大面积地面沉降研究现状

第l 2卷 第4期 2 0 0 1年 1 0月 地质灾害与环境保护 Journal。f Ge 昭 j蚰】HE砷f如 nd EnvirDr~men[．Preservation Vo【1 2． No．4 Decembe1" 2001 文章编号： 1006—4362(2001)04--0074v06 大 面 积 地 面 沉 降 研 究 现 状 朱俊高 (河海大学岩土工程研究所，南京 210098) 陆晓平 (江苏省秦淮河水利工程管理处) 摘要： 总结世界各国一些城市由于地下水过』i}开采 产生地面沉降的情况厦其引起的危害 回顾已 有的一些地面沉降预测的理论与方法和控制地面沉降的有关 对正在发展中的大中小城市有H‘划 地开采地下水资源。预测防治地面沉降有一定的参考价值 关键词： 地面抗降 地下球，回糟 沉降预测 沉降控制 中图分类号： P642．26 文献标识码： A 丑 前言 正如 Polan3 所总结，主要有三种形式的地面 沉降是由于地下流体被抽取所引起的，这就是：(1) 石油和天然气的开采}(2)地热或蒸汽开发；(3)地下 水的大量开采。这三种形式的地面沉降曾产生过差 不多 同样大 小 的最大 地 面沉降。美国 加州 的 Wi[mington油田产生了9 m 的地面沉降；新西兰的 Wai rakei地热发电厂引起了6～7 m的地面沉降；由 于地下水的开采。墨西哥的墨西哥城和美国的 San Joaquin Valley都产生了9,ql的地面沉降。除了前面 这三种形式的地面沉降之外，产生大面积地面沉降 的原因还有季节变化引起地下水位变化、潮汐引起 沿海地区的地下水位变化、大面积植树导致地下水 位下降、黄土湿陷、采矿扰动等。本文将主要讨论由 于地下水位的娈化而引起的地面沉降问题。 早在 2O世纪初。随着工业化、城市化的迅速发 展．城市发展越来越大、人口迅速扩大．随之而来．城 市地下水开采量日益增大．导致地下水位下降，城市 地面下沉。世界各国的不少大中城市都不同程度地 产生了这种地面沉降。我国已有5O多个太中城市出 现了不同程度的地面沉降，较严重的有天津、上海、 苏卅 常州、无锡等 世界上有 5O多个国家和地区发 生地面沉降，比较严重的城市有东京、墨西哥城、意 大利的Po Delta、泰国的曼谷等。1和表 2分别列 出我国和世界上其他国家地面沉降较严重的城市、 地区的沉降情况。 我国是发展中国家，水资源短缺问题非常突出 这就带来一个问题：如何在大中小城市的发展过程 中．合理开发利用地下水资源。过量开采会导致地面 沉降．从而引发一连串的工程问题和社会问题。因 此．无论是对已经发生严重沉降的城市，还是沉降不 严重甚至无明显沉降的地区，都应亡羊补牢或未雨 绸缪．通过行政措施和工程技术手段．将地面沉降控 制在最小程度．同时可最大限度地开采地下水资源： 表 1 我国地面沉降较严重城市一览 Tt：ble l 1 he citie．~suffering serious ground subsidence in China 城市 戈津 沉降(m) ?73 而积(km2) 1 300 1堕- 堕塑 0．45 0 4I 3 n 3 120 一 一 收稿日期 ： 2001 04 23 一 一 塑∽㈣ m 维普资讯 http://www.cqvip.com 第12卷 第 4期 求傻高、陆晓平：大面积地面杭降研究现状 75 澳太利亚一Latrobe 上梅 台北 英国一Cheshire 意太利 Po Delta 日本一东京 日本 大阪 B 2~-Niigata 新西兰 wairakei 南非 FarWest Rand 美国 Stanfield 羹 国 Eloy 美 ．Santa Clara 美 N—San Jc~luir, 美国 H oLLsr0l_ 墨西哥城 1 961～ 1978 1921～l965 1 955～ l974 1533～1977 1951～1966 l9l8～ 1 978上 l 935～ 197O 1952～1978 1959～1975 1950～1978 l950～1 978 l 918～ 1970 回灌、控制地下水开采、调整抽水方式 控制地下水开采 戒步地下水开采 控制地下水开采 减少地下水开采 减少地下水开采 回灌、戒步地下水开采 回灌 回灌 减少地下水开采 藏步地下术开采 减少地下水开采 本文总结了世界各国地面沉降的情况及其采取 的控制措施，重点则放在地面沉降的预测上。