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1、浅层和深层浅层和深层土层变形图土层变形图上海地区工程地质示意图上海地区工程地质示意图太太原原市市西安大雁塔西安大雁塔无锡市无锡市任任务务4 4.3 3地地面面沉沉降降4.3.1 认识地面沉降定义地面沉降：发生在较大面积的地表高程降低、地面舒缓变形的现象和持续过程。标高降低海水倒灌码头失效城市排水系统报废地面变形（不均匀沉降）建筑物倾斜/开裂道路桥梁扭曲地下管道破坏重大经济损失4.3.1.1 地面沉降原因（1）自然因素）自然因素u构造升降运动构造升降运动u地震地震u火山活动火山活动u地面加载地面加载（2）人为因素）人为因素u开采地下水、油气资源开采地下水、油气资源u地面加载地面加载形成的地面沉降
2、范围大、速率小形成的地面沉降范围小、速率和幅度较大归属于地壳形变或构造运动的范畴，作为自然动力现象加以研究归属于地质灾害现象进行研究和防治构造运动引起的地面沉降构造运动引起的地面沉降急剧变形：因基底断块快速下降造成地表高程降低，地面急剧变形，如地震。构造蠕变：构造运动以一种缓慢连续的方式进行，表现为基底断块持续的缓慢沉降或岩层的拗陷。变形速率小、持续时间长天津市 基底下降形成的沉降值约为1.7mm/a 沉降时间 80009000年洞庭湖区 构造蠕变引起的沉降值约为12mm/a地面加载引起的地面沉降地面加载引起的地面沉降自然原因：自然原因：冰川期大陆冰盖形成厚度达2000m巨大静压力挪威/芬兰发
3、生地面沉降最大值达2.5m冰川消融回弹人为原因：如修建水库、建造房屋等人为原因：如修建水库、建造房屋等上海市 30%地面沉降来自高层建筑和大型工程的影响浦东陆家嘴 2004年 地面沉降量达3cm 上海沉降最严重的地区地下水、油气资源开采引起的地面沉降地下水、油气资源开采引起的地面沉降国家及地区国家及地区沉降面积沉降面积 km2最大沉降速率最大沉降速率cm/a最大沉降量最大沉降量m主要原因主要原因日本日本东京东京100019.54.6开采地下水大阪大阪163516.32.8美国美国加州圣华金流域加州圣华金流域900046.08.55开采石油德克萨斯州德克萨斯州10000171.5墨西哥墨西哥75
4、6042.07.5开采石油意大利意大利波河三角波河三角洲洲80030.00.25开采石油中国中国上海上海10.12.67抽取地下水天津天津800021.61.764.3.1.24.3.1.2 地面沉降模式地面沉降模式地面沉降属缓变型地质灾害。据初步统计，我国已有地面沉降属缓变型地质灾害。据初步统计，我国已有2121个省（自治个省（自治区、直辖市）的区、直辖市）的9696个城市或地区发现地面沉降，沉降面积超过个城市或地区发现地面沉降，沉降面积超过6.46.4104km2104km2，尤以东部沿海地区和华北平原最为严重，有的已形成大，尤以东部沿海地区和华北平原最为严重，有的已形成大面积的地面沉降区
5、（带）。目前主要有上海为代表的长江三角洲，以天面积的地面沉降区（带）。目前主要有上海为代表的长江三角洲，以天津为代表的华北平原，西安为代表的汾渭地堑，以及东南沿海和台湾地津为代表的华北平原，西安为代表的汾渭地堑，以及东南沿海和台湾地区等。按发生地面沉降的地质环境可分为三种模式区等。按发生地面沉降的地质环境可分为三种模式:(1)(1)现代冲积平原模式现代冲积平原模式,如我国的几大平原。如我国的几大平原。(2)(2)三角洲平原模式三角洲平原模式,尤其是在现代冲积三角洲平原地区尤其是在现代冲积三角洲平原地区,如长江如长江三角洲就属于这种类型。常州、无锡、苏州、嘉兴、萧山的地面沉降均三角洲就属于这种类
6、型。常州、无锡、苏州、嘉兴、萧山的地面沉降均发生在这种地质环境中。发生在这种地质环境中。(3)(3)断陷盆地模式断陷盆地模式,它又可分为近海式和内陆式两类。近海式指滨它又可分为近海式和内陆式两类。近海式指滨海平原海平原,如宁波如宁波;而内陆式则为湖冲积平原而内陆式则为湖冲积平原,如西安市、大同市的地面如西安市、大同市的地面沉降可作为代表。沉降可作为代表。4.3.1.3地面沉降机理uu1 1 1 1、饱水多孔介质的失水压密原理饱水多孔介质的失水压密原理uu （1 1）抽水条件下抽水条件下饱水多孔介质含水层的失水压密饱水多孔介质含水层的失水压密uu （2 2）注水条件下注水条件下饱水多孔介质含水层
