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1、一、地面沉降发生的原因 二、我国地面沉降现状 三、地面沉降危害及损失评估 四、地面沉降防治对策建议 五、目前地面沉降主要研究方法 六、地面沉降监测方法,地面沉降及防治对策,地面沉降(landsubsidence) 又称为地面下沉或地陷，是在自然或人类工程的影响下，由于地下松散土层固结收缩压密作用，导致地表发生的下降运动 。,地面沉降分构造沉降、抽水沉降和采空沉降 构造沉降：由地壳沉降运动引起的地面下沉现象； 抽水沉降：由于过量抽汲地下水（或油、气）引起水位（或油、气压）下降，在欠固结或半固结土层分布区，土层固结压密而造成的大面积地面下沉现象； 采空沉降：因地下大面积采空引起顶板岩（土）体下沉而
2、造成的地面碟状洼地现象。,一、地面沉降发生的原因,11产生地面沉降的物质基础 地面沉降主要是抽取地下流体引起土层压缩，厚层松散细粒土层的存在构成了地面沉降的物质基础。易于发生地面沉降的地质结构为砂层、黏土层的松散土层结构。随着抽取地下水，承压水位降低，含水层本身及其上、下相对隔水层中孔隙水压力减小，地层压缩导致地面发生沉降。,12全球海平面上升 气候变暖导致的全球海平面上升使沿海地区沉降问题更加突出，中国沿海地区大都面临着海平面上升问题。据统计，20世纪60年代以前上海吴淞口海平面上升速率为0.9mma；20世纪60年代以后，由于全球变暖等原因，海平面上升速率为2mma。海平面上升值叠加在地面
3、沉降值上带来的诸多灾害性后果是不容忽视的。在这个方面尤以天津地区最为显著。天津沿海下降区从全新世以来一直处于下沉阶段，下沉速率为1mrrga，随着地下水开采量的增加，沉降速率也趋于加快。同时，渤海湾地区近几十年来海平面处于持续上升阶段，年绝对上升量15mm，加上地壳升降影响，年上升量在1.58mm之间。海平面上升和局部地面下沉的复合作用虽短期内量不大，然而因其持续作用的周期较长，从长远来看，对天津地区的影响很大，应引起极大的关注。,13软土地基自然沉降的影响 沿海地区大多沉积有巨厚的第四纪松散沉积物，如天津塘沽新港区地基土系第四纪全新世滨海沉积，地面下24m多为吹填土和杂填土，地面下10m左右
4、的土层基本上是淤泥质的。这些沉积物含水量高，粘粒含量高，固结程度差，大多未固结，在达到完全固结之前，必然会自然沉降。,14过量抽取地下流体 地面沉降与地下水开采量和动态变化有着密切联系，过量开采地下流体是产生地面沉降的主导因：(1)地面沉降中心与地下水开采漏斗中心明显一致性；(2)地面沉降区与地下水集中开采区大体相吻合；(3)地面沉降量等值线展布方向与地下水开采漏斗等值线展布方向基本一致，地面沉降速率与地下液体的开采量和开采速率有良好的对应关系；(4)地面沉降量及各单层的压密量与承压水位的变化密切相关；(5)许多地区已通过人工回灌或限制地下水开采来恢复和抬高地下水位，控制了地面沉降发展，有些地
5、区还使地面有所回升。,15建筑施工造成的局部沉降 相对于抽取地下水流体引起的地面下沉而言，城市建设造成的地面沉降是局部的，有时也是不可逆转的。城市建设施工造成局部地面沉降主要是以高层建筑基础工程为代表，如基坑开挖、降排水、沉桩等。沉降效应较为明显的工程措施有开挖、降排水、盾构掘进、沉桩等。若揭露有流砂性质的饱水砂层或具流变特性的饱和淤泥质软土，在开挖深度和面积较大的基坑时，则有可能造成支护结构失稳，从而导致基坑周边地区地面沉降。而规模较大的隧道、涵洞的开挖有时具有更显著的沉降效应。,16开采油气资源引起地面沉降 在油气田区，开采油气资源也会引起地面沉降。根据大港油田的有关资料，2500m以下普
