环境地质学环境地质学分论——若干地质环境问题的论述 地面沉降地面沉降 提提 纲纲一、概述一、概述二、我国地面沉降现状二、我国地面沉降现状三、地面沉降形成机理及规律三、地面沉降形成机理及规律四、地面沉降的时空特征四、地面沉降的时空特征五、地面沉降主要特点五、地面沉降主要特点六、地面沉降的调查与评价六、地面沉降的调查与评价七、地面沉降监测与预测七、地面沉降监测与预测八、地面沉降防治八、地面沉降防治 一、概述一、概述u地面沉降地面沉降 定义定义: :地壳运动或开采地下流体引起的区域性地面标高降低 区别于地表塌陷、地裂缝区别于地表塌陷、地裂缝 世界上已有世界上已有 50 多个国家和地区发生了地面沉降，比较严重的国家多个国家和地区发生了地面沉降，比较严重的国家是美国、日本、墨西哥和意大利等我国也有是美国、日本、墨西哥和意大利等我国也有 50 多个大中城市出现多个大中城市出现了不同程度的地面沉降，较严重的有上海、天津、台北、苏州、常州、了不同程度的地面沉降，较严重的有上海、天津、台北、苏州、常州、无锡、宁波等无锡、宁波等 u地面沉降灾害地面沉降灾害《《地质灾害分类分级标准（试行）地质灾害分类分级标准（试行）》》（（DZ0238-2004））定义定义：在自然和人为作用下发生的大面积地表高程降低，并对社会经济和环境造成危害的地质现象或过程。
地面沉降灾害会给城市建筑物、道路交通、管道系统及给排水、防地面沉降灾害会给城市建筑物、道路交通、管道系统及给排水、防洪等带来诸多困难因此，城市地面沉降已被列为十大地质灾害之一洪等带来诸多困难因此，城市地面沉降已被列为十大地质灾害之一它具有生成缓慢、持续时间长、成因复杂和防治难度大等特点，其影响它具有生成缓慢、持续时间长、成因复杂和防治难度大等特点，其影响范围之广、治理难度之大远远超过了其它城市地质灾害范围之广、治理难度之大远远超过了其它城市地质灾害 一、概述一、概述 地面沉降的危害地面沉降的危害一、概述一、概述 71 1、洪涝灾害加剧、洪涝灾害加剧一、概述一、概述 地面沉降长期发展，使沉降中心的地面沉降长期发展，使沉降中心的地面高度明显地面高度明显降低降低，形成碟型洼地，改变了原始地表水径流条件，，形成碟型洼地，改变了原始地表水径流条件，影响排涝和排水管网运行能力，若遇较大洪水，就积影响排涝和排水管网运行能力，若遇较大洪水，就积水难排 8 地面沉降尤其是地面沉降尤其是不均匀沉降及其引发的地裂缝不均匀沉降及其引发的地裂缝，会造，会造成铁路的路基沉降、桥梁裂缝、沥青路面开裂、地下管道成铁路的路基沉降、桥梁裂缝、沥青路面开裂、地下管道错断、供水井井管上升、泵房报废等；特别是对标高要求错断、供水井井管上升、泵房报废等；特别是对标高要求严格的堤坝、水闸、桥梁、铁路、高架道路等基础设施标严格的堤坝、水闸、桥梁、铁路、高架道路等基础设施标高一旦降低，将使得安全运营和维护成本增高，造成的房高一旦降低，将使得安全运营和维护成本增高，造成的房屋开裂倒塌，甚至直接威胁到人的生命安全。
屋开裂倒塌，甚至直接威胁到人的生命安全 一、概述一、概述2 2、建筑物基础下沉、工程设施毁坏、建筑物基础下沉、工程设施毁坏 9一、概述一、概述3 3、导致地下水环境恶化、导致地下水环境恶化 地面沉降所造成的地面标高下降和积水洼地的形成，地面沉降所造成的地面标高下降和积水洼地的形成，严重影响着城市污水的排放，所造成的排污管道破坏也严重影响着城市污水的排放，所造成的排污管道破坏也使污水溢出，这都会污染地下水在沿海地区，地面沉使污水溢出，这都会污染地下水在沿海地区，地面沉降还会造成海水入侵或海水倒灌，使地下水矿化度增高，降还会造成海水入侵或海水倒灌，使地下水矿化度增高，并引起土壤盐渍化部分内陆地区在地面沉降过程中，并引起土壤盐渍化部分内陆地区在地面沉降过程中，劣质地下水和许多有毒、有害元素污染的地下水会随着劣质地下水和许多有毒、有害元素污染的地下水会随着含水层的压密释水向淡水扩散，造成地下水水质变差含水层的压密释水向淡水扩散，造成地下水水质变差 10一、概述一、概述4 4、滨海地区风暴潮及海岸侵蚀加重、滨海地区风暴潮及海岸侵蚀加重 在沿海地区，地面沉降会造成在沿海地区，地面沉降会造成海平面相对上升海平面相对上升，风，风暴潮灾害加重。
