地面變形地質(zhì)災(zāi)害-地面沉降

1、第六講 變形 地質(zhì)災(zāi)害1. 概述2. 類型3. 分布規(guī)律4. 地面沉降一、概述 地面變形地質(zhì)災(zāi)害的定義廣義：指因內(nèi)、外動力地質(zhì)作用和人類活動而使地面形態(tài)發(fā)生變形破壞，造成經(jīng)濟損失和（或）人員傷亡的現(xiàn)象和過程。 如，構(gòu)造運動引起的山地臺升和盆地下沉；抽取地下水、開采地下礦產(chǎn)等人類活動造成的地裂縫、地面沉降和塌陷等。狹義：指地面沉降、地裂縫和地面塌陷地面沉降、地裂縫和地面塌陷等以地面垂直變形破壞或地面標(biāo)高改變?yōu)橹鞯牡刭|(zhì)災(zāi)害。地面沉降-塌陷 馬路塌陷，還有的人被熱水活活燙死 山西 構(gòu)造地裂縫 -平原，不是滑坡的張裂隙。一、概述二、我國地面沉降的現(xiàn)狀三、地面沉降的危害四、地面沉降的成因機制五、地面沉降

2、的時空特征六、地面沉降的主要特點七、地面沉降的監(jiān)測與預(yù)測八、地面沉降的防治1、定義地面沉降：發(fā)生在較大面積的地表高程降低、地面舒緩變形的現(xiàn)象和持續(xù)過程。（1）自然因素）自然因素u 構(gòu)造升降運動構(gòu)造升降運動u 地震地震u 火山活動火山活動u 地面加載地面加載（2）人為因素）人為因素u開采地下水開采地下水、油氣資源油氣資源u 地面加載地面加載形成的地面沉降范圍大、速率小形成的地面沉降范圍小、速率和幅度較大歸屬于地殼形變或構(gòu)造運動的范疇，作為自然動力現(xiàn)象加以研究歸屬于地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象進(jìn)行研究和防治急劇變形：因基底斷塊快速下降造成地表高程降低，地面急劇變形，如地震。構(gòu)造蠕變：構(gòu)造運動以一種緩慢連續(xù)的方式進(jìn)

3、行，表現(xiàn)為基底斷塊持續(xù)的緩慢沉降或巖層的拗陷。變形速率小、持續(xù)時間長天津市 基底下降形成的沉降值約為1.7mm/a 自然原因：自然原因：冰川期大陸冰蓋形成厚度達(dá)2000m巨大靜壓力挪威/芬蘭發(fā)生地面沉降最大值達(dá)2.5m冰川消融回彈人為原因：如修建水庫、建造房屋等人為原因：如修建水庫、建造房屋等上海市 30%地面沉降來自高層建筑和大型工程的影響浦東陸家嘴 2004年 地面沉降量達(dá)3cm 上海沉降最嚴(yán)重的地區(qū) 到到20032003年地面年地面沉降面積已達(dá)到沉降面積已達(dá)到93,855km93,855km2 2，形成，形成長三角、華北平長三角、華北平原、和原、和汾渭汾渭盆盆地地等地面沉降災(zāi)等地面沉降災(zāi)

4、害嚴(yán)重區(qū)。害嚴(yán)重區(qū)。華北平原地面沉降等值線圖三、地面沉降的危害1.地面標(biāo)高損失，地表積水，放泄洪能力下降曼谷洪水泛濫的原因 “除了氣候，就是地面沉降鬧的，海水回灌進(jìn)曼谷了，前幾天，邢臺強調(diào)自己地勢低，污染物也容易聚集 2.標(biāo)高降低，海平面升高，雙重因素，海水倒灌，桑田變滄海了。3.地下管線扭曲斷裂，天然氣泄漏，自來水管泄漏。次生災(zāi)害很多。建筑物受損地面不均勻沉降錯斷供水管道地面原水位下降后水位（1）砂礫質(zhì)含水層失水壓密特點（做含水率實驗時講過，沙子孔隙度小，但孔隙大，親水礦物含量低，持水性差，要求取樣粘性土510g，砂性土2030g ） 砂礫質(zhì)含水層一旦被抽汲，釋水快，壓力傳遞快，壓密作用顯現(xiàn)

5、得快，地面可在較短時間內(nèi)出現(xiàn)沉降，即滯后時間短，延遲效應(yīng)不明顯； （2）粘性土的失水壓密特點 粘性土孔隙雖小，但孔隙度大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過砂礫質(zhì)土，粘性土一旦失水壓密，可壓縮空間大，能夠產(chǎn)生較大的地面下沉量；-尤其是軟土，如上海。 4、地面沉降的產(chǎn)生條件(1) 厚層松散細(xì)粒土層的存在(2) 長期過量開采地下流體(3) 新構(gòu)造運動的影響(4) 城市建設(shè)對地面沉降的影響 綜合影響的結(jié)果導(dǎo)致地面沉降時空分布呈現(xiàn)復(fù)雜的局面，后面詳細(xì)講。 u 垂直位移u 水平位移垂 直 位 移X地 下 水 開 采 區(qū)集 中 開 采井 位 置 地面沉降以地層的垂直位移變形為主，并隨各地點有效應(yīng)力增量大小的不同而不同。 初始地形面

