10 地面变形地质灾害(地面沉降)

地面变形地质灾害具有成因复杂、发生突 然、破坏程度高以及影响范围广等特点。 地面变形成因复杂，种类繁多。 研究对象：对人类社会构成较大危害并造 成经济损失或人员伤亡的类型。


1. 按地面变形的形式分类

地面沉降 地面塌陷 地裂缝


渗透变形
特殊岩土胀缩变形 内动力地面变形：地震裂缝、地震塌陷、构造地裂缝、火山地面变形等 水动力地面变形：由地表水和地下水运动引起的地面变形。如由江河湖海波 浪和水流冲蚀而形成的库岸再造、岩溶水动态变化造成的岩溶塌陷、过量 开采地下水引起的地面沉降、坡面流引起的地面冲刷等
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。
标高降低 海水倒灌 码头失效 城市排水系统报废
地面变形 （不均匀沉降）
建筑物倾斜/开裂 道路桥梁扭曲 地下管道破坏
重大经济损失
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 地面加载
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。 如，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。
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
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,
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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
洪涝灾害加剧
宁波地面沉降区常年积水
河北平原地面沉降区
Biblioteka Baidu
洪涝灾害加剧
上海地铁四号线地面沉降
太原市武家庄村常年积水
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。
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
西安大雁塔 太 原 市
无锡市
太 原 市
江阴长泾
西 安 长 安 路
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
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60 94
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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华 北 平 原 地 面 沉 降 等 值 线 图
太 原 市 累 计 ～地 面 沉 年降 等 值 线 图 大同市累计地面沉降等值线图 (1988～1993年)
(1956 2000 )
三 、 地 面 沉 降 的 危 害
P
σ = σ’ + µ
△σ’ 大于
粒间阻力且 △σ’>△µ
颗粒骨架压 密；含水层 总体积变小 水从孔隙中 挤出 进入水井
σ + △σ =(σ’+ △σ’)+(µ+△µ)
△σ’ >△µ
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 ①砂砾质含水层一旦被抽汲，释水快，压力传递快， 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； ②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；
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 沉降时间 8000~9000年 洞庭湖区 构造蠕变引起的沉降值约为1~2mm/a
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
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，形成碟形洼地，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，就积水难排。
洪涝灾害加剧
苏 州 防 汛 堤 有 三 次 明 显 加 高
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。
归属于地壳形变或构 造运动的范畴，作为 形成的地面沉降范围 自然动力现象加以研 大、速率小 究
归属于地质灾害现象 形成的地面沉降范围 进行研究和防治 小、速率和幅度较大
开采地下水、油气资源
急剧变形：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。
σ 不变= σ’ + µ 大于颗粒间 σ’ 摩擦阻力
地面下沉 形成新的压力平衡
颗粒间产生 位移/错动/ 排列更紧密
含水层压密 体积变小
△σ’ =|△µ |
σ=(σ’+△σ’)+(µ-△µ)
△σ’ 有效应力的增量； △µ 孔隙水压力增量。抽水为减压过程，所以取负 |△µ | 孔隙水压力增量的绝对值。
（2）地面加载条件下饱水多孔介质含水层的失水压密
年均直接损失8～10亿元。
1、饱水多孔介质的失水压密原理 （1）抽水条件下饱水多孔介质含水层的失水压密

（2）地面加载条件下饱水多孔介质含水层的失水压密
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、开采条件下油、气储层压密固结原理
4、地面沉降的产生条件
③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。
（2）粘性土的失水压密特点 ①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； ②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； ③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。
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
国家及地区
日本
沉降面积 km2 最大沉降速率 cm/a
1000 1635 9000 10000 7560 19.5 16.3 46.0 17 42.0
最大沉降量 m
4.6 2.8 8.55 1.5 7.5


构造运动和构造变形 地面变形地质灾害的类型分布 地面沉降
地裂缝
岩溶地面塌陷
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
1、定义
2. 按地面变形的成因分类
重力地面变形：崩塌、滑坡、黄土湿陷等
人类活动诱发地面变形：修路开挖边坡、采矿地面塌陷、城市建设平整土地、 农业活动中的梯田改造等

