7、地面变形灾害

1地面变形地质灾害一、地面沉降二、地裂缝三、地面塌陷2地面变形地质灾害狭义的定义：地面垂直变性破坏或地面标高改变为主的地质灾害。分类：地面沉降地裂缝岩溶地面塌陷3地面沉降原因、分布和危害形成机制产生条件监测与预测防治4地面沉降的地质原因从地质因素看，自然界发生的地面沉降大致有下列3种原因。1.地表松散地层或半松散地层等在重力作用下，在松散层变成致密的、坚硬或半坚硬岩层时，地面会因地层厚度的变小而发生沉降。2.因地质构造作用导致地面凹陷而发生沉降；海平面上升导致地面相对下降。3.地震导致地面沉降。5地面沉降的人为原因•地面沉降现象与人类活动密切相关。尤其是近几十年来，人类过度开采石油、天然气、固体矿产、地下水、等直接导致了今天全球范围内的地面沉降。•大面积地面堆载和大范围密集建筑群使天然地基或桩基持力层大面积整体性沉降（工程性地面沉降）。6国名地点沉降面积（km2）最大沉降速率（cm/a）最大沉降量（m）发生沉降的主要时间备注州或省市具体地点日本东京江东及城北工业区29019.54.231892－1968开发地下水大阪16.32.81925－1968九州佐贺县白石平原88201954－1965尼崎3.1美国加州圣克拉拉流域600213.901915－1967圣华金流域900046.08.551935－1968洛斯贝诺斯－开脱尔曼市2330404.88－1955邱拉里华兹科＞303.961926－1954长滩市威明顿油田327191926－1968开采石油内华达州拉斯维加斯50011935－1963抽取地下水亚利桑那州凤凰城31031952－1970得克萨斯州休斯顿－加尔维斯顿100001－21943－1969路易斯安那州巴吞鲁日5000.31934－1965墨西哥墨西哥城7560427.51890－1957意大利波河三角洲80030＞0.251953－1960开采石油中国上海天津台湾市区及郊区台北盆地730010.121.622.6671.761.701921－19871959－19831963－抽取地下水7地面沉降主要分布在平原、盆地的大城市和油气开发区。（1）大型河流三角洲及沿海平原区，如上海、天津、沧州等。（2）小型河流三角洲区，如福州、湛江、宁波等（3）山前冲洪积扇及倾斜平原区，如北京、保定、郑州等。（4）山间盆地和河流区，如西安、太原、运城等。地面沉降分布特征8主要危害(1).沿海地区沉降使地面低于海面，受海水侵袭；(2)一些港口城市，由于码头、堤岸的沉降而丧失或降低了港湾设施的能力;(3)桥墩下沉，桥梁净空减小，影响水上交通.(4)在一些地面沉降强烈的地区，伴随地面垂直沉陷而发生的较大水平位移，往往会对许多地面和地下构筑物造成巨大危害;(5)在地面沉降区还有一些较为常见的现象，如深井管上升、井台破坏，高摆脱空，桥墩的不均匀下沉等，这些现象虽然不致于造成大的危害，但也会给市政建设的各方面带来一定影响。910天津市地面沉降1112西安市地面沉降1314地面沉降引起的房屋裂缝1516西安地下水超采导致大雁塔严重倾斜17有效应力原理：在外荷载作用下，土中应力被土骨架和土中的水气共同承担，但是只有通过土颗粒传递的有效应力才会使土产生变形，具有抗剪强度。地面沉降的形成机制18地面沉降的形成机制1承压水位降低所引起的应力转变及土层的压密在孔隙承压含水层中，抽汲地下水所引起的承压水位的降低，必然要使含水层本身和其上、下相对含水层中的孔隙水压力随之而减小。根据有效应力原理可知，土中由复盖层荷载引起的总应力是由孔隙中的水和土颗粒骨架共同承担的。