采空区地面沉降.pptx

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1、一、采空区一、采空区当地下矿层被采空后，便在地下形成了采空区，采空区上覆及周围岩体失去原有的平衡状态，从而发生移动、变形以至破坏。这种移动、变形和破坏在空间上由采空区逐渐向周围扩展，当采空区范围扩大到一定程度时，岩层移动就波及到地表，使地表产生变形和破坏（地表移动），地表从而出现地裂缝、塌陷坑和地表移动盆地等。第1页/共60页采空区分类采空区分类采空区根据开采现状分为老采空区、现采空区和未来采空区三类。老采空区是指已经停止开采或岩层移动和地表变形已经稳定的采空区。现采空区是指地下正在采掘、岩层移动和地表变形仍然继续发展的采空区。未来采空区是指地下赋存有开采价值矿层，计划开采而目前尚未开采的区域

2、。第2页/共60页二、采空区上覆岩层变形与破坏二、采空区上覆岩层变形与破坏煤层采空后，上覆岩层失去了支撑，发生变形、弯曲、断裂，进而呈不规则的冒落下来，充填采空区。随着采空区面积的不断扩大，岩层的移动变形从煤层顶板向地表发展，最后在上覆岩层中形成三个破坏程度不同的区域。1、冒落带：位于采空区矿层直接顶板岩层，在自重和上覆岩层的重力作用下，发生断裂破碎并塌落，堆积于采空区内，发生塌落的部分称冒落带。2、裂隙带：位于冒落带上部的岩层在重力作用下，产生移动变形，所受应力超过本身强度，岩层产生裂隙或小断裂，但尚未塌落，形成裂隙带。3、弯曲带：裂隙带上部岩层在重力作用下，变形较小，所受应力尚未超过其本身

3、强度，岩层仅发生连续平缓的弯曲变形，其整体性未遭受破坏，称为弯曲带。第3页/共60页图5-5 煤层顶板上覆岩层变形分带冒落带；裂隙带；弯曲带第4页/共60页三、采空区地表移动变形特征三、采空区地表移动变形特征 连续的地表移动：在采深采厚比较大（一般大于25-30），无地质构造破坏和采用正规采矿方法开采的条件下，地表不会出现大的裂缝或塌陷坑，地表移动和变形在空间和时间上是连续的，开始地表形成凹地，随着采空区不断扩大，凹地不断扩展而形成较规则的移动盆地。非连续的地表移动：当采深采厚比较小（一般小于25-30），或采深采厚比虽大于25-30，但地表覆盖层很薄，且采用高落式等非正规开采方法或上覆岩层受

4、地质构造破坏时，地表不出现较规则的移动盆地，而常出现不规则状大的塌陷坑和裂缝等，地表的移动和变形在空间和时间上都不连续。第5页/共60页采空区内缘区中间区外缘区采空区内缘区中间区外缘区采空区内缘区中间区外缘区内缘区中间区外缘区内缘区外缘区 地表移动盆地及特征地表移动盆地及特征 当地下开采影响到达地表以后，在采空区上方地表形成的凹地称地表移动盆地。当开采达到充分采动、地表变形已达稳定后的盆地称最终移动盆地。中间区：位于采空区正上方，地表下沉均匀，地面平坦，一般不出现裂缝，地表下沉值最大。内缘区：位于采空区外侧上方，地表下沉不均匀，地面向盆地中心倾斜，呈凹形，产生压缩变形，一般不出现明显裂缝。外缘

5、区：位于采空区外侧煤层上方，地表下沉不均匀，地面向盆地中心倾斜，呈凸形，产生拉伸变形，当拉伸变形值超过一定数值后，地表产生张裂缝。第6页/共60页 地表最终移动盆地具有以下特征地表最终移动盆地具有以下特征：（1）地表最终移动盆地的面积，一般大于采空区的面积。采空区为长方形时，移动盆地大致为椭圆形。（2）移动盆地和采空区的相对位置，与矿层的倾角大小有关。当矿层倾角近水平或缓倾斜时，地表移动盆地位于采空区的正上方，盆地形状基本是对称的，盆地中间区中心与采空区的中心位置基本一致，地表最大下沉值位于采空区的中央部位，下沉均匀，不出现裂缝。当矿层倾角较陡时，地表移动盆地是非对称的，矿层倾角越大，非对称性

