沿海地区地面沉降地质灾害危险性评估若干重点问题

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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

2、要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 2 1国外地面沉降状况2 1 1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

3、到控制后稍有微量下沉 2 1 2日本东京1920年开始抽水 地下水位 10m 1971年地下水位达 63 94m 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 2 1 3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 2 1 4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 2 1 5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225K

4、m2 2 1 6美国圣华金流域因抽汲地下水及石油 年最大沉降量达54cm 圣克拉克流域因抽汲地下水 累计沉降量41cm 范围650Km2 2 1 7泰国曼谷因抽汲地下水造成大面积沉降 2 2国内地面沉降状况2 2 1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 2 2 2华北地区北京 天津 保定 秦皇岛 沧州 德州 济南 2 2 3东北地区哈尔滨 长春 抚顺 沈阳 锦州 大庆 佳木斯 2 2 4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 2 2 5东南沿海地区广州 福州 厦门 湛江 台北 台南 2 3造成国内地区地面沉降主要原因除了区

5、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 2 4上海地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 1921 1948年地面沉降缓慢发展时期 年平均沉降24mm 1949 1956年地面沉降显著发展时期 年平均沉降增加到40mm 1957 1961年地面沉降急剧发展时期 年平均沉降达110mm 1962 1965年地面沉降进入缓和时期 年平均沉降量减为59mm 1966 1981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

6、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 自1956年修建防汛墙以来 已四次加高 墙顶标高由5米 5 8米至目前的6 9米 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15 10mm 图1 2 5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 201

7、0年将上升4cm 2 0mm a 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15 25cm 至2030年为30 40cm 至2050年为45 55cm 上海地区地壳下沉的预测值为 从1995年起算 至2010年为1 5cm 至2030年为3 5cm 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

8、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

9、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

10、 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4 76m 当时在1959年建成的外滩防汛墙高有4 80m 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4 5 4 6m

11、 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4 98m 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月的8114号台风侵袭 黄浦公园水文站9月1日的最高潮位5 22m 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0 08m 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

12、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 4 1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 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

13、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 5 1危险性综合分区评估地质灾害危险性分区 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 5 2地面沉降地质灾害防治对策控制和减少

14、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53 485km 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 31 32km 高速铁路引入

15、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 165km 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 5 0m 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

16、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 1 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1931 8mm 年均沉降量约23 9mm 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 1921 1965 地面平均累积沉降量为1 69m 年平均沉降37 6mm 后期为缓慢沉降时期 1966至今 平均累积沉降234 2mm 年均沉降约6 5mm 图1 1980 1995年间 评估区内累积地面沉降量在50 125mm 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75 100mm之间 省界段该为50 75mm的沉降区域 年均沉降4 6mm左右 线路存在轻微不均匀沉降 1995 2001年间 工程沿线累计沉降量大多在50 125mm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 198