地面沉降使天津市部分地区已处于海平暴潮灾害加重地面沉降使天津市部分地区已处于海平面以下，伴生的风暴潮灾害加剧面以下，伴生的风暴潮灾害加剧 11 根根据据长长江江三三角角洲洲、、华华北北地地区区、、汾汾渭渭地地堑堑主主要要城城市市等等的的研研究究，，粗粗略略统统计计，，建建国国以以来来，，我我国国地地面面沉沉降降和和地地裂裂缝缝造造成成的的损损失失累累计计高高达达45004500～～50005000亿亿元元，，其其中中，，直直接接经经济济损损失失累累计计为为350350～～400400亿亿元元，，年年均均总总损损失失为为9090～～100100亿亿元元, ,年均直接损失年均直接损失8 8～～1010亿元一、概述一、概述 12 13 到到20032003年年地地面面沉沉降降面面积积已已达达到到93,855km93,855km2 2，，形形成成长长三三角角、、华华北北平平原原、、和和汾汾渭渭盆盆地地等等地地面面沉沉降降灾灾害害严重区二、我国地面沉降现状二、我国地面沉降现状 三、地面沉降的形成机理及规律三、地面沉降的形成机理及规律14u1 1、、饱水多孔介质的失水压密原理σ=σ’ +µ σ=γ土 ·H µ= γ水·hσ=(σ’+△σ’)+(µ-△µ)△σ’ =△µ 太沙基有效应力原理太沙基有效应力原理 15（（1 1）抽水条件下饱水多孔介质含水层的失水压密）抽水条件下饱水多孔介质含水层的失水压密 由太沙基公式可以看出，抽水时，含水层水位下降，会使颗粒间的由太沙基公式可以看出，抽水时，含水层水位下降，会使颗粒间的孔隙水压力变小孔隙水压力变小，由于上覆地层，由于上覆地层自重不变自重不变，为保持平衡，，为保持平衡，有效应力必然有效应力必然会增大会增大。
如果有效应力的增量（附加应力）大于颗粒间的摩擦阻力时，如果有效应力的增量（附加应力）大于颗粒间的摩擦阻力时，颗粒就会位移、错动，形成更紧密的排列，含水层压密，体积变小，地颗粒就会位移、错动，形成更紧密的排列，含水层压密，体积变小，地面下沉，直至形成新的压力平衡面下沉，直至形成新的压力平衡 式中，Δσ’为有效应力的增量；Δμ为孔隙水压力的增量，因抽水是减压过程，所以用负值表示，|Δμ|为孔隙水压力增量的绝对值 16（（2 2）注水条件下饱水多孔介质含水层厚度变化）注水条件下饱水多孔介质含水层厚度变化 如果注水或水位恢复上升时，孔隙水压力如果注水或水位恢复上升时，孔隙水压力μμ会增大且为正值，由会增大且为正值，由于上覆地层自重不变，于上覆地层自重不变，水的浮托力会使有效应力减小水的浮托力会使有效应力减小，颗粒会变得松，颗粒会变得松散，在宏观上含水层厚度变大散，在宏观上含水层厚度变大 17（（3 3）地面加载条件下饱水多孔介质含水层的失水压密）地面加载条件下饱水多孔介质含水层的失水压密 地面加载会使总压力地面加载会使总压力σσ增大，孔隙水压力和有效应力也随之增大。
