地面沉降地质灾害危险性评估方法

1地面沉降地质灾害危险性评估方法张上麟浙江省水文地质工程地质大队浙江省工程勘察院•1、地面沉降概述•2、地面沉降地质灾害危险性评估范围的确定•3、地面沉降无监测地区地质灾害危险性的评估方法•4、地面沉降监测地区地质灾害危险性的评估方法•5、地面沉降对拟建工程的危害及防治措施•6、有关说明及存在问题•1、地面沉降概述•1.1地面沉降的定义、原因、机理及其危害•1.1.1定义：地层在各种因素的作用下，造成地层压密变形或下沉，从而引起区域性的地面标高下降。•1.1.2地面沉降的原因：•（1）自然因素：①新构造运动引起的地面沉降；②海平面上升导致地面的相对下降（沿海）；③土层的天然固结（次固结土在自重压密下的固结作用）。•（2）人为因素：•①抽汲地下气、液体引起的地面沉降。抽取地下水而引起的地面沉降，是地面沉降现象中发育最普通、危害性最严重的一类；②大面积地面堆载引起的地面沉降；③大范围密集建筑群天然地基或桩基持力层大面积整体性沉降——工程性地面沉降。•1.1.3抽水作用下地面沉降机理•因抽水而引起地面沉降的地区，地层主要由各含水层及其相对隔水的粘性土层相叠组成，各层间在一定的水压下有着水力联系，抽水使含水层的水头（或水位）下降，并牵动相关的水头下降，导致孔隙水压力减小，有效应力增加。有效应力的增加，等同于给土层施加一附加压应力，使土层产生压缩变形，各土层的变形迭加，导致地面的整体下沉。•1.1.4地面沉降的危害•地面沉降灾害的特点是缓慢的不可逆的，即缓变型地质灾害。其主要危害是：•（1）对环境的危害：防洪能力降低，洪涝危害加剧；雨季地面积水扩大，乃至大面积农田抛荒；•例：浙江温岭西部平原，原地面标高2.5～3.3m，目前沉降中心带已降至2.0m以下，局部1.5m，长期水淹而抛荒的农田面积达3919亩，季节性水淹而抛荒的农田面积达3936亩，给城市、交通、水利设施建设及当地居民造成很大的影响，初步估计前几年由此损失达5亿元，而在今后仍将继续影响，损失难以估计。•（2）对建筑工程的危害：①桥梁墩（台）下沉，使桥下净空减少；②建筑地坪下沉，使地下管道坡度改变，重力排水功能失效；③道路工程，由于地面沉降，使潜水位相对“升高”且地面积水也相应增加，将使填方路基的强度和稳定性造成不利影响，同时使路基排水系统不畅乃至失效；④深井井台和桩基建筑物承台与地坪脱开而相对上升等。•1.2开采地下水引起地面沉降的防治措施•基本措施是进行地下水资源管理。•主要整治方法：•（1）减少地下水开采量和水位降深；调整开采层次，合理开发地下水资源；•（2）当地面沉降发展剧烈时，应禁采；•（3）对地下水进行人工补给，回灌时应控制水源的水质标准，以防止地下水被污染。2•1.3浙江省地面沉降简介•浙江省地面沉降均发生于经济最发达的沿海平原，自北而南有杭（州）嘉（兴）湖（州）平原、宁（波）奉（化）平原、温（岭）黄（岩）平原和温（州）瑞（安）平原等地。地面沉降的产生均由于大规模开采平原区深部孔隙承压淡水体所致。由于大量开采地下水导致地下水位大幅度下降形成区域地下水下降漏斗，漏斗中心与地面沉降中心基本一致。截止2003年，各地地面沉降现状如下表所示。嘉兴市及宁波市自上世纪八十年代后期起逐渐压缩地下水开采量，地面沉降速率分别自42、35mm/a降至20、10mm/a以下。不详308(200)53(50)1020(200)沉降范围(累计沉降量）km2(mm)2001300489.2860.0沉降中心累计沉降量mm温瑞平原温黄平原宁奉平原杭嘉湖平原地区表1浙江省沿海平原地面沉降简况表（截止2003年）从上世纪八十年代起，省水文地质工程地质大队先后在宁波市和嘉兴市建立了较为系统的地面沉降监测网络，随后提交了地面沉降的研究成果。•1.4讲题内容定位：•1.4.1评估的内容和方法：按国土资源部国土资发【2004】69号文附件1《地质灾害危险性评估技术要求（试行）》的要求进行。