环境地质学分论-若干地质环境问题综合论述—地面沉降
地面沉降的原因分析
地面沉降的原因分析摘要关键词1.引言地面沉降在世界各地非常普遍，在城市地区尤为显著。
随着工业化、城市化进程的加速，人类的经济与工程活动在地面沉降中的作用成为决定性的关键因素。
地面沉降已成为影响经济社会可持续发展的典型的环境地质问题和重要的城市地质灾害之一。
本文阐述了地面沉降的发展现状与原因，全面的分析地面沉降的原因，以及以上海地面沉降的原因为例，分析了制约影响因素及其在地面沉降中的作用，在此基础上，提出面对地面沉降的防治措施与建议。
2.地面沉降的原因分析2.1地面沉降发展与现状地面沉降是指自然和人为因素作用下地面高程降低的现象。
自然因素包括地壳的升降运动、地震、火山活动、气候变化海平面上升及土体自然固结等;人为因素包括开采地下流体资源(地下水、石油、天然气)、开采地下固体矿产(金属矿、煤、岩盐等)、工程施工、灌溉(尤指黄土或泥炭土壤灌溉区)以及地表的静动荷载等。
伴随着工业革命的兴起和发展，人为因素在地面沉降中的作用日益凸显，特别是大规模持续地开发利用地下水和石油等资源，导致区域性的地面沉降迅速发展，成为地面沉降的主要影响因素。
19世纪末期，地面沉降现象已开始显露，而在20世纪初中期急速发展，并在世界各地逐步蔓延。
地面沉降已成为城市化进程中普遍存在的环境地质问题，由此导致的环境影响和社会危害日渐突出且日趋严重，成为制约社会经济可持续发展的重要地质灾害之一。
自从意大利威尼斯城最早发现地面沉降以来, 世界上已有200多个城市或地区发生了不同程度的地面沉降现象。
我国最早于1921年在上海地区发现地面沉降以来, 天津、西安、太原、苏州以及内蒙等地相继出现了地面沉降现象。
2.2地面沉降的原因2.2.1地下水资源的开采地下水资源由五个组成部分，水资源各组份的性质及其对地面沉降的影响所有的地面沉降，都是从地层中抽汲流体的结果。
因此，进一步探讨水资源各组份对地面沉降的影响。
第一部分，即因压力水头下降，水体积膨胀而增加的水量。
地面沉降和地裂缝的评估与防治 (王兰生)
Is Is
式中
DS s Dhs DS s Dhc
（6.5.3.3）
（6.5.3.4）
I s、 I c
——分别为水位升、降期的单位变形量(mm／m)； ——分别为某一时期内的水位升降幅度(m)； ——分别为相应于该水位变化幅度下的土层变形量(mm)。
D h s 、 D hc DS s、 DS c
1．预测地面沉降的前提条件 (1) 查明场地的工程地质，水文地质条件，划分压 缩层和含水层。 (2)进行室内外测试，取得抽水压密试验，渗透试 验、前期固结试验、流变试验、反复载荷试验等成果和 沉降观测资料。 2，预测地面沉降量的估算方法 (1)分层总和法计算地面沉降量粘性土及粉土层按下 式计算
S av Dp H 1 e0
uw
图中p为土层的总压力，б 为抽水前的有效应力， 为抽水 前的孔隙水压力，抽水前上述诸力处于平衡状态，即
p s uw
（8.2.2.1)
抽水后随着水压下降了 u f,土层中孔隙水压力随之下降， 颗粒间浮托力减小，但由于抽水过程中土层的总压力基本保 uf 持不变，故此下降了 的值即转化为有效应力增量。
在已知预测期的水位升、降幅度和土层厚度的情况下，土层预测沉降量按下式计算：
S s I s Dh I s' Dh H
（6.5.3.7） （6.5.3.7）
S c I c Dh I c' Dh H
DS s、 DS c
式中
——水位上升或下降 Ah(m)时，厚度为 H(mm)的土层预测沉降量(mm)
(5) 既有河、海堤坝或防汛墙，其防洪潮能力降低，致使城 市抵御自然灾害的能力下降。
(6)港口码头失效，其作用功能降低。
地质环境与地面沉降灾害
地质环境与地面沉降灾害地质环境在地面沉降灾害中扮演着重要角色。
地球上的地质构造和地貌特征对土地沉降产生直接影响。
本文将探讨地质环境如何与地面沉降灾害相关，并提供一些可能的解决方案。
1.地质构造与地面沉降地质构造是地球内部构造和岩石分布的总和，包括地壳、地幔和地核。
地球的地壳是由若干个板块组成的，板块之间会发生相互碰撞、推移和滑动，这些运动造成地震和地壳变形，进而引发地面沉降。
例如，位于太平洋边缘的日本地区处在板块碰撞带上，频繁的地震活动导致地面沉降现象普遍存在。
2.地貌特征与地面沉降地貌特征包括山脉、高原、盆地、河谷、海岸等自然地理景观。
