第六章 地面沉降

三. 地面沉降的研究、预测及防治
1. 地面沉降的工程地质研究
为了掌握地面沉降的规律和特点，合理拟定 控制地面沉降的措施，研究工作必须包括下述内 容： (1)地区地质结构的研究； (2)地面水准点的定期测量； (3)地下水开采量统计及地下水位的长期观测；
(4)粘性土层孔隙水压力的观测； (5)土层性质的测试； (6)各土层实际沉降量的监测及土性参数的反 算。 其中前三项工作属常规性质，用一般通用的 方法进行。 除常规土工试验外，还需进行以下一些专门 性质的试验研究工作： 粘性土层孔隙水压力的观测 为研究抽、灌水作用下，土层不同深度处孔 隙水压力的有关数据，应有计划地开展现场孔隙 水压力观测工作。
地面沉降测量方法

水准测量 GPS（全球卫星定位系统） 合成孔径干涉雷达 合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR， Interferometric Synthetic Aperture Radar，简称干涉 雷达测量)是以同一地区的两张或多张合成孔径雷 达(SAR)图像为基本处理数据，通过求取这些SAR 图像的相位差，获取干涉图像，然后从干涉条纹 中得出地形高程数据的空间对地观测新技术。
开 发 地 下 水
美
32 500 310 10000 500 7560
71
开采石 油
国
内华达州 亚利桑那州 得克萨斯州 路易斯安那州
拉斯维加斯 凤凰城 休斯顿－ 加尔维斯顿 巴吞鲁日
抽 取 地 下 水
墨西哥 意大利
墨西哥城 波河三角洲 上海 市区及郊区
42 30 10.1
7.5 ＞0.25 2.667 1.76 1.70
为此，需在不同地区的粘性土层内埋没孔隙水压 力观测孔，在夏季用水期一般每5天观测一次，其 他季节每10天一次。 土层性质的测试研究 从地面沉降角度研究土层的性质 压缩试验，高压固结试验
各土层实际沉降量的监测及土层性质参数的反算 基岩标与分层标的埋设, 合成孔径雷达(InSAR)和 全球卫星定位系统(GPS)的应用。
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3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。 （岩土体类型） 2. 因地质构造作用导致地面凹陷而发生沉降。 （地质结构） 3. 地震导致地面沉降。（工程动力地质作用）
第六章 地面沉降
提 要
基本概念及研究意义 地面沉降的形成机制 地面沉降的产生条件 地面沉降的研究、预测及防治
一. 基本概念及研究意义
地面沉降 地面沉降是指在一定的地壳表面内所发生的地 面降低的现象。
地面沉降现象很早就为史书所记载。作为自然 灾害，地面沉降的发生有着一定的地质原因。但是， 随着人类社会经济的发展、人口的膨胀，地面沉降 现象越来越频繁，沉降面积也越来越大。在人口密 集的城市，地面沉降现象尤为严重。现在我们研究 地面沉降的原因时，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
国 名 州或省市 东京 日 本 尼崎 加州 大阪 九州
点
具体地点 江东及城北工业区
沉降面积 （km2）
290
最大沉降速率 （cm/a）
19.5 16.3
最大沉降量 （m ）
4.23 2.8
发生沉降的 主要时间
1892－1968 1925－1968 1954－1965
备 注
佐贺县 白石平原
ຫໍສະໝຸດ Baidu
88
20 3.1
由水承担的部分称为孔隙水压力，它不能引起土 层的压密，故又称为中性压力，而由土骨架承担 的部分则能直接造成土层的压密，故称为有效应 力；二者之和等于总应力。假定抽水过程中土层 内的总应力不变，那么孔隙水压力的减小必然导 致土中有效应力的等量增大，结果就会引起土层 成比例的固结。由于区域性地面沉降范围较广阔， 压缩层厚度与沉降范围相比较，又相对较小，因 此无论从理论或实际应用上，即可以把这类由于 抽水引起的地面沉降问题按一维固结问题处理。 以三层结构条件下单层抽水的情况为例，对抽 水过程中土层中应力的转变及土层的固结问题进 行具体分析。


较严重的西安南郊小寨、大雁塔一带的地下水位 已降至100米以下，而地下水位下降最严重的地方 位于东郊老动物园附近，地下水位深达120米左 右。”西安市水资源技术利用服务中心的张姓技 术人员说。 据西安市水务局统计，2007年至今，西安市 区内已累计封停、填埋各类自备井近两千眼，今 年按计划再封停162眼自备井后，全市仅剩141眼 自备井。这项工作换回的结果是西安的地下水位 连年回升，去年地下水位比上年度上升2厘米。

