西安地面沉降分析
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西安地裂缝问题之探究1.提出问题西安是一个地裂缝多发且已经对其各项工程项目以及大量的文物古迹造成严重影响甚至破坏的城市。
那么我们不禁要问,这些地裂缝在地表是如何展布的、它们的形成机理是什么、我们又该如何对其进行防治?1.1选题背景与研究意义西安作为一座具有悠久历史和充满活力的现代化大都市。
随着经济的发展和社会的进步,各种大型工程的陆续进行,在工程建设中地裂缝的影响日趋明显,大大增加了施工难度和工程成本。
同时,这些地裂缝对西安的好些文物古迹也有特别重大的影响,比如由于一条地裂缝从西安大雁塔西北方向经过,大雁塔已近朝西北向有一定的倾伏,文物保护工作迫在眉睫。
自上世纪50年代出现地裂缝活动对建筑物的破坏现象以来,在西安市发现的地裂缝已达14条之多(如图1所示),成为危害西安城市建设的主要地质灾害之一。
对西安地裂缝发育现状、剖面结构及活动性等方面展开全面深入的调查研究,不仅是对西安地裂缝进行进一步图1:西安地裂缝地表展布图深入研究的前提和基础,而且对于较好地掌握西安地裂缝发展的新动态、新特点,乃至及时指导西安市的发展规划等方面都具有一定的参考和指导作用。
2.分析问题西安地裂缝平面上沿黄土梁以NE走向成带发育,与临潼一长安断裂走向一致(可参照图1),原有裂缝沿走向向两端延伸,次级裂缝一般位于主裂缝南侧,倾向与主裂缝相反;地裂缝错断地层的断距随深度增加而增加,具有同沉积断层特征,主裂缝南倾南降,主次裂缝的典型组合形态,间接反映出地裂缝所处应力场的一些特征;地裂缝活动强度随着超采地下水的减少而减弱,并显示出构造裂缝活动特征,整体活动强度上依然是东部强于西部,南部强于北部。
西安地裂缝在上述各方面表现出如此强的规律性,可见其发育及分布明显地受到区域构造作用的控制,而过度抽取地下承压水是其超常活动的主要诱发因素。
2.1各主要地裂缝的空间展布状况西安地裂缝群分布范围西至唣河,东到纺织城,南起三爻村,北至井上村,面积约155k㎡。
西安地区地裂缝与地面沉降调查重要进展 年) (2004-2005一、概况 年和2005年计划任务书,由陕西省地质环根据中国地质调查局下达的2004境监测总站实施并承担的工作项目《西安地区地裂缝与地面沉降调查》,项目起年项目经费330万元,合作单位为长年和2005止时间为2004—2006年,2004安大学。
工作项目所属的计划项目为《西部地区地裂缝与地面沉降调查》,计划年12月。
项目的工作周期为2004—2007二、取得的主要进展与成果 2005年在收集前人研究资料的基础上,编写了项目总体设计;进行了野外调查、物探及槽探工作;实施了地裂缝和地面沉降监测网络的初步建设工作;初步掌握了西安市地裂缝与地面沉降现状。
1、提交了《西安地区地裂缝地面沉降调查工作设计》(2004—2006年) 年3月18日在山西太原通过了由中国地质调查局组织的以张该设计于2005苏民等11位专家组的评审,获得优秀。
评审专家组认为:西安地区地裂缝于地面沉降调查设计编制依据充分,目标任务明确,工作方法及工作方案得当,工作量投入合理,技术路线正确,经费预算符合有关要求。
2、进行了西安市地裂缝与地面沉降野外调查工作 2,完成1:1万地裂缝填图12幅,各种调查卡片100份,调查面积600 km拍摄照片300张,录象450分钟,收集资料10本。
3、初步建立了地裂缝精密水准监测网络 地裂缝精密水准监测网络如下图所示。
共埋设地裂缝水准监测点113个,包括8条短水准剖面和14对水准对点,全部覆盖了西安市13条地裂带。
监测范围西到皂河边北石桥污水厂,东到长乐坡黄河厂地段,北到井上村市政公司机械管理所,南到东三爻村小学,面积167平方千米。
地裂缝水准监测频率为每季度1次,全年4次。
