上海沉降观测.docx

1、上海沉降观测第五篇地面沉降概述清宣统二年至民国8年(19101919年)间，经重复水准测量，只发现西门外一里程高有0.13英尺(3.96毫米)的甚微变化，说明在这以前上海地面无明显的沉降现象。民国10年开始发现上海地面有下沉现象。上海地面沉降现象是从潮水位上升和水准点高程降低发现的。水准点高程民国1037年期间，市区平均降低30毫米；民国37年至1953年市区局部降低50毫米；以后，逐年增加，至1963年为100200毫米。位于黄浦江苏州河口的黄浦公园验潮站水位，至1963年，近40年上升400600毫米。上海市港务局、上海市城建局测量总队、地质部水文地质工程地质第二大队科技工作者，对黄浦公园

2、验潮站、建源码头潮站、绿华山验潮站等处潮水位逐年上升和水准点逐年下沉异常的验证，与江苏连云港验潮站、福建验潮站、浙江海洋验潮站对比证实，国内华东南部地区的海平面没有变动，潮水位上升是验潮站标尺的沉降，与测量水准点高程的降低为同一属性，说明上海地面在沉降。上海地面沉降给城市建设、工农业生产、人民生活等方面带来的是灾害性危害：(1)深井失效。许多工厂、宾馆、机场使用深井地下水单位的深井井管逐年上升，甚至扭曲变形、断裂毁坏，井管四周地坪隆起，有的深井报废。为此，必需采取措施定期割短井管或加长泵管后，才能正常使用。(2)高层建筑相对上升。高出周围地面和马路，与周围建筑相连者影响其他建筑。对高层建筑集中

3、的黄浦区危害更大。国际饭店、慈淑大楼、建设大厦、上海大厦、中国银行大厦、新城饭店等都有上升。如国际饭店地面沉降造成其相对上升，四周出现勒脚，高出周围地面和马路，19571962年五年内，相对周围地面上升139毫米，人行道向马路倾斜而多次翻修。(3)内河航运受阻，仓储、码头和苏州河货运吞吐量受损。苏州河桥梁、仓库、码头随地面沉降而下沉，桥下净空高度减少，通航困难，仓库、码头无法使用。1963年时，三官堂桥标高已降低4.85米，月平均潮水位为2.65米，桥下净空间高度减为2.25米，每天只能通航12小时，船只抢航，事故险生。(4)地面的不均匀性沉降，部分地区地下水排水沟管坡度改变，排水泵站排水不畅

4、。低洼地区潮汛或暴雨时，地面严重积水，影响居民生活。部分工厂被迫停产。1947年7月25日台风、大潮、暴雨同时袭击上海，吴淞口高潮位5.18米，黄浦江苏州河口高潮位4.77米，海塘、江堤决口50多处，淹田145万亩，川沙、南汇、奉贤、崇明倒塌房屋6万余间，死亡1613名；市区大部分被淹，水深0.31.8米，南京东路永安公司一带水深1米左右，黄浦江小舢板可长驱直入。1962年8月2日的7号强台风袭击上海时，防汛墙决口30多次，市中心严重积水，交通停顿一天多。杨浦区定海港一带地面标3.54米，当时潮位高达5米以上，防汛墙决口进水，积水达11.6米，不少棚户洼地段水深没顶，物资损失不小，仅广播器材厂

5、，损失达百万元以上。全市10天后水才退尽，直接经济损失估算5亿元。解放以后，城市建设部门为了解决地面积水，采用“围起来，打出去”办法，建造许多唧站和闸门，整理下水道系统，防止潮水倒灌和及时排除积水。上海地势较低，填土不易取得，地面沉降造成的基本建设填土费用非常昂贵。(5)防汛墙抗洪能力减弱，耗费巨资多次加高。上海在20年代初铺建驳岸，直到50年代，由于地面的不断沉降，从1956年起开始兴建砖砌防汛墙，在驳岸顶加筑简陋的水泥墙和土堤，1959年在驳岸上第一次建成砖砌防汛墙，墙顶标高4.80米，护岸层面标高3.50米，长约50多公里。1962年第二次大规模沿黄浦江及其支流两岸修筑钢筋混凝土防汛墙，

