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根据有效应力原理可知，土中由覆盖层荷载引起的总应力是山孔隙中的水和土颗粒骨架共同承担的。

由水承担的部分称为孔隙水压力（pw），它不能引起土层的压密，故义称为中性压力；

而由土颗粒骨架承担的部分能够直接造成上层的压密，故称为有效应力（ps）；

二者之和等干总应力。

假定抽水过程中土层内部应力不变，那么孔隙水压力的减小必然导致十中有效应力等量增大，结果就会引起孔隙体积减小，从而使土层压缩。

由于透水性能的显著差异，上述孔隙水压力减小、有效应力增大的过程，在妙层和粘土层中是截然不同的。

在砂层中，随着承压水头降低和多余水分的排出，有效应力迅速增至与承压水位降低后相平衡的程度，所以砂法压密是“瞬时”完成的。

在粘性土层中，压密过程进行得十分缓慢，往往需要几个月、几年甚至几十年的时间；

因而直到应力转变过程最终完成之前，粘土层中始终存在有超孔隙水压力（或称剩余孔隙水压力）。

它是衡量该土层在现存应力条件下最终固结压密程度的重要指标。

相对而言，在较低应力下砂层的压缩性小且主要是弹性、可逆的，而粘土层的压缩性则大得多且主要是非弹性的水久变形。

因此，在较低的有效应力增长条件下，粘性土层的压密在地面沉降中起主要作用，而在水位回升过程中，砂层的澎胀回弹则具有决定意义。

此外，土层的压缩量还与丘层的预固结应力（即先期固结应力）、土层的应力—应变性状有关。

由于抽取地下水量不等而表现出来的地下水位变化类型和特点也对土层压缩产生一定的影响。

（三）地面沉降的产生条件

从地质条件，尤其是水文地质条件来看，疏松的多层含水层休系、水量丰富的承压含水层、开采层影响范围内正常固结或欠固结的可压缩险厚层粘比土层等的存在，都有助于地面沉降的形成。