6、越明显。上山（逆矿层倾斜方向）边界上方地表移动盆地较陡，开采影响范围小；下山（矿层倾斜方向）边界上方地表移动盆地较平缓，开采影响范围较大。移动盆地的中心及最大下沉点向下山方向偏离，倾角越陡，偏离越多。第7页/共60页采空区aAaA采空区采空区地表移动盆地特征（a）水平岩层；（b）倾斜岩层；（c）急倾斜岩层（a）（c）（b）开采近水平或缓倾斜矿层时，走向和倾向主剖面均通过采空区中心，开采倾斜矿层时，倾向主剖面通过采空区中心，走向主剖面向下山方向偏离，矿层倾角越陡偏离越多 第8页/共60页地表移动发展阶段地表移动发展阶段 地表移动可划分出三阶段，即起始阶段、活跃阶段和衰退阶段。起始阶段：地表下沉值

7、达到10mm至下沉速度小于50mm/月的阶段；活跃阶段：地表下沉速度大于50mm/月（急倾斜煤层大于30mm/月）；衰退阶段：活跃阶段结束至连续六个月下沉值不超过30mm时为止。一般采深小于100m，持续时间8-10个月；采深100-200m，持续时间12-24个月，采深200-300m，持续时间24-36个月。第9页/共60页ABCABC地表移动变形分析图垂直下沉水平位移倾斜水平变形曲率四、地表变形的度量四、地表变形的度量 第10页/共60页五、影响地表移动和变形的因素五、影响地表移动和变形的因素1、矿层埋藏及赋存条件矿层埋深越大(即开采深度越大)，变形扩展到地表所需的时间越长，地表的变形值

8、也越小，变形比较平缓均匀。煤层厚度大，采空区的空间就大，会促使变形过程剧烈、增大变形值。矿层的倾角大，会促使水平移动值增大，地表出现裂缝的可能性增大，移动盆地和采空区的位置更不对称。2、岩性因素采空区上覆岩层强度高、分层厚度越大，产生地表变形所需的采空面积越大，破坏过程所需时间就越长。厚度大的坚硬岩层甚至长期不产生变形，强度低的薄层岩层，易产生较大的地表变形，且变形速度快，但地表变形均匀，常不出现裂缝。脆性岩层地表易出现裂缝。塑性强厚度大的岩层，覆盖于硬岩层之上时，后者产生破坏会被前者缓冲或掩盖，但地表变形平缓，反之，地表变形很快，并会出现裂缝。岩层软硬相间且倾角较陡时，接触处易出现层离观象。

9、地表第四纪堆积物厚，地表变形值增大，但变形平缓均匀。第11页/共60页3、地质构造因素 岩层节理裂隙发育，使促使变形加快，增大变形范围，扩大地表裂缝区。断层和薄弱带会破坏地表移动的现律，改变移动盆地的大小和位置，断层和薄弱带上的地表变形更加剧烈，常出现台阶状破坏，其两侧地表变形平缓。4、地下水因素 地下水对抗水性弱的岩层起到加速变形的作用，扩大地表变形范围，增大地表变形值。5、开采因素 矿层开采和顶板管理处置方法以及采空区的大小、形状、工作面推进速度等均影响地表变形的形式、速度、变形值大小和分布。第12页/共60页六、地表移动和变形对建筑物的影响六、地表移动和变形对建筑物的影响地表平缓而均匀的

10、下沉或水平移动对建筑物危害性不大，建筑物一般不会变形，不会有破坏危险。但地表过大的不均匀下沉和水平移动，容易对建筑物造成严重破坏。地表下沉虽均匀但下沉量较大，且地下水位又较浅时，容易引起地面积水，不但影响建筑物的使用，而且使地基土长期浸水，强度降低，严重时可使建筑物倒塌。地表下沉对铁路、公路、地上或地面各种管线以及工业生产工艺流程系统都有显著影响。地表倾斜对高耸建筑物影响较大。它使高耸建筑物的重心发生偏斜，引起附加压力重分配，建筑物的均匀荷重将变成非均匀荷重，导致建筑结构内应力发生变化而引起破坏。同时，地表倾斜会改变排水系统和铁路的坡度，造成污水倒灌和影响铁路的运营，后者严重时会发生事故。第1