2004年和2005年地裂缝埋设水准点一览表 序 号 点 号 位 置 控制地 裂缝 桩 数 1 B18 东三爻村小学 DX1 10 2 B19 北池头村小学 D3 10 3 B20 西万路建筑公司第一动力站 D4 10 4 B21 冶金建筑科技大学 D5 10 5 B1 辛家庙小学 D10 9 6 B22 省交警总队院内 DX2 9 7 B24 八府庄水泥制管厂家属院 D9 14 8 B23 北石桥污水处理厂 D8 15 9 D2(C1-C2) 西安工程技术学院(原冶金技校) D2 2 10 D2(D1-D2) 陕西师范大学 D2 2 11 D3(A1-A2) 翠华路财经学院 D3 2 12 D4(H1-H2) 后村石油化工研究设计院 D4 2 13 D5(H1-H2) 文艺南路总后干休所 D5 2 井上村市政公司机械管理所 D11 2 14 D11(A1-A2) 含光路南段熔断器厂 D5 2 15 D5(G1-G2) 十五街坊 D6 2 16 D6(A1-A2) 空军电讯工程学院北门内 D8 2 17 D8(F1-F2) 西仪小学 D8 2 18 D8(G1-G2) 大兴路物资总局仓库 D9 2 19 D9(F1-F2) 红庙坡小学 D9 2 20 D9(G1-G2) 南门小学操场 D6 1 21 D6(D1-D2) 22 D6(C1-C2) 韩森寨3#院 D6 1 合 计 113 4、初步建立了地面沉降GPS监测网络 本年度(2004-2005点(如图所示 )。
地面沉降的原因分析摘要关键词1.引言地面沉降在世界各地非常普遍,在城市地区尤为显著。
随着工业化、城市化进程的加速,人类的经济与工程活动在地面沉降中的作用成为决定性的关键因素。
地面沉降已成为影响经济社会可持续发展的典型的环境地质问题和重要的城市地质灾害之一。
本文阐述了地面沉降的发展现状与原因,全面的分析地面沉降的原因,以及以上海地面沉降的原因为例,分析了制约影响因素及其在地面沉降中的作用,在此基础上,提出面对地面沉降的防治措施与建议。
2.地面沉降的原因分析2.1地面沉降发展与现状地面沉降是指自然和人为因素作用下地面高程降低的现象。
自然因素包括地壳的升降运动、地震、火山活动、气候变化海平面上升及土体自然固结等;人为因素包括开采地下流体资源(地下水、石油、天然气)、开采地下固体矿产(金属矿、煤、岩盐等)、工程施工、灌溉(尤指黄土或泥炭土壤灌溉区)以及地表的静动荷载等。
伴随着工业革命的兴起和发展,人为因素在地面沉降中的作用日益凸显,特别是大规模持续地开发利用地下水和石油等资源,导致区域性的地面沉降迅速发展,成为地面沉降的主要影响因素。
19世纪末期,地面沉降现象已开始显露,而在20世纪初中期急速发展,并在世界各地逐步蔓延。
地面沉降已成为城市化进程中普遍存在的环境地质问题,由此导致的环境影响和社会危害日渐突出且日趋严重,成为制约社会经济可持续发展的重要地质灾害之一。
自从意大利威尼斯城最早发现地面沉降以来, 世界上已有200多个城市或地区发生了不同程度的地面沉降现象。
我国最早于1921年在上海地区发现地面沉降以来, 天津、西安、太原、苏州以及内蒙等地相继出现了地面沉降现象。
2.2地面沉降的原因2.2.1地下水资源的开采地下水资源由五个组成部分,水资源各组份的性质及其对地面沉降的影响所有的地面沉降,都是从地层中抽汲流体的结果。
因此,进一步探讨水资源各组份对地面沉降的影响。
第一部分,即因压力水头下降,水体积膨胀而增加的水量。
———————————————————————作者简介:薛天祥(1990-),男,土家族,贵州遵义人,中级工程师,硕士研究生,研究方向为地质工程、水利水电工程;沈春勇(通讯作者)(1968-),男,贵州锦屏人,教授级高级工程师,工程硕士,从事水电工程地质勘察工作。
0引言随着工业化的快速发展和城镇化进程的加速,地面沉降灾害日益严重,给不同地区的人民生命和财产安全带来了威胁,使城市可持续发展受到了限制。
近年来,国内先后有近百个城市或地区发生地面沉降,形成了以长江三角洲、华北平原及汾渭断陷盆地等为代表的地面沉降典型地区[1]。
地面沉降虽不至于直接造成重大人员伤亡,但地面沉降造成建筑物下沉、地下管道破损、洪涝及风暴灾害加剧等一系列问题,给国民经济造成巨大的损失[2-3]。
目前全国已有7.9万km 2面积的地区地面沉降量累计超过20cm ,数据显示仍存在逐步扩大的可能性[4],经沉降中心统计结果表明,天津、上海、西安、无锡、太原、沧州等地区最大沉降量已超过2m ,天津塘沽的最大沉降量已达3.1m 。