假定抽水过程中土层内的总应力不变，那么孔隙水压力的减小必然导致土中有效应力的等量增大，结果就会引起土层的固结。19土层内现有的剩余孔隙水压力的大小，是衡量该土层在现存的应力条件下可能最终产生的固结、压密的强烈程度的重要标志，通常可以通过实测加以查明。20图2由承压水头降低引起的土层固结的模拟试验结果212.土层的性质及其变化与地面沉降的关系(1).土层的固结状态与地面沉降的关系在相同的条件下，超固结土层的压密量将小于正常固结土层，同理欠固结土层的压密量则将大于正常固结土层。(2).砂层与粘土层的压密在地面沉降中的相对重要性在较低的有效应力增长条件下，粘土层的压密在地面沉降中起主要作用，而在水位回升过程中，砂层的膨胀回弹则有决定意义。22地面沉降的产生条件1、从地质、水文地质条件来看，存在疏松的多层含水体系；其中承压含水层的水量丰富，适于长期开采；开采层的影响范围内，特别是它的顶、底板，有厚层的正常固结甚或欠固结的可压缩性粘性土层等，对于地面沉降的产生是特别有利的。2、从土层内的应力转变条件来看，承压水位大幅度波动式的趋势性降低，则是造成范围不断扩大的、累进性应力转变的必要前提。23地面沉降的监测和预测1.地面沉降的工程地质研究为了掌握地面沉降的规律和特点，合理拟定控制地面沉降的措施，研究工作必须包括下述内容：(1)地区地质结构的研究；(2)地面水准点的定期测量，(3)地下水开采量统计及地下水位的长期观测；(4)粘性土层孔隙水压力的观测；(5)土层性质的测试；(6)各土层实际沉降量的监测及土性参数的反算。24粘性土层孔隙水压力的观测为研究抽、灌水作用下，土层不同深度处孔隙水压力的有关数据，应有计划地开展现场孔隙水压力观测工作。除常规土工试验外，还需进行以下一些专门性质的试验研究工作：为此，需在不同地区的粘性土层内埋没孔隙水压力观测孔，在夏季用水期一般每5天观测一次，其他季节每10天一次。土层性质的测试研究压缩试验，高压固结试验25各土层实际沉降量的监测水准测量和全站仪测量（埋设基岩标和分层标）全球卫星定位系统(GPS)及InSar监测。基岩标：在覆盖有松散地层的区域内为更准确测定地面沉降量，穿过覆盖层埋设在稳定基岩上的标杆直通地面，经过保护处理作为相对稳定的基岩水准点26分层标：埋设在覆盖层各不同土层中的标点。在地面沉降区域内将标杆埋设在不同土层的顶、底板上并直通地面，经过稳定性保护处理，通过与其他分层标和基岩标联测，测得不同土层压缩量、膨胀量，从而测算出不同土层的变形量和总的地面沉降量。27地面沉降的防治和治理一、表面治理措施对已产生地面沉降的地区，耍根据其灾害规模和严重程度采取地而按治及改善环境，其方法主要有：(1)在沿海低平原地带修筑或加高挡潮堤，防洪堤，防止海水倒灌，淹没低洼地区．(2)改造低洼地形，人工填土加高地面．(3)改建城市给、排水系统和输油，气管线，憨修因沉降而被破坏的交通线路绰线性工程，使之适应地面沉降后的情况．(4)修改城市建没规划，调整城市功能分区及总体布局。规划中的重要建筑物要避开沉降区。28二、根本治理措施从研究消除引起地面沉降的根本因素入手，谋求缓和直到控制或终止地面沉降的措施．主要方法有：1、人工补给地下水(人工回灌)，选择适宜的地点和部位向被开采的含水层，舍油层施行人工注水或压水，使含水(油、气)层中孔隙液压保持在初始平衡状态上，使沉降层中因抽液所产生的有效应力增量减小到最低限度，总的有效应力Pc低于该层的预固结应力。292、限制地下水开采。调控开采层次，以地面水源代替地下水源。