从土层内的应力转变条件来看，承压水位大幅度波动式的持续降低是造成范围不断扩大累进性应力转变的必要前提。

1.厚层松散细粒土层的存在

地面沉降主要是抽采地下流体引起土层压缩而引起的，厚层松散细粒土层的存在则构成了地面沉降的物质基础。

在广大的平原、山前倾斜干原、山间河谷盆地、滨海地区及河口三角洲等地区分布有很厚的第四系和上第三系松散或未固结的沉积物，因此，地面沉降多发生干这些地区。

如在滨海三角洲平原，第四纪地层中含有比较厚的淤泥质粘土，呈软塑状态或流动状态。

这此淤泥质粘性粘的含水量可高达60％以上，孔隙比大、强度低、压缩除强，易于发生塑注流变。

当大量抽取地下水时，含水层中地下水压力降低，淤泥质粘土隔水层孔隙中的弱结合水压力差加大，使孔隙水流入含水层有效压力加大，结果发生粘性十层的压缩变形。

易于发生地面沉降的地质结构为砂层、粘土层互层的松散土层结构。

随着抽取地下水，承压水位降低，含水层本身及其土、下相对隔水层中孔隙水压力减小，地层压缩导致池面发生沉降。

2.长期过量开采地下流体

未抽取地下水时，粘性土隔水层或弱隔水层中的水压力与含水层中的水压力处干平衡状态。

抽水过程中，由J含水层的水头降低，上、下隔水层中的孔隙水压力较高，因而向含水层排出部分孔隙水结果使土、下隔水层的水压力降低。

在上覆土体压力不变的情况下，粘土层的有效应力加大，地层受到压缩，孔隙体积减小。

这就是粘土层的压缩过程。

由于抽取地下水，在井孔周围形成水位下降漏斗，承压含水层的水压力下降，即支撑上覆岩层的孔隙水压力减小，这部分压力转移到含水层的颗粒上。

因此，含水层因有效应力加大而受压缩，孔隙体积减小，排出部分孔隙水。

这就是含水层压缩的机理。

地面沉降与地丁水开采量和动态变化有着密切联系：

（1）地面沉降中心与地下水开采漏斗中心区呈明显一致性。

（2）地面沉降区与地下水集中开采区域大体相吻合。

（3）地面沉降量等佰线展布方向与地下水开采漏斗等值线展布方向基本一致，地面沉降的速率与地下液体的开采量和开采速率有良好的对应关系。

（4）地面沉降量及各单层的压密量与承压水位的变化密切相关。

（5）许多地区已经通过人工回灌或限制地下水的开采来灰复和抬高地下水位的办法，控制了地面沉降的发展，有些地区还使地面有所回升。

这就更进一步证实了地面沉降与开采地下液体引起水位或液体沉降之间的成因联系。

3.新构造运动的影响

平原、河谷盆地等低洼地貌单儿多是新构造运动的下降区，因此，由新构造运动引起的区域性下沉对地面沉降的持续发展也具有一定的影响。

西安地面沉降区位行西安断陷区的东缘，由于长期下沉，新生界累计厚度已经超过3000m。

1970～1987年，渭河盆地大地水准测量表明，西安的断陷活动仍在继续，在北部边界渭河断裂及东有部边界临渝——长安断裂测得的平均活功速率分别为3.37mm／a和3.98mm／a，构造下沉约占同期各沉降中合部位沉降速率的3.1%～7％左右。

4.城市建设对地面沉降的影响

相对于抽采地下流体和构造运动引起的地面下沉，城市建设造成的地面沉降是局部的，有时也是不可逆转的。

城市建设按施工对地基的影响方式可分为：

（ⅰ）以水平方向为主和（ⅱ）以垂直方向为主的两种类型。

前者以重大市政工程为代表，如地铁、隧道、给排水工程、道路改扩建等，利用开挖或盾构掘进，并铺设各神市政管线。

后者以高层建筑基础工程为代表，如基坑开挖、降排水、沉桩等。

沉降效应较为明显的工程措施有开挖、降排水、盾构掘进、沉桩等（龚士良，1998）。

若揭露有流沙陀质的饱水砂层或具流变特性的饱和淤泥质软土，在开挖深度和面积较大的基坑时则有可能造成支护结构失稳，从而导致基坑周边地区地面沉降。

而规模较大的隧道、涵洞的开挖有时具有更显著的沉降效应。

降排水常作为基坑等开挖工程的配套工程措施，旨在预先疏干作业面渗水，其机理与抽取地下水引发地面沉降一致。

城建施工造成的沉降与工程施工进度密切相关，沉降主要集中于浅部工程活动相对频繁和集中的地层中，与开采地下水引起的沉降主要发生在深部含水砂层有根本区别。

地壳沉降活动、松散沉积物的自然固结、人类开采地下水或油气资源引起的土层压缩等因素都会引起地面沉降，但从灾害研究角度而言的地面沉降是指人类活动引起的地面沉降，或者是以人类活功为主、自然动力为辅而引起的地面沉降。

地面沉降的形成条件主要包括两个方面：

（l）一是地面沉降的地质条件，即具有较高压缩性的厚层松散沉积物。

（2）地面沉降的动力条件，如人类长期过量开采地下水和地下沼气资源等。

四、抽水作用下引起地面沉降机理

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。

五、地面沉降的特征与分布

（一）地面沉降的特征

地面沉降是指某一区域内由于开采地下水或其他地下流体导致的地表浅部松散沉积物压实或压密引起的地面标高下降的现象，又称做地面下沉或地陷。

地面沉降的特点是波及范围广，下沉速率缓慢，往往不易察觉，但已对于建筑物、城市建设和农田水利危害极大。

地而沉降灾害在全球各地均有发生。

由于工农业生产的发展、人口的剧增以及城市规模的扩大，大量抽取地下水引起了强烈的地面沉降，特别是在大型沉积盆地和沿海平原地区，地面沉降灾害更加严重。

石油，天然气的开采也可造成大规模的地面沉降灾害。

（二）地面沉降的分布规律

1.世界地面沉降分布概况

地画沉降主要发生于平系和内陆盆地工业发达的城市以及油气田开采区。

如美国内华达川的拉斯韦加斯市，自1905年开始抽取地下水，由于地下水位持续下降地面沉降影响面积已达1030k㎡，累计沉降幅度在沉降中心区已达1.5m，并使井口超出地面1.5m；