根据相关部分调查评估,地面沉降已经造成长三角地区巨大的经济损失,数额达3000亿元。
上海随着城市化进程的发展,也是地面沉降导致经济损失最多的城市,其经济损失高达2899亿元;因地面沉降的影响,华北平原产生了重大的经济损失,直接经济损失达到404.42亿元,间接经济损失达2923.86亿元,累计损失约3300亿元[5]。
目前,很多学者开展了一系列的地面沉降成因分析工作,对地面沉降问题的治理措施也有了初步成效,但并未能有效的控制其继续恶化的趋势,面对如此严峻的沉降破坏形势,日后的研究工作开展仍十分困难[3]。
因此,本文深入研究地面沉降的国内外现状,提出地面沉降的主要危害,分析其产生的原因,对研究人员开展地面沉降防治工作具有重要意义。
1现状分析地面沉降又称为地面下沉或地陷,是指在人类及自然环境的共同作用下,导致地壳表层土体出现压缩,因而出现不同区域地面标高降低的地质现象,这是难以弥补的永久性资源损失及环境破坏。
西安市区地面沉降图西安市区地面沉降图地面沉降是西安较为突出的地质灾害之一。
其形成发展的历史较长,波及范围广,并具有独特的活动特征。
地面沉降的持续发展还加剧了西安地裂缝的活动,给西安市的市政设施及城市建设造成很大危害,因此有效地控制地面沉降已成为一项非常紧迫的任务。
本图主要反映1959—1995年西安市地面沉降的分布范围和空间变化规律,以及1982—1992年平均沉降速率的分布特征(南郊八里村附近采用1988—1992年平均沉降速率)。
一、地面沉降特征西安市的地面沉降主要发生在城区和近郊区。
从1959年开始大范围的水准测量以来,截止1995年,累积沉降量超过200mm的范围。
西起鱼化寨,东到纺织城,南抵三爻村,北至辛家庙,面积为145.5km2。
在西安沉降区内,11条地裂缝呈NNE向展布,把沉降区分割成同走向的条块体,使地面沉降水平方向的发展受到了制约。
地面沉降区总体形态呈椭圆形,所形成的各个沉降漏斗水平扩展多限于两条地裂缝之间,形成了一系列NNE走向平面形态呈狭长的椭圆形沉降槽,其长轴方向与地裂缝走向基本一致。
沉降槽一般是北深南浅,地裂缝南侧沉降量大,形成地形变陡变带,地形上多呈陡坎或陡坡。
地面沉降的强度表现在累积沉降量与沉降速率大小上。
多年监测资料表明,地面沉降的空间分布极不均匀,总体规律是:累计沉降量在西安市东南郊较大,西北郊较小。
沉降区内形成了7个沉降槽,中心分别位于北郊的辛家庙、西安交通大学、沙坡村、南郊的大雁塔什字、东八里村和西北工业大学。
西安城郊大部分地区(除城区西北角外)累积沉降量均超过了600mm,有41km2的地区超过了1000mm,东八里村、大雁塔什字、沙坡村、胡家庙沉降中心超过了2000mm,其中东八里村地段达到2322mm。
地面沉降强度的另一个指标是沉降速率。
沉降速率超过100mm/a的地区大约8.5km2,分布在东八里村、省军区、大雁塔什字、沙坡村、胡家庙附近,与沉降中心基本吻合。
第36期2022年12月江苏科技信息Jiangsu Science &Technology InformationNo.36December,2022作者简介:刘哲(1995 ),男,陕西城固人,助教,硕士;研究方向:InSAR 数据处理与地质灾害监测㊂基于时序InSAR 技术监测地表形变研究以西安市为例刘㊀哲(汉中职业技术学院,陕西汉中723002)摘要:西安作为国内地面沉降最为严重的地区之一,自20世纪50年代起就发生了严重的地面沉降以及产生地裂缝㊂文章通过收集2020年1月 2021年12月共52景覆盖西安地区的Sentinel -1A 雷达卫星影像对西安市地表形变进行监测,发现西安市整体上保持稳定状态,但局部地区出现了地面沉降及地面回弹现象,雷达视线向(LOS )平均形变速率在-60~55mm /a ;结合前人研究,分析发现目前西安市地表形变主要与地下水开采以及人口搬迁有关㊂通过对西安市地表形变进行监测研究,为相关部门治理西安市地面沉降提供一定参考依据㊂关键词:InSAR ;地表形变;Sentinel -1A 中图分类号:P258㊀㊀文献标志码:A 