这些地貌特征的形成与地壳运动、侵蚀和沉积过程密切相关。
例如，盆地通常是由地壳下陷形成的，而河流的侵蚀作用则会导致河谷地区的地面沉降。
海岸地区也容易发生地面沉降，因为海洋的侵蚀和沉积会改变海岸线的位置。
3.地面沉降灾害地面沉降灾害是指由于地质环境变化引起的地面下陷现象，对人类活动和基础设施造成威胁。
地面沉降可导致建筑物、道路和管道的破坏，甚至引发洪涝灾害。
世界各地都存在地面沉降灾害，例如印度的孟买市、中国的重庆市和美国的新奥尔良市。
4.可能的应对措施为了减轻地面沉降灾害的影响，需要采取一系列的措施。
首先，地质勘探和地形测量可以提供对地质构造和地貌特征准确的了解，从而帮助预测地面沉降的可能性。
其次，建设工程应考虑地质环境因素，并采取适当的设计措施，以确保建筑物和基础设施的稳定性。
此外，定期监测地面沉降的发生和速率也是必要的，以及时采取补救措施。
总结：地质环境是地面沉降灾害形成的主要原因之一。
地质构造和地貌特征对地面沉降有直接影响，因此了解地质环境对预测和应对地面沉降灾害至关重要。
只有通过综合利用地质勘探、地形测量和定期监测等手段，并在建设工程中采取相应的应对措施，才能有效减轻地面沉降灾害带来的损失。
通过科学的研究和合理的规划，我们有望降低地面沉降灾害造成的风险，为人类的生活和社会发展提供更加可靠的保障。
地质灾害4-地面沉降
3土的压缩指标
• 为了研究土的压缩特性，通常需要进行试 验
室内固结试验
现场原位试验（荷载试验、旁压试验）
我国《建筑地基基础设计规范》规定
3无侧向变形条件下单向压缩量计算假设
• 分层总和法 （1）、土的压缩完全是由于孔隙体积减小 导致骨架变形的结果，土粒本身的压缩可 忽略不计； （2）、土层仅产生竖向压缩，而无侧向变 形； （3）、土层均质且在土层厚度范围内， 压力是均匀分布的。
单第2含水层水量、水位、沉降历时变化曲线图
图2-3-2-6 第3含水层水量、水位、沉降历时变化曲线图
第4含水层水量、水位、沉降历时变化曲线图
结论之一： 地面沉降体积和地下水 开采水量体积大致相当
上海市1980~1995年累积地面沉降图 年累积地面沉降图 上海市
通过基本以5年为间 隔的全市水准复测， 可以全面地了解地面 沉降的现状与发展趋 势。 在1980、1996、 2001年一、二等水准 测量数据基础上，编 制了全市1980~1995、 1996~2001年地面沉 降等值线图。
<<活动构造与灾害地质>>教案4-地面沉降
• 1、地面沉降概述 • 2、地面沉降地质灾害危险性评估范围的确定 • 3、地面沉降无监测地区地质灾害危险性的评 估方法 • 4、地面沉降监测地区地质灾害危险性的评估 方法 • 5、地面沉降对拟建工程的危害及防治措施
地面沉降的定义
地面沉降（Subsidence）:该专有名词 用于地壳表面，通常定义为地面的点 下沉到更低的水平位置。换句话说， 亦可定义为点的垂向位移，同时意味 着临近点借助于向下运动而产生横向 位移。
地面沉降
第四章地面沉降、滑坡、岩溶塌陷灾害与防治4．1 地面沉降灾害防治一、地面沉降的定义：指地层在各种因素的作用下，造成地层压密变形或下沉，从而引起区域性的地面标高下降。
二、地面沉降的原因：（1）自然因素：①新构造运动以及地震、火山活动引起的地面沉降；②海平面上升导致地面的相对下降（沿海）；③土层的天然固结（次固结土在自重压密下的固结作用）。
自然因素所形成的地面沉降范围大，速率小。
自然因素主要是构造升降运动以及地震、火山活动等一般情况下，把自然因素引起的地而沉降归属于地壳形变或钩造运动的范畴，作为一种自然动力现象加以研究。
（2）人为因素：①抽汲地下气、液体引起的地面沉降。
抽取地下水而引起的地面沉降，是地面沉降现象中发育最普通、危害性最严重的一类；②大面积地面堆载引起的地面沉降；③大范围密集建筑群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。
人为因素引起的地面沉降一般范围较小，但速率和幅度比较大。
人为因素主要是开采地下水和油气资源以及局部性增加荷载。
将人为因素引起的地面沉降归属于地质灾害现象进行研究和防治。
三、地面沉降的成因机制和形成条件（一）地面沉降的成因机制由于地面沉降的影响巨大，因此早就引起了各国政府和研究人员的密切注意。