7、的厚度变化饱水多孔介质含水层的厚度变化uu （3 3）地面加载条件下地面加载条件下饱水多孔介质含水层的失水压密饱水多孔介质含水层的失水压密uu2 2、不同类型岩土失水压密特点不同类型岩土失水压密特点uu （1 1）砂砾质砂砾质含水层失水压密特点含水层失水压密特点uu （2 2）粘性土粘性土的失水压密特点的失水压密特点uu3 3、开采条件下油、气储层压密固结原理开采条件下油、气储层压密固结原理uu4 4、地面沉降的产生条件地面沉降的产生条件uu1 1 1 1、饱水多孔介质的失水压密原理饱水多孔介质的失水压密原理=+=土 H=水h 太沙基有效应力原理固体颗粒（岩石碎屑矿物颗粒）孔隙水 有效应力。颗
8、粒受到的应力，通过颗粒间的接触点传递；孔隙水压力。粒间孔隙水所承受和传递的应力（1）抽水条件下饱水多孔介质含水层的失水压密 不变=+大于颗粒间摩擦阻力颗粒间产生位移/错动/排列更紧密含水层压密体积变小地面下沉形成新的压力平衡 有效应力的增量；孔隙水压力增量。抽水为减压过程，所以取负|孔隙水压力增量的绝对值。（2 2）注水条件注水条件下饱水多孔介质含水层厚度变化下饱水多孔介质含水层厚度变化 不变=+颗粒变得松散含水层厚度变大（3 3）地面加载条件地面加载条件下饱水多孔介质含水层的失水压密下饱水多孔介质含水层的失水压密P =+大于粒间阻力且颗粒骨架压密；含水层总体积变小水从孔隙中挤出进入水井uu2
9、 2 2 2、不同类型岩土失水压密特点、不同类型岩土失水压密特点、不同类型岩土失水压密特点、不同类型岩土失水压密特点（1）砂砾质含水层失水压密特点 砂砾质含水层一旦被抽汲，释水快，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，即滞后时间短，延迟效应不明显；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；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，形成的地面沉降具有弹性变形的特点，抽水时，地面下沉，水位恢复时，又可回弹。（2）粘性土的失水压密特点 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，可压缩空间大，能够产生较大的地
10、面下沉量；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慢，即滞后时间长，延迟效应也十分明显，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，地面沉降仍会持续发展的原因；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，两者都是不可逆过程，所以，所造成的地面沉降大部分是永久性的。uu3 3 3 3、开采条件下油、气储层压密固结原理、开采条件下油、气储层压密固结原理、开采条件下油、气储层压密固结原理、开采条件下油、气储层压密固结原理 天然条件下，石油、天然气储层一般处于封闭的地质环
11、境中，上覆地层的自重由储层中得流体和骨架共同承担。当上覆岩体与油气层处于压力平衡时，可用太沙基公式表示：=+v 覆岩的自重压力；储层中介质骨架承受的压力；液体（水、油）承受的压力；v 气体承受的压力。=(+)+(-)+(v-v)采油或采气时=|+v|且|v|4、地面沉降的产生条件(1)厚层松散细粒土层的存在(2)长期过量开采地下流体(3)新构造运动的影响(4)城市建设对地面沉降的影响4.3.1.4 4.3.1.4 地面沉降的主要过程地面沉降的主要过程（1）地面沉降缓慢期（2）地面沉降显著期 （3）地面沉降急剧期（4）地面沉降延续期 4.3.1.5 4.3.1.5 地面沉降地面沉降分布地区分布地
