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:
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措施 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
。
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
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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 。
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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 地面沉降成因分析与机理解释
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
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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
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“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
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REVIEW 0F STUDY 0N GR0UND SUBSIDENCE
ZHU Jun—Gao
(Research Institute of Gemechnica[Engineering,Hehai Univ~rsLty,Naniing 210098,China)
LU X[ao—Ping
(I)e。c.0f Qin—huai Rivers Project Management,Jiangsu Bureau of Water ResoLlreestNanjing 210009,China)
Abstract A number of cn histories of land subsidence clue to ground water withdrawa[are reviewed in this paper. The
approaches predicting the land subsidence are summarized,and the measur~ to control land subsidence are discussed·The reV
may be helpful for the developing cities cD extract ground water and control land subsidence.
Key words: subsidence r groundwater,recharge,predictionOf subsidence r control of sub dence
作者筒升: 朱使高(1964一 ),男 博士,教授
(上接第7O页)
DISCRETE ELEM ENT SIM ULAT10N 0N FAILURE M 0DE 0F
BANK SL0PE 0F NO.2 L0NGTANGSHAN BRIDGE
ZHAN Zhi—feng XIE Q[ang ZHAO Wen
(School of Civil Eng.,Southwest]laotong 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
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