6、墙顶标高5.3米，加高50厘米。1974年第三次加高加固防汛墙，墙顶标高5.8米，又加高50厘米，到1984年市区防汛墙长224公里，郊区防汛墙34公里，总计256公里。外滩在黄浦江西岸，仅从外白渡桥至十六铺区段，筑防汛墙长1852米。19921993年，结合外滩综合的改造而进行完成的已经是防汛墙的第四次加固加高。(6)市区大面积沉降。截至1965年，市区约有360平方公里的面积，每年以5厘米的沉降速率在沉降；有60多平方公里的面积，每年以10厘米以上的沉降速率在沉降；有的地区甚至达到每年以1520厘米的沉降速率在沉降。市区大部分地区地面沉降总量在75厘米以上，普陀、长宁、静安、黄浦、杨浦等区

7、总沉降达到1.001.5米，形成以市区为中心，以东西两个工业区为主体的碟形沉降漏斗。上海地面沉降是过量抽汲地下水引起的，沉降率随着上海工业建设的发展，使用地下水量的增加而发展。上海地面沉降发展过程有五个时期。19211948年，是地面沉降发生时期。解放前，测量系统性不够，精度不高，范围不广，地面沉降量不大。由少数水准点平均沉降速率获得：静安区每年2030毫米，虹口区每年1020毫米，杨浦区黄浦江一带每年10毫米左右；民国37年至1953年是地面沉降均衡发展时期。沉降速率较慢，一般在50毫米以内，普陀、长宁、静安三区的局部地段超过每年50毫米的沉降速率；19531959年，是地面沉降加剧时期。1

8、9531956年，普陀区、杨浦区已形成碟形沉降中心。普陀区南部沉降速率已超过每年100毫米。南市近郊区也出现沉降，沉降速率为每年50毫米。1956年以后，碟形沉降中心地面沉降急剧加速发展和扩展，普陀区沉降中心沉降速率达到每年200毫米，总沉降量已达800900毫米，并朝东西方向扩展。长宁区沉降速率达每年150毫米。杨浦区沉降中心沉降速率超过每年150毫米，总沉降量已达800毫米，并向东西两面发展新的沉降中心，沉降速率每年150毫米。南市区城厢和近郊区的沉降速率达每年100毫米，五角场、北新泾等近郊区出现了大于200毫米的沉降；19591962年，是地面沉降缓和时期。各沉降区沉降有所缓和，普陀区

9、沉降中心沉降速率较前每年少沉50毫米，杨浦区沉降中心沉降速率较前每年少沉20毫米。1962年的沉降速率由1961年的110毫米降低到78毫米；1962年以后，地面沉降得到控制。1962年5月，地质部在上海组建地质部水文地质工程地质第二大队，开展控制地面沉降勘测研究，先后对上海市区及近郊区1600平方公里范围内，进行了12.5万和15万的地面沉降水文地质工程地质综合勘探，截至1985年，共投入各类钻探工作量达6.27万米。建立了精密水准测量网，埋设了基岩标、分层标，开展了孔隙水压力测试和地下水动态观测的监测系统工程，并经过室内试验，揭示了上海地面沉降的机理。为开展控制地面沉降措施方法的试验研究，

10、共开凿了30余口专门回灌试验井，并于1982年建立了国内外罕见的大型含水层储能试验场。在查明原因，摸清规律，采取措施的各阶段，上海地面沉降研究小组、地质部水文地质工程地质第二大队、市自来水公司、市城建局测量总队、市纺织局通力合作，1966年起基本控制了地面沉降，全市地面标高平均回升6毫米。上海地面沉降的控制，在规律、机理、实验研究、预测预报，以及控制措施等理论与应用研究方面，都取得了较大突破，在国内外居于领先地位，并获得地质部的嘉奖。第一章勘查为研究、控制上海地面沉降问题，1961年9月，市基本建设委员会组织市城市建设局、地质勘察局、港务局、公用局、隧道局、以及华东师范大学地质地理研究所、同济