6、遍出现了欠压密地层，当油气开发后，必将使流体压力降低，固体颗粒有效应力增加，使地层进一步固结压密，从而引起地面沉降。因此，石油天然气的开采也是引起油气田区地面沉降的因素之一。,二、我国地面沉降现状,21长江三角洲地区,长江三角洲是我国地面沉降最为严重的地区。其中，上海地区是我国发生地面沉降现象最早、影响最大、危害最深的城市；20世纪80年代以来，江苏的苏(州)一(无)锡一常(州)及扬州一泰州一南通地区与浙江的杭(州)一嘉(兴)一湖(州)及宁(波)一绍(兴)地区相继发生了地面沉降灾害。以上海市中心、苏锡常、嘉兴为代表的沉降中心区的最大累积沉降量分别达2.63、2.80、0.82m。90年代以来，
7、由于大规模的城市建设，高层建筑荷载及市周边地区增加开采地下水，致使中心城区地面处于新的加速沉降阶段。在苏锡常地区，虽然近年来已实行地下水禁采，地下水位大部分地区已开始有所回升，但沉降速率仍然达到2040mma，部分乡镇高达80120mm/a。杭嘉湖平原地面沉降不断向区域性发展，形成多个沉降中心。近年来，浙江省沿海地带的城市由于地下水超采严重，地面沉降发展较快。2002年宁波市沉降中心累计沉降量484.6mm，沉降面积超过175km，沉降速率312mm/a，沉降中心沉降速率在610mm/a。温岭市西部平原已形成了多处沉降带，中心累计沉降量已大于1300mm，地面累计沉降量大于300mm的面积已达
8、36.45km2，已成为浙江省地面沉降地质灾害最为严重的地区。,22华北平原地区,华北平原是我国地面沉降灾害严重的地区。以天津、沧州和北京NE郊形成3个沉降中心。天津地面沉降与上海同步，始于上世纪20年代，建国以来，地面沉降严重加剧，最大沉降量已经超过3.1m，为全国之最。天津的地面沉降问题非常复杂，特别是沉降中心向海岸线迁移，反映出有深层石油开采的迭加作用。沿海一带已出现负海拔标高地区近20km2，淤积突出，风暴潮灾害非常严重。向西与河北平原沉降已连成一体，与华北地下水开采形成的大漏斗相吻合。河北平原区地面沉降主要形成于20世纪80年代，随着地下水水位的下降和地下水水位降落漏斗的形成，河北平
9、原逐渐形成了沧州、保定、衡水、任丘、南宫、霸州、大城、曲周、唐海等9个主要地面沉降区。北京地区由于第四系沉积物相对致密，地面沉降及其危害轻于天津和河北平原地区。但是，由于高层建筑和其它重大工程对地面变形的要求很高，其潜在威胁不容忽视。,23汾渭地堑主要城市,汾渭地堑沿陕西渭河、山西6大盆地斜列展布是我国构造强烈活动区，基底构造差异升降大。由于地下水的开采，不仅引发了地面沉降，而且形成了多条顺构造线展布的地裂缝，逐渐形成了西安、大同、太原3个严重地面沉降及地裂缝区。其中，西安地区地面沉降累计达26m，已发现的地裂缝带有13条，出露总长度约72km，延伸103km，各地裂缝带间呈11.5km等间距
10、排列，最大垂直活动速率超过50mm/a，总体活动速率在535mm/a。山西太原市沉降范围SN长约40km，EW宽约15km。太原市地裂缝分布在清徐县上固驿一平泉一武家坡一带一大运高速公路清徐段南侧，长度约155km，影响带宽度约200左右，基本贯穿清徐县西部边山全境。山西大同市地面沉降出现于20世纪70年代末沉降中心累计地面沉降量一般为4050mm，最大累计沉降量124mm，平均沉降速度810mma。大同地面沉降与地下水降落漏斗在时空分布上有较好的对应关系。大同市地裂缝1983年刚发现时长不到5km；其后日益加剧，1990年已形成长105kni的地裂缝带；1994年发展到24km；截止到200
