环境地质学分论--地面沉降.

中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG环境地质学主讲教师：李小倩[e-mail]分论——若干地质环境问题的论述EnvironmentalGeology——地面沉降中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG2地面沉降中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG3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、地面沉降防治中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG4一、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。中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG5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、概述中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG6地面沉降的危害一、概述中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG71、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。中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG8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、概述中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG9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、概述中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG10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、概述中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG11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、工程设施毁坏中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG12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、概述中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG13太原市西安大雁塔无锡市建筑物受损一、概述中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG14建筑物受损太原市江阴长泾西安长安路一、概述中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG15建筑物受损一、概述中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG16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珠海西区高尔夫球场2001年11月～2003年7月沉降量与时间关系图6094136456585.94927.051022.611148.311267.311464.611642.111789.512114.812232.712321.712390.712516.012611.912735.412816.712969.510250500750100012501500175020002250250027503000123456789101112131415161718192021累计月数(月)沉降总量(mm)建筑物受损一、概述中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG17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、概述中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG18一、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。中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG19一、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。中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG20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、概述中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG21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、概述中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG22中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG23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、我国地面沉降现状中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG24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00200100300400500KM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、我国地面沉降现状中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG25长江三角洲地面沉降现状图二、我国地面沉降现状中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG26上海市地面累积沉降量等值线图（一九九六∣二○○一年）二、我国地面沉降现状中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG27中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG28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、我国地面沉降现状中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG29华北平原地面沉降等值线图二、我国地面沉降现状中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG30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、我国地面沉降现状中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG31三、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Hhhσ=σ’+µσ=γ土·Hµ=γ水·hσ=(σ’+△σ’)+(µ-△µ)△σ’=△µ太沙基有效应力原理中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG32（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，Δσ’为有效应力的增量；Δμ为孔隙水压力的增量，因抽水是减压过程，所以用负值表示，|Δμ|为孔隙水压力增量的绝对值。中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG33（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μ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。'''中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG34（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σ增大，孔隙水压力和有效应力也随之增大。如果Δσ’大于粒间阻力，而且大于Δμ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：'''中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG35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①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；②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；③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。中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG36（2）粘性土的失水压密特点①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；②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；③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。中国地质大学环境学院SchoolofEnvironmentalStudies-CUG37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中国地质大学环