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1、345 第 8 章 地面沉降和地裂缝的评估与防治8.1 概述8.1.1 地面沉降与地裂缝及其危害地面沉降与地裂缝作为地质灾害的一种灾种区别于崩塌滑坡，它是地面岩土体在自重应力场（或构造应力场的参与）条件下垂向变形破坏及向深部架空或潜在空间方向的运动。美国地质调查局（USGS）1999 年出版的美国地面沉降研究报告中将地面沉降按引发的原因分为地下水开采型（Mining Ground Water-Introduction ）;土壤疏干型（ Drainage of Organic Soils-Introduction ）； 和 洞 穴 塌 陷 型 （ Collapsing Cavities-Intr
2、oduction）三种类型。按成因机制地下水开采与土壤疏干属于同一类型，两者的区别前者是将地下水作为水资源开采，后者则是为了开垦湿地采取排水疏干，但两者均因下伏土层中地下水位的降落，有效应力的降低造成固结压密而引起地面沉降。这类地面沉降多为区域性的，在一定条件下随沉降伴生地裂缝。洞穴塌陷包括岩溶塌陷和地下采掘洞穴塌陷，塌陷的范围局限于洞穴和地下洞室的影响带。美国地质调查局的分类中没有包括与区域性构造变动和海水面升降相联系的地面沉降。根据我国地质灾害防治和工程实践的实际情况，我国的地面沉降可划分为：（1）区域性地面沉降这类地面沉降通常涉及的范围很大，具区域性特征，按成因主要可分为：区域性构造变动
3、引起的地面沉降；海面升降引起的地面沉降；地震引起的地面沉降； 地下水（油、气）开采引起的地面沉降。上述区域性地面沉降中，前三者主要与自然因素有关，后者主要与人类工程活动有关。它们之间往往可有不同的组合方式。（2）岩溶塌陷地面沉降（3）地下采空区塌陷地面沉降由于区域性地面沉降及与其相联系的地裂缝波及的面积大，危害性更大，所以是世界各国尤为关注的问题。自上个世纪50 年代以来，区域性地面沉降及地裂缝已成为我国城市发展中的重大地质灾害之一，国土资源部已将它列为地质灾害危害性评估的三大灾害之一。我国对地下水开采引起地面沉降的研究始于60 年代上海市地面沉降的研究。上海市的地面沉降从 1921 年至 1
4、965 年间处于一个发展期，当时中心城区地面下沉达1.76，最大沉降量346 2.63（北京路、西藏路），地面标高已低于黄浦江高潮水位2左右。 1965年以来，经过采取压缩地下水的开采量，进行人工回灌措施，逐步得到控制。但自从上个世纪80年代以来，随着城市建设的加速发展，地面沉降已波及到50 多个城市，其中包括了滨海平原及河流三角洲地区的城市如上海、天津、沧州、宁波、嘉兴、湛江、海口、台北、基隆等；东部近海冲积平原，如长江下游的苏州、无锡、常州，黄淮海河平原的北京、德州、沧州、郑州、阜阳、荷泽、邯郸等，松辽平原的沈阳、哈尔滨、佳木斯等；以及一些内陆盆地城市，如西安、太原、大同、包头等。地面沉降
5、与地裂缝可能造成下列直接或间接的灾害。（1）地面沉降及地裂缝会造成建筑物的直接破坏，如房屋、桥梁破裂跨塌，地下管道、通道的断裂和破损等。（2）地面沉降可能造成近海和河流附近地面低于海潮或洪水警戒线而造成海潮和洪水袭击及海水倒灌恶化地下水质，造成土壤盐碱化等。（3）地面沉降引起的地裂缝往往可成为地面污染源侵入深部地下水源的通道，造成水质污染。（4）城市地下水位大面积，大幅度的降落，改变了地质体的热容量，可能会造成热岛现象，破坏了原有的生态环境。（5）地裂缝常常可成为深部有害气体逸出地面的通道，尤其是氡气的超标，对人体的健康的危害是极为严重的。岩溶塌陷和地下采掘引发的陷落大多是突发性的，而区域性的
