沿海地区地面沉降地质灾害危险性评估若干重点问题

1、沿海地区地面沉降地质灾害危险性评估若干重点问题上海是国内对地面沉降研究较早的城市，建立了一套较完整的研究体系。众所周知，上海地处长江三角洲前缘的冲积平原，濒临东海，第四纪以来沉积了广泛巨厚松散沉积层。砂性土与粘性土交替成层。自1860年开凿第一口深井以来，因抽汲地下水，逐步造成了大面积地面沉降，20世纪80年代特别是90年代以来，在抽汲地下水造成的地面沉降得到基本控制时，还有微量沉降，而大规模城市基础设施建设也加剧了地面沉降，如轨道工程、磁悬浮、黄浦江大桥、越江隧道、高架道路、大量高层建筑、深基坑开挖等。通过近年来，对上海各类大型建设工程建设用地地质灾害评估工作，地面沉降是主要灾种之一，有必要

2、对地面沉降地质灾害危险性进行评估。1.地面沉降的定义 广义地面沉降（又称相对海平面上升）：是某海岸基准点在四维空间的升降变化，其由理论海平面上升，基底下沉，人类经济活动造成土层压缩、压密而造成某海岸基准点的升降。它是区域性，缓慢的地面变形。狭义地面沉降定义：系指人为因素所造成土层压缩固结引起的地面标高降低的工程地质现象。 2.地面沉降概况 国外地面沉降状况 意大利 威尼斯 因抽地下水在1952-1964年累计地下水位下降5m,年沉降量10cm,沉降范围400Km2。意大利 马格拉 因抽地下水1952-1969年累计地下水位下降13m,年沉降量14cm。两地压缩用水60%以后，快速地面沉降得到控

3、制后稍有微量下沉。 日本东京1920年开始抽水,地下水位-10m，1971年地下水位达，1923年因地震复测高程发现地面沉降，到1976年累计最大地面沉降达4.6m,最大年沉降27cm,沉降范围3420Km2。2.1 地面沉降概况（国外）意大利威尼斯水城印尼雅加达井台上升日本大阪1928年开始抽汲地下水,当时平均年沉降量6-13cm,1938-1970年累计最大沉降量2.88m, 沉降区范围630Km2。日本新泻开采天然气与伴随咸水一起抽汲,1959年年沉降量达54cm。墨西哥某些城市因抽汲地下水,累计沉降量达9.1m,沉降范围达225Km2。美国圣华金流域 因抽汲地下水及石油,年最大沉降量达

4、54cm。圣克拉克流域因抽汲地下水,累计沉降量41cm,范围650Km2。泰国曼谷 因抽汲地下水造成大面积沉降。国内地面沉降状况 长江三角地区 上海、苏州、无锡、常州、南通、扬州、淮阴、盐城、嘉兴、肖山、宁波。华北地区 北京、天津、保定、秦皇岛、沧州、德州、济南。东北地区 哈尔滨、长春、抚顺、沈阳、锦州、大庆、佳木斯。 内陆地区 武汉、洛阳、西安、太原、大同、呼和浩特、银川、阜阳、霍山、寿县。 东南沿海地区 广州、福州、厦门、湛江、台北、台南。 造成国内地区地面沉降主要原因 除了区域地质构造活动、海平面上升等自然因素作用外，主要由抽汲地下水、石油、天然气、开采固体矿床等人类经济活动引发。上海地

5、面沉降历史概况上海市区及近郊区历年地面沉降的速率和动态变化趋势，可划分为五个时期：19211948年地面沉降缓慢发展时期，年平均沉降24mm；19491956年地面沉降显著发展时期，年平均沉降增加到40mm；19571961年地面沉降急剧发展时期，年平均沉降达110mm；19621965年地面沉降进入缓和时期，年平均沉降量减为59mm；19661981年为地面沉降控制时期年均沉降量几毫米。2.4 地面沉降概况（上海市） 潮水上岸（1981年上海） 雨季地面积水（人民广场、南京路 ）1996年7月5日大暴雨龚击申城，由于地面沉降及泵站排水能力不足，致使房屋进水、交通受阻。2.4 地面沉降概况（上

