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1、第六讲 变形 地质灾害,地面,1.概述2.类型3.分布规律4.地面沉降,一、概述,地面变形地质灾害的定义广义：指因内、外动力地质作用和人类活动而使地面形态发生变形破坏，造成经济损失和（或）人员伤亡的现象和过程。如，构造运动引起的山地台升和盆地下沉；抽取地下水、开采地下矿产等人类活动造成的地裂缝、地面沉降和塌陷等。狭义：指地面沉降、地裂缝和地面塌陷等以地面垂直变形破坏或地面标高改变为主的地质灾害。,地面沉降-塌陷,马路塌陷，还有的人被热水活活烫死,山西构造地裂缝-平原，不是滑坡的张裂隙。,二、地面变形地质灾害的类型,按地面变形的形式分类 地面沉降逐步的 地面塌陷突然的 地裂缝 渗透变形 特殊岩土
2、胀缩变形黄土湿陷性，膨胀土等。,地 面 沉 降,主要内容,一、概述二、我国地面沉降的现状三、地面沉降的危害四、地面沉降的成因机制五、地面沉降的时空特征六、地面沉降的主要特点七、地面沉降的监测与预测八、地面沉降的防治,一、概述,1、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。,2、成因类型,（1）自然因素构造升降运动地震火山活动地面加载（2）人为因素开采地下水、油气资源地面加载,形成的地面沉降范围大、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,急剧变
3、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,地面加载引起的地面沉降,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,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,二、我国地面沉降现状,到2003年地面沉降面积已达到93,855km2，形成长三角、华北平
4、原、和汾渭盆地等地面沉降灾害严重区。,泾渭分明渭水是黄河最大的支流，泾水又是渭河的支流，现在已经分不清楚那条河流的清与浊了，同流合污了。,长江浊黄，汉江碧绿,华北平原地面沉降等值线图,三、地面沉降的危害,1.地面标高损失，地表积水，放泄洪能力下降曼谷洪水泛滥的原因“除了气候，就是地面沉降闹的，海水回灌进曼谷了，前几天，邢台强调自己地势低，污染物也容易聚集 2.标高降低，海平面升高，双重因素，海水倒灌，桑田变沧海了。3.地下管线扭曲断裂，天然气泄漏，自来水管泄漏。次生灾害很多。,4.桥梁净空减小，影响通航5.农村积水，农作物减产。6.高程资料失效。7.房屋下沉，花钱买一楼，过几年变成地下室了。8
5、.桩基础负摩擦，降低桩承载力-以后基础工程详细讲不均匀沉降危害更大，造成房屋倾斜、开裂、倒塌。,建筑物受损,地面不均匀沉降错断供水管道,四、地面沉降的成因机制,1、饱水多孔介质的失水压密原理（1）抽水条件、地面加载条件下压密2、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（2）粘性土的失水压密特点3、地面沉降的产生条件,土力学p90-板书一下,地面,原水位,下降后水位,2、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（做含水率实验时讲过，沙子孔隙度小，但孔隙大，亲水矿物含量低，持水性差，要求取样粘性土510g，砂性土2030g）,砂砾质含水层一旦被抽汲，释水快，压力传递快
6、，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；-天然砂层一般都比较密实 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。-基坑回弹，所以基坑开挖后要尽快施工，否则，一是风吹日晒水泡，而是回弹使得建筑物沉降大，土的性质，大家学过压缩系数，回弹指数，见土力学。,（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，能够产生较大的地面下沉量；-尤其是软土，
7、如上海。,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。-回弹很小。,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,五、地面沉降的时空特征,综合影响的结果导致地面沉降时空分布