11、大学等单位，组成上海地面沉降问题研究小组(后称10人小组)开展工作。1962年5月，地质部和上海市政府组建地质部水文地质工程地质第二大队，正式接受研究、控制上海地面沉降的科研项目。首先查清地面沉降原因，在查清沉降原因的基础上，有针对性地采取措施控制地面沉降。经过综合调查，地质勘查，专家论证，查明了过量开采地下水是引起上海地面沉降的主要原因。第一节综合调查60年代初，地质部水文地质工程地质第二大队，在有关方面配合下，开展沉降情况调查、论证查清水位、水量、沉降量三者关系，解开了上海地面沉降之谜。一、地面沉降的“十大因素”关于引起上海地面沉降的原因，经调查有10种之多，称为“十大因素”：即过量地抽汲

12、地下水；静荷载，上海地面被众多高大的建筑物压着；动荷载，上海地面交通发达，车辆终日不断行驶振动，路面下伏土层的压缩；开采天然气；新构造运动造成地面变动；黄浦江的疏浚；海平面上升；沉积层自重固结；地震；流砂和挖土。二、地面沉降史况调查民国10年(1921年)1961年，上海地面的沉降区域、沉降量及沉降速率情况：民国1037年，市区产生了日趋明显的沉降现象，形成两个沉降漏斗：静安区以江宁路、新闸路为沉降漏斗中心；黄浦区以西藏路、北京路为沉降漏斗中心。市区年平均沉降24毫米，最大累计沉降1136毫米(西藏路北京路口)；沉降500毫米的面积达19.3平方公里，年沉降面积0.7平方公里，民国27年在公共

13、租界(黄浦、静安一带)对101个水准点作了研究性观测，相对深井标的沉降变幅达3060毫米。19491956年，市区地面沉降范围不断扩大，沉降速度不断加快。民国37年1953年，每年平均沉降速率为35毫米，19531956年每年沉降速率为54毫米。杨浦工业区出现了两个沉降漏斗，在徐家汇和南市城厢也出现了新的沉降区。市区地面年平均沉降量已增到40毫米，普陀沉降漏斗区的最大累计沉降达671毫米(西康路安远路口)，杨浦沉降漏斗区达477毫米(许昌路平凉路口)；沉降500毫米面积7.4平方公里，年沉降面积0.9平方公里，已超过了前期的沉降扩展速度。19571961年，这是地面沉降由市区向外围日趋严重发展

14、的时期，沉降速度和扩展速度都在明显增加。西部普陀沉降漏斗不断扩展，沉降500毫米的面积达43.6平方公里，包括黄浦、静安、闸北、普陀和长宁等区。杨浦沉降漏斗亦向东不断扩展，一直超过黄浦江延伸到浦东地区。这五年中，市区地面年平均沉降110毫米，沉降500毫米面积达6661平方公里，年沉降面积13.2平方公里。普陀和杨浦沉降漏斗区最大累计沉降量分别为1149毫米(江宁路康定路口)和1022毫米(福禄路平凉路口)。同时，近郊工业区由于地下水开采量逐年增加，高桥、吴淞和北新泾地区哈密路、天山路也出现明显的沉降现象，北新泾地区最大沉降量已达321毫米。三、地面沉降要素调查地质部水文地质工程地质第二大队对

15、水量、水位、沉降量“三要素”，作了实地调查考察。对深井档案资料的调查。市自来水公司提供了由其保存的一些深井档案，还派员协同查阅了旧上海公共租界工部局英文年报中的深井资料；加上棉纺厂、印染厂、食品厂、宾馆、机场、港口等的深井档案，总共有1200口。将1200个深井逐一标到上海地质图上，形成了上海市深井分布图。采用网格深井调查法，将1200口深井纳入普查规范。同时又作了南北三条对比剖面的地层调查和水位、水量、水质观测，绘制了上海市水位、水量、水质规律图，反映出用水量越大、水位下降越大、沉降量越大的规律。对含水层调查。从西区北新泾到东区复兴岛；从北部五角场到南部杨浦水厂，进行十字控制调查，完成了上海

16、市含水层分布水文地质图。揭示了地面沉降漏斗与地下水漏斗在区域分布位置上的一致，得出了地面沉降与地下水开采有内在联系的结论。对“水文地质条件与地面沉降关系”进行课题研究。在取得大量调查数据的基础上，查阅了上百万件水文地质资料及动态观测报告，提交了上海地下水开采与地面沉降关系研究报告。四、沉降异常调查实地考察上海地面沉降，发现国际饭店、上海大厦等高层建筑与周围地面脱离而上升，造成人行道向马路倾斜。据全市水准测量和历史年沉降资料，国际饭店周围的地面自民国37年至1963年的累计沉降量为1000毫米。其中，19571962年的沉降量为520毫米。国际饭店地面下沉391毫米，比周围少沉139毫米。“国际

