，可选择塌陷坑直径较小的部位，采用整体网格垫层的措施进行整治。,铁道部门用扣轨梁跨越岩溶塌陷,（4）钻孔充气法随着地下水位的升降，溶洞空腔中的水气压力产生变化，经常出现气爆或冲爆塌陷，设置各种岩溶管道的通气调压装置，破坏真空腔的岩溶封闭条件，平衡其水、气压力，减少发生冲爆塌陷的机会。,湖南白洋湾水库用卧管和烟筒通气法防治岩溶塌陷,（3）强夯法在土体厚度较小、地形平坦的情况下，采用强夯砸实覆盖层的方法消除土洞，提高土层的强度。,（5）灌注填充法在溶洞埋藏较深时，通过钻孔灌注水泥砂浆，填充岩溶孔洞或缝隙、隔断地下水流通道，达到加固建筑物地基的目的。灌注材料主要是水泥、碎料（砂、矿渣等）和速凝剂（水玻璃、氧化钙）等。,山东泰安车站用灌浆堵塞岩溶裂隙防治地面塌陷,（6）深基础法对于一些深度较大，跨越结构无能为力的土洞、塌陷，通常采用桩基工程，将荷载传递到基岩上。,（7）旋喷加固法在浅部用旋喷桩形成一“硬壳层”，在其上再设置筏板基础。“硬壳层”厚度根据具体地质条件和建筑物的设计而定，一般1020m即可。,铁道部门用旋喷桩加固软土地基防治岩溶塌陷,（二）矿山采空区地面塌陷的防治1、采空区地面塌陷危害的预防（1）矿山开采前应结合开采方式、开采进度，运用采动理论估算不同开采期，地面变形的范围和程度，做出风险评估。（2）要明确禁采区和限采区，对地表重要建筑物、水库和城镇所在地要结合采深采厚和地质条件分析，拿出危害后果最小的开采方案。（3）开采过程中要对不同区块的地面变形进行监测预报，及时撤离人员。,（4）矿坑排水设计必须考虑地面塌陷的可能地点、规模，避免单纯追求疏干工期的做法。（5）改进井巷顶板管理方法，在条件允许的情况下，尽可能采用充填法。在一般情况下，为减少地面变形造成的损失，应留有足够数量的保安矿柱，而且禁止对矿柱的回采。,2、采空区地面塌陷的治理（1）对破坏的土地应进行整理、平复，以防滑坡、崩塌的出现。（2）危房改造必须到位，严重损毁的房屋必须拆除。（3）对进入充分采动阶段（冒落带发育到地表）的地段，土地整理工作至少应在塌陷后两年进行，由于残余变形将持续很长时间，这些地段短期内一般不宜建造永久性建筑物。对仍处于非充分采动阶段的地段，不宜开展正规的土地整理，以免前功尽弃，或采用钻孔灌注法，填充地下空腔，使之达到稳定状态。,承德铜兴铜铁矿治理后,安徽淮北市利用浅层塌陷区挖塘造地建设大规模连片鱼塘，鼓励失地农民发展水产养殖,地面沉降,主要内容,一、概述二、我国地面沉降的现状三、地面沉降的危害四、地面沉降的成因机制五、地面沉降的时空特征六、地面沉降的主要特点七、地面沉降的监测与预测八、地面沉降的防治,一、概述,1、定义地面沉降：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。,标高降低,海水倒灌,码头失效城市排水系统报废,地面变形（不均匀沉降）,建筑物倾斜/开裂道路桥梁扭曲地下管道破坏,重大经济损失,2、成因类型,（1）自然因素构造升降运动地震火山活动地面加载（2）人为因素开采地下水、油气资源地面加载,形成的地面沉降范围大、速率小,形成的地面沉降范围小、速率和幅度较大,归属于地壳形变或构造运动的范畴，作为自然动力现象加以研究,归属于地质灾害现象进行研究和防治,构造运动引起的地面沉降,急剧变形：因基底断块快速下降造成地表高程降低，地面急剧变形，如地震。构造蠕变：构造运动以一种缓慢连续的方式进行，表现为基底断块持续的缓慢沉降或岩层的拗陷。变形速率小、持续时间长,天津市基底下降形成的沉降值约为1.7mm/a沉降时间80009000年洞庭湖区构造蠕变引起的沉降值约为12mm/a,地面加载引起的地面沉降,自然原因：,冰川期大陆冰盖形成厚度达2000m,巨大静压力,挪威/芬兰发生地面沉降最大值达2.5m,冰川消融,回弹,人为原因：如修建水库、建造房屋等,上海市30%地面沉降来自高层建筑和大型工程的影响浦东陆家嘴2004年地面沉降量达3cm上海沉降最严重的地区,地下水、油气资源开采引起的地面沉降,二、我国地面沉降现状,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。,中国地面沉降的地域分布具有明显的地带性，主要位于厚层松散堆积物分布地区。（1）大型河流三角洲及沿海平原区长江/黄河/海河/辽河下游平原和河口三角洲地区第四纪沉积层厚度大、固结程度差、颗粒细、层次多，压缩性强地下水含水层多，补给径流条件差，开采时间长，强度大城镇密集，人口多，工农业生产发达。地面沉降首先从城市地下水开采中心形成沉降漏斗，进而向外围扩展，形成以城镇为中心的大面积沉降区。（2）小型河流三角洲区东南沿海地区第四纪沉积层厚度不大，以海陆交互相粘土和砂层为主，压缩性相对较小地下水开采主要集中于局部富水地段。