8、呈现复杂的局面，后面详细讲。,1、地面沉降的变形形式,垂直位移水平位移,（1）垂直位移,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。,初始地形面,垂直位移量的空间变化图,规律性：由沉降中心向周边方向逐渐减小,A,B,O,垂直位移量,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。,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,（2）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,2、地面沉降的影响因素及其对地面形变的
9、作用,（1）地层组合对地面沉降的影响作用地层岩性地层厚度岩性组合（2）抽水对地面沉降的影响距抽水井远近的影响抽水量的影响 抽水方式,（1）地层组合对地面沉降的影响作用 1）地层岩性的影响,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。,2）地层厚度的影响,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,3）地层组合的影响,规律性：在同等开采条件下，粘性土层数越多，沉降速率越大。,不同的地层组合对地面沉降的影响,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，还和岩性有关,（2）抽水对地面沉降的影响作用 1）距抽水井远近的影响,规律性：地层岩性组合相似
10、时，地面沉降中心往往与地下水开采中心在位置上吻合一致。,（2）抽水对地面沉降的影响作用 2）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。,3）抽水方式的影响,4）开采布局的影响,不同的开采布局对地面沉降的影响,规律性：同样的开采量，集中布井方式产生的地面沉降量和危害比分散布井方式大。,六、地面沉降的主要特点,区域易发性三大区，回忆时间累进性-上海1921年过程渐变性-累计才能显出，但稍一留心，还是会发现许多细节：穿过城区的京沪铁路，由于地面沉降，铁轨下面需要年年垫石，市区里，新修的街道路面要比旧马路高出一截，以mm为单位统计，大家感受不强烈，生活中，别人的孩子长得快。有人
11、用温水煮青蛙比喻，都是文科人的杜撰，许多媒体都是迷信传播的帮凶，博眼球，而且有利可图，无知者无畏，而且，中国人清谈多，实验少，馒头哪层先熟，讨论了十万字。没一个做实验的。所以，大家还应该做好实验，比如，比重试验，15g土占的体积才6g左右，测水的质量时，稍微不注意，1g误差对实验结果影响很大，大家计算的从的都有，3.0以上的都让大家重做了，所以要特别仔细，另外，我自己也试验了一下，多加点土，50g，这样的话1g误差对实验结果影响就小多了，当然，主要是大家不细心，大家知道1g水是多少吗？滴管50滴，比重瓶那个圆柱形小嘴刚好1g。成因复杂性岩层，地下水，加载难以逆转性-地面标高，经济损失无力回天（
12、地）,七、地面沉降的监测与预测,区域地面沉降监测技术 精密水准测量 GPS 测量 InSAR 技术2.地面沉降分层动态监测3.自动化监测技术4.地面沉降量预测,区域地面沉降监测技术 精密水准测量目前较为普遍和常用的方法特点：精度高，成果可靠，操作方便，仪器便宜 效率低、劳动强度大、难以自动化,GPS 测量,近10多年来，美国等国家开始将GPS技术用于区域地面沉降监测，并取得初步成效。我国的成功经验不多，这就是为什么经纬仪退出历史舞台 测距仪退出历史舞台了 水准仪还在大范围使用的原因，就是因为一般的全站仪和GPS都不能满足监测环境下的高程要求。特点：设备昂贵，精度低，难以进行大规模布网,InSA
13、R 技术,利用不同时间测量的地面图像相重叠而形成微分干涉图像，图像中一个相干颜色条纹循环代表一定数量的地面变形量，并通过对比地面变形实测值来确定，最终处理成地面变形等值线图。特点：具有大面积、快速的优势，是水准测量和GPS测 量的有效补充。,2、地面沉降分层动态监测,基岩标和分层标监测室进行地面沉降监测的重要技术手段。基岩标：埋设在地下完整基岩上的特殊观测点，可作为地面沉降测量的高程控制点。分层标：根据土层的性质，埋设在地下不同深度土层和含砂层中的特殊观测点，是有效测量松散土层变形量的设施。,3、自动化监测技术,（1）自动化监测系统组成,4、地面沉降量预测,对抽水引起的地面沉降进行预测，因影响
14、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。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。,统计模型 传统的理论模型 数值方法,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。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。例如：根据天津市资料，可得 S=28.13+0.0067Q式中：S为地面累计沉降量；Q为累计开采量。又如，根据上海市资料，得：S=B0+B1h+B2D+B3H式中：B
