第十讲 地面沉降
地面沉降工程地质研究.ppt
自l9世纪末以来，随着世界范围内人类工程活动强度 和规模的不断增大，在许多具备适宜的地质环境的地区陆 续出现了地面下沉现象。在诸多实例中由于人类抽取地下 液体的工程活动而引起的地面沉降的情况最为普遍。意大 利的威尼斯城是最早被发现因抽取地下水而产生地面沉降 的城市。之后，日本、美国、墨西哥、中国、欧洲和东南 亚一些国家中的许多位于沿海或低平原上的城市地区，由 于抽取地下液体的工程活动，均先后出现了较严重的地面 沉降问题。表10-1列出了世界各典型地面沉降地区的沉降 量值、速率、诱发因素及已采取的治理措施等一般概况。
天 津 市 地 面 沉 降
西 安 市 地 面 沉 降
上个世纪90年代以来，由于采取限采、禁采地下 水和回灌地下水等措施，上海、嘉兴、宁波等地沉 降速度趋缓，但总体沉降范围却在迅速扩展。如杭、 嘉、湖的沉降正向整个平原蔓延，长江三角洲地区 的地面沉降在区域上有连成一片的趋势。苏锡常地 区的沉降速度也在加大，苏州市自1949年以来累计 地面沉降600毫米的面积已达180平方公里，常州43 平方公里，无锡59.5平方公里。地面沉降最严重的 是上海，其次是苏锡常，再次是杭嘉湖。40年来， 上海市因地面沉降的直接经济损失达2900亿元，其 中潮损1755亿元，涝损848亿元，安全高程损失189 亿元。
近代河流冲积环境模式： 以河流中下游高弯度河流沉积相为主。 属于这种模式的河流常处于现代地壳沉降带中，河床迁 移频率高，因而沉积物特征为多旋回的河床沉积土－－ 下粗上细的粗粒土和泛原沉积土，并以细粒粘性土为主 的多层交错叠置结构。
我国东部许多河流冲积平原如长江中下游，黄淮海平原、 松嫩平原等均属于此种类型。
地面沉降
• 世界上地面沉降问题的发现，约始于20世纪初。 有关上海地面沉降的报导最早见于1921年，到 1965年在市区已形成了一个碟形洼地，其中心 处的最大沉降量达2.63米。 • 然而，无论是媒体的统计，还是民间的地陷地 图都难以真正对未来可能的地陷以及生命的消 逝起到足够的预防作用。这些统计和地图只是 一种民间的记忆，表达一种事后的或怀念，或 愤怒的复杂情感。铭记灾难，讲述灾难是为了 明天活得更好，更安全，然而应对莫名其妙的 地陷，有心的民间人士亦感乏力，除了记录， 他们对于明天的地陷也没有更好的办法。
地面沉降所造成的破坏和影响是多方面的，主要为区域性地面标高的 损失而引起环境恶化给工农业生产、交通运输、城市建设和人民生活 造成危害和严重的经济损失，其具体环境灾害表现如下： 在滨江或滨海区域易受河水或海水的侵袭，引起潮水、江水倒灌， 给城市、农田造成严重经济损失。地面沉降也使内陆平原城市或地区 遭受洪水灾害的频率增大、危害程度加重，尤其那些新构造盆地如江 汉盆地、洞庭湖盆地、汾渭盆地及辽河盆地等。 对城市公共设施、交通运输、港口码头及水利设施的损害。例如 城市中下水管道变形排水能力下降，河道桥下净空减小通航能力降低， 既有河、海堤坝或防洪墙防洪、潮的能力降低，道路设施破坏，港口 码头失效货物装卸能力下降等。 地面沉降的不均匀往往使地面和地下建筑遭受巨大的破坏，危及 稳定、安全。如建筑物墙壁开裂、高楼脱空并使桩基产生负摩阻力， 深井井管上升、井台破坏，桥墩不均匀下沉、自来水管弯裂漏水等。
采地下水而逐渐加剧。1972—1983年，最大累计沉降量777毫米， 年平均沉降量30—70毫米的沉降中心有5处。1983年后，西安市 地面沉降趋于稳定发展，部分地区还有减缓的趋势。到1988年 最大累计沉降量已达1.34米，沉降量100毫米的范围达200平方 公里。
地面沉降
人类活动对地面沉降的影响当中国的城市正竭力向上发展，农村正拼命追求高产的时候，却没想到脚下的土地，已不堪重负，正悄无声息地下降。
千年古城西安在不知不觉中变“矮”，大雁塔可能成为“比萨斜塔”；天津塘沽地区九十年代海拔高度降低了3米，海河出现海水倒灌；北京有五个地区出现较大的地面塌陷，最严重的地方地表还在以每年20至30毫米的速度下沉；上海的地面以平均每年10毫米的速度下沉，有专家惊呼：再下沉2米，上海将陷于一片汪洋之中。
这一系列的现象均是由地面沉降所引起，同时与人类工程活动息息相关。
一、地面沉降的概念地面沉降，又被称为地面下沉、地陷。
它是在人类工程经济活动影响下，由于地下松散、地层固结压缩，导致地壳表面标高降低的一种局部的下降运动。
二、我国地面沉降的重灾区“目前，中国在19个省份中超过50个城市发生了不同程度的地面沉降，累计沉降量超过200毫米的总面积超过7.9万平方公里。
”2011年12月，国土资源部地质环境司副司长陶庆法表示，“地面沉降的重灾区主要是华北平原、长江三角洲地区和汾渭盆地这三个区域。
”所谓重灾区，是以累积地面沉降量超过200毫米的面积达到一定程度来判断的。
据相关报道，选取200毫米作为临界点，是因为地面沉降量达到200毫米将对地质环境产生很大影响。
中国地质调查局公布的《华北平原地面沉降调查与监测综合研究》及《中国地下水资源与环境调查》显示：华北平原不同区域的沉降中心有连成一片的趋势。
在累计地面沉降量超过200毫米的7.9万平方千米地区中，华北平原占比最大，达到6.2万平方千米。
其中天津和沧州地区的地面沉降中心最大累计沉降量超过2500毫米，此外，在沧州、衡水和保定等地区不同程度地发生地裂缝。
长江三角洲地区最近30多年累计沉降超过200毫米的面积近1万平方公里，占区域总面积的1/3。