增大，孔隙水压力和有效应力也随之增大如果如果ΔσΔσ’大于粒间阻力，而且大于大于粒间阻力，而且大于ΔμΔμ时，会引起骨架压密，表现为时，会引起骨架压密，表现为含水层总体积变小，水将从孔隙中挤出，进入水井中这种平衡状态可含水层总体积变小，水将从孔隙中挤出，进入水井中这种平衡状态可用下式表示：用下式表示： 18u2 2、、不同类型岩土失水压密特点 （（1 1）砂粒质含水层失水压密特点）砂粒质含水层失水压密特点 ① ①砂砾质含水层一旦被抽汲，砂砾质含水层一旦被抽汲，释水快释水快，压力传递快，压密作用显现，压力传递快，压密作用显现得快，地面可在较短时间内出现沉降，即得快，地面可在较短时间内出现沉降，即滞后时间短滞后时间短，延迟效应不明显；，延迟效应不明显； ② ②由于砂砾质含水层本身的孔隙度较小，可供压密的空间小，所以，由于砂砾质含水层本身的孔隙度较小，可供压密的空间小，所以，地面总沉降量较小地面总沉降量较小；； ③ ③砂砾质含水层颗粒间为硬连接，失水和充水能够以砂砾质含水层颗粒间为硬连接，失水和充水能够以可逆方式进行可逆方式进行，，形成的地面沉降具有形成的地面沉降具有弹性变形的特点弹性变形的特点，抽水时，地面下沉，水位恢复时，，抽水时，地面下沉，水位恢复时，又可回弹。
又可回弹 19（（2 2）粘性土的失水压密特点）粘性土的失水压密特点 ① ①粘性土孔隙虽小，但孔隙度大，远远超过砂砾质土，粘性土一旦粘性土孔隙虽小，但孔隙度大，远远超过砂砾质土，粘性土一旦失水压密，失水压密，可压缩空间大可压缩空间大，能够产生较大的地面下沉量；，能够产生较大的地面下沉量； ② ②由于粘性土中的水主要是结合水，水压传递和应力消散慢，失压由于粘性土中的水主要是结合水，水压传递和应力消散慢，失压后需要相当长的时间才可建立新的压力平衡，所以抽水对它的影响来得后需要相当长的时间才可建立新的压力平衡，所以抽水对它的影响来得慢，即慢，即滞后时间长滞后时间长，，延迟效应也十分明显延迟效应也十分明显，这就是为什么在许多粗细颗，这就是为什么在许多粗细颗粒相迭置的地下水分布区抽水时地面沉降不明显，水位恢复后，地面沉粒相迭置的地下水分布区抽水时地面沉降不明显，水位恢复后，地面沉降仍会持续发展的原因；降仍会持续发展的原因； ③ ③粘性土失水压密过程失去的水主要是结合水，骨架的压密是塑性粘性土失水压密过程失去的水主要是结合水，骨架的压密是塑性变形，两者都是变形，两者都是不可逆过程不可逆过程，所以，所造成的，所以，所造成的地面沉降大部分是永久性地面沉降大部分是永久性的。
的 20u 1 1、、垂直位移的变化图图1 江苏张家港市、广东珠海市的地面沉降江苏张家港市、广东珠海市的地面沉降四、地面沉降的时空特征四、地面沉降的时空特征 21图图3 垂直位移量的空间变化垂直位移量的空间变化规律性：由沉降中心向周边方向逐渐减小四、地面沉降的时空特征四、地面沉降的时空特征 地面沉降以地层的垂直位移变形为主，并随各地点有效应力增量地面沉降以地层的垂直位移变形为主，并随各地点有效应力增量大小的不同而不同大小的不同而不同 22BABO垂直位移量四、地面沉降的时空特征四、地面沉降的时空特征由于垂直应变不均匀，在沉降区中心，两侧土体会向中心挤压，产生剪切破裂面，地面出现地裂缝 23图图4 上海闵行区华漕地面沉降与地下水位变化发展趋势上海闵行区华漕地面沉降与地下水位变化发展趋势垂直位移量随着地下水位的降低而逐渐增大 四、地面沉降的时空特征四、地面沉降的时空特征 24图图5 苏锡常地区地面沉降面积不断扩大苏锡常地区地面沉降面积不断扩大1985年年1991年年2000年年四、地面沉降的时空特征四、地面沉降的时空特征 25u 2、水平位移的变化图图6 在亚利桑那州皮卡乔附近，在亚利桑那州皮卡乔附近，因抽地下水的沉降引发地裂缝。
