地面沉降地质灾害危险性评估方法.pdf

1 地面沉降地面沉降 地质灾害危险性评估方法地质灾害危险性评估方法 张上麟张上麟 浙江省水文地质工程地质大队浙江省水文地质工程地质大队 浙江省工程勘察院浙江省工程勘察院 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 6、有关说明及存在问题 1、地面沉降概述 1.1地面沉降的定义、原因、机理及其危害地面沉降的定义、原因、机理及其危害 1.1.1定义定义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。 1.1.2地面沉降的原因地面沉降的原因 （1）自然因素①新构造运动引起的地面沉降；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）。 （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。 1.1.3抽水作用下地面沉降机理抽水作用下地面沉降机理 因抽水而引起地面沉降的地区，地层主要由各含 水层及其相对隔水的粘性土层相叠组成，各层间 在一定的水压下有着水力联系，抽水使含水层的 水头（或水位）下降，并牵动相关的水头下降， 导致孔隙水压力减小，有效应力增加。有效应力 的增加，等同于给土层施加一附加压应力，使土 层产生压缩变形，各土层的变形迭加，导致地面 的整体下沉。 1.1.4地面沉降的危害地面沉降的危害 地面沉降灾害的特点是缓慢的不可逆的，即缓变 型地质灾害。其主要危害是 （1）对环境的危害防洪能力降低，洪涝危害加 剧；雨季地面积水扩大，乃至大面积农田抛荒； 例浙江温岭西部平原，原地面标高2.5～3.3m，目前 沉降中心带已降至2.0m以下，局部1.5m，长期水淹而 抛荒的农田面积达3919亩，季节性水淹而抛荒的农田 面积达3936亩，给城市、交通、水利设施建设及当地 居民造成很大的影响，初步估计前几年由此损失达5 亿元，而在今后仍将继续影响，损失难以估计。 （2）对建筑工程的危害①桥梁墩（台）下沉，使 桥下净空减少；②建筑地坪下沉，使地下管道坡度改 变，重力排水功能失效；③道路工程，由于地面沉 降，使潜水位相对“升高”且地面积水也相应增加，将 使填方路基的强度和稳定性造成不利影响，同时使路 基排水系统不畅乃至失效；④深井井台和桩基建筑物 承台与地坪脱开而相对上升等。 1.2开采地下水引起地面沉降的防治措施开采地下水引起地面沉降的防治措施 基本措施是进行地下水资源管理。 主要整治方法 （1）减少地下水开采量和水位降深；调 整开采层次，合理开发地下水资源； （2）当地面沉降发展剧烈时，应禁采； （3）对地下水进行人工补给，回灌时应 控制水源的水质标准，以防止地下水被 污染。 2 1.3浙江省地面沉降简介浙江省地面沉降简介 浙江省地面沉降均发生于经济最发达的沿海平原， 自北而南有杭（州）嘉（兴）湖（州）平原、宁 （波）奉（化）平原、温（岭）黄（岩）平原和温 （州）瑞（安）平原等地。地面沉降的产生均由于 大规模开采平原区深部孔隙承压淡水体所致。由于 大量开采地下水导致地下水位大幅度下降形成区域 地下水下降漏斗，漏斗中心与地面沉降中心基本一 致。截止2003年，各地地面沉降现状如下表所示。 嘉兴市及宁波市自上世纪八十年代后期起逐渐压缩 地下水开采量，地面沉降速率分别自42、35mm/a降 至20、10mm/a以下。 不详308200 5350 1020200 沉降范围累 计沉降量） km2mm 200 1300 489.2 860.0 沉降中心累 计沉降量mm 温瑞平原温黄平原宁奉平原杭嘉湖平原地 区 表表1 浙江省沿海平原地面沉降简况表（截止浙江省沿海平原地面沉降简况表（截止2003年）年） 从上世纪八十年代起，省水文地质工程地质大队先后 在宁波市和嘉兴市建立了较为系统的地面沉降监测网 络，随后提交了地面沉降的研究成果。 1.4讲题内容定位讲题内容定位 1.4.1评估的内容和方法评估的内容和方法按国土资源部国土资发 【2004】69号文附件1地质灾害危险性评估技 术要求（试行）的要求进行。 1.4.2评估对象评估对象在地面沉降区内进行各类建设工 程，城市总体规划和村镇规划时对地面沉降灾害 的危险性评估。