11、3页/共60页 地表曲率对建筑物有较大影响。在负曲率(地表下凹)作用下，建筑物的中央部分悬空，使墙体产生裂缝。如果建筑物长度过大，则在重力作用下，建筑物将会从底部断裂，使建筑物破坏。在正曲率(地表上凸)作用下，建筑物两端将会悬空，也能使建筑物开裂破坏甚至倒塌。地表水平变形包括拉伸和压缩，两种变形对建筑物的破坏作用也很大，尤其是拉伸变形对建筑物的破坏更显著。建筑物抵抗拉伸的能力远小于抵抗压缩的能力，较小的拉伸变形就能使建筑物产生裂缝。压缩变形使墙体产生水平裂缝，并使纵墙褶曲、屋顶鼓起。在充分采动条件下，位于地表移动盆地边缘区的建筑物要比中间区更易发生破坏。第14页/共60页 2002年01月16

12、日 山东临沂市临沂市平邑县卞桥镇石膏矿1993年6月建成，采用矿柱法开采，形成总面积约7万平方米的采空区。随着采空区不断扩大，矿柱承受不住越来越集中的地面压力，2000年2月份，井下采空区开始出现异常现象，地面居民房屋出现裂缝。2001年8月26日，井下一矿房周围采空区发生大塌陷，塌落面积达3325平方米。但由于提前防范，无人伤亡。目前，矿区附近的116户居民已全部迁离了危险地带。第15页/共60页不宜作为建筑场地的地段不宜作为建筑场地的地段（1）在开采过程中可能出现非连续变形的地段。在采深采厚比小于25-30，或虽大于25-30但地表覆盖层很薄，且采用高落式等非正规开采方法或上覆岩层有地质构

13、造破坏时，易出现非连续变形。与连续变形相比，非连续变形是没有规律的、突变的，地表易出现大的裂缝或陷坑，对地面建筑的危害要比连续变形大得多。（2）处于地表移动活跃的地段。地表移动活跃阶段是一个危险的变形期，各种变形特征指标达到最大值，对地表建筑物危害最大（3）特厚矿层和倾角大于55的厚矿层露头地段。（4）由于地表移动和变形引起边坡失稳和山崖崩塌的地段。（5）地表倾斜大于lOmm/m，地表曲率大于0.6mm/m2或地表水平变形大于6mm/m的地段。第16页/共60页下列地段作为建筑场地时，应评价其适宜性下列地段作为建筑场地时，应评价其适宜性（1）采空区采深采厚比小于30的地段；（2）采深小、上覆岩

14、层极坚硬，并采用非正规开采方法地段；（3）地表倾斜为3-1Omm/m，地表曲率为0.2-0.6mm/m2或地表水平变形为2-6mmm的地段。第17页/共60页七、采空区勘察七、采空区勘察（1）勘察目的和任务 对老采空区主要查明采空区的分布范围、采厚、埋深、充填情况和密实程度、开采时间和开采方式等，评价上覆岩层的稳定性，预测残余变形的影响，评价采空区作为建筑场地的适宜性。对现采空区和未来采空区尚应预测地表移动的规律，计算预测地表移动和变形特征值，并根据地表变形特征值和建筑物容许值，评价对建筑物的危害程度，制定建筑物保护和加固措施。（2）勘察方法 采空区勘察主要通过搜集资料和调查访问，必要时辅以物

15、探、勘探和地表移动的观测等手段，以查明采空区特征和地表移动基本参数。第18页/共60页（3）勘察内容地层岩性、地质构造和水文地质条件；矿层分布、层数、厚度、深度、埋藏特征和上覆岩层岩性、结构；开采范围、深度、厚度、时间和方法、顶板管理方法、开采边界、工作面推进方向和速度；采空区塌落、密实程度、裂隙和积水等；地表变形特征和分布，包括地表陷坑、台阶，裂缝的位置、形状、大小、深度、延伸方向及其与地质构造、开采边界和工作面推进方向等的关系；现采空区和未来采空区的地表移动盆地的特征，划分中间区、内边缘区和外边缘区，预测地表移动和变形的特征值；采空区附近的抽水和排水情况及其对采空区稳定的影响；建筑物变形和