0㊀引言㊀㊀地面沉降可能会造成建筑物地基下沉㊁房屋开裂㊁地下管道受损等危害㊂近年来,地面沉降问题已成为制约城市发展的重大地质灾害问题之一㊂目前,我国华北平原㊁长江三角洲以及汾渭地埑区域等均发生了不同程度的地面沉降[1]㊂西安位于渭河盆地,区内构造发育强烈,自20世纪60年代发现至今,西安已经成为我国地面沉降最为严重的地区之一[2]㊂因此,为了控制西安市地面沉降及地裂缝的发展,急需开展大范围㊁高精度的地表形变监测,从而为此项工作提供技术支撑㊂目前,常用的地表形变监测手段有水准测量㊁全站仪测量㊁GNSS 测量等,这些常规的监测手段均为点状测量,监测时间分辨率高,但空间分辨率低,无法进行大面积的监测㊂InSAR 技术作为近年来新兴的地表形变监测手段,具有全天时㊁全天候㊁大面积㊁高精度的优点,目前已经广泛应用到了地面沉降㊁滑坡㊁地震等地质灾害监测中[3]㊂但是,DInSAR 技术容易受时间失相干㊁空间失相干以及大气延迟的影响,近年来发展的时间序列InSAR 技术(PSInSAR [4]和SBAS [5]等)克服了DInSAR 技术的缺点,目前已经广泛应用到城市地表形变监测中[6]㊂例如,彭米米等[7]于2018年利用InSAR 技术监测西安市2015 2017年地面沉降分布特征,并分析地面沉降和地裂缝的相互关系㊂本文利用2020年1月 2021年12月共52景覆盖西安地区的Sentinel -1A 雷达卫星影像和SBAS -InSAR 技术对西安市地表形变进行了监测,分析近2年来西安市地表形变规律,为后续政府部门研究治理西安市地面沉降及地裂缝提供一定参考依据㊂1㊀研究区概况㊀㊀西安市位于关中平原的中部(33.42ʎ~34.45ʎN,107.40ʎ~109.49ʎE),北至渭河,南接秦岭㊂西安市区域内除河流区域外均被湿陷性黄土覆盖,湿陷性黄土在受到水浸润后,土壤结构容易发生破坏,从而导致地表发生沉降,甚至形成地裂缝,目前西安市已经发现的地裂缝共有14条,严重制约了西安市的城市发展[8]㊂‘西安市地质灾害防治 十四五 规划“显示,全市地质灾害隐患点共分为地质灾害高易发区㊁中易发区㊁低易发区和不易发区,其中地质灾害高易发区占全市总面积的16.18%,发育有崩塌㊁滑坡㊁地裂缝㊁泥石流等㊂2㊀研究数据与方法2.1㊀研究数据㊀㊀为了研究西安市的地表形变信息,本次研究采用了Sentinel -1A 雷达卫星影像㊂本次研究区域地理范围位于34ʎ04ᶄ23ᵡ~34ʎ24ᶄ26ᵡN,108ʎ37ᶄ39ᵡ~109ʎ10ᶄ49ᵡE,采用了2020年1月 2021年12月共52景覆盖西安地区的Sentinel-1A雷达卫星影像㊂图像中心入射角34.243ʎ,分辨率为5mˑ20m,SAR影像覆盖区域约为50kmˑ30km,总面积1500km2㊂此外,还获取了对应时间的精密轨道信息以及30m分辨率的STRM数据㊂2.2㊀研究方法㊀㊀假设共获取了N+1幅SAR影像,在进行影像配准处理后,通过设置一定的时间㊁空间基线阈值使得N+1幅SAR影像进行组合得到L个小基线集组合,差分干涉处理后得到MN+12ɤMɤN(N+1)2 ()幅差分干涉对㊂假设任意某一个像元(x,r)某时刻t k相对于初始时刻t0的差分干涉相位为未知量,M幅差分干涉图δφk(k=1,2, ,M)为观测量,则对于任意两个时刻t i和t j(其中,t j晚于t i)可得:δφk(x,r)=φ(t j,x,r)-φ(t i,x,r)=4πλ[d(t j,x, r)-d(t i,x,r)](1)㊀㊀式中,d(t j,x,r)和d(t i,x,r)分别为相对于t0时刻LOS向的累积形变量㊂为方便理解,式中并未考虑大气误差㊁噪声误差以及残余地形误差㊂因此,M幅干涉图可根据式(2)得到:δφ(x,r)=Aφ(x,r)(2)㊀㊀式中,A为(MˑN)矩阵,由0,1,-1组成㊂当所有数据位于一个小基线集时,此时MȡN,利用最小二乘方法可以得到:φ(x,r)=(A T A)-1A