6、初始地形面 垂直位移量的空間變化圖規(guī)律性：由沉降中心向周邊方向逐漸減小ABO垂直位移量由于垂直應(yīng)變不均勻，在沉降區(qū)中心，兩側(cè)土體會向中心擠壓，產(chǎn)生剪切破裂面，地面出現(xiàn)地裂縫。 上海閔行區(qū)華漕地面沉降與地下水位變化發(fā)展趨勢垂直位移量隨著地下水位的降低而逐漸增大 地面沉降垂直變形的過程中，土體也會形成側(cè)向拉力，產(chǎn)生水平位移。與垂直位移相比，水平位移形成的變形量要小得多 2、地面沉降的影響因素及其對地面形變的作用（1）地層組合對地面沉降的影響作用u地層巖性u地層厚度u巖性組合 （2）抽水對地面沉降的影響u距抽水井遠(yuǎn)近的影響u抽水量的影響u 抽水方式（1）地層組合對地面沉降的影響作用 1）地層巖性的影

7、響不同的地層巖性對地面沉降的影響QQQ規(guī)律性：砂礫層的壓縮量小。2）地層厚度的影響 不同的地層巖性對地面沉降的影響QQ規(guī)律性：粘性土的累積厚度越大，壓縮總量越大3）地層組合的影響QQ規(guī)律性：在同等開采條件下，粘性土層數(shù)越多，沉降速率越大。不同的地層組合對地面沉降的影響Q 在某些情況下地下水開采漏斗區(qū)與地面沉降中心并不一致，還和巖性有關(guān)（2）抽水對地面沉降的影響作用 1）距抽水井遠(yuǎn)近的影響規(guī)律性：地層巖性組合相似時，地面沉降中心往往與地下水開采中心在位置上吻合一致。 距離抽水井遠(yuǎn)近對地面沉降的影響QqQ1（2）抽水對地面沉降的影響作用 2）抽水量的影響規(guī)律性：抽水量越大，沉降量、沉降速率和沉降范

8、圍越大。 抽水量對地面沉降的影響QqQ2Q1Q1Q23）抽水方式的影響連續(xù)抽水，抽水量恒定，補給充沛連續(xù)抽水，抽水量恒定，補給不足 間斷抽水，抽水量恒定 間斷抽水，抽水量不定 卸荷加荷e土體反復(fù)受壓縮過程 4）開采布局的影響Q 1QQ 2Q 3Q = Q 1 + Q 2 + Q 3不同的開采布局對地面沉降的影響規(guī)律性：同樣的開采量，集中布井方式產(chǎn)生的地面沉降量和危害比分散布井方式大。六、地面沉降的主要特點六、地面沉降的主要特點且，中國人清談多，實驗少，饅頭哪層先熟，討論了十萬字。沒一個做實驗的。所以，大家還應(yīng)該做好實驗，比如，比重試驗，15g土占的體積才6g左右，測水的質(zhì)量時，稍微不注意，1g

9、誤差對實驗結(jié)果影響很大，大家計算的從2.2-2.9的都有，3.0以上的都讓大家重做了，所以要特別仔細(xì)，另外，我自己也試驗了一下，多加點土，50g，這樣的話1g誤差對實驗結(jié)果影響就小多了，當(dāng)然，主要是大家不細(xì)心，大家知道1g水是多少嗎？滴管50滴，比重瓶那個圓柱形小嘴剛好1g。成因復(fù)雜性巖層，地下水，加載難以逆轉(zhuǎn)性-地面標(biāo)高，經(jīng)濟經(jīng)濟損失損失無力回天（地）七、地面沉降的監(jiān)測與預(yù)測七、地面沉降的監(jiān)測與預(yù)測 區(qū)域地面沉降監(jiān)測技術(shù)l 精密水準(zhǔn)測量l GPS 測量l InSAR 技術(shù)2. 地面沉降分層動態(tài)監(jiān)測3. 自動化監(jiān)測技術(shù)4. 地面沉降量預(yù)測 區(qū)域地面沉降監(jiān)測技術(shù)l 精密水準(zhǔn)測量目前較為普遍和常用