6、海市） 桥下通航受阻桩基承台相对上升，影响建筑物使用效能2.4 地面沉降概况（上海市） 图1 上海地面沉降发展历时曲线80年代以来，由于城市改造建设，地面沉降有加剧趋势，年平均沉降量为1510mm（图1）。地面沉降量影响因素地面沉降导致相对海平面上升，相对海平面是由理论海平面、地壳构造下降和地面沉降三个主要部分组成。根据相关研究成果：上海地区理论海平面的预测上升幅度，与1990年相比，2010年将上升4cm（），2030年将上升10cm(2.5mm/a)，2050年将上升20cm(5mm/a)。而上海地区相对海平面的上升幅度的预测值为：至2010年为1525cm，至2030年为3040cm，至

7、2050年为4555cm。上海地区地壳下沉的预测值为：从1995年起算，至2010年为，至2030年为，至2050年为5.5cm(1mm/a)。地面沉降不但是上海市及邻近地区最主要的地质灾害，同时也对该区域的相对海平面上升起着主导作用。研究表明：开采地下水是引起上海地面沉降的主要外在因素，而压缩层的存在是产生地面沉降的内在因素。上海地区沉降系统监测迄今已有30多年，研究确认抽汲地下水引起土层压缩是地面沉降的主要因素。 随着建设工程不断增多，地面荷载逐渐增大，基坑工程的降水等因素，均造成了软土层压缩，产生较大的沉降量 。上海地区地面沉降主次因素正在逐步转化,在显著发展时期,急剧发展时期,基本控制

8、时期是抽汲地下水为主要因素,而目前上海正处于地面沉降缓和时期,城市建设活动权重越来越大。 在上海这样的地面沉降灾害易发地区，工程建设特别是在重大工程建设时，必须对地面沉降的危害和危险性予以足够地重视。3.地面沉降地质灾害现状评估 以上海为例,地面沉降造成的地质灾害,在沿海、河口、江河边及内陆地区或大区域范围地质灾害评估区,评估重点及评估深度应有差异,应结合地面沉降影响因素,地面沉降现状进行评估,沿江河口还应结合风暴潮评估。 上海地区分布有巨厚的第四纪松软覆盖层，由于大量开采地下水，地面沉降历来是上海地区主要的地质灾害之一。研究确认地面沉降因抽汲地下水导致第四纪地层释水压密引起主要沉降。 评估必

9、须依据地面沉降的监测资料，掌握评估区地面沉降累积沉降量、年平均沉降量、地区性差异沉降量，分析地面沉降主要影响因素，对评估区地面沉降现状进行评估，如某一线路工程，其沿线地面沉降与含水层水量、水位之关系及地面沉降现状。（图2、图3）。 图2 第三含水层水量、水位、沉降历时变化曲线图（江苏省界沪杭铁路外环线内环线上海站）图3 第四含水层水量、水位、沉降历时变化曲线图（江苏省界沪杭铁路外环线内环线上海站） 地面沉降不但是上海市及邻近地区最主要的地质灾害，同时也对该区域的相对海平面上升起着主导作用。上海市历史上严重的地面沉降导致的相对海平面上升，造成了上海市的沿海海堤和挡潮防汛堤工程的抗灾能力降低，也是

10、引发或加剧潮灾的直接表现。风暴潮历来是上海地区威胁最大的自然灾害之一，具有影响面广、破坏力大等特点。据历史文献记载，上海地区解放后就经历了3次严重的潮灾、多次一般性潮灾和轻微潮灾。1962年8月2日的风暴使黄浦公园的高潮位达到了，当时在1959年建成的外滩防汛墙高有，然而这一时期大量抽取地下水造成地面显著下降，防汛墙实际顶高只有，于是潮水在多处漫溢，市区防汛墙溃决46处，半个市区被淹，最大水深达2m，造成市区交通中断，大批工厂停工、商店停业、仓库受淹。 1974年8月20日，受热带气旋影响，黄浦江苏州河口水位达，沿江不少地段险情十分严重，潮水位几乎与防汛墙齐平，多处冒水、溢水。 1981年9月