16、防治措施的经验。第19页/共60页一、地面沉降及危害一、地面沉降及危害区域性地面沉降是指地层在自然或人为因素作用下发生固结压密变形或下沉，导致区域性地面标高下降的工程地质现象。目前，世界上已有50多个国家和地区发生了不同程度的地面沉降，如墨西哥的墨西哥城、美国的洛杉矶、加利福尼亚和休斯敦、日本东京、大阪和名古屋等、泰国曼谷、意大利波河三角洲和威尼斯、英国柴郡、新西兰怀拉基以及澳大利亚拉特罗布谷地等，其中以美国、日本、墨西哥和中国比较严重。第六节第六节 地面沉降地面沉降第20页/共60页地面沉降区域性地面沉降是指地层在自然或人为因素作用下发生固结压密变形或下沉，导致区域性地面标高下降的工程地质现

17、象。目前，世界上已有50多个国家和地区发生了不同程度的地面沉降，如墨西哥的墨西哥城、美国的洛杉矶、加利福尼亚和休斯敦、日本东京、大阪和名古屋等、泰国曼谷、意大利波河三角洲和威尼斯、英国柴郡、新西兰怀拉基以及澳大利亚拉特罗布谷地等，其中以美国、日本、墨西哥和中国比较严重。第21页/共60页p美国有20多个州发生地面沉降，加利福尼亚州中部谷地52000km2范围中，超过1/4面积出现地面沉降，卡特迈市1930-1975年累积最大沉降量达9.0m。p日本发生地面沉降的面积，根据1981年统计资料，达952km2，相当于居住面积的12%，其中1128km2的面积处于海平面以下p墨西哥城的最大沉降量超过

18、9m。p在过去的100年中，意大利的威尼斯城平均地面下沉达1米，而著名的市政大楼罗内丹宫已累积下沉了3.81米。地面标高仅1米左右，每当狂风骤起，海水便涌入市区，市内圣马可大广场一片汪洋。第22页/共60页 我国地面沉降问题也十分突出，全国有50多座城市发生了不同程度地面沉降或地面裂缝。上海是我国最早发现区域性地面沉降的城市，也曾是最严重的地区。从1921年发现地面下沉开始到1965年止，最大累计沉降量达2.63m，地面沉降速率在1957-1961年间曾达到110mm/a。自1966年以来，上海市采取了压缩地下水开采量和人工回灌等多项控沉措施，并取得很好的效果，沉降速率大幅度降低。1999年上

19、海中心城区和郊区平均沉降量只有12mm。天津市中心城区在1959-2001年41年间，最大累积地面沉降量为2.85m。目前，沉降量超过2.5m的面积达3.2km2，超过2.0m的面积达40km2，超过1m的范围几乎覆盖整个市区。自1986年开始，天津市实施了控制地面沉降工作，地面沉降速率得到有效遏制。市区（外环内）年均沉降量从控沉工作开始前的1985年76mm下降到2000年的14mm。第23页/共60页 西安市1959年发现地面沉降，到2000年沉降量大于500mm的面积达30km2，最大累计沉降量超过1800mm。沉降中心平均沉降速率一般为80130mm/a,最大沉降速率为300mm/a。

20、已出现了13条东西走向的地裂缝，裂缝总长度超过50km。苏州、无锡、常州地区位于长江三角洲，自上世纪80年代以来，随着工农业的发展和人口的增加，地下水开采量不断增长，部分地区严重超采，地面沉降速率加快，成为我国目前地面沉降比较严重的地区。到目前为止，沉降面积已达5000km2，沉降量0.52m，年沉降速率60100mm，其中无锡沉降量超过1m的面积地区已达500km2。第24页/共60页 危害之一：地面沉降直接造成地面标高降低，海平面相对上升，沿海地区容易发生风暴潮灾害，并面临海水入侵陆地的危险。危害之二：使城市地面低洼变形，城市排水出现困难，防洪能力下降，暴雨后积水成灾。危害之三：使地面及地