10、的方法特點：精度高，成果可靠，操作方便，儀器便宜 效率低、勞動強度大、難以自動化l GPS 測量 近10多年來，美國等國家開始將GPS技術(shù)用于區(qū)域地面沉降監(jiān)測，并取得初步成效。 我國的成功經(jīng)驗不多，這就是為什么經(jīng)緯儀退出歷史舞臺 測距儀退出歷史舞臺了 水準(zhǔn)儀還在大范圍使用的原因，就是因為一般的全站儀和GPS都不能滿足監(jiān)測環(huán)境下的高程要求。 特點：設(shè)備昂貴，精度低，難以進(jìn)行大規(guī)模布網(wǎng)l InSAR 技術(shù) 利用不同時間測量的地面圖像相重疊而形成微分干涉圖像，圖像中一個相干顏色條紋循環(huán)代表一定數(shù)量的地面變形量，并通過對比地面變形實測值來確定，最終處理成地面變形等值線圖。特點： 具有大面積、快速的優(yōu)勢

11、，是水準(zhǔn)測量和GPS測 量的有效補充。2、地面沉降分層動態(tài)監(jiān)測基巖標(biāo)和分層標(biāo)監(jiān)測室進(jìn)行地面沉降監(jiān)測的重要技術(shù)手段?；鶐r標(biāo)：埋設(shè)在地下完整基巖上的特殊觀測點，可作為地面沉降測量的高程控制點。分層標(biāo)：根據(jù)土層的性質(zhì)，埋設(shè)在地下不同深度土層和含砂層中的特殊觀測點，是有效測量松散土層變形量的設(shè)施。3、自動化監(jiān)測技術(shù)（1） 自動化監(jiān)測系統(tǒng)組成 對抽水引起的地面沉降進(jìn)行預(yù)測，因影響因素復(fù)雜，預(yù)測難度較大。近年來，國內(nèi)外對此作了大量的研究工作。我國地面沉降問題較嚴(yán)重的幾個城市也先后進(jìn)行了系統(tǒng)的沉降量觀測、模型試驗、沉降量計算和預(yù)測工作。 統(tǒng)計模型 傳統(tǒng)的理論模型 數(shù)值方法這種方法適用于這種方法適用于已長期地

12、面沉降及地下水位詳細(xì)觀測資料的已長期地面沉降及地下水位詳細(xì)觀測資料的地區(qū)地區(qū)。由于大量開采地下水（油、氣）引起地下水位（油、氣。由于大量開采地下水（油、氣）引起地下水位（油、氣壓）持續(xù)下降，進(jìn)而引起介質(zhì)失水壓密是地面沉降的根本原因壓）持續(xù)下降，進(jìn)而引起介質(zhì)失水壓密是地面沉降的根本原因。所以可利用地下水開采量或地下水水位與地面沉降量的資料。所以可利用地下水開采量或地下水水位與地面沉降量的資料，建立兩者之間的，建立兩者之間的回歸方程回歸方程。例如：根據(jù)天津市資料，可得例如：根據(jù)天津市資料，可得 S =28.13 +0.0067QS =28.13 +0.0067Q式中：式中：S S為地面累計沉降量；

13、為地面累計沉降量；Q Q為累計開采量。為累計開采量。又如，根據(jù)上海市資料，得：又如，根據(jù)上海市資料，得： S = B0 + B1h +B2D +B3HS = B0 + B1h +B2D +B3H式中：式中：B0B0、B1B1、B2B2、B3B3為回歸系數(shù)；為回歸系數(shù)；h h為水位變幅；為水位變幅；D D為水位為水位作用天數(shù)；作用天數(shù)；H H為該水作用期間平均水位。為該水作用期間平均水位。u 統(tǒng)計模型如果建立SQ或Sh的回歸方程，即可根據(jù)未來的開采計劃推算地面沉降量的值。這種方法的優(yōu)點是簡單明了，適用范圍廣。只要把主要的影響因素考慮進(jìn)去，可以不考慮復(fù)雜的物理過程。但該方法有很大的弱點，從理論上講

14、，不能對機理有更深刻的了解。-比如，很多統(tǒng)計報告，都是事后諸葛亮，先有靶子，再射箭，比如，中央2臺的股票新聞“由于xx，某股票大漲”如果你知道這個規(guī)律，你怎么不買股票？還有，很多彩民，個個都是數(shù)學(xué)家，費勁心思找規(guī)律，本來就是隨機事件，非要找出規(guī)律來，結(jié)果只能是機關(guān)算盡太聰明。u 傳統(tǒng)的理論模型 這類模型主要是根據(jù)土力學(xué)固結(jié)理論的基本原理，對在某一特定抽水條件下，各巖性層對應(yīng)的有效應(yīng)力增量，分別計算器壓縮變形量，然后累加，計算地面沉降量。八、地面沉降的防治八、地面沉降的防治u 合理規(guī)劃水資源開發(fā)利用布局合理規(guī)劃水資源開發(fā)利用布局u- -根據(jù)影響因素可以采取相關(guān)措施，自己看。根據(jù)影響因素可以采取相關(guān)措施，自己看。這是在開采利用地下水之前進(jìn)行的一項這是在開采利用地下水之前進(jìn)行的一項工作，包括：工作，包括：取水地點取水地點盡可能安排在砂礫石層厚、盡可能安排在砂礫石層厚、粘性土夾層少的地段；粘性土夾層少的地段；在粘