早期研究者曾提出一些不同的观点，如新构造运功说、地层收缩说和自然压缩说、地面动静荷载说、区域性海平面上升说等。
大量的研究证明，过量开采地下水是地面沉降的外部原因，中等、高压缩性粘土层和承压含水层的存在则是地面沉降的内因。
因而多数人认为沉降是由于过量开采地下水、石油和天然气、卤水以及高大建筑物的超量荷载等引起的。
在孔隙水承压含水层中，抽取地下水所引起的承压水位的降低，必然要使含水层本身及其上、下相对隔水层中的孔隙水压力随之而减小。
根据有效应力原理可知，土中由覆盖层荷载引起的总应力是山孔隙中的水和土颗粒骨架共同承担的。
由水承担的部分称为孔隙水压力（p w），它不能引起土层的压密，故义称为中性压力；而由土颗粒骨架承担的部分能够直接造成上层的压密，故称为有效应力（p s）；二者之和等干总应力。
地面沉降论文
地面沉降研究摘要：地面沉降是一种慢性的具有严重危害性的地质灾害，地下水的长期过量开采导致我国地面沉降灾害不断加剧，给居民的生命安全造成了巨大的威胁，给生产建设造成极大危害。
要防治地面沉降发生，必须认清其产生的根源，方能收到药到病除的效果。
本文系统的分析和论述了地面沉降的成因、危害，提出了较为科学的预防和治理的措施。
关键词：地面沉降；危害；防治措施引言地面沉降是全球普遍存在的一种地质灾害。
近年来发生的越来越频繁。
地面沉降可导致地下管道扭曲折断、道路起伏不平、码头被淹没、建筑物产生裂缝甚至倒塌等，给人类生产、建设、生活带来极大危害。
1地面沉降的成因1.1地面沉降的地质原因从地质因素来看，自然界发生的地面沉降有以下三种原因：（1）地震导致地面沉降。
（2）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。
（3）因地质构造作用导致地面凹陷而发生沉降。
1.2 地面沉降的人为原因地面沉降现象与人类活动密切相关。
研究地面沉降的原因时，不难发现，人为因素已远远超过了自然因素。
尤其是近几十年来，人类过度开采石油、天然气、固体矿产、地下水等地下资源，使贮存这些液体、气体和固体的沉积层的孔隙压力发生趋势性的降低，有效力增大，从而导致地层的压密。
直接导致了今天全球范围内的地面沉降。
人为的地面沉降广泛见于一些大量开采地下水的大城市和石油或天然气开采区。
地面沉降主要由抽水作用形成，但又与软土层的厚度、地壳下沉，以及高层建筑等因素密切相关。
造成我国地面沉降的成因，主要是地下水的长期过量开采，同时，第四纪以来的活动断裂和构造沉降，加剧了这一灾害的发生和危害。
（1）过量开采地下水引起地面沉降。
沿海地区多沉积巨厚的松散层，其颗粒较细，结构复杂。
由于大量开采深层地下水，引起孔隙水压力降低和有效应力增大，导致含水层被压缩，颗粒接触面积增大，孔隙度减小并释水，产生弹性变形，其沉降量一般相当粘性土压缩率的15％，当含水层中的水压恢复后，骨架则复原，只形成暂时性地面沉降。
第十章 地面沉降
第一节 第二节 第三节 第四节
地面沉降
概述 地面沉降的地质环境 地面沉降机理 地面沉降的防治
第一节 概述
地面沉降：指地面高程的降低，均指地壳 地面沉降：指地面高程的降低， 表面某一局部范围内的总体下降运动。 表面某一局部范围内的总体下降运动。 特点：以缓慢的、 特点：以缓慢的、难于察觉的向下垂直运 动为主， 动为主，只有少量的或基本没有水平向的 位移， 位移，可能影响的平面范围可大至几千平 方公里。 方公里。
世界若干大城市日用水量与地面沉降
上海市地面沉降
除超量抽取地下水之外，造成近期上海地面沉降加速 的原因是多方面的：
上海地区地下水开采量在较长时间内仍将持续高水平。 上海市第四纪沉积层厚达 3 0 0多ｍ，在潜水含水层以下有 0多ｍ，在潜水含水层以下有 7个粘性土层，上部粘土层在反复抽水与回灌的加卸载过程中， 回弹效应愈来愈差，其力学性状已经发生明显变化。 长江三角洲的苏、锡、常地区和杭、嘉、湖地区地面沉降明 显，已经和上海地区地面沉降几乎连成一片，造成周边地区 与上海地区地面沉降的地面沉降的相互影响加剧。 全球海平面升高影响，上海海平面目前以每年 1.5ｍｍ上升， 1.5ｍｍ上升， 地面沉降必须考虑与海平面升高的共同影响。
第三节 地面沉降机理