21、下各种建（构）筑物严重下沉，沉降不均匀时，建筑物将发生倾斜、裂缝甚至破坏。还会引起铁路路基下沉、铁轨凸起、桥墩错位、地下管道断裂等。危害之四：地面沉降还可能引起地面裂缝，造成建筑物裂缝甚至倒塌、路面开裂等，如邯郸、大同、西安等地地裂缝问题比较严重。第25页/共60页 天津是全国地面标高最低的沿海城市，地面高程一般为3-5m，天津东部的大港区、塘沽区、汉沽区等靠近渤海湾的区域地面标高只有1-2m。截至2000年，市区大部分区域剩余标高已低于3m，面积约14km2的范围小于0.5m，低于海平面的面积塘沽区已达8km2，汉沽区达9km2。如果地面沉降速率得不到有效遏制，不用太久的时间，天津市区将低于

22、海平面，不难想象，其后果将是灾难性的。地面沉降速度每年70mm,50年左右总沉降量3500mm,50年后城市将低于海平面 地面沉降速度每年15mm,200年左右总沉降量3000mm。地面沉降速度每年100mm,30年左右时间总沉降量3m,城市将低于海平面第26页/共60页41年最大沉降了2.85m超过2.5m的面积有3.2km2，在市区中环线71km2范围内，将近有40km2范围沉降量超过2.0m，而大于1m范围几乎覆盖整个市区市区剩余标高局部高于3m外，大部分低于3m，其中小于0.5m面积约14km2。中心城区、塘沽、汉沽、大港及海河下游工业区、西青区6个沉降中心 天津中心城区1959-20

23、01累积地面沉降量等值线第27页/共60页天津西青区1991-2001年地面累积沉降量等值线图 沉降中心1000mm年平均沉降50-80mm2000年120km2监测区年沉降47mm第28页/共60页 图图 例例 西青区边界线 长观孔）等水位线 主干公路西青区2000年3月第含水组水位等值线图水位下降漏斗！水位下降漏斗与地面沉降中心区相一致第29页/共60页 图图 例例 区边界 长观孔 等水位线 主干公路西青区2000年3月第含水组水位等值线图水位下降漏斗第30页/共60页年均沉降量mm天津市中心区地面沉降速率变化曲线第31页/共60页天津塘沽区和汉沽区地面沉降速率变化曲线年均沉降量mm第32

24、页/共60页天津大港区和海河下游地面沉降速率曲线年均沉降量mm第33页/共60页天津西青区地面沉降速率变化曲线年均沉降量mm第34页/共60页二、地面沉降的成因二、地面沉降的成因造成区域性地面沉降的原因包括自然因素和人为因素，自然因素主要有地质构造运动、强烈地震、海平面上升、软土固结压密等，人为因素主要有抽取地下水、采掘固体矿产、开采石油和天然气、抽取地下卤水和热水等。地下水位变化或地面水下渗时引起的黄土湿陷、地下洞穴或采空区的塌陷、地面大面积堆载或兴建建筑物造成地基下沉等也表现为地面沉降，但沉降范围有限，属于局部性的地面沉降，不属于区域性的地面沉降。第35页/共60页 1、海平面上升 因全球

25、性气候变暖，使地球南极和北极冰层缓慢溶化，造成全球性海平面上升。过去100年来，全球海平面上升了15-25cm。根据国家海洋局发布的2000年中国海平面公报，我国沿海海平面近50年来呈上升趋势，平均以每年1-3mm的速度上升，特别是近3年来，上升速率有所加快，每年达2.5mm。2000年，中国沿海平均海平面比常年（相对于1975-1976年）升高了51mm，海南沿海上升幅度最大，达到110mm，江苏、上海、福建、广东、广西沿海上升幅度都超过了50mm，天津、河北、辽宁升幅较小。海平面缓慢上升，使地面相对下降。第36页/共60页 2、新构造运动 以垂直升降运动为主的新构造运动可使地面随基底而升降