11、的8114号台风侵袭，黄浦公园水文站9月1日的最高潮位，为1912年以来的最高记录，全市16个水文站高潮位也都超过历史最高值。外滩附近黄浦江水位仅比防汛墙设防水位低，浪潮越过墙顶。当时沿江、沿河堤防、闸口到处可见漏水、冒水，汛情不断告急，后决策采取纳潮措施，才未出重大事故。地面沉降现状评估，应按区域性所处地面沉降阶段、现状针对性进行评述，评估区域或建设用地所处的地面沉降现状进行评估。4.地面沉降地质灾害危险性预测评估 工程建设引发和加剧地面沉降可能性的预测根据建筑工程规模、性质和特征，结合评估区地基土空间分布规律、物理力学性质及土体结构类型等特点，对工程建设引发和加剧地面沉降的可能性进行评估。

12、4.2.工程建设本身遭受地面沉降的危险性评估 A. 区域地面沉降：理论海平面上升，地壳下降和汲取地下水而引起的区域地面沉降。前两者可通过收集资料进行评估。后者可结合历年监测资料所建立起来的，合乎土体变形规律，基于地下水宏观用水计划基础上的地面沉降长期预测模型，泊松旋迴预测模型进行地面沉降预估。同时对次生灾害、风暴潮进行阶段性评估。B. 不均匀沉降：建设场地地基土结构类型不同，地基土物理力学性质差异、建设工程荷载作用特别是对大规模建设工程和线路工程，场地产生不均匀沉降，对建设工程会产生相当大的影响，应对不均匀沉降进行危险性评估。5.地质灾害危险性综合分区评估及防治措施危险性综合分区评估地质灾害危

13、险性分区，主要根据评估区域内地质环境条件的特征、工程建设的特点、地质灾害的可能危害程度、主要影响因素等为划分依据，综合分区评估一般在大型项目，大范围区域评估时运用，在上海地区，一般按地面沉降危险性结合其它灾种进行综合分区评估，见图4上海市环境地质分区图。地面沉降地质灾害防治对策 控制和减少评估区及邻近影响区域地下水的开采和利用；有效地控制、减少工程建设所导致的地面沉降效应，防止可能引发和加剧工程建设范围内的地面沉降灾害； 图4 上海市环境地质分区图地面沉降地质灾害危险性评估实例分析1:北京至上海高速铁路（上海段）新建工程建设工程概况京沪高速铁路全长约1400km，为双线型高速铁路，预计2008

14、年建成。本次评估的上海境内的线路分为省界至七宝段与高速铁路引入上海站工程两部分，全长。省界至七宝段：从江苏昆山进入上海后，沿沪宁铁路北侧行驶，沪杭铁路后，在沪杭铁路东侧与之并行向南，跨沪宁高速公路、吴淞江，过北青公路、沪青平公路，直至七宝高速站，。 高速铁路引入上海站工程：过黄渡编组站后沿沪宁铁路北侧直线进入上海站，长22.165 km。京沪高速铁路的主要技术条件：路等级：高速铁路；正线数目：双线； 设计速度：本线列车设计速度350km/h，跨线列车设计行车速度200km/h及以上；正线线间距：；地面沉降地质灾害危险性评估实例分析1:北京至上海高速铁路（上海段）新建工程1. 地质灾害危险性现状

15、评估 现状评估是对评估区内已有地质灾害的评估，包括对地质灾害的类型、规模、分布、稳定状态、危害对象进行评估。地质灾害危险性现状评估主要是从地质环境条件和工程特点入手，采用类比法分析类似工程诱发和遭受地质灾害的原因及危害，以及可采取的防治措施及防治效果，以了解本区地质灾害对类似工程建设的危害现状，为本工程在建设过程和建成后的地质灾害防治提供参考依据。图1图1地面沉降现状评估 一、区域地面沉降特征上海地面沉降发现于1921年，至2001年中心城区平均累积沉降，年均沉降量约。以地面沉降速率变化为依据，上海市中心城区地面沉降历史可分为两个时期。前期为快速沉降时期（19211965），地面平均累积沉降量