其中，上海中心城区和江苏无锡等沉降中心的最大累计沉降量超过2500毫米，上海市、江苏省的苏锡常三市开始出现地裂缝等地质灾害。
地面沉降
地面沉降一、地面沉降现状2. 国内地面沉降现状河北平原总面积81459km2，河北平原地面沉降大于200mm 的面积达48550km2，占59.6%。
二、地面沉降的危害(1) 损失地面标高造成雨季地表积水，防泄洪能力下降，沿海地区抵抗风暴潮的能力降低。
如塘沽由于地面标高的损失，沉降中心的地面标高已不足1m，而遇风暴时海水上涨5～6m，现有防潮堤不足以阻挡海水，造成大面积入侵，1985年8月2日和19日，潮位达5.5m，新港造船厂、东大沽一带被海水淹没，直接经济损失达1. 2亿元；1992年9月1日，潮位达5. 93m,天津港前方库房、码头、客运站等全部被海水淹没，新港造船厂、北塘修船厂、救助站、部分村庄、万亩虾场、农田也受淹，直接经济损失达3亿元。
2002年7月5日，沧州市降水量97mm，整个沧州市区汪洋一片，市政设施管理处11个排水泵站33台水泵全部启动，连续48h才将积水排完，总排水量约356×104m3。
2003年10月10日，因持续降雨，城区3295户进水。
(2) 城市管网遭到破坏。
城市给水供气管道随地面不均匀沉降而弯曲变形，导致管道漏水漏气，进而折断，直接影响市民生活及工业生产，给当地人民的生命财产安全造成巨大威胁。
沧州市给水管网26km,仅2002年给水管网就破裂776次。
上海市曾发生地面沉降折断大口径(300mm)煤气管导致煤气泄漏事故。
(3) 铁路安全受到威胁。
由于地面沉降造成铁路路基不均匀下沉，铁路安全受到威胁。
如京沪铁路从沧州市沉降中心穿过，由于铁路路基下沉，在沧州市地面沉降中心地段，路基碎石垫层已加厚了500mm，不仅造成经济损失而且影响铁路安全运行。
(4) 河床下沉，河道防洪排涝能力降低，影响南水北调等引水工程安全；桥下净空变小影响泄洪和航运。
南运河从沧州市横穿而过，是引黄入津的通道，也是南水北调东线的经由之路，由于地面沉降，造成河床下沉，其过水能力锐减，原设计流量为120m3/s，现在已不及原设计能力的1/2。
地面沉降处理
地面沉降处理地面沉降是指地基的沉降运动，能够引起地面的沉降变形、塌陷和沉陷，继而对建筑物造成破坏。
地面沉降是一个严重的环境问题，它可以对房屋和其他建筑物造成严重的损害，甚至会影响地面沉降地区的社会发展。
在中国，随着经济的发展，地面沉降变得越来越严重。
因此，针对地面沉降问题，必须推行有效的处理措施。
面对地面沉降，采取有效的处理措施分为三个步骤：一是防治，二是调查，三是整治。
第一步是防治，做好防治措施是解决地面沉降问题的前提。
在施工过程中，必须严格控制施工影响范围，减少地面沉降的发生，为了防止地基沉降，施工设计需要考虑地基沉降预防措施，建议在现有施工场地初步调查地质情况，明确施工过程中需要采取的技术措施，以防止或减少地面沉降的发生。
第二步是调查，在施工前要经过充分的调查，以确定地基的沉降情况。
调查的目的是收集地面沉降现象的相关数据，确定沉降程度，以便进行有效的处理。
调查应包括室外摄影、多年剖面、地下水条件、地表沉降和空间水平位移等项目。
第三步是整治。
整治沉降现象的措施有很多，具体可以分为顶层维护技术、支撑结构技术和防压结构技术等。
顶层维护技术是把施工过程中发生的地面沉降现象，通过再注浆的形式，将整个地基的沉降整体补平，以达到地面沉降彻底消除的目的。
支撑结构技术是通过支撑结构，来抵消地基发生沉降的影响，从而达到防止建筑物沉降的目的。
防压结构技术是通过安装防压结构，来控制地基发生沉降的惯性力，从而抑制地面沉降幅度，避免房屋发生塌陷和沉陷，同时维护地面整体的平整度。
另外，地面沉降处理还应该考虑到临时土质加固的技术，可以进行临时的土质改良，以达到减弱地基沉降的目的。
总之，为了解决地面沉降问题，应采取有效的处理措施，三个步骤：防治、调查和整治，应按照地基沉降情况和施工安全要求，采取相应的技术措施，将地面沉降彻底处理掉。
地面沉降的处理不仅要识别问题的症结所在，还要基于定量分析，对地基沉降影响了的建筑采取合理的处理建议，以保证建筑物的安全。
环境地质学 第十讲 地面沉降
宁波地面沉降区常年积水
河北平原地面沉降区
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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
Á µ Ü ¿ ³ ½ ×Á (mm)
é ÖÖÖÖÖÖ·ÖÖ2001Ö11ÖÖ2003Ö7ÖÖÖÖÖÖÖÖÖÖ ÷ ò ò ê Ö ê Ö ±
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一、概述
不 均 匀 地 面 沉 降 加 速 了 地 铁 隧 道 设 施 的 磨 损
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
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二、我国地面沉降现状
华 北 平 原 地 面 沉 降 等 值 线 图
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二、我国地面沉降现状