既不是对地面沉降的勘察评价， 也不是专门性的地面沉降研究。 1.4.3评估内涵评估内涵指由于常年抽汲地下水引起水位 或水压下降而造成的地面沉降，不包括由于其他 原因所造成地面沉降。 2、地面沉降区地质灾害危险性评估 范围的确定 地面沉降的评估范围应与地面沉降范围或初步 推测的可能沉降的范围基本一致。 3、地面沉降无监测地区地质灾害危 险性评估方法 由于在已经建立地面沉降监测的地区（嘉兴、 宁波），对地面沉降地质灾害危险性评估的方 法比较成熟。本文主要对无地面沉降监测地区 的拟建工程进行地质灾害危险性评估的方法作 了一次尝试，并将在今后相关的评估工作中不 断修正完善。 3.1 调查、访问和资料收集调查、访问和资料收集 3.1.1 地下水开采历史和现状调查地下水开采历史和现状调查 包括开采井的位置、成井年月和井结构、开采 量、水位等，进行地毯式调查，并统一时间测量 水位（停泵后1小时以上施测）。 3.1.2地面沉降迹象调查和访问地面沉降迹象调查和访问 包括井管相对于地坪顶升量、河（渠）水倒流流 向、一次降水过程地面积水范围等。 3.1.3 资料收集资料收集 包括县（市）区域水文地质调查报告、水文地质 钻孔综合成果表、地下水动态监测资料以及工程 地质钻孔岩性柱状图和土工试验综合成果表。收 集不同年代测制的比例尺1∶1万的地形图。 3 3.2 地质环境条件阐述的重点地质环境条件阐述的重点 3.2.1 第四纪地层的系统划分第四纪地层的系统划分 首先编制钻孔剖面图，最有价值的是工程地质钻 孔，它既有详细的岩性描述，又有相应的土层物 理、力学指标。根据浙江省沿海平源第四纪地层序 列对全新世（Q4）和晚更新世（Q32- 2、Q32- 1、 Q31）进行系统、详细的划分。并厘定时代和成 因。接着将水文地质剖面图与第四纪地层剖面进行 整合，最终确定各含水层与非含水层的时代和成 因。 3.2.2 工程地质层（组）的统一划分工程地质层（组）的统一划分 在第四纪地层剖面的基础上，按时代分组① （Q43）、②（Q42）、③（Q41）、④（Q32- 2）、⑤ （Q32- 1）、⑥（Q31）、⑦（Q22）、⑧ （Q21） 。进而按岩性与物理力学性质划分工程 地质层。并按工程地质层进行指标统计、编制物理、 力学指标一览表。 3.2.3 水文地质条件水文地质条件 在第四纪地质剖面基础上，按时代和层序统一划分 含水层（组）ⅠQ31、Ⅱ1Q22、Ⅱ2Q21、 Ⅲ1Q13、Ⅲ2Q12、Ⅲ3Q11 ；按相关要求编制水文 地质剖面图以及地下水类型及其水文地质特征表。文 字中尚应阐明评估区地下水补给、迳流及排泄条件。 3.3 地面沉降地质灾害现状评估地面沉降地质灾害现状评估 本章主要论述评估地面沉降的机理；阐述评估区地 面沉降的表现；估算现状累计沉降量，确定危险性 等级。 3.3.1 评估区地面沉降的机理评估区地面沉降的机理 首先将评估区第四纪松散覆盖层，根据工程地质层 （组），归并成压缩层和含水层。其中压缩层分为 海相软土层、海相粘性土层和陆相硬土层。自上而 下对上述三类压缩层和含水层分别编号，如第一海 相软土层（mQ423）、第二海相软土层mQ41、第三 海相粘性土层mQ32- 2、第四海相粘性土层mQ32- 1、 第一硬土层al- lQ41、第二硬土层al- lQ32- 2、第三硬 土层al- lQ32- 1、第四硬土层al- lQ31 以及第Ⅰ1含水层（alQ322或al- mQ32- 1）第Ⅰ2含水层 alQ321或al- mQ32- 1、第Ⅰ3含水层alQ31、第Ⅱ1含水 层al- lQ22、第Ⅱ2al- lQ21含水层等孔隙承压含水 层。以上划分应列表表示。 由于含水层的开采，水位下降，引起土层中孔隙水压 力降低，颗粒间有效应力增加。有效应力的增加，等 同于给土层施加一附加应力，导致土层的压缩变形， 其变形量的大小，受应力大小（即水位变幅）、压缩 层的物理力学性质以及距含水层的距离等因素控制， 各土层压缩变形的迭加，即表现为地面沉降变形。因 此地下水开采，引起区域性水位下降，是评估区地面 沉降的必然结果。 3.3.2 评估区地面沉降的表现评估区地面沉降的表现 根据调查和访问，将评估区地面沉降的迹象进行叙 述。 3.3.3 现状累计沉降量估算方法现状累计沉降量估算方法 评估区无地面沉降监测资料，可采取以下两种方 法进行估算，并互相印证。 （1）井管“抬升”测量 对评估区的深井“抬升”情况进行全面测量，包括 其成井年月及其“抬升量”。当然“抬升量”测量是 半定量的方法。它小于实际地面沉降量，因为“抬 升量”的大小，除了与地面沉降量有关外，尚与地 坪的密实度、强度以及井台与地坪的结构强度等 有关。 （2）新老中大比例尺（大于110000）地形图比对 地形图出版年代最好选择地下水开始大量开采时期和 最近期出版的两种不同比例尺的地形图。以下以11 万地形图为例说明。 首先对两个时期地形图按照相同位置划分方格网，方 格大小可采用200m200m，将方格网内处于村镇的 异常点剔除，将没有受到人为荷载影响的田面高程进 行对比，最后求出两代地形图地面高程的损失量，作 为该时段内的地面累计沉降量。在平原地区由于控制 点精度高，地形平坦、开阔，因此其碎部高程测量时 实际测量误差远小于11万地形图碎部高程最大中值 误差。由于11万地形图有大量的碎部高程，这些高 程均较接近，说明碎部测量所代表的高程与平原的实 际高程相符，是可以代表当时的地表高程的。 4 （3）收集评估区内水准网（点）在不同时期的精 密水准测量资料，对比同一水准点高程的变化估 算沉降量。 以上三种方法应综合应用，经分析计算，估算 出评估区现状累计地面沉降量。进而按本省拟 定的地面沉降危险性分级标准划分危险性等 级800mm为危险性大。 3.4 工程建设可能工程建设可能遭受遭受地面沉降危地面沉降危险性预测险性预测评估评估 本节内容是“预测评估”的内容之一。也是对已经 发生地面沉降的地区进行地面沉降趋势预测，并 分析其对拟建工程的影响及其危害。 3.4.1 环境地质环境地质比拟比拟法估算地面沉降量法估算地面沉降量 本法是采用研究程度较高且地质环境条件相类似 地区的研究成果，进而估算评估区拟建工程规划 （设计）年限内累计沉降量进行预测的方法，是 一种经验类比法。 以温岭市石粘至松门一级公路地质灾害危险性评估报告为例， 说明如下 （1）根据地质条件对比，选择嘉兴市地面沉降研究成果作为本 次评估的依据。 即地下水位与沉降速率呈指数函数相关，回归方程为 S′1.374e0.0758h S′沉降速率mm计算值 h 平均水位（标高绝对值，m） （2）根据现状评估1985- 2000年累计地面沉降加权平均值 127.81mm，则年均沉降速率8.52mm/a；再根据漏斗中心115- 1井 水位动态观测资料求得同一时段内的平均水位- 22.2m，反算S′, S′1.374e0.075822.27.39mm/a 则沉降速率计算值7.39mm/a与实际沉降速率8.52mm/a，相差 1.13mm/a，即实际沉降值高出15.3，也符合本区地质环境条件 比嘉兴市差的实际情况。 本次地面沉降趋势预测采用沉降速率S10.15S′,进行估算。 （（3）估算步骤）估算步骤 ①划分沉降区段（Li）根据公路全线沉降量变化与 地下水等水位线之间的关系，划分5个区段分别计 算。②划分水位变化时段（hi）将近期（2002年） 地下水等水位线，作为基准年，将地下水规划允许 开采降深作为地下水位的底限，将地下水平均水位 年限划分为3个时段。 ③划分地面沉降速率计算时段（Si）根据水位划分 时段（hi）将Si相应划分为3个时段。 ④划分地面沉降量的计算时段（Hi）以现状地面 累计沉降量起算年限作为起算时间，评估年限则根 据一级公路远景设计年限。20年作为评估年限，先 按不同时段沉降速率（Si）分段计算累计沉降量 （Hi）；最终计算出每分段的20年后的累计沉降 量。 经过估算的年后地面累计沉降量 划分危险性等 3.4.2 分层分层总总和法估算地面沉降量和法估算地面沉降量 （（1）已知资料）已知资料 ①地下水水位埋深及年其平均下降速率； ②基岩面以上各土层层厚及物理力学指标r、e、a、E （（2）计算公式）计算公式 ①粘性土及粉性土层按下式计算 ②砂层按下列计算 上式中土层最终沉降量（mm） 土层压缩系数（Mpa-1） 土层天然孔隙比 由于地下水位变化施加于土层上的平均荷载（Mpa） 计算土层的厚度（m） 砂层的压缩模量（Mpa） HP e a S⋅∆ ∞ 1 E HP S ⋅∆ ∞ ∞S a e P∆ H E （（3）总沉降量等于各土层沉降量的总和）总沉降量等于各土层沉降量的总和 （（4）地面沉降量估算预测算例）地面沉降量估算预测算例 [例]某城市地下水下降速率为2m/a，目前地下 水位埋深为10m，试问15年后地面沉降将达多 少 5 地层资料及有关参数地层资料及有关参数 13450 页 岩7 6.10.2780.6918.8847粘质粉土6 12.10.1330.6118.97718 粉质粘土5 28.019.0597 细中砂4 7.20.24 0.73 18.65227 粘质粉土3 12.017.52715 粉细砂2 5.60.332 0.86 18.01212 粉 土1 EMpa aMpa- 1 e rKN/m3 物理力学指标 层 底 埋 深 m 厚度 m 岩 性层序 分层沉降量计算分层沉降量计算 第①层沉降量 第②层沉降量为两部分组成 第③层沉降量由三部分组成 *115年后地下水埋深40m，第③层层厚27m中下部14m将埋藏 于40m之下。故上部13m按S31、S32计算，下部14m按S33计算。 *217为起算年限地下水位埋深10m时，第③层所受压力 21517。 57. 3201. 0 2 20 86. 01 332. 0 1mmS 48.100666.58223.11759.306 66.5821401. 030 73 . 0 1 24 . 0 23.1171301 . 0 13 2 1 73 . 0 1 24 . 0 59.3061301 . 0 17 73 . 0 1 24. 0 3 33 32 31 2* 1* mmS mmS mmS mmS 75.11875.9325 75.931501 . 0 2 15 12 1 251501 . 0 2 12 1 22212 22 21 mmSSS mmS mmS 第③层沉降量 第④层沉降量 第⑤层沉降量 总沉降量为 则15年后，地下水位埋深40m，地面沉降量达 1995.33（mm）。 以上两种估算方法可根据评估区的实际情况进 行选择，累计沉降量预测年限应根据建设工程 规划（或设计）年限确定。 00.75701. 030 28 1 4S 09.4461801 . 0 30 61 . 0 1 133 . 0 5 S 44.345701 . 0 30 69 . 0 1 278. 0 6S 33.1995 44.34509.44600.7548.100675.11857. 3 654321 mm SSSSSSS ∞ 4、地面沉降监测地区地质灾害危险性评 估方法 4.1 资料收集沉降区内地下水开采历史与现 状资料、地下水开采量与水位动态观测以及不 同时期地面累计沉降量资料。尚应收集沉降区 所属的县（市）地下水区域调查报告及工程地 质资料。当有分层沉降标时，则应系统收集各 含水层水位、各土层变形量以及孔隙水压力等 动态监测资料。 4.2 图件编制绘制（或引用）沉降区水文地 质图及水文地质剖面图，以及地面沉降现状累 计沉降量等值线和相对应的地下水开采层水位 等值线图。 4.3 地质环境简述同第3.2节 4.4 地面沉降现状评估内容 4.4.1 地面沉降的历史和现状（附相应的地面 沉降累计沉降等值线图） 4.4.2 地面沉降的特征及其机理分析 （1）地面沉降与地下水及开采量的相关性 （2）土层变形特征 （3）地面沉降与工程地质条件的关系 4.4.3 拟建工程场地现状累计沉降量及其危害 的评估 4.5 工程建设可能遭受地面沉降危险性预测评估 本节主要估算工程规划年限内累计沉降量 估算预测期内累计沉降量有多种方法；介绍4种 方法可参考选用。 （1）利用地面沉降监测资料和水位动态观测资 料进行回归分析，建立沉降速率Vs与水位H的相 关公式进行预测 Vsf（H） 规划年限内水位下降至Hm时求得的沉降速率 Vs，估算累计沉降量。 6 （2）利用地面沉降监测资料和年开采量监测 资料，绘制沉降量与开采量间的散点图，建立 年均沉降量（ ）与年开采量（）的关系式 进行预测。 （3）利用地面沉降监测历年累计沉降量与历 年累计开采量监测资料，建立历年累计沉降量 （）与历年累计开采量（）的关系式进行 预测。 VsQ ∑s∑Q （4）当有分层沉降标监测资料时，采用单位 变形量法估算地面沉降 以预测期前3～4年的实测资料，计算在某一水 位下降阶段内，含水量水位每变化1m相应的变 形量，称为单位变形量。 