对不同 沉降预测方法进行比较+为工程应用提供依据。 2 大面积地面沉降及其控制典型事例 国内外有关地面沉降及其控制的报道很 多l2“]+这里选择几个典型。 上海是我国地面沉降最严重城市之一 早在 1 921年就有关于地面沉降的报道 随着地下水开采 量的增加．在1956～1 959年间，沉降速率达到撮大． 为 98 mm／a 到 1 965年，累计最大沉降高达 2．63 tnlu 。 累计沉降超过0 5 tn的地区有121 km 。1 963 年后，采取了一些措施，沉降速率明显降低。1966 年，市区出现了6．3 iilm 的回弹。所采取的措施包 括：(1)严格控制、限制地下水开采；(2)回灌地下水． 抬高地下水位；(3)调整地下水开采方式，即从原来 主要从第 2、3含水层开采．到减少第 2、3含水层开 采量．增加第4、5含水层开采量。 天津市白1 959年发现地面沉降以后，随着地下 水开采量的增加，地下水位逐年下降．地面沉降也 日 益严重 至 1 985年．市区地下水开采量每年约 (]．0～1．2)×10 m ．地下水位也从开采初期的2．0 m左右下降到 50～8O tn．市区的年平均沉降达到7o ～ 80m 自1986年开始．天津市采取措施，减少地 下水开采量．并且实施地下水回灌，有效地控制了地 面沉降。到1 988年年平均沉降已减少到24 tntil．有 些地区甚至出现了地面回弹 又如江苏省南通市的地面沉降．虽不如天津市 那么严重，但截止 1 988年，由于地面沉陷而造成的 经济损失数以千万元计。在2O世纪7O～80年代的 2O多年的时间内，形成了两个降落谝斗．累积沉降 迭70 mtTl_] 而2O世纪80年代末 沉降有加快的 趋势，沉降速率达6 mm／a。观测表明．沉降速率明显 受地下水开采量的变化而变化。每年春、夏、秋季节 开采量增加，沉降量也较大。冬季随着开采量减小． 沉降速率也减小+部分地区甚至有所回弹。 在美国的San Joaquin地区n．从 20世纪 3O～ 60年代 40多年的时间内，发生了大面积的严重地 面沉降，最大沉降达 9 m。而差异沉降给输水工程 (灌溉、排水系统．蒸汽管道)的维护和使用带来困 难，成百上千的水井遭到破坏。地面沉降带来的直接 和间接经济损失数以千万美元计。2O世纪70年代 初期．由于输水工程的建设，使得地下水开采量锐 减，地面沉降问题基本解决。 又如泰国的曼谷，白l 960年来．地面沉降已经 产生了严重的问题。在20世纪70年代末、80年代 初．曼谷地面的沉降速率 2～6 cm／a．最大达到 10 cm／a¨ 研究表明；这种沉降主要由于大面积开采 地下水导致软土层固结而引起。到 8O年代束，不少 地区的地面已经低于海平面．导致排水系统失效．在 高潮水位时或梅雨季节洪涝灾害泛滥 。 Blight_l 的研究则表明：大面积的植树会引起 树林及其邻近地区的地下水位的严重下降 通过对 4个典型地区的观测．发现地下水位下降了1 0～20 tn 更为值得注意的是+当这些树被大面积砍伐之后 用来开发建筑、道路等工程时．由于地下水位不可避 ㈨Ⅲ ㈣m㈣ ㈨㈨ 1 ： 1 6 l 。 铝 0 肚 8 0 。 维普资讯 http://www.cqvip.com 地质宠害与环境保护 免地上升导致地面回弹，这很有可能导致建筑物结 构破坏。Blight-- 曾建议了一种方法用来估计地面 回弹量。 在某些地区．地下水位受大气降水及地表水的 直接补给变化明显。在淮北临涣矿区，每年地下水位 在丰枯水期有 2 111左右的渡动” 。因而，大气降水可 以影响浅部地层沉降过程，形成浅部地层不同季节 压缩一膨胀的主要因素 这种地面沉降或膨胀的量 值一般不太，淮北临涣矿区的观测有 5～6 1"Illll。 QSHansbol1 也发现，在瑞典．地下水位受季节变化 的影响而变化。变化范围受土质、地区的不同而不 同 在砂砾土层内．地下水位变化常在几厘米之内． 