Tδφ(x,r)(3)当所有数据不在同一个子集时,此时方程秩亏,方程得到无限组解㊂因此,为了得到唯一解, Berardino等[5]提出了SVD分解的方法得到最小范数上的最小二乘解,从而得到了LOS向的累积形变量㊂2.3㊀数据处理㊀㊀首先,选取第一景SAR影像为主影像,将其余的SAR影像与主影像进行配准;其次,设置时空基线阈值进行构网,为了避免大气对干涉对的影响,人工筛选删除了一些受大气影响较为严重的干涉图,最终得到188个干涉对进行后续计算㊂利用DEM数据模拟地形相位进行差分干涉,将得到的差分干涉相位进行滤波,再选定稳定参考点后进行相位解缠;由于本次实验只有一个基线集,因此可直接通过最小二乘解算形变序列和平均形变速率,最后将结果投影到地理坐标系下,得到WGS84坐标系下的形变结果㊂3㊀研究结果分析3.1㊀LOS向平均速率结果㊀㊀通过前文所述SBAS方法得到了西安市2020年1月 2021年12月的部分形变序列结果㊂通过形变序列结果,可以看出西安市近2年整体上形变保持稳定,部分区域出现了沉降或抬升现象,最大累积形变量达-100~100mm㊂根据形变序列结果,计算得到了西安市近2年LOS向平均形变速率结果:在2020年1月 2021年12月,西安市整体上保持稳定状态,形变速率在-60~55mm/a,但局部地区出现了部分地面沉降及地面回弹现象㊂3.2㊀西安市形变特征点分析㊀㊀为了更好地分析西安市的形变信息,结合历史光学遥感影像,选择了具有明显形变的2个形变特征点进行形变序列分析㊂(1)Ⅰ号形变区域位于灞河的东北方向,形变区域面积约1.16km2,A点位于西安市灞桥区洪庆街道西侯村与东侯村交界处㊂特征点A2020年1月 2021年12月LOS向最大累积形变量达-48mm,其中在2020年3月㊁2021年3月形变速率加快,2021年5月出现地面回弹,最后趋于稳定㊂结合光学影像数据发现,2019年7月后,该处区域城市建设进程加快,修建了大量住宅,导致城市人口增多,地下水需求增大,从而大量抽取地下水,形成了地面沉降㊂(2)Ⅱ号形变区域位于雁塔区西南部,形变区域面积约6.58km2,B点位于西安市雁塔区电子城街道唐家村西侧㊂特征点B2020年1 12月出现下沉后,2020年12月 2021年12月出现大面积地面回弹,累积形变量达100mm㊂结合前人研究结果,发现该区域发生地面回弹的原因主要有政府进行城中村改造,同时关闭了抽水井,并将处理过后的地表水注入地下,从而造成地面回弹现象㊂4㊀结语㊀㊀本文采用2020年1月 2021年12月共52景覆盖西安地区的Sentinel-1A雷达卫星影像对西安市地表形变进行监测,得到了西安市年平均LOS向地表形变速率,通过结合历史谷歌地球影像数据,得到以下结论:(1)结合SBAS技术,本文对西安市SAR影像覆盖的约50kmˑ30km㊁总面积1500km2区域进行计算,发现在2020年1月 2021年12月,西安市整体上保持稳定状态,但局部地区出现了地面沉降及回弹现象,其LOS向平均形变速率在-60~55mm/a㊂(2)本次实验共发现4个地表形变区域,其中Ⅰ区域为地面沉降区域,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ区域为地表抬升区域㊂通过提取Ⅰ,Ⅱ区域特征点发现,Ⅰ,Ⅱ区域LOS 向最大累积形变量分别达-48mm,100mm㊂(3)结合历史谷歌地球影像和前人文献分析可得,西安市地表形变主要与地下水开采以及人口搬迁有关,过量开采地下水以及建筑物的附加荷载是造成地面沉降的主要原因㊂(4)针对近2年西安市的InSAR形变结果,西安市的地面沉降逐渐减弱,但多种因素(承压水开采㊁工程降水㊁潜水开采等)诱发地面沉降的风险仍旧存在㊂因此,大力发展多源数据融合技术(天-空-地)一体化监测技术,才能有效防范化解地质灾害的威胁,保障人民群众的生命财产安全㊂参考文献[1]殷跃平,张作辰,张开军.我国地面沉降现状及防治对策研究[J].中国地质灾害与防治学报,2005 (2):1-8.[2]张茂省,董英,张新社,等.地面沉降预测及其风险防控对策 以大西安西咸新区为例[J].中国地质灾害与防治学报,2013(4):115-118.