17、饭店上升”是上海地面沉降的一个异常点。国际饭店是民国23年8月建成的24层大厦，地下2层，地上22层，高82米。其地下建筑有两个特点：桩基。桩基的桩头均采用圆木美松，在每根钢柱之下，打五根梅花桩，桩头直径35厘米，最深的桩达39.8米，相当于大厦地面以上总高的一半。桩头打得深，密度高，底板处在埋深2435米，为沉积后曾暴露于大气中，经风化，粘土脱水固结，抗压强度增大的暗绿色粘土层，通常为上海市构筑物的主要持力层。深井。深井凿在205.4米的砂砾层中，出水量每小时120吨，超过原合同担保每小时出水量100吨。对高层建筑的调查结果是，凡是桩基埋于暗绿色粘土层及开凿井使用地下水的大楼，如，慈淑大楼、

18、建设大厦、福州大楼、中国银行大楼、美商旗昌洋行大楼、上海基督教青年会第一分会大楼等，都出现了类似“国际饭店上升”的现象。尤其是清咸丰十年(1860年)美商旗昌洋行大楼开凿的井深77米和民国7年上海基督教青年会第一分会大楼开凿的井深97米的取土深井，出水量每小时均为100吨，这两幢大楼更明显地高出周围地面而“上升”。“国际饭店上升”现象是由于该大厦本身由密集于持力层上的桩基支持的缘故。一“升”一沉，造成大厦与周围地面脱离，揭示了上海地层的垂直分布规律，获得了上海地面沉降的纵轴沉降特征。普陀和杨浦区成为东、西两个碟形沉降洼地的中心，是上海地面沉降在面上的一个异常。普陀和杨浦区的地面，民国37年至1

19、963年各累计沉降1500毫米。而其他区沉降量则小，静安、闸北、黄浦、徐汇四区各累计沉降1000毫米；南市、卢湾两区各累计沉降500毫米。普陀、杨浦区碟形沉降洼地中心，是由三个“集中”而形成的：工厂集中。上海市的深井主要密集于东部杨浦和西部普陀两个工业区。两区开采水量占全市总开采水量的80%以上。1964年和1970年，杨浦区用水量占全市用水量的47.4%、42.57%，普陀区用水量占全市用水量的33.25%、50.96%，其他各区之和仅占19.46%、6.47%。用水量大，地面沉降量也大。用水时间集中。杨浦和普陀区集中了纺织、化工厂，这些工厂使用地下水，主要用于夏季的冷却和降温。地下水大量集

20、中于夏季59月间抽用，造成地下水位下降，地面沉降量增加。用水流体单元集中。该两区主要用水集中于70150米的流体单元，尤其是第二层流体，因此，地面沉降量大于其他区。杨浦和普陀两区碟形沉降中心的出现，揭示了上海地面沉降在空间、时间和沉降量上的内在联系，反映了上海地面沉降的区域性特殊规律：即用地下水多的工业区比用地下水少的其他区沉得多；夏季比冬季沉得多；无持力层区比有持力层区沉得多。第二节勘探试验19621964年的两年时间里，共投入钻探工作量17500米，抽水试验3600小时，分析土样5000个，水样1600份，完成水文地质工程地质测量3600平方公里，并在重点地区埋设和布置了基岩标、分层标及长

21、期观察孔，开展了系统的勘察研究工作。一、地质勘探为了以最少的工作量取得最大的地质成果，根据“突出重点，以点带面”的原则，选择了地层具有一定代表性、地面沉降量较大、原始资料积累较多的杨浦区为重点勘探区，进行了1/1万比例尺的水文地质工程地质综合勘探。勘探网的布置主要是沿地面沉降漏斗的长短轴方向布成一纵贯市区的双十字剖面。勘探孔孔距一般为1000米，结合勘探，在不同沉降量地段分别设置基岩标，分层标及地下水动态长期观测孔，剖面线上控制性勘探孔孔深一般均揭露到基岩，其余一般性勘探孔多以150米为限。水文地质工程地质勘探的主要内容是：查明第四系的地质结构、岩性、成因、时代及埋藏分布规律；查明勘察区含水层