因抽地下水的沉降引发地裂缝图图7 河北沧州因开采地河北沧州因开采地下水而产生的地裂缝下水而产生的地裂缝四、地面沉降的时空特征四、地面沉降的时空特征 26图图8 水平位移量的空间变化水平位移量的空间变化规律性：最大位移在沉降中心的两侧，沉降中心及最外围较小四、地面沉降的时空特征四、地面沉降的时空特征 地面沉降垂直变形的过程中，土体也会形成侧向拉力，产生水平位移地面沉降垂直变形的过程中，土体也会形成侧向拉力，产生水平位移与垂直位移相比，水平位移形成的变形量要小得多，与垂直位移相比，水平位移形成的变形量要小得多， 27图图9 地面破坏的表现形式地面破坏的表现形式四、地面沉降的时空特征四、地面沉降的时空特征 u 3、抽水对地面沉降的影响28（（1 1）抽水量的影响）抽水量的影响规律性：抽水量越大，沉降量、沉降速率和沉降范围越大四、地面沉降的时空特征四、地面沉降的时空特征 29（（2 2）抽水方式的影响）抽水方式的影响连续抽水，抽水量恒定，补给充沛连续抽水，抽水量恒定，补给不足 间断抽水，抽水量恒定 间断抽水，抽水量不定 四、地面沉降的时空特征四、地面沉降的时空特征eб图图11 11 土体反复受压缩过程土体反复受压缩过程 30（（3 3）开采布局的影响）开采布局的影响图图12 12 不同的开采布局对地面沉降的影响不同的开采布局对地面沉降的影响四、地面沉降的时空特征四、地面沉降的时空特征 31u 4、地层对地面沉降的影响（（1 1）地层岩性的影响）地层岩性的影响图图13 13 不同的地层岩性对地面沉降的影响不同的地层岩性对地面沉降的影响规律性：砂砾层的压缩量小于等有效应力作用下粘性土的压缩量。
四、地面沉降的时空特征四、地面沉降的时空特征 32（（2 2）地层厚度的影响）地层厚度的影响图图14 14 不同的地层岩性对地面沉降的影响不同的地层岩性对地面沉降的影响规律性：粘性土的累积厚度越大，压缩总量越大四、地面沉降的时空特征四、地面沉降的时空特征 33（（3 3）地层组合的影响）地层组合的影响图图15 不同的地层组合对地面沉降的影响不同的地层组合对地面沉降的影响规律性：在同等开采条件下，粘性土层数越多，沉降速率越大四、地面沉降的时空特征四、地面沉降的时空特征 34图图16 16 在某些情况下地下水开采漏斗区与地面沉降中心并不一致在某些情况下地下水开采漏斗区与地面沉降中心并不一致四、地面沉降的时空特征四、地面沉降的时空特征 35区域易发性时间累进性过程渐变性成因复杂性难以逆转性五、地面沉降的主要特点五、地面沉降的主要特点 区域易发性区域易发性 国内：国内：1717个省个省（区市）（区市）9595个个城市城市多多 见见面面 广广国外：国外：200200多多个城市或地个城市或地区区三角洲平原三角洲平原：：上海、苏锡常、南通、嘉兴、桐乡、海宁、广州、珠海、中山、台山、东莞等城市。
冲积－海积平原：冲积－海积平原：唐山、沧州、衡水、任丘、河间、南宫、保定等12个沉降中心；天津、盐城、大丰、宁波、温州、台州、海口、北海等城市冲积－洪积平原冲积－洪积平原：：北京、许昌、濮阳、开封、商丘、洛阳、安阳；济宁、阜阳等城市河谷平原和山间盆地河谷平原和山间盆地：：西安、太原、大同、榆次、临汾、昆明福州等城市 Ø世界上最早发现世界上最早发现地面沉降：地面沉降：18981898年年在在日本新泻日本新泻；；Ø有有5050多个地区的多个地区的地面沉降量达到了地面沉降量达到了10m10m（墨西哥、日（墨西哥、日本、美国等）本、美国等）Ø中国最早发现地面中国最早发现地面沉降：沉降：19211921年年上海上海；；Ø总沉降面积达总沉降面积达5 5万万多多kmkm2 2；；Ø最大沉降量最大沉降量3.14m3.14m（天津塘沽区）（天津塘沽区） 时间累进性时间累进性长江三角洲典型城市地面沉降发展历时曲线 过程渐变性过程渐变性锡西地区石塘湾镇历年地面沉降图 成因复杂性成因复杂性影响因素多影响因素多构造沉降：新构造沉降、断裂活动构造沉降：新构造沉降、断裂活动软土层次固结变形沉降软土层次固结变形沉降排水固结变形沉降排水固结变形沉降工程加荷引起承载土体固结变形沉降工程加荷引起承载土体固结变形沉降复合性强复合性强二种、三种或四种因素叠加，综合作用二种、三种或四种因素叠加，综合作用 后果不可逆性后果不可逆性粘性土粘性土释水压密时，结构发生不可逆转的变化，即使释水压密时，结构发生不可逆转的变化，即使孔隙水压力恢复，粘性土仍保持压密状态，发生塑性孔隙水压力恢复，粘性土仍保持压密状态，发生塑性变形。