[3]MASSONNET D,FEIGL K L.Radar interferometry and its application to changes in the Earth s surface [J].Reviews of Geophysics,1998(4):441-500. [4]FERRETTI A,PRATI C,ROCCA F.Permanent scatterers in SAR interferometry[C]//IEEE1999 International Geoscience and Remote Sensing Symposium.IGARSS 99(Cat.No.99CH36293).June 28-July2,1999,Hamburg,Germany.IEEE,2002: 1528-1530.[5]BERARDINO P,FORNARO G,LANARI R,et al.A new algorithm for surface deformation monitoring based on small baseline differential SAR interferograms[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2002(11):2375-2383.[6]曾学宏,赵义花.利用SBAS-InSAR技术分析西宁市地面沉降监测及驱动因素[J].测绘通报,2022(6):137-142.[7]彭米米,赵超英,张勤,等.利用Sentinel-1A数据监测大西安2015 2017年地面沉降[J].地球物理学进展,2018(6):2264-2269.[8]程波,赵阿宁,张新社.西安城市地质与可持续发展研究[J].西北地质,2021(4):259-265.(编辑㊀姚㊀鑫)Monitoring surface deformation based on time series InSAR technologytaking Xi an city as an exampleLiu ZheHanzhong Vocational and Technical College Hanzhong723002 ChinaAbstract As one of the most serious land subsidence areas in China Xi an has experienced serious land subsidence and ground cracks since the1950s.This paper collected52Sentinel-1A radar satellite images covering Xi an from January2020to December2021to monitor the surface deformation of Xi an.It was found that Xi an remained stable on the whole but there was land subsidence and ground rebound in some areas.The average deformation rate of radar line of sight LOS direction is-60-55mm/a.According to the previous research the current surface deformation of Xi an is mainly related to groundwater exploitation and population relocation.By monitoring and studying the surface deformation of Xi an this paper provides some references for related departments to control the land subsidence in Xi an.Key words InSAR surface deformation Sentinel-1A。
西安地面沉降分析
作者:兰洋孟繁钰
来源:《科技探索》2013年第01期