16、为，年平均沉降；后期为缓慢沉降时期（1966至今），平均累积沉降，年均沉降约（图1）。 19801995年间，评估区内累积地面沉降量在50125mm，年均沉降3-8mm/a。拟建工程沿线，地面沉降相对较为平稳，累计沉降量大部分在75100mm之间，省界段该为50-75mm的沉降区域，年均沉降46mm左右。线路存在轻微不均匀沉降。19952001年间，工程沿线累计沉降量大多在50125mm之间，但线路进入极端地段沉降量可达200余mm，并两个终端出现不均匀沉降增大趋势。 从1980年至今的区域地面沉降现状可知，工程沿线地面沉降业已存在，且沉降速率有逐年增大的趋势，19801995年间，评估区内绝

17、大部分地区的年均沉降量5mm左右，而到了19962001年，年均沉降达520mm，且局部地段不沉降明显加大。工程沿线地面沉降状况详见图2。 图2 工程沿线19802001年各时段累计地面沉降量图二、地面沉降与地下水动态分析 从19802002年间开采量与地下水位的变化关系来看（图3图6），出现两个明显的变化阶段：第一阶段为19801996年，期间随着开采量的逐年增长，各含水层地下水位呈持续下降趋势，且下降幅度较大；第二阶段为1997年后至今，随着开采量的调减，特别是第四含水层开采量的持续压缩，地下水位下降趋势得以缓和，且呈现回升迹象。 该阶段第二含水层、第三含水层土层与水位变化之间的关系即应力

18、应变关系，总体表现为弹性变形特征，土层随水位的上升与下降而呈现回弹与压缩，其残余变形量很小。由于目前开采地下水量与以往相比有大幅减少，地下水位波动相对较小，故当前已基本处在相对稳定状态。 第四含水层和第五含水层，但由于净开采量较大，水位下降幅度最大，含水层此时承受的附加应力已超过了其前期固结压力，呈现颗粒重新排列，于是土层由弹性转向塑性变形，残余变形量增大，表现为持续性的固结压缩。图3 第二含水层水量、水位、沉降历时变化曲线图 图4 第三含水层水量、水位、沉降历时变化曲线图 图5 第四含水层水量、水位、沉降历时变化曲线图 图6 第五含水层水量、水位、沉降历时变化曲线图三、地面沉降对工程影响实例

19、分析 本次评估线路将跨越蕴藻浜、吴淞江等主要河道及沪宁高速公路等高等级道路，必然会采用桥梁工程，另外，高速铁路引入上海站段进入市区后很有可能采用高架的形式。因此，本次选择了一些采用桩基础的工程来分析地面沉降对其的影响，会具一定的借鉴意义。（一）大桥南浦大桥是市中心连接浦江两岸的第一座跨江特大型钢混凝土叠合梁斜拉桥，全长8346m。 大桥主塔基础采用钢管桩，桩长3644m，桩尖标高-51m（持力层为层土）。引桥墩台基础除个别采用钻孔灌注桩外，均采用混凝土打入桩，桩基持力层也为层土。 为监测地面沉降对南浦大桥的影响，分别在南浦大桥浦东段和浦西段的引桥上设置监测点，监测结果见图7图9。 图7 南浦大

20、桥浦东段累计沉降曲线图 图8 南浦大桥浦西段累计沉降曲线图根据南浦大桥东、西主塔19902002年的实测数据，浦东、浦西侧主塔存在着较明显的差异沉降（图9）。这主要是因为南浦大桥东西两侧土体结构类型不同，所以历来浦西段地面沉降量大于同期南浦大桥浦东段地面沉降量 。图9 南浦大桥东、西主塔差异沉降示意图（二）内环高架内环线包括浦西的高架道路、浦东的地面道路及联系浦东、浦西的杨浦大桥和南浦大桥组成，全长48km。本次以浦西高架部分为例，它全长29.43km 。在内环高架不同区段布置若干个监测点，其中监测点CJ0、CJ1、CJ2、CJ3、CJ4、CJ5组成垂直高架道路的横断面，分别距高架道路0m、3