沉降范围一般比较小，主要集中于地下水降落漏斗中心附近。,空间分布特征,（3）山前冲洪积扇及倾斜平原区燕山和太行山山前倾斜平原区（北京/保定/邯郸/郑州/安阳等大中城市）第四纪沉积层以冲积、洪积形成的砂层为主城市人口众多、城镇密集、工农业生产集中地下水开采强度大，水位下降幅度大地面沉降主要发生在地下水集中开采去，沉降范围由开采范围决定。（4）山间盆地和河流谷地区陕西渭河盆地/山西汾河谷地及一些小型山间盆地(西安，咸阳，太阳，运城等)第四纪沉积物沿河流两侧呈条带状分布，以冲积砂土、粘性土为主，厚度变化大；地下水补给、径流条件好；构造运动表现为强烈的持续断陷和下陷地面沉降范围主要发生在地下水降落漏斗区。,长江三角洲地面沉降现状图,20世纪90年代末，本区累计沉降超过200m的范围达1/3，面积近10000km2.成因：地下水开采,23-14mm/a,20-40mm/a,我国发生地面沉降现象最早、影响最大、危害最严重的城市,上海市地面累积沉降量等值线图（一九九六二一年）,75,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,华北平原地面沉降等值线图,太原市累计地面沉降等值线图(19562000年),大同市累计地面沉降等值线图(19881993年),三、地面沉降的危害,1、洪涝灾害加剧,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，就积水难排。,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,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,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,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。,2、建筑物基础下沉、工程设施毁坏,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,太原市,西安大雁塔,无锡市,建筑物受损,建筑物受损,太原市,江阴长泾,西安长安路,建筑物受损,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,不均匀地面沉降加速了地铁隧道设施的磨损,建筑物受损,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。,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。如，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。,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,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45005000亿元，其中，直接经济损失累计为350400亿元，年均总损失为90100亿元,年均直接损失810亿元。,四、地面沉降的成因机制,1、饱水多孔介质的失水压密原理（1）抽水条件下饱水多孔介质含水层的失水压密（2）注水条件下饱水多孔介质含水层的厚度变化（3）地面加载条件下饱水多孔介质含水层的失水压密2、不同类型岩土失水压密特点（1）砂砾质含水层失水压密特点（2）粘性土的失水压密特点3、开采条件下油、气储层压密固结原理4、地面沉降的产生条件,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,固体颗粒（岩石碎屑矿物颗粒）,孔隙水,有效应力。颗粒受到的应力，通过颗粒间的接触点传递；孔隙水压力。粒间孔隙水所承受和传递的应力,（1）抽水条件下饱水多孔介质含水层的失水压密,不变=+,大于颗粒间摩擦阻力,颗粒间产生位移/错动/排列更紧密,含水层压密体积变小,地面下沉形成新的压力平衡,有效应力的增量；孔隙水压力增量。抽水为减压过程，所以取负|孔隙水压力增量的绝对值。,（2）注水条件下饱水多孔介质含水层厚度变化,不变=+,颗粒变得松散,含水层厚度变大,（3）地面加载条件下饱水多孔介质含水层的失水压密,P,=+,大于粒间阻力且,颗粒骨架压密；含水层总体积变小,水从孔隙中挤出进入水井,2、不同类型岩土失水压密特点,（1）砂砾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。