而在冰碛土或泥碳所包围的“马鞍区”以及在租粒的 冰碛土层内．地下水位变化达到 1 I33是常见的 在 细颗粒的冰碛土层内，水位变化能达到数米。在瑞典 的Gotland．均质石灰岩内的水位变化达10 n 之多 3 地面沉降的危害与控制 从上述的沉降事例来看，地面沉降所带来的直 接危害主要有：L1)城市河流、排水排污系统高程和 坡降的改变，导致排水排污系统减效、失效，容易发 生洪涝灾害；(2)公路、铁路、桥梁、房屋建筑等的结 构破坏；(3)沿海地区的海水侵入。 值得注意的是一些城市在经历了若干年的下沉 之后，由于采取了诸如减少地下水开采、向地层中充 水等措施，地下水位上升。这又会带来一些问题，如 地基承载力下降、粘土层回弹导致建筑物结构及桩 基础损坏、建筑物的地下室浸水等。在1965年，英国 伦敦的地下水位下降到最低点，位于地面 下 86 n1|l 965年以后，由于一些深井停止抽取地下水，伦 敦市中心的地下水位在 20 a内上升了20 m。 为了使地面沉降的危害减小到最低限度，必须 采取有关措施。到了2O世纪 7O年代和8O年代．各 种控制地下水位下降的措施相继应用于工程实践 中。包括减少地下水开采量、地表面渗水、人工向地 下充水回灌、截水墙、地下喷水管等 。擐为有效的 措施有两个、一是限制地下水开采量、另一个是回灌 地下水，抬高地下水位或承压水头。我国上海、天津 等地都曾采用过此方法，瑞典的Stockholm地区 ． 人工地下水回灌技术也应用较多 间接措施还应包 括节约用水，开辟其他水源等。 4 地面沉降成因与机理解释 太沙基的土体固结理论在 1925年提出后．就被 2001芷 用来解释 地层的压缩而导致地面 沉降 对此． Poland[ 给出了详细的解释以及确定地下水位变化 或承压水头变化而引起的地层有敷应力的变化的方 法。一般情况下，由于含水地层中水被抽取而产生的 地面沉降有两部分，一部分是含水层水被抽取后，体 积压缩而引起 ；另一部分是由于隔水层(相对不透水 层)的固结而引起，固结的附加应力来源与地下水抽 取后所引起的地下水位下降或承压水头的降低 依据土力学知识，我们知道，不少地基为弱超固 结的，这种超固结可能是由于老化(aging)或颗粒胶 结(cementation)而形成 正常固结和超固结土体的 压缩曲线如图 1和图2所示(图中P为各向等压的 固结压力或竖向固结压力)。图中， 称为压缩指 数， 称为回弹指数，且一般地 一【5～】O)C 。对 超固结土而言，压力小于前期固结压力时，土体沿曲 线CD压缩；压力大于前期固结压力后．土体将沿着 曲线DE压缩。如果地下水位变化引起的附加应力 使得土层的应力大于前期固结压力，土层将会产生 较大压缩。对正常固结土，土层在受到地下水位变化 引起的附加应力之后，直接沿图 1中的曲线 AB压 缩 尽管图1和图 2的直线或折线关系是假定的或 近似的，但还是在某种程度上反映出正常固结、超固 Logp 图 1 正常固结土的压缩曲线 Fig．L Compression cu e of normally consolidated吣i 谜 图 2 超固结土的压茸茸曲线 Fig 2 Cornpre*sion CUrve of over consolidated sol 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 1 2誊 第 4期 来惶高、陆晓平：太面积地面沉降研究现状 结土的压缩性的变化情况。因此，对正常固结或弱超 固结土，若附加应力稍大。就可能产生较大的沉降。 对于较强超固结土．由于首先沿曲线CD压缩+产生 的压缩量应该是不大的．除非总应力超过前期固结 应力。据此，不少学者认为 ，土层存在一个临界水 位，当水位低于该I临界水位时，土层应力就超过前期 固结应力。从而产生较大沉降。因此，临界水位可作 为控制地下水开采量的依据。 然而，Janbu 则认为，超固结土的体积变形模 量呈现出图3所示的变化趋势。也就是说。即使对超 固结土，在其加荷初期(应力达到前期固结应力之 前)．随着应力的增加．土体在前期固结应力下形成 的结构会渐渐破坏．土体的体积变形模量要显著减 小 而只有当应力超过前期固结应力之后．