同时还伴生了广泛的地裂缝，其长度和深度均达几十米。

日本在20世纪50～80年代，地面沉降已遍及全国的50多个城市和地区。

东京地区的地面沉降范围达1000多平方公里，最大沉降量达到4.6m，部分地区甚至降到了海平面以下。

开采石油也造成了严重的地面沉降灾害。

美国加利福尼亚州长滩市的威明顿油田，在1926～1968年间累汁沉降达9m，最大沉降速率为71crn/a。

表7-1列举了世界上一些城市或地区的地面沉降现象。

此外，英国的伦敦市、俄罗斯的莫斯科市、匈牙利的德波勒斯市、泰国的曼谷、委内瑞拉的马拉开波湖、德冈沿海以及新西兰和丹麦等国家也都发生了不同程度的地面沉降。

2.中国地面沉降分布规律

目前，我国已有上海、天津、江苏、浙江、陕西等16个省（区、市）共46个城节（地段）县城出现了地面沉降问题，总沉降面积达487x1O4km“〔表4-1）。

表4-1我国地面沉降情况统计（据段水候1993）

从成因上看，我国地面沉降绝大多数是因地下水超量开采所致。

从沉降面积和沉降中心最大累积降深来看，以天津、上海、苏锡常、沧州、西安、阜阳、太原等城市较为严重，最大累积沉降量均在lm以上；

如按最大沉降速率来衡量，天津（最大沉降速率80mm／a）、安徽阜阳〔年沉降速率60～110mm/a）和山西太原（114mm／a）等地的发展趋势最为严峻。

我国地面沉降的地域分布具有明显的地带性，主要位于厚层松散堆积物分布地区。

（l）大型河流三角洲及沿海平原区

主要是长汀、黄河、海河及辽河下游平原和河口三角洲地区。

这些地区的第四纪沉积层厚度大，固结称度差颗粒细，层次多压缩比强；

地厂水含水层多，补给径流条件差，开采时间长、强度大；

城镇密集、人曰多，工农业生产发达。

这些地区的地面沉降首先从城市地下水开采中心开始形成沉降漏斗，进而向外围扩展，形成以城镇为中合的大面积沉降区。

（2）小型河流不角洲区

主要分布在东南沿海地区第四纪沉积厚度不大以海陆交互相的粘土和砂层为主，压缩性相对较小。

地下水开采主要集中于局部的富水地段。

地面沉降范围一般比较小主要集中于地下水降落漏斗中心附近。

（3）山前冲洪积扇及倾斜平原区

主要分布在燕山和大行山山前倾斜平原区，以北京、保定、邯郸、郑州及安阳市等大、中城市最为严重。

该区第四纪沉积层以冲积、洪积形成的砂层为王；

区内城市人门众多、城镇密集工农业生产集中；

地下水开采强度大地二水位下降幅度大。

地面沉降主要发生在地下水集中开采区沉降范田由开采范围决定

（4）山问盆地和河流谷地区

主要集中在陕西省的渭河盆地及山西省的汾河谷地以及一些小型山间盆地内，如西安、咸阳、太原、运城、临汾等城市。

第四纪沉积物沿河流两侧呈条甘状分布，以冲积砂上、粘性土为主厚度变化人；

地下水补给、径流条件好；

构造运动表现为强烈的持续断陷或下陷。

地面沉降范围主要发生在地下水降落漏斗区。

六．地面沉降的危害

地面沉降是一种累进性地质灾害，会给滨海平原防洪排涝、土地利用、城市规划建设、航运交通等造成严重危害，其破坏和影响是多方面的。

其中主要危害表现为：

地面标高损失，继而造成雨季地表积水，防泄洪能力下降；

沿海城市低地面积扩大、海堤高度下降而引起海水倒灌；

海港建筑物破坏，装卸能力降低；

地面运输线和地下管线扭曲断裂；

城市建筑物基础下沉脱空开裂；

桥梁净空减小影响通航；

深井井管上升，井台破坏，城市供水及排水系统失效；

农村低洼地区洪涝积水使农作物减产等。

（一）滨海城市海水侵袭