26、。根据研究，新构造运动对天津地面沉降起到一定作用。渤海湾及其沿岸是华北平原新构造活动最为强烈的区域，除基底活动构造各单元之间有差异性升降活动外，地貌、水准测量、地形变、最新沉积层等方面资料都显示环渤海湾地区一直处在强烈的下降区，如有最新沉积层、贝壳堤分布以及海河口水下溺谷等。在天津地面沉降中，新构造活动造成的沉降约为1.0-1.5mm/a。西安地区平均地面下沉速率为23mm/a。综合各地研究，新构造活动造成的地面下沉速率为1-3mm/a，最大不超过5mm/a。第37页/共60页3、强烈地震活动强烈地震在短期内可以引起较大幅度的地面下沉。唐山滨海地区地面沉降发展变化可划分两个阶段，1975197

27、9年为第一阶段，这阶段的地面沉降主要是1976年发生的唐山7.8级地震和宁河6.9级地震造成的。地震使滨海地区产生了大幅度的区域性不均匀地面沉降,沿海岸线带沉降量50400mm,东田庄毕武庄一带10461056mm,汉沽农场沉降量高达1456mm。在此之后的地面沉降主要是由过量开采地下水造成的。此外，地震还造成砂土液化、软土震陷等次生灾害，使局部地面不均匀沉陷。第38页/共60页 4、软土固结压密 欠固结土在自重压力下的固结作用和正常固结土的次固结作用，使土层压缩变形，进而引起地面沉降。在我国沿海地区地层中，普遍沉积有数层滨海相或三角洲相的软土，包括淤泥、淤泥质粘性土和淤泥质粉土等。这些软土工

28、程地质性质很差，孔隙比、天然含水量和压缩性很高，而强度很低，属于欠固结或正常固结土。根据固结理论，欠固结土在上覆自重应力下发生压密固结，正常固结土在长期荷载下发生次固结，都会引起缓慢和微量的地面沉降。在开采地下水条件下，同样的水位下降欠固结的地层更易引起地面沉降。我国东部沿海地区如天津、上海、苏州、无锡、常州、宁波等地面沉降普遍比较严重，与地层中沉积的软土有密切关系。第39页/共60页5、开采地下水、石油和天然气 长期开采地下水或油气，使含水层或储油层流体压力降低，但地层内部的总应力保持不变,由孔隙水承担的一部分地层压力转为由土颗粒承担,粒间有效应力增加,从而造成地层压缩变形,并导致地面沉降。

29、长期过量开采地下水是造成我国区域性地面沉降的主要原因 第40页/共60页西青区地下水开采量-地面沉降量关系开采量（万m3）沉降量（mm）第41页/共60页累积地面沉降-深层水总累积水位降深关系第42页/共60页松散饱和土应力平衡松散饱和土应力平衡有效应力原理：有效应力原理：地下饱和松散土层（含水层或弱透水层）某点所受到的总应力是由孔隙中的水和土颗粒（骨架）共同承担的。由孔隙水所承受的压力称孔隙水压力，由土颗粒所承担的应力称为有效应力。孔隙水压力和有效应力对土的压缩和变形起到不同的作用。孔隙水压力在各个方向上都是相等的，它只能使土颗粒产生压缩而不能使土颗粒产生位移，由于土颗粒本身很难受到压缩，土

30、颗粒的变形可以忽略不计。有效应力能通过土颗粒传递，会引起土颗粒的位移，使孔隙体积改变，从而使土体发生压缩变形。三、地面沉降机理第43页/共60页因长期抽取地下水而出现的地面沉降：含水层的压密变形，粘性土层的压密固结变形。在我国东部沿海地区的地面沉降中，粘性土层的压密占据主导地位。天津地面沉降中，粘性土层压密占总沉降量的77.6%，而砂层压密仅占22.4%。砂层的压密作用砂层的压密作用从饱和松散含水层（砂层）抽取地下水后，若含水层水头下降了，则孔隙水压力相应降低，由于作用于该点的总垂直应力保持不变，因此减少的孔隙水压力就由颗粒骨架承担，使颗粒间有效应力增加，从而使土颗粒发生位移，排列趋于紧密，孔