太 原 市 累 计 ～地 面 沉 降 年等 值 线 图
大同市累计地面沉降等值线图 (1988～1993年)
(1956 2000 )
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三、地面沉降的形成机理及规律
饱水多孔介质的失水压密原理
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。
优质课件：地面沉降
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。 在我国，由于各大中城市都处于巨大的人口压力之 下，地下水的过度抽采更为严重，导致大部分城市 出现地面沉降，在沿海地区还造成了海水入侵。
• 地面沉降导致了地表建筑和地下设施的破坏。据 统计，我国每年因地面沉降导致的经济损失达1亿 元人民币以上。值得庆幸的是，我国已开始重视这 个问题，控制人口增长、合理开采地下水等一系列 政策的出台使我国很多地区的地面沉降现象已经或 将得到控制。
因时，不难发现，人为因素已大大超过了自然因
素。现在的地面沉降现象与其说是自然灾害，倒
不如称之为人为祸患。
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 下列三种原因：
• 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。
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。 在我国，由于各大中城市都处于巨大的人口压力之 下，地下水的过度抽采更为严重，导致大部分城市 出现地面沉降，在沿海地区还造成了海水入侵。
• 地面沉降导致了地表建筑和地下设施的破坏。据 统计，我国每年因地面沉降导致的经济损失达1亿 元人民币以上。值得庆幸的是，我国已开始重视这 个问题，控制人口增长、合理开采地下水等一系列 政策的出台使我国很多地区的地面沉降现象已经或 将得到控制。
地面沉降
•
地面沉降是指在一定的地表面积内所发生的
地面水平面降低的现象。地面沉降现象很早就为
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二、我国地面沉降现状
太 原 市 累 计 ～地 面 沉 降 年等 值 线 图 大同市累计地面沉降等值线图 (1988～1993年)
(1956 2000 )
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三、地面沉降的形成机理及规律
饱水多孔介质的失水压密原理
0 100 200 300 400 500 KM
温州
福州
台北
昆明
云林
广州
珠海
屏东
我 国 发 现 地 面 沉 降 的 主 要 城 市
0
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二、我国地面沉降现状
长 江 三 角 洲 地 面 沉 降 现 状 图
Á ½ ³ µ × Ü Á ¿ (mm)
é ÖÖ Ö ÷ÖÖÖ· ò Ö ò Ö2001Ö ê 11ÖÖ2003Ö ê 7ÖÖÖÖÖÖ ±ÖÖÖÖ
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一、概述
不 均 匀 地 面 沉 降 加 速 了 地 铁 隧 道 设 施 的 磨 损
一、概述
地面沉降
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
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。我国也有 50 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、
无锡、宁波等。
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图7 河北沧州因开采地 下水而产生的地裂缝
三、地面沉降的形成机理及规律
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
地下水开采区
集中开采 井位置
X
水平位移
图8 水平位移量的空间变化
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二、我国地面沉降现状
（ 一 九 九 六 二 ○ ○ 一 年 ）
上 海 市 地 面 累 积 沉 降 量 等 值 线 图
∣
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北京
唐海
大城
天津
沧州 德州 东营 济宁
太原
衡水 石家庄 晋州 曲周
榆次
临汾 西安运城
菏泽 开封 徐州 淮北 泰州 宿州 扬州 常州 湖州 洪湖
洛阳 许昌 阜阳
南 无锡 苏州 通
嘉兴
上海
波 温岭
台北 云林 广州 屏东 珠海 海口
宁 杭州 绍兴
图 例
沉降量大于2000mm 沉降量1000~2000mm 沉降量500~1000mm 沉降量小于500mm 海口
1 2
60 94
3
136
4
5
6
7
8
9
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11