世界上有许多沿海城市，如日本的东京市、大阪市和新玛市，美国的长滩市，中国的上海市、天津市、台北市等，由于地面沉降致使部分地区地面标高降低，甚至低于海平面。

这些城市经常遭受海水的侵袭，严重危害当地的生产和生活。

为了防止海潮的威胁，不得不投入巨资加高地面或修筑防洪墙或护岸堤。

如中国上海市的黄浦江和苏州河沿岸，由于地面下沉，海水经常倒灌，影响沿江交通，威胁码头仓库。

1956年修筑防洪墙，1959～1970年间加高5次，投资超过4亿元，每年维修费也达20万元。

为了排除积水，大得不改建下水道和建立排水泵站。

1985午8月2日和19日，天津市沿海海水潮位达5.5m，海堤多处决口，新港、大沽一带被海水淹没，直接经济损失达12亿元。

1992年9月1日，特大风暴再次袭云天津、潮位达5.93m，有近100km海堤浸水，40余处溃决，直接经济损失达3亿元。

虽然风暴潮是气象方面的因素而引起的，但地面沉降损失近3m的地面标高也是海水倒灌的重要原因。

地面沉降也使内陆平原城市或地区遭受洪水灾害的频次增多、危害程度加重。

可以说，低洼地区洪涝灾害是地而沉降的主要致灾特征。

无可否认，江汉盆地沉降、洞庭湖盆地沉降（现代构造沉降速率为10mm/a）和辽河盆地沉降加重了1998年中国的大洪灾。

（二）港口设施失效

地面下沉使码头大去效用，港口货物装卸能力下降。

美国的长滩市，因地面下沉而使港口码头报废，我国上海市海轮停靠的码头，原标高5.2m，至1964年已降至3.0m，高潮时江水涌上地面，货物装卸破迫停顿。

（三）桥墩下沉，影响航运

桥墩随地面沉降而下沉，使桥下净空减小，导致水上交通受阻。

上海市的苏州河，原先每天可通过大小船只2000条，航运量达（100～120）×

104t.由于地面沉降，桥下净空减小，大船无法通航，中小船只通航航也受到影响。

（四）地基不均匀下沉，建筑物开裂倒塌

地面沉降往往使地而和地下建筑遭受巨大的破坏，如建筑物墙壁开裂或倒塌、高楼脱空，深井井管上升、井台破坏、桥墩不均匀下沉，自来水管夸裂漏水等。

美国内华达州的拉斯韦加斯市、因地面沉降加剧，建筑物损坏数里剧增；

我国江阴市河塘镇地面塌陷，出现民达150m以上的沉降带，造成房尾墙壁开裂、楼板松动、横梁倾斜、地面凹凸不平，约5800m2时建筑物成为危房，一座幼儿园和部分居民已被迫搬迁。

地面沉降强烈的地区，伴生的水平位移有时也很大，如美国民滩市地面乖直沉降伴生的水平位移最大达到3m，不均匀水平位移所造成的巨大剪切力，使路而变形、铁轨扭曲、桥墩移动、墙壁错断倒塌、高楼支柱和偷架弯扭断裂、油井及其他管道破坏。

由于地而下降一些园林古迹遭到严重的损坏。

如我国苏州市朴园内的亭台楼群阁、区廊假山，经常被水淹没，园内常年备有几台水泵排水。

七、地面沉降的监测与预测

地面沉降的危害十分严重，且影响范围广大。

尽管地面沉降往往不明显，不易引人注目，却会给城市建筑、生产和生活带来极大的损失。

因而，在必须开采利用地下水的情况下，通过大地水准测量来监测地面沉降是非常重要的

目前，我国地面沉降严重的城市，几乎都已制订了控制地下水开采的管理法令，同时开展了对地而沉降的系统监测和科学研究。

（一）地面沉降的监测

地面沉降的监测项月主要有大地水准测量、地下水动态监测、地表及地下建筑物设施破坏现象的监测等。

监测的基本方法是设置分层标、基岩标、孔隙水压力标、水准点、水动态监测网、水文观测点、海平面预测点等，定期进行水准测贷和地下水开采量、地下水位、地下水压力、地下水水质监测及地下水回灌监测，同时开展建筑物和其他设施因地面沉降而破坏的定期监测等。