21、m、7m、15m、30m和70m，其中CJ0位于高架道路的支柱上，CJ1、CJ2、CJ3、CJ4、CJ5位于地表。监测结果见表1。从表3可以看出，在2000年4月至2002年10月期间，位于高架道路支柱上的监测点CJ0的沉降量一般明显小于同期CJ1CJ4等地面监测点的沉降量。由于内环高架已于1994年12月建成通车，监测点CJ0在2000年4月至2002年10月期间的沉降量反映的是桩基持力层及其下部土层的沉降量，并不包括桩基持力层上部土层的沉降量，也不包括高架施工时引起的沉降量。而其他监测点在相同时期内的沉降量则不仅包括桩基持力层及其下部土层的沉降量，还包括桩基持力层上部土层的沉降量。表1 内

22、环线高架道路工程地面沉降监测统计表 单位：mm （三）深部土层压缩沉降对重大市政工程影响分析根据中心城区地面沉降分层标监测资料，距地表超过160m深度的深部土层（主要是第四、五含水层）逐渐成为地面沉降的主要影响层次(表2)，这些深部土层的变形发展趋势，势必会增加地面沉降的发展趋势，加大高架道路、大桥等桩基础结构的重大市政工程沉降。 表2 上海市区深部土层变形特征对比表 3.地质灾害危险性预测评估 工程建设引发或加剧地质灾害的可能性评估一、地面线路段引发或加剧地面沉降的可能性评估 拟建铁路的地面线路段、高路堤地段由于附加压力较大,路基沉降量较大,可能引发沿线一定范围的地面沉降。对于高度小于基床厚

23、度的低路堤地段，一般附加压力较小，路基沉降量较小，沉降范围小，但如果不对基床厚度范围内的软土进行加固，也会产生较大的路基沉降。二、基坑开挖段引发或加剧地面沉降的可能性评估 根据上海地区大量的基坑施工监测资料，基坑开挖过程中，在土、水压力作用下，支护结构都将产生不同程度的变形，并引起基坑周围一定范围的地面沉降，支护结构变形愈大，沉降影响范围也愈大。三、桥梁及立交段引发或加剧地面沉降的可能性评估工程线路较长，跨越不同的工程地质结构区，桩基条件有一定差别，桩基持力层埋深变化大，采用的桩型、桩长不同时，桩基础有产生较大沉降和不均匀沉降的可能性。综上所述，在拟建铁路工程的施工建设与运营期间，如不采取措施

24、，有引发和加剧沿线部分地段地面沉降和不均匀沉降的可能性，但当依据土层特性变化规律在设计中予以充分考虑采取必要的防治措施后，一般能减轻工程建设的地面沉降效应或将地面沉降效应控制在设计容许范围内。工程建设本身遭受地面沉降地质灾害危害的可能性评估 为评估工程建设是否会遭受地面沉降的危害，利用我院建立的地下水准三维渗流耦合垂直一维沉降的有限元数学模型进行了20032020年的地面沉降定量预测。预测结果表明，拟建的京沪高速铁路工程沿线存在明显的地面沉降和不均匀沉降。因此，在本工程设计时，对此地面沉降与不均匀沉降问题应予充分考虑，以防止地面沉降对工程的可能危害。 4.地质灾害危险性综合评估及防治措施 地质

25、灾害危险性分区 本次地质灾害危险性分区，首先根据评估区地面沉降地质灾害的发育现状及地面沉降预测结果，再结合不同地段工程建设可能诱发或遭受的其它地质灾害的类型与危险性大小进行综合分析，将评估区范围划分为二个区，即：地质灾害危险性中等区和地质灾害危险性较大区。地质灾害危险性中等区：主要位于西部省界至嘉黄公路以西区域，大部分落于地质环境较简单区，区内无液化砂层分布，桩基条件良好，预测年均地面沉降速率小于5mm。地质灾害危险性较大区：分布于线路的大部分区段。基本处于地质环境较复杂区，浅层普遍有液化砂体存在，软土层分布广且厚度大，桩基持力层分布不连续，且该区内地面沉降发育，预测年均地面沉降速率615mm