主要分析因为抽汲地下液体所引起的地面沉降的 机制问题 承压水位降低所引起的应力转变及土层的压密 位于末固结或半固结疏松沉积层地区内的大城市， 位于末固结或半固结疏松沉积层地区内的大城市， 因为潜水易于污染往往开发深层的承压水作为工 业及生活用水的水源。 业及生活用水的水源。 在孔隙承压含水层中， 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、 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。 对含水层中的孔隙水压力随之而减小。
地面沉降的工程地质研究
地面沉降的工程地质研究一、概述地面沉降：指地面高程的降低，均指地壳表面某一局部范围内的总体下降运动。
特点：以缓慢的、难于察觉的向下垂直运动为主，只有少量的或基本没有水平向的位移，可能影响的平面范围可大至几千平方公里。
在某些实例中地面沉降是一种自然动力地质现象，而在多数实例中这种现象是由人类活动所引起的，常以地壳表层一定深度内岩土体的压密固结或下沉为主要形式。
近年来的研究成果表明，地面沉降产生于特定的地质环境中并受到多种诱发因素的制约和影响。
诱因：引起地面沉降的因素包括自然地质因素和人类工程活动因素两大类。
地面沉降可以由单一因素诱发，而在许多情况下是由几种因素综合作用的结果。
在诸因素中，人类工程活动因素常起着重要的作用。
自然动力地质因素(1) 地球内营力作用它包括地壳近期下降运动、地震、火山运动等。
由地壳运动所引起的地面下降是在漫长的地质历史时期中缓慢地进行的，其沉降速率较低，一般不构成灾害性后果。
例如我国天津地区第四纪以来的地壳年平均沉降速率约为0.17－0.2mm，近期的年平均下降速率为1－2mm。
但是在地壳沉降区内的不同地点下降速率并非完全一致，常常表现出相对不均一性。
(2) 地球外营力作用它包括溶解、氧化、冻融等作用。
地下水对土中易溶盐类的溶解，土壤中有机组分的氧化，地表松散沉积物中水分的蒸发等，均可能造成土体孔隙率或密度的变化，促进土体自重固结过程而引起地面下降。
人类活动因素人类活动因素是诱发高速率地面沉降的重要因素。
在诸多人类活动因素中对地面沉降的发生和发展关系最为密切的因素是抽取地下液体的活动。
由于各种形式的抽取地下液体而导致地面沉降的实例，几乎占当前世界范围内地面沉降全部事例的绝大部分。
由于这种情况下的地面下沉是逐渐演变的，其后果往往在已明显地表现为灾害之后才被认识，因而其危害性也最大。
抽液活动包括以下几种典型情况：(1) 持续性超量抽取地下水在松散介质含水系统中长期的、周期性的开采地下水，当开采量超过含水系统的补给资源(即动储量)限额时，将导致地下水位的区域性下降，从而引起含水砂层本身的压密以及其顶底部一定范围内饱水粘性土层中的孔隙水向含水层运移(即越流作用)。
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一、概述
地面沉降的危害
6
一、概述
1、洪涝灾害加剧
地面沉降长期发展，使沉降中心的地面高度明显降 低，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，积水难 排，行洪能力下降，洪涝灾害加剧。
7
一、概述 洪涝灾害加剧
苏 州 防 汛 堤 有 三 次 明 显 加 高
11
一、概述
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
12
一、概述
太 原 市
建
筑
物 受
西安大雁塔
损
无锡市
13
一、概述
太 原 市
建
江阴长泾
筑
物 受
西 安
损
长
安
路
14
一、概述
建筑物受损
15
一、概述
16
一、概述
不
均
匀
地
面 沉
建
降 加 速
筑 物
了 地
受
铁 隧
损
道
设
施
的
磨
损
17
一、概述
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。
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。
8
一、概述
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
9
一、概述 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
10
一、概述
2、建筑物基础下沉、工程设施毁坏
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。