Ii----水位下降时单位变形量（mm/m） △h----同时期水位下降幅度（m） △Si----相应于该水位下降幅度的土层变形量 （mm） 再计算i土层的比单位变形量 Ii′----水位下降时，土层的比单位变形量（1/m） Mi----i土层的厚度（mm） 在以知某计算点j预测期内水位下降幅度（△H）和各 土层厚度（Mji）情况下，j点的各土层预测沉降量 （Sji）按下式计算 SjiIi△H Ii′Mji△H 则j点各土层预测沉降量之和即为j点的地面累计 沉降量Sj n----为j点的土层总数。 ∑ n i Sji 1 5 地面沉降对拟建工程的危害 5.1 地面沉降对拟建工程的危害 对拟建工程的危害，应根据建设工程的功能、 结构和特点进行评估。如拟建在地面沉降区的 江、河、海堤，主要着重于降低防洪能力的论 述；拟建桥梁工程若其墩、台基础置于浅层天 然地基上，则地面沉降将降低其净空高度，对 防洪或通航造成的不利影响；对于拟建道路工 程，由于地面沉降，使潜水位相对“升高”且地 面积水也相应增加，将使填方路基的强度和稳 定性造成不利的影响，同时使路基排水系统不 畅乃至失效等等。总之在评估地面沉降对 建设工程的危害要有针对性，切忌泛泛而谈。 并针对其危害提出防治措施。 5.2 防治措施 作为一份建设工程地质灾害危险性评估报告，其服 务对象是业主，评估报告主要是面向建设、设计和 施工单位提出防治地质灾害的措施。当地质灾害扩 展到本项工程以外地区时，评估单位或建设单位尚 应向当地政府反映，并提出建设单位（业主）无法 实施的防治建议。特别是地面沉降的防治措施，因 其影响范围广，涉及的部门多，一些重要的防治措 施，如进行地下水资源管理，压缩地下水开采使地 下水位恢复，调整地下水开采层次、人工补给地下 水等综合措施，不是某项建设工程的业主能够做到 的，而必须由当地政府协调有关部门，制定相应的 法规，才能达到预期目的。 对于评估的建设场地，因地面沉降导致原有水准点高 程失真，相应的地面高程也同时失真。就必须从基岩 标引测，对工程所利用的水准点进行实际高程修正， 并对自然地面高程也作相应的复核。如果基岩标引测 的条件不具备时，则可按现状地面沉降量适当修正基 准点及自然地面的高程，以消除现状累计地面沉降即 高程损失对工程设计的影响。 为预防工程运行年限内地面沉降的危害，设计时应根 据地面沉降发展趋势的预测，预留地面高程损失量。 如沿河及受水浸淹的路基设计标高，除了应高出规定 设计洪水频率的计算水位加壅水高、波浪侵袭高0.5m 的安全高度外，尚应预留设计年限内地面高程损失 量。在路基高度设计时，应考虑因地面沉降引起潜水 位的相对上升对路基强度和稳定性影响等等。总 之地面沉降对不同类型工程的危害及其防治措施应具 体分析。 7 6、有关说明及存在问题 （（1） 地面沉降） 地面沉降是一种缓慢的长期的不可逆的地 质灾害，往往在工程建设中容易忽视，但其危害 性不可低估。但对于无地面沉降监测的地区进行 地面沉降灾害的评估，有较大的难度。提出的评 估结果，只能是半定量的，精度不高。评估方法 尚需作进一步探索和研究。 （（2） 地面沉降速率或地面累计沉降量） 地面沉降速率或地面累计沉降量与地下水 水位或开采量的关系，尚需对地面沉降研究程度 较高的地区作进一步统计分析和研究，以便采用 比拟法提高对未进行监测地区地面沉降灾害危险 性评估的精度。 （（3）在沿海地区广泛分布高压缩性软土）在沿海地区广泛分布高压缩性软土，建 筑场地因大面积回填（包括高等级公路 填方路基）的附加压力引起的软土地基 缓慢持久的压缩变形，其累计变形时往 往大于因地下水开采引发的地面沉降， 因此对于一个具体建设工程地质灾害危 险性评估，必须将上述两者结合起来考 虑，不能顾此失彼。 61.3751.32合计 1.2061.3751.320 1.5336.44723.80300 8.676.6770.77800 3.700.6670.181000 0.0631300 2003年1999年 2003年 与1999 年面积 比％ 面积 （km2） 累计 沉降 量 （mm ） 地坪降低后，民房建设需要加大填土工程量地坪降低，需重地坪降低后，民房建设需要加大填土工程量地坪降低，需重 新加高，形成“加空层”新加高，形成“加空层” 加高前桥面位置 8