•1.4.2评估对象：在地面沉降区内进行各类建设工程，城市总体规划和村镇规划时对地面沉降灾害的危险性评估。既不是对地面沉降的勘察评价，也不是专门性的地面沉降研究。•1.4.3评估内涵：指由于常年抽汲地下水引起水位或水压下降而造成的地面沉降，不包括由于其他原因所造成地面沉降。•2、地面沉降区地质灾害危险性评估范围的确定•地面沉降的评估范围应与地面沉降范围或初步推测的可能沉降的范围基本一致。•3、地面沉降无监测地区地质灾害危险性评估方法•由于在已经建立地面沉降监测的地区（嘉兴、宁波），对地面沉降地质灾害危险性评估的方法比较成熟。本文主要对无地面沉降监测地区的拟建工程进行地质灾害危险性评估的方法作了一次尝试，并将在今后相关的评估工作中不断修正完善。•3.1调查、访问和资料收集•3.1.1地下水开采历史和现状调查•包括开采井的位置、成井年月和井结构、开采量、水位等，进行地毯式调查，并统一时间测量水位（停泵后1小时以上施测）。•3.1.2地面沉降迹象调查和访问•包括井管相对于地坪顶升量、河（渠）水倒流流向、一次降水过程地面积水范围等。•3.1.3资料收集•包括县（市）区域水文地质调查报告、水文地质钻孔综合成果表、地下水动态监测资料以及工程地质钻孔岩性柱状图和土工试验综合成果表。收集不同年代测制的比例尺1∶1万的地形图。3•3.2地质环境条件阐述的重点•3.2.1第四纪地层的系统划分•首先编制钻孔剖面图，最有价值的是工程地质钻孔，它既有详细的岩性描述，又有相应的土层物理、力学指标。根据浙江省沿海平源第四纪地层序列对全新世（Q4）和晚更新世（Q32-2、Q32-1、Q31）进行系统、详细的划分。并厘定时代和成因。接着将水文地质剖面图与第四纪地层剖面进行整合，最终确定各含水层与非含水层的时代和成因。•3.2.2工程地质层（组）的统一划分•在第四纪地层剖面的基础上，按时代分组①（Q43）、②（Q42）、③（Q41）、④（Q32-2）、⑤（Q32-1）、⑥（Q31）、⑦（Q22）、⑧（Q21）……。进而按岩性与物理力学性质划分工程地质层。并按工程地质层进行指标统计、编制物理、力学指标一览表。•3.2.3水文地质条件•在第四纪地质剖面基础上，按时代和层序统一划分含水层（组）：Ⅰ(Q31)、Ⅱ1(Q22)、Ⅱ2(Q21)、Ⅲ1(Q13)、Ⅲ2(Q12)、Ⅲ3(Q11)；按相关要求编制水文地质剖面图以及地下水类型及其水文地质特征表。文字中尚应阐明评估区地下水补给、迳流及排泄条件。•3.3地面沉降地质灾害现状评估•本章主要论述评估地面沉降的机理；阐述评估区地面沉降的表现；估算现状累计沉降量，确定危险性等级。•3.3.1评估区地面沉降的机理•首先将评估区第四纪松散覆盖层，根据工程地质层（组），归并成压缩层和含水层。其中压缩层分为海相软土层、海相粘性土层和陆相硬土层。自上而下对上述三类压缩层和含水层分别编号，如第一海相软土层（mQ42+3）、第二海相软土层(mQ41)、第三海相粘性土层(mQ32-2)、第四海相粘性土层(mQ32-1)、第一硬土层(al-lQ41)、第二硬土层(al-lQ32-2)、第三硬土层(al-lQ32-1)、第四硬土层(al-lQ31)……•以及第Ⅰ1含水层（alQ32—2或al-mQ32-1）第Ⅰ2含水层(alQ32—1或al-mQ32-1)、第Ⅰ3含水层(alQ31)、第Ⅱ1含水层(al-lQ22)、第Ⅱ2(al-lQ21)含水层……等孔隙承压含水层。以上划分应列表表示。•由于含水层的开采，水位下降，引起土层中孔隙水压力降低，颗粒间有效应力增加。有效应力的增加，等同于给土层施加一附加应力，导致土层的压缩变形，其变形量的大小，受应力大小（即水位变幅）、压缩层的物理力学性质以及距含水层的距离等因素控制，各土层压缩变形的迭加，即表现为地面沉降变形。因此地下水开采，引起区域性水位下降，是评估区地面沉降的必然结果。•3.3.2评估区地面沉降的表现•根据调查和访问，将评估区地面沉降的迹象进行叙述。