6、地面沉降造成的危害除突发性的地裂缝可能发生突发性事故以外，主要是通过缓慢而累进性下沉的后果致灾。然而一旦灾害形成，则往往是大范围的综合性的灾害，造成生态环境的严重破坏，且难于恢复早先的状态。也许正是这一特点，人们容易对这一灾害的危害程度及需要及早采取系统的控制措施缺乏足够的认识，这是在防治这类灾害工作中应引以为鉴的。8.1.2 近几年我国区域性地面沉降与地裂缝灾情（1）西安市区出现新的地裂缝西安市的地面沉降与地裂缝从上个世纪50 年代以来一直是该市的主要地质灾害之一，市区有十一条长大裂缝，呈NEE 向分布。裂缝出露于梁与洼地卸接部位，总长超过 70Km，延伸长度 115Km。抽水引起的地面沉降
7、以地裂缝为边界，由此引起地裂缝的活动量占总量的 8。据不完全统计， 截止 1999年地裂缝活动已毁坏楼房170 多座，厂347 房 57 座，民房 1800 多间，道路 90 多处，错动供水、供气管道50余次。西安古城墙，大雁塔等著名古迹也形成不同程度的损坏，西安钟楼已下沉了一米之多，大雁塔向西北方向倾斜了近一米。 2001 年 7 月 27 号，西安市大雁塔风景区的曲江池西村耕地里又出现一条新的地裂缝，与早先的地裂缝大体平行，延伸长度1500 余米。据陕西省地质环境监测总站调查，缝宽8-50cm，可见深度 120cm，裂缝出现于一场暴雨之后，所幸未造成严重灾害。值得注意的是 1999 年 7
8、 月，在与西安所处的汾渭地堑的北侧陕西省泾阳县出现了一条近东西向，长2000 多米的地裂缝。地裂缝穿过泾阳县龙泉乡沙沟村，裂缝最宽处大于 1m，裂缝穿过的数十户民房造成砖墙开裂错位，地面下陷等破坏。（2）北京市区地裂缝在继续活动北京市顺义区木林 -塔河一带 1985 年以来出现地裂缝 (赵中海等， 2001)，裂缝大体沿 N3055E 方向展布， 断续延伸 25Km 左右。在北影 道仙庄之间地裂缝展宽达800多米。 1985 年以来一直在持续活动，并造成建筑物破坏。已有测试表明平均沉降量为5.3mm，并有右旋错位。有差异沉降，可达100mm 左右(北京地质工程勘察院， 1998)。研究表明地裂
9、缝主要与其邻近的断裂的活动有关(赵中海等， 2001)。（3）大同、临汾一带地裂缝活动大同市区已发现有9 条总长 30 多 Km 的地裂缝 (李树德等， 2002)。展布方向 NE 和NEE 俩个方向，具右旋错动拉张扩展特征,造成城市建筑物破坏 .临汾市区临汾市区地裂缝主要分布在临汾凹陷区中部， 主要发育有 NNE 向的裂缝，最早出现于上世纪70年代，8090年代有所加强，研究认为是基底断裂右旋扭动作用的产物（董东林，2000） 。（4）沿海平原地带的地面沉降浙江抗嘉湖平原到沿海地带普遍地面沉降，根据浙江地质环境监测总站报道，90年代以来浙江乡镇企业工业用水大幅增加，超采地下水资源引发抗嘉湖平
10、原至沿海地带地面沉降加重，嘉兴地区因地面沉降近几年已遭受了多次洪水侵袭，所造成的后果已难于恢复。此外，海南省海口市地面沉降，面临海水倒灌，土地盐碱化威胁；天津港人工港区地面沉降严重影响港区地面的稳定性。这些地面沉降都与过量地下水开采有关，已引起有关部门的重视和采取相应的措施。348 8.1.3 我国区域性地面沉降控制工程的进展我国一些有多年经历的重要地面沉降地区，通过专业人员和地方政府共同努力，在沉降控制方面已取得一些进展。（1）上海市地面沉降速率已开始回落上海市地面沉降从上个世纪60 年代以来一直是上海市防灾的一项重要工程，并取得了宝贵的经验。市区在1960 年 1963 年期间，地面沉降速
11、率从35mm/a 增加到105mm/a，市政府及有关部门采取了减小地下水开采量，人工回灌及调整开采层次等措施，才使得过快发展的地面沉降得以控制，平均下降率迅速降低为1965年的 22mm/a，至 19661990 年仅为 2.5mm/a，地面沉降得到较好的控制。但19911996年，地面沉降率再次呈上升趋势，沉降速率升高至10.2mm/a。近年来市政府有关部门采取“ 严格控制，合理开采 ” 的原则，加大对地下水开发利用和管理的力度，取得显著成效。全市地下水的开采量从 1996 年的 1.5 万亿立方米下降到1999年的 1.04 万亿立方米，地下水开采量恢复到 80 年代水平，地面沉降率开始下