其具体措施如下：①以地面水源的工业自来水厂代替地下水供水源地：②停止开采引起沉降量较大的含水层而改为利用深部可压缩性较小的含水层或基岩裂隙水：③根据预测方案限制地下水的开采量或停止开采地下水。30控制地下水开采和地下水人工回灌从1966年起，上海开始限采地下水，向地层回灌自来水，“冬灌夏用”、“夏灌冬用”，以地下含水层储能及开采深部含水层等众多措施把上海地面沉降稳住，1966年至1971年还出现了回弹3毫米。上海市过去地下水取水点多如牛毛，现在已经压缩到800个左右。地下水年开采量从过去的2亿立方米，下降至2002年的9635万立方米。上海采取控制地下水开采和地下水人工回灌两大措施，使上海地面沉降从历史最高的年沉降量110毫米，下降至目前的年沉降量10毫米左右。31地裂缝：与区域性地面沉降和构造活动相联系的大地裂缝1、特征及分布2、成因机制类型3、监测和防治32地裂缝的特征发育的方向性和延展性致灾的不均一性33灾害的渐进性灾害的周期性34主要受构造背景的影响，我国大多数的地裂缝都与构造有关。产生在第四纪沉积物中。分布广泛，在西北、华北、长江流域都有较广泛的分布。汾渭盆地、太行山东路平原、大别山东北麓平原形成了三个规模巨大的地裂缝发育带。中国地裂缝的分布35成因机制类型地震引发的地面沉降和地裂缝3637构造活动引发的地面沉降和地裂缝38地下水开采引发的地面沉降与地裂缝39构造重力扩展型断层倾角松散盖层厚度40剪张扩展型底辟扩展型41地裂缝的危害42地裂缝的主要危害建筑物墙体开裂。地面设施破坏。地下设施损坏。有害气体的溢出。垃圾场污染地下水。农田漏水。434445地裂缝的监测防治（1）地裂缝特征的调查研究a.几何特征（a）地裂缝的延伸方向。（b）地裂缝呈带状，段与段的关系。（c）地裂缝的组合特征，如雁行排列、侧列、Y字组合、树枝组合、环行组合等。（d）地裂缝的产状。46b.运动学特征（a）地裂缝发展的阶段，萌芽期、发展期、强活动期和超活动期。（b）地裂缝活动的周期，与地震相似，活动期的速率是平静期的数倍。（c）地裂缝在剖面和剖面上的位移量。（d）地裂缝的垂直运动量最大，水平拉张量次之，扭动量最小。47（2）地裂缝的地质背景调查a.新构造运动特征调查。b.地貌特征调查。c.沉积物特征的调查。d.地下水特征调查。48（3）地裂缝调查的方法a.遥感的方法：区域地质、地貌研究。b.地质的方法：不同比例尺填图，平面和立体。c.地球物理方法：地震勘探、低频电磁法等。d.地球化学方法：氡气测量。e.钻探的方法：探明第四纪沉积物、水文地质等。49（4）地裂缝的防治和监测a.防治控制人为因素的诱发作用，建筑物避让地裂缝。地基的处理（加固、断层置换法、局部浸水法）b.监测预测、预报地裂缝发展方向、速度位移量及可能的危害范围。与地面沉降监测方法相同。50多层压缩监测井5152地面塌陷及其研究1、地面塌陷的成因2、地面塌陷的危害3、地面塌陷的研究531、地面塌陷的成因（1）自然因素岩溶塌陷、地震塌陷、暴雨塌陷等。（2）人为因素矿山塌陷、工程塌陷等545556572、地面（岩溶）塌陷的危害如1981年5月8、9日在美国佛罗里达州：形成直径100m的塌陷坑，居民楼、商业楼、游泳池损坏，损失200万美元。58593、地面塌陷的研究（1）岩溶塌陷特征和分布规律调查a.岩溶塌陷地区的岩性特征调查。b.岩溶地区构造方向的调查。c.地下溶洞的规模、方向、埋深调查。d.覆盖层厚度、结构、性质调查。e.地下水运动特征调查。6061（2）岩溶塌陷灾害的防治a.地表水防水措施。b.地下水控水措施。c.清除填堵法。d.跨越法。e.强夯法。f.灌注法。