根据地面沉降的活动条件和发展趋势，预测地面沉降速度、幅度、范围及可能产生的危害。

（二）地面沉降趋势的预测

虽然地面沉降可导致房屋墙壁开裂、楼房因地基下沉而脱空和地表积水等灾害，但其发生、发展过程比较缓慢，属于种渐进险地质灾害，因此，对地面沉降灾害只能预测其发展趋势。

目前地面沉降预测计算模型主要有两种：

（i）基于释水压密理论的土水模型，（ⅱ）生命旋回模型。

（1）土水模型

土水模型由水位顶测模型和土力学模型两部分构成，可利用相关法、解析法和数值法等地下水水位进行预测分析、土力学模型包括含水层弹隆计算模型、粘住土层最终沉降量模型、太沙基固结模型、流变固结模型、比奥（Biot）固结理论模型、弹塑哇固结模型、回归训算模型及半理论半经验模型（如单位变形量法等）和最优化计算法等。

（2）生命旋回模型

生命旋回模型主要从地面沉降的整个发展过程来考虑直接由沉降量与时间之问的相关关系构成，如泊松旋固模型、verhulst生物模型和灰色预测模型等（刘毅等，1998）。

晏同珍等（1990）用动力学和数学方法预测了西安市及宁波市的地面沉降周期趋势，并绘制了动力曲线图，得出两城市地面沉降周期分别为25年和80年的结论。

根据沉降周期预测，认为西安市1992～1996年地面沉降达到峰值，此后将显著减缓，2050年地面沉降威胁结束。

宁波市地面沉降1987～1989年已达到峰值阶段，2050年沉降将进入休止阶段。

八、地面沉降的防治

地面沉降与地下水过度开采紧密相关，只要地下水位以下存在可压缩地层就会因过量开采地下水而出现地面沉降，而地面沉降一旦出现则很难治理，因此地面沉降主要在于预防。

目前，国内外顶防地面沉降的主要技术措施大同小异，主要包括建立健全地面沉降监测网络，加强地下水动态和地面沉降监测工作；

开辟新的替代水源、推广节水技术；

调整地下水开采布局，控制地下水开采量；

对地下水开采层位进行人工回灌；

实行地下水开采总量控制、计划开采和目标管理。

除上述措施外，还应查洁地下地质构造、对高层建筑物的地基进行防沉降处理。

在已发生区域性地面沉降的地区，为了减轻海水倒灌和洪涝等灾害损失，还应采取加高加固防洪堤、防潮堤以及疏导河道，兴建排涝工程等措施。

基本措施是进行地下水资源管理。

例：

上海市为合理开采使用地下水有效控制地面沉降，近年来坚持“严格控制、合理开采”的原则，加大对地下水开发、利用和管理的为度，取得了显著的成效。

据市给水处的统讨数据，1996年至今全市近郊地区共压缩停用深井185口，地下水的开采量从1996年的1.5×

1012m3。

缩减到1999年的1.04×

1012m3，使本市地下水开采量又恢复到80年代的水平；

1999年全市平均地面沉降量比1998车减少1.94mm。

为继续保特地下水开采量负增长为良好势头，上海市政府做出决定，2000年全市地下水净开采量要比上年同比递减300×

104m3。

开采地下水引起地面沉降的防治措施

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。

当前地面沉降防治存在问题：

一是系统内包括国土资源系统和地勘系统，对地面沉降防治高度重视，但是系统外包括个别地方政府，对此了解还不够，这跟地面沉降防治的宣传有关。

尽管在三大区域——华北、长三角和汾渭盆地，地面沉降防治得到政府高度重视，但在防治过程中，各部门间还存在工作关系理得不顺的问题。

我们要争取中央政府各部门对地面沉降防治的充分了解和支持。

二是防治过程中，还存在个别主要用水单位不顾地质环境，严重超采地下水的情况。