12
13
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17
18
19
20
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0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000
Û ¼ À Æ Ô Â Ê ý (Ô Â )
456 585.94
927.05 1022.61 1148.31 1267.31 1464.61 1642.11 1789.51 2114.81 2232.71 2321.71 2390.71 2516.01 2611.91 2735.41 2816.71 2969.51
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一、概述 建 筑 物 受 损
西安大雁塔
太 原 市
无锡市
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一、概述
太 原 市
建 筑 物 受 损
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
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二、我国地面沉降现状
华 北 平 原 地 面 沉 降 等 值 线 图
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三、地面沉降的形成机理及规律
规律性：由沉降中心向周边方向逐渐减小
地下水开采区
集中开采 井位置
X
垂直位移
图3 垂直位移量的空间变化
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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。
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太沙基有效应力原理
σ=σ’ +µ σ=γ土 · H µ = γ水· h
h
H h
σ=(σ’+△σ’)+(µ-△µ)
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△σ’ =△µ
三、地面沉降的形成机理及规律
垂直位移的变化
图1 江苏张家港市、广东珠海市的地面沉降
第十讲
地面沉降
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、地面沉降主要特征 五、地面沉降的调查与评价 六、地面沉降监测与预测 七、地面沉降防治
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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。
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三、地面沉降的形成机理及规律
剪切破坏 拉张破坏
图9 地面破坏的表现形式
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三、地面沉降的形成机理及规律
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。
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二、我国地面沉降现状
大庆 哈尔滨
霸洲 大同 任丘 保定
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建 筑 物 受 损
一、概述
不 均 匀 地 面 沉 降 加 速 了 地 铁 隧 道 设 施 的 磨 损
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建 筑 物 受 损
一、概述
天津市因地面沉降受 风暴潮危害严重
上海市因地面沉降致 使防浪堤三次加高
海 岸 灾 害 加 剧
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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
抽水对地面沉降的影响
（1）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。
q Q1 Q Q2
Q1<Q2
图10
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抽水量对地面沉降的影响
三、地面沉降的形成机理及规律
抽水对地面沉降的影响
三、地面沉降的形成机理及规律
1985年
1991年
2000年
图5 苏锡常地区地面沉降面积不断扩大
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三、地面沉降的形成机理及规律
水平位移的变化
图6 在亚利桑那州皮卡乔附近， 因抽地下水的沉降引发地裂缝。