二、我国地面沉降现状
长 江 三 角 洲 地 面 沉 降 现 状 图
25
二、我国地面沉降现状
（ 一 九 九 六
上 海 市 地 面 累
∣
二 ○ ○ 一 年 ）
图积 沉 降 量 等 值 线
26
27
二、我国地面沉降现状
苏锡常地区至2002年 地面累计沉降量等值线图
苏锡常地区2002年 地面沉降速率图
环境地质学
Environmental Geology
分论-若干地质环境问题的综合论述 ——地面沉降
地面沉降
2
提纲
一、概述 二、我国地面沉降现状 三、地面沉降形成机理及规律 四、地面沉降的时空特征 五、地面沉降主要特点 六、地面沉降的调查与评价 七、地面沉降监测与预测 八、地面沉降防治
3
一、概述
18
一、概述 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。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。
19
一、概述
天津市因地面沉降受 风暴潮危害严重
海 岸 上海市因地面沉降致 灾 使防浪堤三次加高
害 加 剧
20
一、概述
根据长江三角洲、华北地区、汾渭地堑主要城市等 的研究，粗略统计，建国以来，我国地面沉降和地裂缝 造成的损失累计高达4500～5000亿元，其中，直接经济 损失累计为350～400亿元，年均总损失为90～100亿元, 年均直接损失8～10亿元。
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
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
0 250 500 750 1000 1250
60
94
136
456
585.94
927.05 1022.61
1148.31
28
二、我国地面沉降现状
华 北 平 原 地 面 沉 降 等 值 线 图
29
二、我国地面沉降现状
太
原
市
(1956 2000 )
4
一、概述
地面沉降灾害
《地质灾害分类分级标准（试行）》（DZ0238-2004） 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 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 范围之广、治理难度之大远远超过了其它城市地质灾害。
21
22
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 平原、和汾渭盆 地等地面沉降灾 害严重区。
23
二、我国地面沉降现状
图例 沉降量大于2000mm
沉降量1000~2000mm 沉降量500~1000mm
沉降量小于500mm
0 100 200 300 400 500 KM
0
大庆 哈尔滨
昆明
北京
太原大同保石定家霸庄洲晋任大州丘城衡水德天 沧州州津东唐营海
榆次
曲周
济宁
菏泽
西安运城临汾 开封
徐州
洛阳 许昌
淮北 泰州
宿州 阜阳
扬州
南 无锡 苏通州
常州
上海
湖州 嘉兴
洪湖
杭州 绍兴宁
波温岭
温州
福州 台北
广州
珠海
云林 屏东
海口
我
国
发
现
地
面
沉
降
的
台北
主
广州
云林
屏东
要
珠海 海口
城
市
24
地面沉降
定义:是指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。
区别于地面塌陷、地裂缝
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 家是美国、日本、墨西哥和意大利等。截至2011年12月我国已有 50 余个城市出现了地面沉降，长三角地区、华北平原和汾渭盆地已成重 灾区。2012年2月，中国首部地面沉降防治规划获得国务院批复。
1267.31
累计月数(月)
1500 1750
1464.61 1642.11 1789.51
2000 2250 00 2750 3000
沉降总量(mm)
2114.81 2232.71 2321.71 2390.71 2516.01 2611.91 2735.41 2816.71 2969.51
珠海西区高尔夫球场2001年11月～2003年7月沉降量与时间关系图