31、隙被压密，土体产生压缩变形，从而导致地面沉降。第44页/共60页粘粘性性土土的的释释水水固固结结国内外地面沉降实例表明，发生地面沉降地区的共同特点是这些地区都沉积有厚度较大的第四纪松散堆积物，沉降的部位几乎无例外地都发生在较细的砂土（含水层）和粘性土（隔水层或弱透水层）互层之中。当含水层上的粘性土厚度较大且土质松软时，更易造成较大沉降。抽取含水层地下水使水头降低，在相邻弱透水层与含水层之间便产生了水头差，粘性土层中的水以水头差为动力流入含水层，孔隙水压力降低，而颗粒骨架有效应力相对增加，从而使粘性土压密固结，导致地面沉降。粘性土多属于欠固结或正常固结土，释水后压密变形不仅非常显著，且属于非弹性

32、的永久性变形，一旦发生变形，不可恢复。第45页/共60页天津市水文地质模型砂层含水层软土弱透水层地面沉降机理：海相沉积的软土正常压密（每年约3mm）抽取地下水使含水层和软土压密第46页/共60页四、地面沉降的勘察与研究四、地面沉降的勘察与研究（1）对已发生地面沉降的地区，应查明地面沉降的原因和现状，并预测地面沉降的发展趋势，提出控制和治理方案；（2）对可能发生地面沉降的地区，应预测发生地面沉降的可能性，并估计沉降层位和预测沉降量，提出预防和控制地面沉降的建议。地面沉降原因的调查内容：场地工程地质条件、地下水埋藏条件和地下水变化动态三个方面。场地工程地质条件主要是指地形地貌、松散沉积物沉积环境和

33、年代、分布、厚度、岩土固结状态和变形特性等，它是产生地面沉降的内在条件和基础。抽吸地下水是导致地面沉降的外在动力条件。对场地地下水埋藏条件和历年来地下水变化动态进行调查分析，有助于查明地面沉降与开采地下水间的关系、并确定地面沉降成因。第47页/共60页场地工程地质条件的调查内容包括：（1）沉积环境和年代、地形和地貌条件，尤其是古地貌和微地貌的分布及特征；（2）冲积、湖积或浅海相沉积平原或盆地中第四纪松散堆积物的分布、成因、年代、岩性、厚度和埋深，土的工程地质特征，硬土层和软弱压缩层的分布等。（3）地下水位以下至最大取水深度范围内可压缩土层和含水层固结历史、固结状态和变形参数。第48页/共60页

34、地下水埋藏条件的调查内容包括：（1）含水层和隔水层分布及特征。地表以下一定深度范围内，第四系松散沉积物中含水层、隔水层和弱透水层的分布、岩性和厚度、含水层的渗透系数、导水系数、给水度、释水系数和单位涌水量以及隔水层或弱透水层的越流系数、释水系数等；（2）地下水的补给、径流和排泄条件。地下水补给来源、方式和强度以及人工补给方式、补给量、回灌层位和回灌量、地下水的排泄方式、排泄量、地下水开采井分布、开采层位、开采量和超采程度等，地下水流场及空间分布特征（地下水等水压线图、水位下降漏斗范围、深度等）。（3）各含水层之间地下水的水力联系、地下水和地表水的水力联系。第49页/共60页地下水动态的调查内容

35、包括：（1）各含水层历年地下水位或水头的变化幅度和速率；（2）各含水层历年地下水开采量和回灌量的动态变化；（3）地下水位下降漏斗及回灌时地下水反漏斗形成和发展过程（4）地下水动态（包括水位和开采量）与地面沉降量或沉降速率动态的相关性。第50页/共60页地面沉降现状的调查要求地面沉降现状的调查要求地面沉降现状的调查内容：地面沉降量的长期观测、地下水动态观测和建筑物受损情况（1）按精密水准测量要求进行长期观测，并按不同的结构单元设置高程基准标、地面沉降标和分层沉降标。地面沉降的发展和变化一般都较缓慢，常规水准测量方法无法保证测量精度。因此，地面沉降观测应满足专门的水准测量精度要求。地面沉降水准测量

36、的方法和要求应按现行国家标准国家一、二等水准测量规范(GHl2897)规定执行。一般在沉降速率大时可用二等精度水准，缓慢时要用一等精度水准。第51页/共60页 高程基准标也称背景标，是设置在地面沉降所不能影响的范围，作为衡量地面沉降基准的标点。地面沉降标是用于观测地面升降的地面水准点。分层沉降标是埋设于地下不同深度的土层中用来观测某一深度处土层沉降幅度的观测标，其中埋设在第四系底部基岩上作为深层稳定基准点称为基岩标分层标设置分层标设置分2分4分5分3分1地面标第52页/共60页 （2）对地下水水位、开采量和回灌量、水质、水温以及孔隙水压力变化等进行定期连续观测。（3）调查地面沉降对建筑物的影响