变形当地下水水位持续下降，含水层附加应力增加至其前当地下水水位持续下降，含水层附加应力增加至其前期固结压力时，含水层通过颗粒间的明显滑动与滚动期固结压力时，含水层通过颗粒间的明显滑动与滚动来调整含水层颗粒骨架而逐渐形成新的应力平衡当来调整含水层颗粒骨架而逐渐形成新的应力平衡当含水层附加应力超过其的前期固结压力时，也将呈现含水层附加应力超过其的前期固结压力时，也将呈现塑性变形特征塑性变形特征地面沉降造成的社会经济损失是不可挽回的地面沉降造成的社会经济损失是不可挽回的 地质环境条件；地质环境条件；人类工程经济活动的方式、强度；人类工程经济活动的方式、强度；地面沉降现状与发生发展历史；地面沉降现状与发生发展历史；分析预测沉降发展趋势及可能的成灾范围；分析预测沉降发展趋势及可能的成灾范围；了解地面沉降勘查、监测和防治现状（人工回灌、控了解地面沉降勘查、监测和防治现状（人工回灌、控制地下水开采量等措施）及效果，提出预防与控制地面制地下水开采量等措施）及效果，提出预防与控制地面沉降的建议沉降的建议六、地面沉降的调查与评价六、地面沉降的调查与评价 u 平原区地质环境条件42地质构造：地质构造：新构造沉降、活动断裂；新构造沉降、活动断裂；地形地貌地形地貌：滨海平原、三角洲平原、冲积－海积平原、冲积：滨海平原、三角洲平原、冲积－海积平原、冲积－湖积平原、冲积－洪积平原前缘、山间盆地的地表形态及－湖积平原、冲积－洪积平原前缘、山间盆地的地表形态及高程变化、水系分布及流向、湖沼水域面积及其变化；高程变化、水系分布及流向、湖沼水域面积及其变化；松散沉积层松散沉积层厚度、岩性、垂向组合；厚度、岩性、垂向组合；各土体各土体（重点是软弱压缩层）的分布及其工程地质特征；（重点是软弱压缩层）的分布及其工程地质特征；含水层含水层的分布、厚度、补给条件。
的分布、厚度、补给条件六、地面沉降的调查与评价六、地面沉降的调查与评价 u 人类工程经济活动的方式、强度43地下水、油气资源的地下水、油气资源的开采利用开采利用现状；现状；地下水水位地下水水位降低及影响范围；降低及影响范围；城市建设（路、桥、高层建筑、地下工程等）对地质环境的城市建设（路、桥、高层建筑、地下工程等）对地质环境的影响程度、施工中和竣工后出现的地质环境问题影响程度、施工中和竣工后出现的地质环境问题六、地面沉降的调查与评价六、地面沉降的调查与评价 u 地面沉降现状与发生发展历史44地面沉降区沉降发生时间、分布范围、形状、面积及累计地面沉降区沉降发生时间、分布范围、形状、面积及累计沉降量、历年变化与沉降速率的调查与分析；沉降量、历年变化与沉降速率的调查与分析；地面沉降影响因素分析；地面沉降影响因素分析；地面沉降造成的直接与间接经济损失评估地面沉降造成的直接与间接经济损失评估六、地面沉降的调查与评价六、地面沉降的调查与评价 实例介绍实例介绍45长江三角洲（长江以南）地下水资源与长江三角洲（长江以南）地下水资源与地质灾害调查评价（地质灾害调查评价（1：：25万）万）南京地质矿产研究所江苏省地质调查研究院上海市地质调查研究院浙江省地质调查研究院 46v长江三角洲平原第四纪地质特征ü 厚度大，变化迅速厚度大，变化迅速 第四系厚度160－210米，自西向东、自南向北厚度增大；上海浦东第四系厚度250米左右；苏锡常地区第四系相对较薄，厚度变化大，第四系厚度100－200米，地下潜山分布区仅60－80米。