26、，有较明显不均匀沉降，区域地面沉降对工程影响程度较大。场地适宜性评估 当采取适当的地质灾害防治措施后，拟建场地对北京至上海高速铁路（上海段）新建工程的建设是适宜的。防治措施 1.对区域地面沉降实施有效监控，以防止其对工程本身的可能危害； 2.有效控制工程建设的地面沉降效应，防止可能诱发和加剧工程沿线的地面沉降灾害； 3.应采取措施减少工程建设的地面沉降效应； 4.利用上海已有的地面沉降监测系统，及时监控施工过程及竣工运行后的沉降影响，并在工程重要节点和预测地面沉降量较大区段，适当增设沉降监测点，加大监测力度。 地面沉降地质灾害危险性评估实例分析2：上海崇明越江通道（东线）工程 工程概况上海崇明

27、越江通道（东线）工程是沪崇苏越江通道工程的组成部分。沪崇苏越江通道规划分东、西二线，均由越江段与接线段两部分组成，东线全长约，西线全长约。越江段为上海陆域一侧至崇明陈海公路，其东线长，西线长。接线段包括崇明接线高速公路、崇明至海门的崇海大桥及江苏海门线路工程，其中东线长约，西线长约。本次评估为东线工程的越江段部分。地面沉降地质灾害危险性评估实例分析2：上海崇明越江通道（东线）工程 地面沉降地质灾害危险性评估实例分析2：上海崇明越江通道（东线）工程1水文地质条件 根据地层的沉积时代、成因类型与富水性等特征，该区第四系松散岩类孔隙水可划分为六个含水层。地层的岩性特征自下而上分别为下更新统、中更新统

28、、上更新统、全新统。其中，下更新统地层主要赋存第四、五承压含水层；中更新统赋存第三承压含水层；上更新统赋存第一、二承压含水层；全新统赋存潜水与微承压含水层。工程所属区域地下水开采主要集中在第二、三、四、五承压含水层，并以第四、五含水层为主。开采井主要集中在浦东新区北部，即工程南端的陆域部分，长兴岛与崇明岛的开采井主要分布在第五承压含水层中。2. 工程地质特征 2.1 地基土的构成与特征 根据评估区内工程地质钻探、人工浅地震、浅地层剖面测量成果，按上海市标准岩土工程勘察规范（DBJ083794），评估区埋深120m范围内地基土划分为11个工程地质层。工程场区普遍缺失第、工程地质层，第层除浦东五号

29、沟附近有分布外均缺失。120m深度内工程地质剖面见图1。上述各工程地质层中，第-1、-1、-2、-1层为上海地区典型的软土层，其容易因固结压缩产生沉降等环境地质问题，且由于沿线分布不稳定，易产生不均匀沉降问题。 图1 工程沿线工程地质剖面图（上图为南港区域，下图为北港区域） 2.2 工程地质条件初步评价 越江通道东线工程规划设计将采用桥梁隧道相结合的方案，即南港（浦东至长兴岛水域段）采用隧道、北港（长兴岛至崇明岛水域段）采用桥梁。南港隧道施工工程地质评价 当采用盾构方案时，由于盾构外径较大（），根据盾构在推进时对上覆土层厚度的要求，结合工程沿线地基土的构成与土性特征，盾构在层下部及-1工程地质

30、层推进较为适宜。由于沉管法隧道对各种地质条件的适应性较强，因此本工程采用沉管方案也是可行的。根据隧道的高度和抗浮稳定性要求，水道河势变化趋势，以及南港沿线的工程地质条件，管段以埋置在层为宜。北港桥梁施工工程地质评价 以-2层作为拟建桥梁的桩基持力层，不但可获得较高的单桩承载力，而且由于其下卧的层为土性较好的硬粘土层、层为低压缩性的砂性土，对桩基沉降控制也较为有利。3. 地面沉降地质灾害危险性现状评估 3.1 区域地面沉降概况 场区地面沉降现状评估 由于区内未固结的松散第四纪沉积物广泛分布，地下水资源开采利用的强度较大，见图24，因而抽汲地下水使第四纪土层固结压缩所导致的地面沉降较为严重。同时，由于古河道切割使沿线工程地质结构较复杂，使可供选择的桩基持力层埋藏深度及岩性变化较大。类似工程的沉降实例 在上海地区，已建成并正在运营的地铁、隧道、黄浦江越江大