东部地区（地势低平、人口密集、经济发达） 长白山、燕山山地、松辽平原地面塌陷灾害区； 华北平原、长江中下游平原地面沉降、地面塌陷灾害区； 东南沿海丘陵特殊岩土变形和地面塌陷灾害区； 台湾地震、地面沉降为主塌陷灾害区。
主要原因
东京
大阪 美国 加州圣华金流域
开采地下水
德克萨斯州
墨西哥 意大利波河三角 洲 中国 上海 天津
开采石油 开采石油
800
30.0
>0.25
开采石油
10.1 8000 21.6
2.67 1.76
抽取地下水
根 据 2009 年 国 土
资源部的调查与 监测结果显示，
全国累计地面沉
降量超过200毫米 的地区达到7.9万
中部地区（黄土高原、中低山） 黄土高原湿陷、地裂缝、地面沉降塌陷灾害区； 秦岭、川鄂、横断山地区地面塌陷灾害区； 长江上游平原、云贵高原岩溶塌陷区。 西部地区（高山、高原、人烟稀少） 内蒙高原、准葛尔盆地、塔里木盆地土地砂化和盐渍化地面变 形灾害区； 天山、昆仑山地震地面变形灾害区； 大兴安岭北段山地冻融塌陷灾害区； 青藏高原山地岩土冻融、地震塌陷灾害区。
Á ½ ³ µ × Ü Á ¿ (mm)
é ÖÖ Ö ÷ÖÖÖ· ò Ö ò Ö2001Ö ê 11ÖÖ2003Ö ê 7ÖÖÖÖÖÖ ±ÖÖÖÖ
不 均 匀 地 面 沉 降 加 速 了 地 铁 隧 道 设 施 的 磨 损
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。
（2）小型河流三角洲区——东南沿海地区 第四纪沉积层厚度不大，以海陆交互相粘土和砂层为主，压缩性 相对较小 地下水开采主要集中于局部富水地段。沉降范围一般比较小，主要 集中于地下水降落漏斗中心附近。
（3）山前冲洪积扇及倾斜平原区——燕山和太行山山前倾斜平原 区（北京/保定/邯郸/郑州/安阳等大中城市） 第四纪沉积层以冲积、洪积形成的砂层为主 城市人口众多、城镇密集、工农业生产集中 地下水开采强度大，水位下降幅度大 地面沉降主要发生在地下水集中开采去，沉降范围由开采范围 决定。 （4）山间盆地和河流谷地区——陕西渭河盆地/山西汾河谷地及 一些小型山间盆地(西安，咸阳，太原，运城等) 第四纪沉积物沿河流两侧呈条带状分布，以冲积砂土、粘 性土为主，厚度变化大； 地下水补给、径流条件好； 构造运动表现为强烈的持续断陷和下陷 地面沉降范围主要发生在地下水降落漏斗区。
1、饱水多孔介质的失水压密原理
H h
h
固体颗粒 （岩石碎屑 矿物颗粒）
太沙基有效应力原理 σ=σ’ +µ σ =γ土 · H µ = γ水· h σ’ 有效应力。颗粒受到 的应力，通过颗粒间的接 触点传递； µ 孔隙水压力。粒间孔 隙水所承受和传递的应力
孔隙水
（1）抽水条件下饱水多孔介质含水层的失水压密
长三角、华北平 原、和汾渭盆地
为地面沉降灾害
严重区。
20-40mm/a
23-->14mm/a
长 江 三 角 洲 我国发生地面 地 沉降现象最早、 影响最大、危 面 害最严重的城 沉 市 降 现 状 图
20世纪90年代末，本区累 计沉降超过200m的范围达 1/3，面积近10000km2.
成因：地下水开采
平方千米，发生
地面沉降的城市 超过50个。
中国地面沉降的地域分布具有明显的地带性，主要位于厚层松散 堆积物分布地区。 （1）大型河流三角洲及沿海平原区——长江/黄河/海河/辽河下游平 原和河口三角洲地区 第四纪沉积层厚度大、固结程度差、颗粒细、层次多，压缩性强 地下水含水层多，补给径流条件差，开采时间长，强度大 城镇密集，人口多，工农业生产发达。 地面沉降首先从城市地下水开采中心形成沉降漏斗，进而向外围扩 展，形成以城镇为中心的大面积沉降区。
构造运动和构造变形 地面变形地质灾害的类型分布 地面沉降
地裂缝
岩溶地面塌陷

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。