ü 成因类型多，沉积相变快成因类型多，沉积相变快 海相、海陆过渡相、冲积相、冲洪积相、湖相和湖沼相ü 历经破坏，难以对比历经破坏，难以对比 经历了长江大沉积、大破坏的形成过程，保留下来的第四系已非连续沉积，加大了建立第四纪地层层序、进行区域第四系划分对比的难度Ø 地质环境条件调查 47Ø充分收集、分析区内钻孔资料、物探资料；Ø有针对性地部署了有针对性地部署了6 6个第四系综合测试孔，系统采集了古地磁个第四系综合测试孔，系统采集了古地磁测试、孢粉、微体古生物分析、测试、孢粉、微体古生物分析、1414C C测年、测年、ESRESR测年、热释光测年、测年、热释光测年、粒度分析、重矿物、碳酸盐等样品，建立了依据较充分的第四系基粒度分析、重矿物、碳酸盐等样品，建立了依据较充分的第四系基准孔Ø由多个基准孔带动区内各类钻孔第四纪地层的划分和对比由多个基准孔带动区内各类钻孔第四纪地层的划分和对比Ø在对第四系沉积结构新认识的基础上，进一步完善了区内含水在对第四系沉积结构新认识的基础上，进一步完善了区内含水层组的划分和对比，确定地下水资源评价的边界条件层组的划分和对比，确定地下水资源评价的边界条件。
Ø 技术路线 Ø 地面沉降现状与发生发展历史调查、分析 48Ø地面沉降迹象及损失调查访问Ø井管拔高、海水倒灌，河（渠）水倒流、港口、码头或堤岸井管拔高、海水倒灌，河（渠）水倒流、港口、码头或堤岸失效加高、桥梁净空减少、城市排水不畅、河流泄洪能力降低、失效加高、桥梁净空减少、城市排水不畅、河流泄洪能力降低、建筑物破坏、农田受淹、一次降水过程地面积水范围等建筑物破坏、农田受淹、一次降水过程地面积水范围等 49Ø地下水超量开采地下水超量开采是长江三角洲区域地面沉降的主要影响因素是长江三角洲区域地面沉降的主要影响因素（上海市区（上海市区90年代占年代占70%）Ø 地面沉降随地下水的开采而持续发展地面沉降随地下水的开采而持续发展 Ø 年内沉降量随地下水位的升降而变化年内沉降量随地下水位的升降而变化Ø 地面沉降速率受地下水位控制地面沉降速率受地下水位控制 地面沉降影响因素分析地面沉降影响因素分析地面沉降影响因素分析地面沉降影响因素分析Ø大规模城市建设、建筑物荷载大规模城市建设、建筑物荷载是长江三角洲城市局部地区地是长江三角洲城市局部地区地面沉降的重要影响因素（上海市区面沉降的重要影响因素（上海市区90年代占年代占30%）。
Ø代表性高层建筑与所在地区对比代表性高层建筑与所在地区对比Ø典型区对比典型区对比 Ø 地质环境地质环境是区域地面沉降重要的是区域地面沉降重要的内在因素内在因素Ø松散沉积层厚度、岩性松散沉积层厚度、岩性Ø松散沉积层垂向组合松散沉积层垂向组合Ø含水层补给条件含水层补给条件50 地面沉降影响因素分析地面沉降影响因素分析地面沉降影响因素分析地面沉降影响因素分析 六、地面沉降的监测与预测六、地面沉降的监测与预测51（（1））基岩标、分层标组基岩标、分层标组； ； （（2））地下水动态监测网地下水动态监测网；； （（3））水准监测网水准监测网 52u 地面沉降自动监测系统建设（（1）） 自动化监测系统组成自动化监测系统组成七、地面沉降的监测与预测七、地面沉降的监测与预测 53（（2 2）） JSJS型静力水准自动化监测系统型静力水准自动化监测系统 七、地面沉降的监测与预测七、地面沉降的监测与预测 54（（3 3）数据自动采集及处理）数据自动采集及处理七、地面沉降的监测与预测七、地面沉降的监测与预测 55 对抽水引起的地面沉降进行预测，因影响因素复杂，对抽水引起的地面沉降进行预测，因影响因素复杂，预测难度较大。