12、降。（2）西安市地下水位出现回升，地面沉降有所缓解1996年西安市黑水河引水工程完成， 古城有了地表供水水源， 结束了西安长期依靠饮用地下水的历史。三年来累计封停了358 眼自备井，地下水位已开始回升。据陕西省地质环境监测总站报导， 西安市区已有 4070%的监测点地下水位回升， 与 2000年相比，最大上升了 6.67m。从而有望对地面沉降和裂缝的发展有所缓解。（3）苏锡常地区地面沉降开展系统调研苏锡常 (苏州、无锡、常州 )地区也是我国地面沉降的重灾区，自1927年以来，至今该地区已有深井4831 眼，且开采水量 100 余万立方米，开采含水层的泵压水头已由原先埋深 2m 下降到 80 多
13、米，形成一近 10000Km2的区域性地下水头降落漏斗， 漏斗中心地区地下水已进入疏干状态。江苏省水文工程勘察院开展了系统研究，根据锡山市区一国家二等水准点测量资料对地面沉降动态做了分析。资料显示该水准点从1959 年至1999 年共下沉了 1.844m，平均年下沉量达46mm/a，其中 19801985 年是地面沉降发展最快的时期，平均 117mm/a ； 19851990年和 19601980年的沉降率相近，为 83mm/a，1990年以后的地面沉降速度减缓，降为 3mm/a。该项研究对苏州、无锡、常州地区与地面沉降相伴生的地裂缝做了详细调查，90 年代以来出现了 13 处灾点，造成道路、
14、民房、办公大楼、工厂、学校等建筑物开裂、倾斜、破坏。调查研究还对这一地区地裂缝形成349 的原因做出了分析，认为与这一地区为断陷性火山盆地有关，基岩面地貌格局主要由中生代末火山运动造成，断裂褶皱发育，古地形起伏，准平原化程度低，因而上覆盖层随基岩面起伏厚薄不一，造成地面差异沉降而形成地裂缝。相反，上海、天津等沿海城市虽然下沉量远超过苏锡常地区，但未出现类似的裂缝。该项调查不仅指导了该区地面沉降的防治工作，并且对认识我国地面沉降的基本特征具有重要意义。8.1.4 学习要点和方法地面沉降从广义上讲，包括了区域性地面沉降，岩溶塌陷和采空区塌陷等。目前国内外工程界所研究的地面沉降主要是指由抽取液体(以
15、地下水为主，也包括油、气)所引起的区域性地面沉降。我国岩土工程勘察规范中规定的，在较大面积(100km2以上)内由于抽取地下水引起水位下降或水压下降而造成的地面沉降，列为区域性地面沉降。本教材以区域性地面沉降及与它相联系的地裂缝为重点，附带简要介绍岩溶塌陷和地下采空区塌陷问题。8.2 区域性地面沉降8.2.1 区域地面沉降的成因及主要类型区域性地面沉降的形成原因可分为自然因素和人为因素两大类。(1)自然因素引起的地面沉降 新构造运动升降引起的地面下沉以垂直升降为主的新构造运动可使地面随基底而升降。我国天津、西安和大同等城市的地面沉降均受到新构造运动的影响。例如，天津处于新华夏构造体系华北沉降带
16、，长期以来缓慢下沉。 强烈地震引起的地面沉降强烈地震是新构造运动的一种突发事件，在短期内可引起变幅较大的区域性地面垂直变形。此外，强震使软土地基震陷和古河道新近沉积土液化，也可造成局部地区的地面下沉。例如我国海城1975 年 2 月 4 日的 7.3 级地震，震中区以西2560 Km 的下辽河平原，数百平方公里范围内的砂土强烈液化，引起大面积地面沉降，伴有喷水冒砂，许多道路、桥梁、工业设施、民用建筑、水利工程和堤防遭受破坏。1976 年 7 月 28日的 7.8 级地震引起了滦河口以西至宁河一带，数千平方公里范围内发生砂土液化，造成重大灾害，大量工业民用建筑物、道路、桥梁由于强烈沉降而被毁。其他如1966 年的350 邢台地震、1969年的渤海地震也都引起过区域性的砂土液化型的地面沉降。国外如 1964 年日本新泻地震、1964 年美国阿拉斯加地震等， 也都引起过区域性砂土液化型地面沉降。 海平面上升引起地面相对下降海平面上升导致地面的对下降。如意大利威尼斯市，据资料当地海平面上升速率为1.27mm/年，所引起的地面相对下沉约占该地区年