•3.3.3现状累计沉降量估算方法•评估区无地面沉降监测资料，可采取以下两种方法进行估算，并互相印证。•（1）井管“抬升”测量：•对评估区的深井“抬升”情况进行全面测量，包括其成井年月及其“抬升量”。当然“抬升量”测量是半定量的方法。它小于实际地面沉降量，因为“抬升量”的大小，除了与地面沉降量有关外，尚与地坪的密实度、强度以及井台与地坪的结构强度等有关。•（2）新老中大比例尺（大于1:10000）地形图比对•地形图出版年代最好选择地下水开始大量开采时期和最近期出版的两种不同比例尺的地形图。以下以1:1万地形图为例说明。•首先对两个时期地形图按照相同位置划分方格网，方格大小可采用200m×200m，将方格网内处于村镇的异常点剔除，将没有受到人为荷载影响的田面高程进行对比，最后求出两代地形图地面高程的损失量，作为该时段内的地面累计沉降量。在平原地区由于控制点精度高，地形平坦、开阔，因此其碎部高程测量时实际测量误差远小于1:1万地形图碎部高程最大中值误差。由于1:1万地形图有大量的碎部高程，这些高程均较接近，说明碎部测量所代表的高程与平原的实际高程相符，是可以代表当时的地表高程的。4•（3）收集评估区内水准网（点）在不同时期的精密水准测量资料，对比同一水准点高程的变化估算沉降量。•以上三种方法应综合应用，经分析计算，估算出评估区现状累计地面沉降量。进而按本省拟定的地面沉降危险性分级标准划分危险性等级：300mm为危险性小；300～800mm为危险性中等；800mm为危险性大。•3.4工程建设可能遭受地面沉降危险性预测评估•本节内容是“预测评估”的内容之一。也是对已经发生地面沉降的地区进行地面沉降趋势预测，并分析其对拟建工程的影响及其危害。•3.4.1环境地质比拟法估算地面沉降量•本法是采用研究程度较高且地质环境条件相类似地区的研究成果，进而估算评估区拟建工程规划（设计）年限内累计沉降量进行预测的方法，是一种经验类比法。•以温岭市石粘至松门一级公路地质灾害危险性评估报告为例，说明如下：•（1）根据地质条件对比，选择嘉兴市地面沉降研究成果作为本次评估的依据。•即地下水位与沉降速率呈指数函数相关，回归方程为：•S′=1.374e0.0758h•S′——沉降速率(mm)计算值•h——平均水位（标高绝对值，m）•（2）根据现状评估1985-2000年累计地面沉降加权平均值127.81mm，则年均沉降速率8.52mm/a；再根据漏斗中心115-1井水位动态观测资料求得同一时段内的平均水位-22.2m，反算S′,•S′=1.374e0.0758×22.2=7.39mm/a•则沉降速率计算值7.39mm/a与实际沉降速率8.52mm/a，相差1.13mm/a，即实际沉降值高出15.3%，也符合本区地质环境条件比嘉兴市差的实际情况。•本次地面沉降趋势预测采用沉降速率S=(1+0.15)S′,进行估算。•（3）估算步骤•①划分沉降区段（Li）：根据公路全线沉降量变化与地下水等水位线之间的关系，划分5个区段分别计算。②划分水位变化时段（hi）：将近期（2002年）地下水等水位线，作为基准年，将地下水规划允许开采降深作为地下水位的底限，将地下水平均水位年限划分为3个时段。•③划分地面沉降速率计算时段（Si）：根据水位划分时段（hi）将Si相应划分为3个时段。•④划分地面沉降量的计算时段（Hi）：以现状地面累计沉降量起算年限作为起算时间，评估年限则根据一级公路远景设计年限。20年作为评估年限，先按不同时段沉降速率（Si）分段计算累计沉降量（Hi）；最终计算出每分段的20年后的累计沉降量。•经过估算的20年后地面累计沉降量,划分危险性等•3.4.2分层总和法估算地面沉降量•（1）已知资料•①地下水水位埋深及年其平均下降速率；•②基岩面以上各土层层厚及物理力学指标r、e、a、E•（2）计算公式•①粘性土及粉性土层按下式计算•②砂层按下列计算•上式中：——土层最终沉降量（mm）•——土层压缩系数（Mpa-1）•——土层天然孔隙比•——由于地下水位变