体积模量 才会缓慢增加。如果是这样的话，土层就不一定在应 力超过前期固结应力后才会产生显著沉降。也就是 说，应力小于前期固结应力时，也有可能产生较大沉 降，应子以注意。作者认为．这可能与土俸种类有关． 有些土可能会表现出这种变形性质。 图 3 土休体积变形模量的变化(Janbu．L987)I 。 Fig．3 Variation on volumetric modulus of soil 5 地面沉降的预测 较准确地预测地面沉降的太小和沉降速率是非 常重要的。可以根据其大小采取相应措施．使损失减 小到最低，同时又可最大限度地开采地下水。预测地 面沉降，一般要做的第一步工作是确定将来地下水 位或地屡中承压水头究竟会降低多少。Polandn 介 绍了一种简单 。法确定由于水位或水头变化而产生 的附加应力 刘嘉析、李定方 0提出了三向非稳定 渗流的有限元解法，为预测深井抽水引起的地下水 位变化，从而预测地层中附加应力提供了一种实用 语 由于地层中流体被抽取而导致的地面沉降的计 算方法很多，有的复杂．有的简单。概括起来有三 类【“．即经验方法、半理论方法和理论方法 (1)经验方法 这种方法是依据已有的观测资料。建立地面沉 降与某种和沉降密切相关的因素(一般为时间)之间 的相关关系．并利用这种关系向不远的将来外延。这 种方法一般只能用于观测资料建立的地区的地面沉 降的预测 相应的相关关系可用线性方程来表示： — n + b (1) 式中． 为时间。n、b为常数。而常用的则是二次曲 线、指数函数或对数函数．它们分别表示为： 5一 m + + c (!) 5一 Ⅱ t logs— Logo+ blogt (4 J 一 (5) 式中 6、f为常数。 还有学者认为，通过建立地面沉降与地下水开 采量或水头的降低之间的相关关系用于预测未来地 面沉降。这些经验方法简单、方便．且较准确．对有观 测资料的地区很有参考价值。 (2)半理论方法 Wadaehi认为，地面沉降速率与水位变化量成 止比关系，即 一 k(p。 J t 6) 式中， 为地面沉降量 f为时间； 为参考水位； 为水位； 为常数。式(6)表明，存在～个参考水位， 如果水位恢复到参考水位，将没有沉降发生 事实并 非如此．因此，Yamaguchi建议用下式代替： d d s 一 [( ) 一警]expF一 ( 一 )￡] (7) 令 y—log[ 1 d d s l『_ l[( 一 p)t--警])，则式(7)可写为 y— log(k&)一 ( 一 p)t (8) Yamaguchi认为，y与( 一 ) 之间有 比较稳定的 (直线)相关关系，从而可求得沉降‰ (3j理论方法 绝大多数理论方法都是以太沙基的固结理论为 基础的 在瑞典⋯ ，用来估计地面沉降的 ‘法中既 有数值解、也有解析解．最简单的莫过于有限差分 法．它 们 都 是 直 接 应 用 了太 沙 基 固结 理 论。 Bergado[a-用太沙基一维固结理论预测泰国曼谷地 区的地面沉降；Poland[“ 介绍了一个用于初步估计 地面沉降的模型；Helml1 介绍了两个预测地面沉降 的模型．一个叫 深度一孔隙率模型 ．另一个称为 维普资讯 http://www.cqvip.com 地质灾害与环境保护 “隔水层排水固结模型”。一般地层都是由含水层(透 水层)和隔水层(相对不透水层)间隔分布。深度 孔 隙率模型认为．地面沉降主要是由于含水层孔隙水 被抽取． 而含水层压缩而引起。隔水层排水固结模 型则认为，地面沉降除了由含水层压缩而引起外，更 主要的应是由于隔水层排水固结而产生，这就是在 土力学中已经广泛接受的固结原理。因而，该模型直 接应用了土力学的土体固结理论。 基于土力学的一些基本概念，Janbu 建议一 个模型用于预测由于抽取地下水或开采石油而引起 的大面积地面沉陷 该模型简单、实用、方便。 为了考虑地面沉降的非线性性质，缪俊发等” 建议了一个粘弹性地面沉降模型，并给出了一维变 形条件下的解析解。通过与实测的地面沉降资料对 比．表明该模型能较好地预测由于地下水位下降而 引起的地面沉降。 经验方法和理论方法各有优势。对经验或半理 论的方法．