摘要:地面沉降是西安市较为突出的地质灾害之一,研究地面沉降的影响因素及沉降机理具有重要的意义,本文通过收集资料总结西安地面沉降的特征,研究地面沉降的机理,并对西安地面沉降量进行理论计算。
关键词:西安沉降机理沉降量
1、前言
地面沉降是西安较为突出的地质灾害之一,其形成发展的历史较长,涉及范围广,并具有独特的活动特征。
地面沉降的发展还加剧了西安地裂缝的活动,其灾害形式主要表现为地表建筑物随基础断裂受损,地下水及煤气地下管道被错断,井管“上升”和深部井管受损,功能失效,以及道路路面差异变形等,这些都给西安市的市政设施及城市建设造成很大危害,对正在进行的西安地下铁路建设也有重大不利影响。
因此,研究地面沉降机理及主要影响因素具有重要的意义。
2、西安地面沉降原因分析
从上世纪50年代初到90年代,西安城郊区开采承压水井数从最初的2眼增加到500多眼,开采量也从7.7×104m3/a剧增到11223×104m3/a,持续多年的超量开采,引起区域承压水位大幅度下降,形成了250km2的降落漏斗,截至1995年水位降深达80~130m,有90 km2的地区水位降至第一承压含水层顶板以下[1],然而西安地面沉降中心与承压水降落漏斗基本一致,由此表明西安市区地面沉降,主要是由于过量开采承压水引起水位大幅度下降所致,除此之外区域构造沉降、黄土湿陷性和地面荷载作用等对地面沉降也有一定的影响。
3、地面沉降机理分析
从上世纪50年代初到90年代西安市持续多年的超量开采地下水,引起区域承压水位大幅度下降,这必然要使含水层本身和其上下相对隔水层中的空隙水压力随之减小。
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由孔隙水压力和有效应力组成的,土的体积压缩和抗剪强度的变化只取决于有效应力的变化。
假定抽水过程中土层内的总应力不变,初始承压含水层中的承压水位与上部潜水含水层的水位相一致,那么孔隙水压力的减小必然导致土中有效应力的等量增大,结果就会引起土体的压缩和固结[2] [3]。
4、西安地面沉降量计算
根据西安地层情况,由抽取承压水引起的地层压缩层可分为5层,具体情况描述如下:
(1)第一层隔水层:该层主要为粉质粘土,层厚约为27m,岩土参数:孔隙比e0=0.65,压缩系数av=0.08MPa-1。
(2)第一层承压含水层:该层主要为中粗砂,层厚约为4.5m,岩土参数:弹性模量
E=40000kpa(经验值),降低的水头△h1=20m。
(3)第二层隔水层:该层主要为粘土,层厚约为79m,岩土参数:孔隙比e0=0.58,压缩系数av=0.06MPa-1。
(4)第二层承压含水层:该层主要为中砂,层厚约为8m,岩土参数:弹性模量
E=40000kpa(经验值),降低的水头△h2=20m。
(5)第三层隔水层:该层主要为粘土,层厚约为78m,岩土参数:孔隙比e0=0.57,压缩系数av=0.049 MPa-1
根据土力学原理,各层压缩层的最终沉降量的计算公式分别如下表示:
(1)第一层隔水层:
(2)第一层承压含水层:
(3)第二层隔水层:
(4)第二层承压含水层:
(5)第三层隔水层:
根据上述模型及各压缩层的计算公式,即可计算出各压缩层的沉降量,由计算结果表明由抽水引起地面沉降中,承压含水层沉降量相对较小,总沉降量主要取决于隔水层。
由理论计算的地面总沉降量大约为1.016m,根据砖瓦研究所附近的沉降水准点的观测资料得到该点的总沉降量约为0.890m,这与计算结果相近。
沉降计算结果列如下表1所示:
表1 各层压缩层沉降量统计表
5、结论
西安市区地面沉降,主要是由于过量开采承压水引起水位大幅度下降所致,由于西安市大量抽取地下水,使得土中的孔隙水压力减小,从而导致有效应力的增加,因此引起土体的压缩和固结,由抽水引起地面沉降中,承压含水层沉降量相对较小,总沉降量主要取决于隔水层的沉降量。
参考文献:
[1]李新生,王静,王万平,王鹏鹏等.西安地铁二号线沿线地裂缝特征、危害及对策[J].工程地质学报,2007年第四期
[2]唐辉明.工程地质学基础[M].北京:化学工业出版社,2008
[3]陈仲颐,周景星,王洪瑾.土力学[M].北京:清华大学出版社,1994。