因为超采地下水等原因，我国已有90多个城 市（地区）发生了不同程度的地面沉降， 沉降面积已达6．4万平方公里。
天津
天 津 市 地 面 沉 降

由于地面沉降，海河泄洪能力大大下降， 天津市区内涝基本无法从海河排出 ！
西安
西 安 市 地 面 沉 降

西安矗立千年的唐代建筑大雁塔竟倾斜了上千毫 米。这个消息经过媒体报道，国人为之震惊，一 度成为大家的热门议题。经过有关专家介绍才知 道，让大雁塔将变成“比萨斜塔”的“元凶”。 正是由于几十年来无节制地超量开采地下水等原 因导致的地面沉降。大雁塔周围及其塔底所发生 的不均匀沉降更是让千年古塔无法“站直”。虽 然在西安市严禁开采地下水的措施相继出台后， 大雁塔开始以每年1毫米的速度“复位”，但以现 在的速率推测，扶正它还需要1000多年。
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。
图1
图2 由承压水头降低引起的土层固结的模拟试验结果
土层内现有的剩余孔隙水压力的大小，是衡量该 土层在现存的应力条件下可能最终产生的固结、 压密的强烈程度的重要标志，通常可以通过实测 加以查明。 以上通过一种较简单的三层结构、单层抽水模 式的机制。其它多层结构(甚至多层抽水)类型的沉 降机制仍然是相同的，所以就不再一一地进行讨 论了。
2. 地面沉降的预测及防治
防治地面沉降的原则和方法 控制地下水开采和地下水人工回灌 从1966年起，上海开始限采地下水，向地层回灌 自来水，“冬灌夏用”、“夏灌冬用”，以地下 含水层储能及开采深部含水层等众多措施把上海 地面沉降稳住，1966年至1971年还出现了回弹3 毫米。上海市过去地下水取水点多如牛毛，现在 已经压缩到800个左右。地下水年开采量从过去 的2亿立方米，下降至2002 年的9635 万立方米。 上海采取控制地下水开采和地下水人工回灌 两大措施，使上海地面沉降从历史最高的年沉降 量110毫米，下降至目前的年沉降量10毫米左右。
由于透水性能的显著差异，上述孔隙水压力减 小，有效应力相应增大的过程，在砂层和粘土层 中的表现是截然不同的。在砂层中这一过程基本 上标志着固结进展程度的应力转换线逐渐地向最 终边界线推进(图1)，而达到AB线(与降低后的承压 水位相平衡的孔隙水压力线)所需的时间，正如模 型试验(图2)所表明的，往往需要几个月、几年甚 至几十年(取决于土层厚度和透水性)。这样，在承 压水位降低后，直到应力转变过程(也就是固结过 程)最终完成之前的相当长的一段时间里，粘土层 中始终不同程度地存在有高于和新的承压水位相 平衡的孔隙水压力，这部分孔隙水压力通常被称 为剩余孔隙水压力或超孔隙水压力。
上海

上海是我国地面沉降发生最早、影响最大、 带来危害最严重的城市，自1921年发生地面 沉降以来，至今沉降面积达1000平方公里， 沉降中心最大沉降量达2．6米。根据对上海 40多年沉降情况的研究，地面沉降造成的经 济损失已达千亿元。也就意味着，上海地 面平均每沉降1毫米，经济损失就高达1000 万元。
二. 地面沉降的形成机制
1 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，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。 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、下 相对含水层中的孔隙水压力随之而减小。根据有 效应力原理可知，土中由复盖层荷载引起的总应 力是由孔隙中的水和土颗粒骨架共同承担的。
800
开采石 油 抽 取 地 下 水
中 天津 国 台湾 台北盆地 2 7300 21.6



主要危害 (1).沿海地区沉降使地面低于海面，受海水侵袭； (2)一些港口城市，由于码头、堤岸的沉降而丧 失或降低了港湾设施的能力; (3)桥墩下沉，桥梁净空减小，影响水上交通. (4)在一些地面沉降强烈的地区，伴随地面垂直 沉陷而发生的较大水平位移，往往会对许多地面和地 下构筑物造成巨大危害; (5)在地面沉降区还有一些较为常见的现象，如 深井管上升、井台破坏，高摆脱空，桥墩的不均匀下 沉等，这些现象虽然不致于造成大的危害，但也会给 市政建设的各方面带来一定影响。
圣克拉拉流域 圣华金流域 洛斯贝诺斯 －开脱尔曼市 邱拉里华兹科 长滩市威明顿油田
600 9000 2330
21 46.0 40 ＞30
3.90 8.55 4.88 3.96 9 1 3 1－2 0.3
1915－1967 1935－1968 －1955 1926－1954 1926－1968 1935－1963 1952－1970 1943－1969 1934－1965 1890－1957 1953－1960 1921－1987 1959－1983 1963－