地面沉降工程地质研究

　地面沉降工程地质研究

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)

(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)。在渗流的动水压力和土层孔隙水排出所相当之附加有效应力作用下，粘土层发生压密固结，从而综合影响导致了地面沉降。

(2) 开采石油

开采石油是人工抽取地下液体的另一种重要形式，在某些埋藏较浅的半固结砂岩含油层中，抽取石油可引起砂岩孔隙液压的下降，未完全固结的砂岩在上覆岩层自重压力作用下继续固结，引起采油区地断下降。典型实例是美国长滩威明顿油田，该地区含油气层位于地下600－1500m深度内，自1926－1968年期间共钻2800口油井，采出油气5.2×109m3，其地面总沉降量达9.0m，使油田设施遭到严重破坏。经向油层注水(1.75×105m3／d)后沉降停止并有少量地面回弹。(3) 开采水溶性气体

日本新隅因开采水溶性天然气——甲烷而持续地大量抽水，导致开采层地下水位下降及含气层的压缩，产生了大幅度的地面沉降。

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。

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29019.5 4.231892－1968

开

发

地

下

水大阪16.3 2.81925－1968

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60021 3.901915－1967

圣华金流域900046.08.551935－1968

洛斯贝诺斯

－开脱尔曼市

233040 4.88－1955

邱拉里华兹科＞30 3.961926－1954

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

7300

10.1

21.6

2

2.667

1.76

1.70

1921－1987

1959－1983

1963－

抽

取

地

下

水

表10-1 世

界各地地面沉降概况