近年来，国内外对此作了大量的研究工作预测难度较大近年来，国内外对此作了大量的研究工作我国地面沉降问题较严重的几个城市也先后进行了系统的沉我国地面沉降问题较严重的几个城市也先后进行了系统的沉降量观测、模型试验、沉降量计算和预测工作降量观测、模型试验、沉降量计算和预测工作Ø 统计模型统计模型Ø 传统的理论模型传统的理论模型Ø 数值方法数值方法七、地面沉降的监测与预测七、地面沉降的监测与预测 56这种方法适用于这种方法适用于已长期地面沉降及地下水位详细观测资料的地区已长期地面沉降及地下水位详细观测资料的地区由于大量开采地下水（油、气）引起地下水位（油、气压）持续下降，由于大量开采地下水（油、气）引起地下水位（油、气压）持续下降，进而引起介质失水压密是地面沉降的根本原因所以可利用地下水开采进而引起介质失水压密是地面沉降的根本原因所以可利用地下水开采量或地下水水位与地面沉降量的资料，建立两者之间的量或地下水水位与地面沉降量的资料，建立两者之间的回归方程回归方程例如：根据天津市资料，可得例如：根据天津市资料，可得 S =28.13 +0.0067QS =28.13 +0.0067Q式中：式中：S S为地面累计沉降量；为地面累计沉降量；Q Q为累计开采量。
为累计开采量又如，根据上海市资料，得：又如，根据上海市资料，得： S = B0 + B1h +B2D +B3HS = B0 + B1h +B2D +B3H式中：式中：B0B0、、B1B1、、B2B2、、B3B3为回归系数；为回归系数；h h为水位变幅；为水位变幅；D D为水位作用天为水位作用天数；数；H H为该水作用期间平均水位为该水作用期间平均水位u 统计模型七、地面沉降的监测与预测七、地面沉降的监测与预测 57统计模型优缺点统计模型优缺点如如果果建建立立S S~ ~Q Q或或S S~ ~h h的的回回归归方方程程，，即即可可根根据据未未来来的的开开采采计划推算地面沉降量的值计划推算地面沉降量的值这这种种方方法法的的优优点点是是简简单单明明了了，，适适用用范范围围广广只只要要把把主主要要的的影影响响因因素素考考虑虑进进去去，，可可以以不不考考虑虑复复杂杂的的物物理理过过程程但但该该方方法法有有很很大大的的弱弱点点，，从从理理论论上上讲讲，，不不能能对对机机理理有有更更深深刻刻的了解七、地面沉降的监测与预测七、地面沉降的监测与预测 58u传统的理论模型 这类模型主要是根据土力学固结理论的基本原理，这类模型主要是根据土力学固结理论的基本原理，对在某一特定抽水条件下，各岩性层对应的有效应力增量，对在某一特定抽水条件下，各岩性层对应的有效应力增量，分别计算器压缩变形量，然后累加，计算地面沉降量。
分别计算器压缩变形量，然后累加，计算地面沉降量1）砂砾质土的变形量计算）砂砾质土的变形量计算（（2）粘性土层的变形量计算）粘性土层的变形量计算（（3）地表某一地点的累计计算量）地表某一地点的累计计算量七、地面沉降的监测与预测七、地面沉降的监测与预测 59（（1 1）砂砾质土的变形量计算）砂砾质土的变形量计算对砂砾质土层可按对砂砾质土层可按弹性理论弹性理论处理，其变形可在短时间内完成处理，其变形可在短时间内完成 ΔS =(B*Δρ)/EΔS =(B*Δρ)/E式中：式中：ΔSΔS为变形增量；为变形增量；B B为该层的初始厚度；为该层的初始厚度；E E为平均的变形模量；为平均的变形模量；ΔρΔρ唯有效应力增量唯有效应力增量具体的计算公式为：具体的计算公式为： ΔS =[(ρw*g*Δh)/Es]*BΔS =[(ρw*g*Δh)/Es]*B式中：式中：ΔSΔS为变形增量（为变形增量（cmcm）；）；ΔhΔh为水头变化值（为水头变化值（m m）；）；ρρw w为水的为水的密度（密度（t/m3t/m3）；）；g g为重力加速度为重力加速度(9.81m/s2)(9.81m/s2)；；B B为砂砾层的初始厚度为砂砾层的初始厚度（（m m）；）；EsEs为砂砾质土的变形模量，抽水时，为砂砾质土的变形模量，抽水时，Es= 1/a0Es= 1/a0为压缩系数，停为压缩系数，停抽或回灌时，地层回弹，抽或回灌时，地层回弹，Es= 1/aEs= 1/as s，，a as s为回弹系数。