我们要让这些单位对地面沉降重视起来，也要依法督促和指导他们积极参与地面沉降防治。

三是防控措施还不够，效果还不能适应社会主义工业化、城镇化建设的发展需要。

目前，我们的地面沉降面积还在不断扩大，已经超过9万平方公里，超过50个主要城市受到影响。

重点应做好的工作

一、加强有关部门的协调配合，建立地面沉降防治的区域联动联席会议机制。

建立部际联席会议制度，解决防治工作的机制、政策、经费支持等问题。

目前，长三角地面沉降联席制度要从厅局级升级到省级，同时支持华北平原、汾渭盆地也建立区域省级联席会议制度，以此进一步理顺体制，促进地面沉降防治工作顺利进行。

二、尽快开展地面沉降规划研究，完善地面沉降监测网络建设。

要在建立区域联动联席会议机制的基础上，对现有监测监控网络建设提出统一的监测和建设标准，以省市为单位，统一协调，实现对整个区域地面沉降的有效监控，同时加快防控规划的专题研究。

三、要高度重视地面沉降新技术、新方法和新设备的应用和开发创新，掌握地面沉降的生成机理，提出更好更有效的防控措施。

同时，要加强国际交流，在防治过程中出现的影响工作的重大热点难点问题，相关部门和主管单位要提供条件，定题立项，给予支持。

四、要加强综合管理。

地面沉降主要是超采地下水引起的，主管单位在做好调查监测的同时，要积极向政府各部门汇报，在政府的统一领导和支持下，监督协调有关单位，合理开采地下水，采取有效措施，加强地面沉降治理，从而提高防控的效果。

4.2滑坡灾害防治

一、滑坡的定义、要素概述

滑坡的定义：

在自然地质作用和人类活动等因素的影响下，斜坡上的岩土体在重力作用下沿一定的软弱面“整体”或局部保持岩土体结构而向下滑动的过程和现象及其形成的地貌形态，称为滑坡。

俗称“走山”、“垮山”、“地滑”、“土溜”等。

滑坡是斜坡岩土体沿着惯通的剪切破坏面所发生的滑移现象。

滑坡的机制是某一滑移面上剪应力超过了该面的抗剪强度所致。

滑坡的要素：

滑坡体、滑坡周界、滑坡壁、滑坡台阶、滑动面（带）、滑坡床、滑坡舌、主滑线、拉张裂缝、羽状裂缝、鼓张裂缝、扇形张裂缝、封闭洼地（滑坡湖）等。

图4－1滑坡要素平剖面示意图

1.滑坡体；

2.滑坡周界；

3.滑坡壁；

4.滑坡台阶；

5.滑动面（带）；

6.滑坡床；

7.滑坡舌；

8.主滑线；

9.拉张裂缝；

10.主裂缝；

11.剪切裂缝；

12.羽毛状裂缝；

13.鼓张裂缝；

14.扇形张裂缝；

15.封闭洼地（滑坡湖）

滑坡的特征：

（1）发生变形破坏的岩土体以水平位移为主，除滑动体边缘存在为数较少的崩离碎块和翻转现象外，滑体上各部分的相对位置在滑动前后变化不大。

（2）滑动体始终沿着一个或几个软弱面（带）滑动，岩土体中各种成因的结构面均有可能成为滑动面，如古地形面、岩层层面、不整合面、断层面、贯通的节理裂隙面等。

（3）滑坡滑动过程可以在瞬间完成，也可能持续几年或更长的时间。

规模较大的“整体”滑动一般为缓慢、长期或间歇的滑动。

滑坡的这些特征使其有别于崩塌、错落等其他斜坡变形破坏现象。

滑坡的形成条件

自然界中，无论天然斜坡还是人工边坡都不是固定不变的。

在各种自然因素和人为因素的影响下，斜坡一直处于不断地发展和变化之中。

滑坡形成的条件主要有地形地貌、地层岩隆、地质构造、水文地质条件和人为活动等因素。

（一）地形地貌

斜坡的高度、坡度、形态和成因与斜坡的稳定性有着密切的关系。

高陡斜坡通常比低缓斜坡更容易失稳而发生滑坡。

斜坡的成因、形态反映了斜坡的形成历史、稳定程度和发展趋势，对斜坡的稳定性也会产生重要的影响。

如山地的缓坡地段，由于地表水流动缓慢，易于渗入地下，因而有利于滑