37、，包括建筑物的沉降、倾斜、裂缝及其发生时间和发展过程。（4）绘制不同时间的地面沉降等值线图，并分析地面沉降中心与地下水位下降漏斗的关系及地面回弹与地下水位反漏斗的关系。（5）绘制以地面沉降为特征的各种类型的专门工程地质分区图或等值线图，反映地下水开采量、回灌量、水位变化、地质结构等各种因素与地面沉降的关系。第53页/共60页五、地面沉降的计算与预测五、地面沉降的计算与预测 计算方法：固结理论方法、半理论半经验方法、经验方法。固结理论方法可以达到准确计算各压缩土层沉降量及总沉降量的目的，但该方法要求有翔实的地质资料和试验数据。实践中，由于地面沉降区地质条件和各种边界条件的复杂性，往往难于准确地获

38、取计算所用参数和资料，因而，理论计算的结果有时并不一定准确。半理论半经验方法或经验方法不仅简单实用，而且往往能获得满意的结果。第54页/共60页相关分析法 过量开采地下水是造成地面沉降的主要原因，我国各地目前所发生的地面沉降基本上都是过量开采地下水造成的。长期超采地下水，地下水位持续下降并形成水位降落漏斗，含水层和弱透水层都因过量释水而产生压密变形，地面产生沉降。必然地，地下水开采量、水位降深和地面沉降量三者之间存在密切关系。一般来说，开采量或超采程度越大，水位降幅越大，地面沉降也就越严重。相关分析法就是依据历史上地面沉降量、地下水开采量和水位长观数据，分析它们之间的相关性，建立地面沉降与开采

39、量或地面沉降与水位降深之间的相关方程。利用这些相关关系，不仅可以预测未来开采条件下的地面沉降，又可为控制地面沉降提供依据。第55页/共60页天津某区地面沉降与水位降深相关曲线天津某区地面沉降与水位降深相关曲线水 位 降 深（m）地 面 沉 降（mm）第56页/共60页图图5-12 5-12 天津某区累积沉降量与累积开采量相关曲线天津某区累积沉降量与累积开采量相关曲线沉降量（mm）开采量（万m3）第57页/共60页六、地面沉降的控制与治理六、地面沉降的控制与治理 （1）减少地下水的开采量甚至停止开采地下水特别是深层地下水。（2）调整开采层位 (3)实施人工补给人工回灌。上海运用人工回灌的方法控制

40、地面沉降，并在此基础上发展了冬灌夏用和夏灌冬用等技术方法。自1966年以来，地面沉降已基本得到控制。天津市从1985年开始，实施了五期控沉计划，采取了停井、人工回灌、调整开采布局和开采层位、开源节流等措施，市区沉降速率已明显减缓，由1985年的76mm降至目前的14mm。西安自2000年开始，关闭了300多眼自备水源井，减少地下水的开采量，地面沉降速率开始减缓。第58页/共60页人工补给的作用及实施注意事项人工补给的作用及实施注意事项人工补给可以起到增加地下水资源、储能（冬灌夏用、夏灌冬用）、稳定地下水位和控制地面沉降的目的。拟采取人工补给地下水方法控制地面沉降时，要对人工补给的条件进行可行性分析和论证。待补给的含水层必须有足够的储水空间和良好的渗透性，补给区附近还要有不透水或弱透水的边界。补给水源的水量必须有保证，水质必须符合有关规定，要严格控制回灌水源的水质标准，以防止地下水被污染。人工补给地下水的方法分地面引渗和井灌两种基本类型，以控制地面沉降为目的补给一般是通过深井回灌进行的。深井回灌时常发生堵塞和回灌井水质变差问题，造成回灌效率降低或使回灌井周围地下水水质变差等。这些问题的存在，在一定程度上限制了人工补给方法的广泛应用。第59页/共60页2023/3/27谢谢您的观看！第60页/共60页