11、2年已发展到10条，总长度达345km的地裂缝带。,三、地面沉降的危害,防潮堤抗风暴潮能力降低，风暴潮频率、强度增加 建筑物地基下沉，房屋开裂破坏，地下管道受损 地面水准点失效，地面高程资料失效 地面沉降影响河道输水，城市内涝严重 河床下沉，河道防洪排涝能力降低，影响南水北调等引水工程安全，桥下净空变小影响泄洪和航运 加剧了农业渍害，土质趋于恶化 铁路安全受到威胁,加厚路基碎石垫层,四、地面沉降的经济损失,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，1949年以来，我国地面沉降和地裂缝造成的经济损失累计高达45005000亿元。其中，直接经济损失累计为350400亿元，年均总
12、损失为90100亿元，年均直接损失810亿元 。,四、地面沉降的经济损失,长江三角洲地区 经过初步评估，自20世纪50年代初以来，三角洲地区由地面沉降灾害造成的经济损失34968亿元。其中，上海市市区经济损失高达2900余亿元，苏锡常地区达840余亿元人民币，杭嘉湖(嘉兴市)达85亿元。与崩滑流等突发性地质灾害不同，地面沉降的灾害损失具有缓变性和间接性特点。上海市地面沉降直接损失为189.4亿元，占总损失2900亿元的6.5；苏锡常地面沉降直接经济损失为26.2亿元，占总损失85亿元的30。而杭嘉湖地区直接损失不明显。,四、地面沉降的经济损失,华北平原地区 华北地区地面沉降灾害经济损失非常严重
13、。由于未开展过专门的经济损失评估，本节的经济损失统计是非常粗略的。天津1992年风暴潮150km防潮堤有十几被冲垮，天津港码头上水、仓库被淹、油田被淹，沿渔民虾池、鱼池被冲坏，农户进水等，直接经济损失4亿元人民币。据不完全统计，在1985、1992、1999发生3次风暴潮，河北受灾直接经济损失达10亿以上。2003年10月11日，该省沿海又遭受风暴潮害，共造成直接经济损失56亿元。天津是我国地面沉降的重灾区。,四、地面沉降的经济损失,汾渭地堑地区 地裂缝灾害是汾渭地堑地区主要的损失原迄今为止，尚未按统一标准开展过该区经济损失评估。据不完全统计，该区地裂缝和地面沉降造成的接损失达50亿元。 西安
14、地区 据不完全统计，西安地区地裂缝和地面沉降灾直接经济经济损失达40亿元。 山西太原和大同等地区 据不完全统计，山西地裂缝和地面沉降造成的济损失超过10亿元。,五、地面沉降防治对策建议,第四系结构调查 含水层结构及地下水环境问题调查 基底地形与断块构造调查 地面沉降灾害专题调查, 开展全国地面沉降调查 ：, 禁采或限采地下水 优化地下水开采层位 浅层地下水开发利用 地下水人工回灌与含水层修复 沿岸防汛墙工程和地面垫高工程 建立监测预警体系,五、地面沉降防治对策建议,加强科学研究 加强孔隙水运移问题的研究；开展缩减开采地下水水量及回灌地下水缓减地面沉降的实际效果的定量研究；推进地面沉降三维可视化
15、技术的运用；依靠高新技术加强监测工作，建立统一的GPS监测网，普及地下水自动监测技术同时开发和研究干涉合成孔径雷达技术地面沉降监测中的应用。,五、地面沉降防治对策建议,行政手段来控制地面沉降，工作内容有： a 、健全法制，加强管理，规范地下水的开采活动 b 、与周边城市联动，从大区域的范围来系统宏观管理地下水开采地面沉降的研究方法。因为一个地区的含水层不是一个孤立的系统，与周边地区的含水层是连续的，所以控制地面沉降不能仅仅局限于一个封闭的小地区，而应该从大区域的角度来把握全局。,五、地面沉降防治对策建议,六、目前地面沉降主要研究方法,51 地面沉降计算中采用的渗流模型常用的主要有以下几种: 5