22、的埋藏条件、厚度、岩性、富水性、水质、水位及含水层之间的水力联系；查明各工程地质层的物理性质及力学性质。为掌握地面沉降的空间分布规律，埋设基岩标、土层分层观测标（分层标）。为了配合土层应力应变关系的分析，结合勘探，设置地下水动态长期观测孔及孔隙水压力测头。1.水文地质孔采用机械转盘钻，泥浆钻进，一径终孔的钻进方法，用钢索冲击式取土器每2米采取原状土样一个。开孔直径500550毫米，终孔440毫米，滤水管与孔壁间隙大于100毫米，以利围填砂砾料。滤水管直径146毫米，长度一般为20米，并设置在含水层颗粒较粗部位，长观孔结构图如下A：A水文地质孔兼长观孔结构示意图B笼式过滤器长观孔结构示意图2.工

23、程地质孔深于70米的钻孔采用机械岩心钻，全部连续取心，岩心采取率粘性土70%，砂性土50%，70米以上用薄壁取土器每2米取一个原状土样，70米以下用一般岩心管取扰动土样。开孔口径170毫米，终孔130150毫米，兼长观孔的工程孔终孔后需扩孔至170毫米，冲洗泥皮换稀泥浆后下入笼式过滤器如上图B。3.孔隙水测头孔埋设在粘土层中，以观测粘土层孔隙水压力的变化，配合分层标土层变形观测资料分析不同土层的应力应变关系。根据上海的具体情况，以往多采用单管敞开式测头，如下图C，其勘探技术要求同工程地质孔，开孔口径130170毫米，孔深视最深测头的设置深度而定，一个孔内一般埋设45个测头，如下图D，相邻两测头

24、之间的距离一般不宜小于5米，并须严格做好止水工作。C孔隙水测头结构示意图D孔隙水测头埋设示意图二、地质试验1.土工试验土的常规试验按土工操作规程要求，对每个土样都需进行常规的物理性质（包括含水量、容重、比重、颗分、流限、塑限等）和常规压缩试验。压缩试验中最大压力应超过土的自重压力，故需应用高压固结仪。土的反复荷载试验试验中尽可能考虑上海地下水波动情况，了解土层在不同反复荷载条件下的变形特征，并取得其指标，以供地面沉降研究及沉降计算的参考。其中，先期固结压力（Pc）的测定为：通过Pc测定以了解上海各土层的天然固结特征，为地面沉降规律分析及研究预测提供试验数据，Pc测定采用C法。只要保证取土质量，

25、试验结果可以反映实际情况。土的流变试验该试验是在中国科学院武汉岩土所的协作下进行的，主要用以了解浅层土的流变特征。2.水质分析是水文地质勘察试验和地下水动态长期观测的重要组成部分，也是分析研究地下水补给、迳流、排泄条件和开展防污监测工作的重要手段。水质分析包括常规分析，金属离子分析和一部分有毒物质分析。其中，简分析：包括物理性质，KNa、Ca2、Mg2、HCO3、Cl、SO24、PH值、硬度、固形物。全分析：包括物理性质，KNa、Ca2、Mg2、Fe2、NH4、HCO3、CO23、Cl、SO24、NO3、NO2、PH值、硬度、耗氧量、总矿化度。金属离子分析：有Cu、Zn、Mn等。有毒物质分析：

26、有As、Pb、Cd、Cr、F、Hg、CN、酚等。3.孔隙水压力消散试验为研究采灌地下水引起土层应力和变形的相互关系，探讨地面沉降的机理，利用已有的孔隙水测头、水位观测孔，分层标进行应力和变形的野外昼夜观测。第三压缩层孔隙水压力消散与土层变形的规律性比较明显，30米以上的浅部土层因孔隙水压力值变化不大及其他因素的影响，其应力和应变规律不甚明显。第三节沉降原因经综合调查勘探研究表明：过量开采地下水是引起上海地面沉降的主要原因。1964年5月，专家会议论证，同意这一结论。一、调查结果地质部水文地质工程地质第二大队，对上海100多年开采地下水的历史调查中反映：在市区范围内，历年开凿的深井1200口，主