,（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。,3、开采条件下油、气储层压密固结原理,天然条件下，石油、天然气储层一般处于封闭的地质环境中，上覆地层的自重由储层中得流体和骨架共同承担。当上覆岩体与油气层处于压力平衡时，可用太沙基公式表示：,=+v,覆岩的自重压力；储层中介质骨架承受的压力；液体（水、油）承受的压力；v气体承受的压力。,=(+)+(-)+(v-v),采油或采气时,=|+v|且|v|,4、地面沉降的产生条件,(1)厚层松散细粒土层的存在(2)长期过量开采地下流体(3)新构造运动的影响(4)城市建设对地面沉降的影响,五、地面沉降的时空特征,地面沉降是沉降区不同岩性层失水压密的叠加结果。,距离抽水井远近不同的点，地层岩性的组合形态不同，水头的降落值也各不相同，与岩性渗透性有关的水力传导速度也相差甚远，滞后、延迟效应大小也有所差异。综合影响的结果导致地面沉降时空分布呈现复杂的局面。,地面沉降的研究：（1）区域分布规律的归纳（2）不同地点沉降形成条件分析。,1、地面沉降的变形形式,垂直位移水平位移,（1）垂直位移,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。,初始地形面,垂直位移量的空间变化图,规律性：由沉降中心向周边方向逐渐减小,A,B,O,垂直位移量,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。,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,苏锡常地区地面沉降面积不断扩大,（2）水平位移,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,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,地面破坏的表现形式,2、地面沉降的影响因素及其对地面形变的作用,（1）地层组合对地面沉降的影响作用地层岩性地层厚度岩性组合（2）抽水对地面沉降的影响距抽水井远近的影响抽水量的影响抽水方式,（1）地层组合对地面沉降的影响作用1）地层岩性的影响,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。,2）地层厚度的影响,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,3）地层组合的影响,规律性：在同等开采条件下，粘性土层数越多，沉降速率越大。,不同的地层组合对地面沉降的影响,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,（2）抽水对地面沉降的影响作用1）距抽水井远近的影响,规律性：地层岩性组合相似时，地面沉降中心往往与地下水开采中心在位置上吻合一致。,（2）抽水对地面沉降的影响作用2）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。,3）抽水方式的影响,4）开采布局的影响,不同的开采布局对地面沉降的影响,规律性：同样的开采量，集中布井方式产生的地面沉降量和危害比分散布井方式大。,六、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。,七、地面沉降的监测与预测,区域地面沉降监测技术精密水准测量GPS测量InSAR技术2.地面沉降分层动态监测3.自动化监测技术4.地面沉降量预测,区域地面沉降监测技术精密水准测量目前较为普遍和常用的方法建立高精度水准测量控制网平均布点与沉降区加密布点平差计算监测点地面高程累计沉降量绘制地面高程等值线图或累计沉降量等值线图特点：精度高，成果可靠，操作方便，仪器便宜效率低、劳动强度大、难以自动化,GPS测量,近10多年来，美国等国家开始将GPS技术用于区域地面沉降监测，并取得初步成效。我国的成功经验不多。特点：设备昂贵，精度低，难以进行大规模布网,InSAR技术,利用不同时间测量的地面图像相重叠而形成微分干涉图像，图像中一个相干颜色条纹循环代表一定数量的地面变形量，并通过对比地面变形实测值来确定，最终处理成地面变形等值线图。特点：具有大面积、快速的优势，是水准测量和GPS测量的有效补充。,2、地面沉降分层动态监测,基岩标和分层标监测室进行地面沉降监测的重要技术手段。基岩标：埋设在地下完整基岩上的特殊观测点，可作为地面沉降测量的高程控制点。分层标：根据土层的性质，埋设在地下不同深度土层和含砂层中的特殊观测点，是有效测量松散土层变形量的设