12、区地面沉降是沉降区不同岩性层失水压密的叠加结果。距离抽水井远近不同的点，地层岩性的组合形态不同，水头的降落值也各不相同，与岩性渗透性有关的水力传导速度也相差甚远，滞后、延迟效应大小也有所差异。综合影响的结果导致地面沉降时空分布呈现复杂的局面。地面沉降的研究：（1）区域分布规律的归纳 （2）不同地点沉降形成条件分析。我国地面沉降现状 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害严重区。灾害严重区。中国地面沉降的地域分布具有明显的地带性，主要位于厚层松散堆积物
13、分布地区。（1）大型河流三角洲及沿海平原区长江/黄河/海河/辽河下游平原和河口三角洲地区 第四纪沉积层厚度大、固结程度差、颗粒细、层次多，压缩性强 地下水含水层多，补给径流条件差，开采时间长，强度大 城镇密集，人口多，工农业生产发达。地面沉降首先从城市地下水开采中心形成沉降漏斗，进而向外围扩展，形成以城镇为中心的大面积沉降区。（2）小型河流三角洲区东南沿海地区 第四纪沉积层厚度不大，以海陆交互相粘土和砂层为主，压缩性相对较小地下水开采主要集中于局部富水地段。沉降范围一般比较小，主要集中于地下水降落漏斗中心附近。空间分布特征空间分布特征（3）山前冲洪积扇及倾斜平原区燕山和太行山山前倾斜平原区（北
14、京/保定/邯郸/郑州/安阳等大中城市）第四纪沉积层以冲积、洪积形成的砂层为主 城市人口众多、城镇密集、工农业生产集中 地下水开采强度大，水位下降幅度大地面沉降主要发生在地下水集中开采去，沉降范围由开采范围决定。（4）山间盆地和河流谷地区陕西渭河盆地/山西汾河谷地及一些小型山间盆地(西安，咸阳，太阳，运城等)第四纪沉积物沿河流两侧呈条带状分布，以冲积砂土、粘性土为主，厚度变化大；地下水补给、径流条件好；构造运动表现为强烈的持续断陷和下陷地面沉降范围主要发生在地下水降落漏斗区。4.3.1.6地面沉降的危害1、洪涝灾害加剧 地面沉降长期发展，使沉降中心的地面沉降长期发展，使沉降中心的地地面高度明显降
15、低面高度明显降低，形成碟型洼地，改变了，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，就积水难排。网运行能力，若遇较大洪水，就积水难排。苏州防汛堤有三次明显加高 据统计，嘉兴市平均田面高程为 2.29m，水位每增加 10mm，淹没面积增加 1.6 万亩。洪涝灾害加剧洪涝灾害加剧河北平原地面沉降区宁波地面沉降区常年积水洪涝灾害加剧2003.7.7雨后西工大沉降中心太原市武家庄村常年积水 地面沉降尤其是不均匀沉降及其引发的地裂缝，会造成铁路的路基沉降、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
16、高要求严格的堤坝、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，造成的房屋开裂倒塌，甚至直接威胁到人的生命安全。2、建筑物基础下沉、工程设施毁坏 建筑物受损2003年2月28日因地面不均匀沉降错断西安子午路2m粗的供水管道2002年12月10因地面不均匀沉降错断西安翠华南路2米粗的供水管道太原市西安大雁塔无锡市建筑物受损建筑物受损太原市江阴长泾西安长安路建筑物受损珠海西区海华新村住宅区落成仅10年，地面沉降最大达1.5m建筑物受损3、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，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，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。4、滨海地区风暴潮及海岸侵蚀加重 在沿海地区，地面沉降会造成海平面相对上升，风暴潮灾害加重。如，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。海岸灾害加剧