15、0、B1、B2、B3为回归系数；h为水位变幅；D为水位作用天数；H为该水作用期间平均水位。,统计模型,统计模型优缺点,如果建立SQ或Sh的回归方程，即可根据未来的开采计划推算地面沉降量的值。这种方法的优点是简单明了，适用范围广。只要把主要的影响因素考虑进去，可以不考虑复杂的物理过程。但该方法有很大的弱点，从理论上讲，不能对机理有更深刻的了解。-比如，很多统计报告，都是事后诸葛亮，先有靶子，再射箭，比如，中央2台的股票新闻“由于xx，某股票大涨”如果你知道这个规律，你怎么不买股票？还有，很多彩民，个个都是数学家，费劲心思找规律，本来就是随机事件，非要找出规律来，结果只能是机关算尽太聪明。,传统的
16、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，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。,八、地面沉降的防治,合理规划水资源开发利用布局-根据影响因素可以采取相关措施，自己看。这是在开采利用地下水之前进行的一项工作，包括：取水地点尽可能安排在砂砾石层厚、粘性土夹层少的地段；在粘性土层多且相变复杂的地区，尽量以地表水作为供水水源，减少或不开采地下水；,减少开采量，且尽量采用恒定开采办法，不要形成长期增长的开采局面。将集中开采变为分散开采；减少各地开采强度，使降落漏斗平且缓，减少沉降的不均匀性和局部沉降过大，避免出现明显的挤压带和拉
17、张带，以减少水平位移和垂直位移集中的现象。-要求半天，严禁私自取地下水，只要开个口子，就是无底洞，比如，某家不安电表，估计用电的超n家，2010年，上海地下水开采量已压缩到1963年开采量的十分之一，才有效遏制了地下水引起的地面沉降,等量置换,主要用于油气田通过人工回灌对抽汲的液体进行等体积替换，以保证孔隙水（油）压力不造成明显下降。,课堂作业学以致用 以自己家乡（最好是本县市，若实在没有，本省也行）为例，举例说明地面沉降的危害，也可以从网络上了解。字数大于300字。下节课交作业，尤其是上次作业没交的同学，一定要交，否则没成绩。,上升的经济和下沉的地面-平遥、沧州和上海为例,我来个抛砖引玉吧，
18、说说我的家乡古城平遥，“我家住在黄土高坡”，父母或许太喜欢水了，给我取名张洪泉。水就是钱，就是命根子，大家或许都看到过非洲水池旁动物们的生死战吧，这时候可没有上甘岭战友间的谦让，“天上下雨地下流，为水打架来记仇”，解放前甚至油锅抓铜钱。机井越打越深，小时候在菜园子和父亲用辘轳浇水的场景只能留在梦里了，现在都是靠深层水，每天定点放水。千里迢迢来到保定，看到老乡院子里都有压水井，还能种个小菜园，很是羡慕，（现在也多改为机井了。）,沧州,山西缺水，华北也缺水。黄骅市，是整个沧州最缺水的地方，卫星地图上，该地区所有的河道都显示为白色，即为干涸。过去，海河与黄河的多次泛滥，给沧州带来大量的泥沙沉淀，改善
19、了土壤，反而利于耕作。如今，且不说洪水，就连地下水也越来越少，地里的土层越来越薄，不利于耕种。-中央电视台报道的人工造地，坡上毁树造地，反而造成了滑坡和泥石流的危险。,沧州,所以华北平原的农业一年耗水量高达870毫米，而多年平均降雨量只有500毫米左右，这多出来的370毫米，都依赖地下水的补足，农业用水占到地下水开采量的70%以上。小麦是高耗水作物，不应再继续耕种，而应选取某个高产玉米品种作为主要的作物现在沧州有的地方用的甚至是1亿年前积累下来的地下水啊!地下水是循环的，但深层水在某种意义上是不可再生的我在这里说沧州的地下水，恐怕会影响沧州市的招商引资，但肯定不会被跨省抓捕，因为,上海,过度抽
20、取地下水，曾经是造成上海地面沉降的主要原因，然而，按下葫芦起了瓢，在采取有效的“控沉”措施以后，如今影响上海地面沉降的另一个原因，是不断拔地而起的高层建筑。上海的软土层地表具有“含水量大、孔隙大及压缩性大”三大特征，（三高 血压 血脂 血糖）在众多位置、规格不一的高层建筑的合力作用下，整个上海市的地表会形成区域性的甚至整体的不均匀沉降。,上海,某专家在上海买的是旧小区基础上开发的住宅，因为那样的建筑，地基下土壤已经基本固结。他不买在农田上建起来的和靠近江河堤坝的住宅，因为那些地方的土壤比较松软。也不买附近可能修地铁和高层建筑的住宅，因为老建筑都会被新建筑所影响，容易产生继续沉降。城市平均标高才4米，而黄浦江涨一次潮就高达5米多。-保定几米？,上海,如果按1965年的下陷速度而不加控制的话，上海在1999年已经沉没入海了-那就不是上海了，而是下海了光我们控制地下水开采不行，上海的地下水与江苏、浙江都连在一起，需要大家一起控制，地下水是没有行政区划的，长三角城市之间要协调合作。”-就像华北联合治理大气污染一样，大气污染是表面的，地下水是深层的，治理难度更大。,