27、要用于工业生产的降温、空调、冷却、洗涤以及生活用水诸方面。随着城市的发展，深井数目不断增加，地下水用量越大，地下水位下降越大，地面沉降量也越大，三者速率成正比关系。见以下图表：经过检查后证实，其他种种因素，都不能解释为是引起上海地面沉降的主要原因。静荷载不是引起上海地面沉降的原因，以高层建筑物集中的黄浦区与高层建筑物较少的杨浦区相比，19591963年累积的年平均沉降量，前者为334毫米，后者为413毫米，由于后者采用地下水集中，沉降量大于前者。交通车辆震动也不是引起上海地面沉降的原因，以交通车较多的上海火车站周围地区与车辆较少的杨浦区相比，前者沉降量在相同时期内比后者小二分之一。因此，结论为

28、过量抽取地下水是引起上海地面沉降的主要原因。上海市地下水开采水量地下水位地面沉降量对比曲线图二、单项验证1.压缩用水量与地面沉降为验证“过量抽取地下水引起上海地面沉降”的结论，1961年起压缩使用地下水。市区深井用水量19611963年比1958年减少5.8万吨/日。经市城市建设局测量总队测量验证，全市地面沉降压缩用水后有所缓和，即：19611963年比压缩用水量前的19591961年，市区平均沉降速度减少22毫米/年。上海市地下水位降落漏斗与地面沉降中心关系图上海市区历年地下水开采水量、水位与地面沉降量表年份水量（万吨）/日水位标高（米）升降量（毫米）备注194919501951195219

29、531954195519561957195819591960196119621963196421.422.022.224.325.427.829.830.233.937.036.835.831.630.431.129.21019.034.033.030.027.8225.2127.4826.16353535353549494987105105989873.579.961.62.海平面上升与地面沉降为研究海平面是否上升，上海港务局搜集了长江口外的绿华山验潮站民国415年(19151926年)及19581963年的潮位观测资料，解放前，平均潮位最低的民国6年与最高的民国12年，7年中相差80毫米；

30、解放后，平均潮位最低的1958年与最高的1962年，5年中相差60毫米。福建及浙江海洋站观测资料证实，华东南部地区的海平面，近年来的平均潮位没有变动。经验证，海平面并未上升，海潮的逐月平均潮位高程有季节性变化，与地面沉降无关。3.新构造运动与地面沉降为了探明长江三角洲区的新构造运动对上海地面沉降的影响，华东师范大学河口海岸研究室，按巨厚沉积物、基岩断层、火山活动、地震、长江水系的变迁、三角洲位移、第四纪海侵、古文物遗址及水准测量成果等方面综合研究，结论为本区存在新构造运动。但是，沉降速度很小，第四纪为0.38毫米/年，人类历史时期为0.61.2毫米/年，沉降速率远小于1921年以来上海地面沉降

31、速率，二者沉降量之差甚大，且产生沉降的母体也不同。三、审定结论1964年5月516日，地质部和上海市人民委员会在上海召开上海地面沉降水文地质工程地质会议，又称上海地面沉降专家会议，参加会议的有全国的地质、地貌、第四纪地质、新构造、水文地质、工程地质、土质学、土力学、钻探、测量、市政建设、城市规划、供水及港务等50位专家。地质部水文地质工程地质局向大会作了上海地面沉降水文地质工程地质勘察概况的报告，地质部水文地质工程地质第二大队向会议提交了七篇论文和报告。与会专家详细地审查了几年来地面沉降勘察研究的工作成果和引起上海地面沉降主要原因结论的科学性、准确性。最后，地质部水文地质工程地质局总工程师贾福海在会议总结中肯定：“大家同意地质部水文地质工程地质第二大队报告中提出的主要结论，一致认为过量开采地下水是引起上海地面沉降的主要原因。”会后，地质部部长李四光和副部长何长工共同签发了向国家计委、国家经委和国家科委的关于上海地面沉降的报告：“上海市的地面沉降问题是我国城市建设中遇到的一个新的问题，对各方面影响很大。”“两年来，我部水文地质工程地质第二大队，在各方面配合下，对上海的静荷载、动荷载、天然气和地下水开采利用等详细的情况，进行了广泛调查，并以主要力量投入到水文地质工程地质的勘察研究方