16、11 二维模型：含水层中的地下水在水平面内作二维平面流动，含水层之间的粘土、亚粘土则视作不透水。 512 改进的二维模型：含水层中的地下水作水平方向流动，并将粘土、亚粘土层中的压密释水概化为水流模型的源汇项。 513 准三维模型：含水层中的地下水作水平渗流，粘土、亚粘土层中的水流作一维垂向渗流处理。 514 全三维模型：含水层和弱透水层中的地下水流均作三维渗流处理。,通过建立数学模型来实现开采井的优化以及对地面沉降的预测预报。,六、目前地面沉降主要研究方法,52 土体变形模型： 521 线弹性模型：即认为土的应力应变关系符合虎克定律，土层厚度变化与有效应力的变化成正比。这一模型主要用于含水层的
17、变形，即将含水层的变形作为弹性的、可恢复的。另外，在考虑土体的三维变形时，将含水层和粘土、亚粘土层，几乎都看作线弹性体。 522 非线弹性模型：即考虑土体变形的非弹性特性，当地下水位恢复时土体要产生回弹，但不可能完全恢复，且恢复的程度与土质条件、土体所处的应力状态有关。另外土体的变形与土体经历的应力历史有关。因此在计算土体变形时按土体的前期固结应力的大小，需要进行分段处理。 523 流变模型：即认为由于在土体骨架应力作用下土体表面所吸附的水的粘滞性，土体颗粒重新排列和骨架体的错动将具有明显的时间效应。,通过建立数学模型来实现开采井的优化以及对地面沉降的预测预报。,六、目前地面沉降主要研究方法,
18、53 沉降计算模型：根据渗流模型与土体变形模型不同的结合形式，沉降模型大体可分为三类： 531 两步计算模型：主要根据含水层和弱透水层的水位变化来计算有效应力的变化，从而计算各土层的变形量即完全分成各自独立的两步完成，进而求出地面沉降量。 532 部分耦合模型：此类模型也就是耦合的两步模型，一般的表现特征是水位和变形既分步计算又相互影响。地下水流模型和土体变形模型中参数在沉降过程中是变化的，而他们之间的耦合体现在参数随沉降的变化中。 533 完全耦合模型：它考虑土体的变形和地下水渗流的耦合作用，将土的变形和地下水流动置于时间和空间上同步，孔隙水压力和变形同时算出且地下水流和变形都是三维的。从理
19、论上讲，由于全耦合模型参数较多，对大区域地质体刻划能力有限，而难于满足复杂的实际情况，因此在解决实际问题时有很大的困难，实际应用中仍然以前两种模型居多。,通过建立数学模型来实现开采井的优化以及对地面沉降的预测预报。,七、地面沉降监测方法,主要方法有以下几种： a传统测量方法，也即平面水准控制测量 bGPS卫星定位测量 c星载合成孔径雷达干涉测量技术InSAR,七、地面沉降监测方法,根据全国地面沉降现状、地下水降落漏斗中心以及不同地区引发地面沉降的因素，分别建立国家级监测主干网(I级)和省(市)级监测区域网(级)。,地面沉降调查、监测工作及减灾工程措施建议： 1.以长江三角洲、华北平原地区、汾渭地堑地区为重点，综合研究第四系结构、含水层结构和地下水环境、基底地形与断块构造特征，建立三维可视化数字平台； 2.查明全国地面沉降灾害分布状况和演化规律，开展地质灾害风险评估和地质环境安全功能区划； 3.开展地面沉降防治，严格控制地下水开采，实施以控制地面沉降为目标的含水层修复等减灾的工程。,