为回弹系数七、地面沉降的监测与预测七、地面沉降的监测与预测 60（（2 2）粘性土层的变形量计算）粘性土层的变形量计算粘性土的变形量可采用粘性土的变形量可采用线性公式线性公式计算：计算： ΔΔS S=[=[a a0 0/(1+/(1+εε0 0)]Δ)]ΔP P* *B B式式中中：：ΔΔS S为为粘粘性性土土的的变变形形量量；；a a0 0为为某某一一压压应应力力区区间间( (σσ1 1- -σσ2 2) )的的压压缩缩系系数数；；εε0 0为为粘粘性性土土起起始始孔孔隙隙比比；；B B为为粘粘性性土土层起始厚度；层起始厚度；ΔΔP P为水头下降值为水头下降值若按静水压力来考虑，上式可写成：若按静水压力来考虑，上式可写成： ΔΔS S =[ =[m mr r/(1+/(1+εε0 0)]*Δ)]*Δh h* *ρρ* *B B七、地面沉降的监测与预测七、地面沉降的监测与预测 61（（3 3）地表某一地点的累计计算量）地表某一地点的累计计算量 ΔS总总(t)=ΣΔSi(t)=Σ[avi/(1+εi0)]*Bi0*ρwiw*g*Δhi式式中中：：ΔS总总(t)为为t时时刻刻地地面面沉沉降降累累计计量量；；avi为为第第i层层压压缩缩系系数数；；εi0为为第第i层层起起始始时时刻刻(t0)的的孔孔隙隙比比；；Bi0为为第第i层层起起始始时时刻刻(t0)的的厚厚度度；；ρwiw第第i层层水水的的密密度度；；Δhi(t)为为第第i层层t时时刻刻的的水水头头与与起起始水头的差值。
始水头的差值七、地面沉降的监测与预测七、地面沉降的监测与预测 62比奥固结理论比奥固结理论u 数值方法地下水渗流模型与土体的固结模型耦合地下水渗流模型与土体的固结模型耦合七、地面沉降的监测与预测七、地面沉降的监测与预测 631990年沉降量及水准点拟合位置示意图年沉降量及水准点拟合位置示意图七、地面沉降的监测与预测七、地面沉降的监测与预测 八、地面沉降的防治八、地面沉降的防治64u合理规划水资源开发利用布局合理规划水资源开发利用布局这是在开采利用地下水之前进行的一项工作，包括：这是在开采利用地下水之前进行的一项工作，包括：①取水地点取水地点尽可能安排在砂砾石层厚、粘性土夹层少的地段；尽可能安排在砂砾石层厚、粘性土夹层少的地段；②在在粘粘性性土土层层多多且且相相变变复复杂杂的的地地区区，，尽尽量量以以地地表表水水作作为为供供水水水水源源，，减少或不开才地下水减少或不开才地下水；；③减减少少开开采采量量，，且且尽尽量量采采用用恒恒定定开开采采办办法法，，不不要要形形成成长长期期增增长长的的开采局面开采局面④将集中开采变为将集中开采变为分散开采分散开采；；⑤减减少少各各地地开开采采强强度度，，使使降降落落漏漏斗斗平平且且缓缓，，减减少少沉沉降降的的不不均均匀匀性性和和局局部部沉沉降降过过大大，，避避免免出出现现明明显显的的挤挤压压带带和和拉拉张张带带，，以以减减少少水水平平位位移移和和垂直位移集中的现象。
垂直位移集中的现象 651 1、辨析题：、辨析题：在砂砾质含水层中抽水，不会产生地面沉降现象在砂砾质含水层中抽水，不会产生地面沉降现象2 2、论述题：、论述题：根据砂砾质土与粘性土失水压密机制，试分析典型山前根据砂砾质土与粘性土失水压密机制，试分析典型山前洪积扇各地段（扇顶、中部和扇前缘）地面沉降的特点、洪积扇各地段（扇顶、中部和扇前缘）地面沉降的特点、危害及其原因？危害及其原因？思考题思考题 。