地面变形地质灾害-地面沉降

1、第六讲 变形 地质灾害1. 概述2. 类型3. 分布规律4. 地面沉降一、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。地面沉降-塌陷 马路塌陷，还有的人被热水活活烫死 山西 构造地裂缝 -平原，不是滑坡的张裂隙。二、地面变形地质灾害的类型地地 面面 沉沉 降降一、概述二、我国地面沉降的现状三、

2、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。（1）自然因素）自然因素u构造升降运动构造升降运动u地震地震u火山活动火山活动u地面加载地面加载（2）人为因素）人为因素u开采地下水开采地下水、油气资源油气资源u地面加载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构造运动引起的地面沉降急剧变形：因基底断

3、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 地面加载引起的地面沉降地面加载引起的地面沉降自然原因：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二、我国地面沉降现状 到到20032003年地面年地面沉降

4、面积已达到沉降面积已达到93,855km93,855km2 2，形成，形成长三角、华北平长三角、华北平原、和原、和汾渭汾渭盆盆地地等地面沉降灾等地面沉降灾害严重区。害严重区。泾渭分明渭水是黄河最大的支流，泾水又是渭河的支流，现在已经分不清楚那条河流的清与浊了，同流合污了。 长江浊黄，汉江碧绿 华北平原地面沉降等值线图三、地面沉降的危害1.地面标高损失，地表积水，放泄洪能力下降曼谷洪水泛滥的原因 “除了气候，就是地面沉降闹的，海水回灌进曼谷了，前几天，邢台强调自己地势低，污染物也容易聚集 2.标高降低，海平面升高，双重因素，海水倒灌，桑田变沧海了。3.地下管线扭曲断裂，天然气泄漏，自来水管泄漏。

5、次生灾害很多。4.桥梁净空减小，影响通航5.农村积水，农作物减产。6.高程资料失效。7.房屋下沉，花钱买一楼，过几年变成地下室了。8.桩基础负摩擦，降低桩承载力-以后基础工程详细讲不均匀沉降危害更大，造成房屋倾斜、开裂、倒塌。建筑物受损地面不均匀沉降错断供水管道四、地面沉降的成因机制土力学p90-板书一下地面原水位下降后水位（1）砂砾质含水层失水压密特点（做含水率实验时讲过，沙子孔隙度小，但孔隙大，亲水矿物含量低，持水性差，要求取样粘性土510g，砂性土2030g ） 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

6、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；-天然砂层一般都比较密实 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。-基坑回弹，所以基坑开挖后要尽快施工，否则，一是风吹日晒水泡，而是回弹使得建筑物沉降大，土的性质，大家学过压缩系数，回弹指数，见土力学。（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；-尤其是软土，如上海。 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

7、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。 -回弹很小。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五、地面沉降的时空特征 综合影响的结果导致地面沉降时空分布呈现复杂的局面，后面详细讲。 1、地面沉降的变形形式u 垂

8、直位移u 水平位移垂直位移X地下水开采区集中开采井位置 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ABO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 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 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u地层岩性u地

9、层厚度u岩性组合 （2）抽水对地面沉降的影响u距抽水井远近的影响u抽水量的影响u 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QQQ规律性：砂砾层的压缩量小。2）地层厚度的影响 不同的地层岩性对地面沉降的影响QQ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QQ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Q 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，还和岩性有关（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

10、吻合一致。 距离抽水井远近对地面沉降的影响QqQ1（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。 抽水量对地面沉降的影响QqQ2Q1Q1Q23）抽水方式的影响连续抽水，抽水量恒定，补给充沛连续抽水，抽水量恒定，补给不足 间断抽水，抽水量恒定 间断抽水，抽水量不定 卸荷加荷e土体反复受压缩过程 4）开采布局的影响Q1QQ2Q3Q=Q1+Q2+Q3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六、地面沉降的主要特点七、地面沉降的监测与预测七、地面沉降的监测与预测1.

11、 区域地面沉降监测技术l 精密水准测量l GPS 测量l 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1.区域地面沉降监测技术l 精密水准测量目前较为普遍和常用的方法特点：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l 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，这就是为什么经纬仪退出历史舞台 测距仪退出历史舞台了 水准仪还在大范围使用的原因，就是因为一般的全站仪和GPS都不能满足监测环境下的高程要求。 特点：设备昂贵，精度低，难以进行大规模布网l InSAR 技

12、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施。3、自动化监测技术（1） 自动化监测系统组成 对抽水引起的地面沉降进行预测，因影响因素复杂，预测难度较大。近年来

13、，国内外对此作了大量的研究工作。我国地面沉降问题较严重的几个城市也先后进行了系统的沉降量观测、模型试验、沉降量计算和预测工作。 统计模型 传统的理论模型 数值方法这种方法适用于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已长期地面沉降及地下水位详细观测资料的地区地区。由于大量开采地下水（油、气）引起地下水位（油、气。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。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