它能提供沉降与其他一些可观测的现象 之问的联系，但必须已经有了一定数量的观测数据； 而理论方法一般需要有室内或现场试验提供的地层 性质参数。实际应用时，应根据具体情况．选定合适 的方法。 6 结束语 [ ] 在世界各国的不少城市都碰到了由于地下水位 下降而引起的地面沉降问题。由于采取了一些措施． 多数城市的沉降速率已明显降低，有些城市甚至出 现地下水位上升．地面回弹的情况。到目前为止．普 遍采取的措施是控制地下水开采量，回灌地下水等。 不少经验的和理论的用于地面沉降预测的方法已经 提出 对于处于发展中的不少大中小城市，都存在一 个合理开发地下水、控制地面沉降的问题。随着城市 化进程的进一步发展，这个问题会 日益突出、控制地 面沉降就显得很有意义 参考文献 _]： Poland J F．Mechanics of land subsidence due to fluid withdrawa： M]．Guidebook to Studies Df L柚d Subsidence Due to Ground [is] water W ithdrawa1．Ed．By J．F poland，Book Crafte~ Press· l984：37一,54 [17： [2] 侯艳声，郑铣鑫，庸玉飞．巾国措海地区可持续发展战略与地面 沉降系境防治[J]．巾崮地质灾害与防治学报，2000，II(2)：30 ：18] [3] poland J Guidebook to StudEes of Land Subsidence Due to Ground⋯ ter Withdrawal[M]．Book Crofters Press．1984：8— 10． Shi L，Bao M．Case history No．9．2，Shanghai，China LM 』． Guideboo k to Studies L舯 d Subsidence Due to Ground⋯ teT Withdrawal，Ed By J．F．Poland，Book Crofters press．1 984： 155-- 1Sm 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UniversitytChengdu 610031，China) Abstract} Based on the local engineering geological conditions r especially the structure of rock mass，of the bank slope of No．2 Longtangehan Bridge，a corr~ponding numerical model is established．Then through the discrete element method rthe failure mode of the bridge bank slope is simulated．The simulation r~u[ts indicatet(1)the whole bridge hank slope is basically stable}(2)during constructLon，the rock hlocks 0n the slope sucface and beak top wh ch&re possihle to collapse oL"slide she uM he cleated away and reinforced；(3)according to the failing tendency rthe stable slope angle of this bridge hank is confirmed to he 500． Key words： rock slope；rock mass structure；tailure mode；discrete element method tn~merlcal simuhtion 作者简升： 詹志峰门977一 )．男．西南交通大学，地质工程系，硕士研究生 研究方向；岩体力学特性爱岩件工程 维普资讯 http://www.cqvip.com