14、之间的，建立两者之间的回归方程回归方程。例如：根据天津市资料，可得例如：根据天津市资料，可得 S =28.13 +0.0067QS =28.13 +0.0067Q式中：式中：S S为地面累计沉降量；为地面累计沉降量；Q Q为累计开采量。为累计开采量。又如，根据上海市资料，得：又如，根据上海市资料，得： S = B0 + B1h +B2D +B3HS = B0 + B1h +B2D +B3H式中：式中：B0B0、B1B1、B2B2、B3B3为回归系数；为回归系数；h h为水位变幅；为水位变幅；D D为水位为水位作用天数；作用天数；H H为该水作用期间平均水位。为该水作用期间平均水位。u 统计模型

15、如果建立SQ或Sh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。-比如，很多统计报告，都是事后诸葛亮，先有靶子，再射箭，比如，中央2台的股票新闻“由于xx，某股票大涨”如果你知道这个规律，你怎么不买股票？还有，很多彩民，个个都是数学家，费劲心思找规律，本来就是随机事件，非要找出规律来，结果只能是机关算尽太聪明。u 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

16、压缩变形量，然后累加，计算地面沉降量。八、地面沉降的防治八、地面沉降的防治u 合理规划水资源开发利用布局合理规划水资源开发利用布局u- -根据影响因素可以采取相关措施，自己看。根据影响因素可以采取相关措施，自己看。这是在开采利用地下水之前进行的一项这是在开采利用地下水之前进行的一项工作，包括：工作，包括：取水地点取水地点尽可能安排在砂砾石层厚、尽可能安排在砂砾石层厚、粘性土夹层少的地段；粘性土夹层少的地段；在粘性土层多且相变复杂的地区，尽在粘性土层多且相变复杂的地区，尽量以地表水作为供水水源，量以地表水作为供水水源，减少或不开采地减少或不开采地下水下水；减少开采量，且尽量采用减少开采量，且尽量

17、采用恒定开采恒定开采办法办法，不要形成长期增长的开采局面。，不要形成长期增长的开采局面。将集中开采变为将集中开采变为分散开采分散开采；减少减少各地各地开采强度开采强度，使降落漏斗平且缓，使降落漏斗平且缓，减少沉降的不均匀性和局部沉降过大，减少沉降的不均匀性和局部沉降过大，避免出现明显的挤压带和拉张带，以减少避免出现明显的挤压带和拉张带，以减少水平位移和垂直位移集中的现象。水平位移和垂直位移集中的现象。-要求半天，严禁私自取地下水，只要开个口子，就是无底洞，比如，某家不安电表，估计用电的超要求半天，严禁私自取地下水，只要开个口子，就是无底洞，比如，某家不安电表，估计用电的超n家，家，2010年，

18、上海地下水开采年，上海地下水开采量已压缩到量已压缩到1963年开采量的十分之一年开采量的十分之一 ，才有效遏制了地下水引起的地面沉降才有效遏制了地下水引起的地面沉降u等量置换等量置换主要用于油气田通过人工回灌对抽汲的液体进行等体积替换，以保证孔隙水（油）压力不造成明显下降。课堂作业学以致用 以自己家乡（最好是本县市，若实在没有，本省也行）为例，举例说明地面沉降的危害，也可以从网络上了解。字数大于300字。下节课交作业，尤其是上次作业没交的同学，一定要交，否则没成绩。上升的经济和下沉的地面-平遥、沧州和上海为例我来个抛砖引玉吧，说说我的家乡古城平遥，“我家住在黄土高坡”， 父母或许太喜欢水了，给

19、我取名张洪泉。水就是钱，就是命根子，大家或许都看到过非洲水池旁动物们的生死战吧，这时候可没有上甘岭战友间的谦让，“天上下雨地下流，为水打架来记仇”， 解放前甚至油锅抓铜钱。机井越打越深，小时候在菜园子和父亲用辘轳浇水的场景只能留在梦里了，现在都是靠深层水，每天定点放水。千里迢迢来到保定，看到老乡院子里都有压水井，还能种个小菜园，很是羡慕，（现在也多改为机井了。） 沧州山西缺水，华北也缺水。黄骅市，是整个沧州最缺水的地方，卫星地图上，该地区所有的河道都显示为白色，即为干涸。过去，海河与黄河的多次泛滥，给沧州带来大量的泥沙沉淀，改善了土壤，反而利于耕作。如今，且不说洪水，就连地下水也越来越少，地里的土层越来越薄，不利于耕种。-中央电视台报道的人工造地，坡上毁树造地，反而造成了滑坡和泥石流的危险。沧州所以华北平原的农业一年耗水量高达870毫米，而多年平均降雨量只有500毫米左右，这多出来的370毫米，