地面沉降研究及其防治

　　摘要：地面沉降是城市主要地质灾害之一，主要是在自然和人为因素作用下,由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面标高降低的一种区域性的缓变地质灾害,成灾慢,但损失大,不易治理。随着中国城市化进程的加快, 地面沉降规模扩大, 危害加剧。本文主要介绍了国内外地面沉降的现状、引起沉降的原因、地面沉降的机理和地面沉降灾害防治措施。

　　关键字：地质灾害,地面沉降,地裂缝,地下水

　　1 地面沉降概述

　　地面沉降是在自然和人为因素作用下,由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面标高降低的一种环境地质现象,是一种不可补偿的永久性环境和资源损失。地面沉降具有生成缓慢、持续时间长、影响范围广、成因机制复杂和防治难度大等特点,是一种对资源利用、环境保护、经济发展、城市建设和人民生活构成威胁的地质灾害。地面沉降是我国乃至世界范围较为普遍的地质灾害,对社会经济的可持续发展影响巨大。我国的地面沉降主要出现在上海、天津、江苏、河北等17个省市的东、中部地区,沉降总面积超过7×104 km2 ,最大累计沉降量已达3 m,主要分布于长江三角洲、华北平原、松嫩平原和下辽河平原、汾渭河谷平原和一些山间盆地。由于地面沉降，近几年来全国各地地裂缝和地面塌陷等地质灾害频频发生，有城市甚至被预言会在几十年后消失，防治地面沉降已经成为关系国计民生的迫切任务。

　　2 地面沉降的类型和特征

　　地面沉降按其成因可划分为五种类型：压实压密型、塌陷型、升降运动型、有机质土变质型和软化型。

　　(1)土体压实压密型沉降, 表现为土层在垂向上收缩, 涉及范围广, 面积大, 沉降缓慢。沉降区多产生在近代河流冲积、洪积平原区, 滨海大陆架的过渡区, 三面环山的断陷盆地。

　　(2)地面塌陷型沉降, 岩层中存在较大容积的洞穴和孔隙时, 顶板岩层常发生塌陷, 涉及面积相对较小, 但沉降突然迅速。其主要形成环境有岩溶地貌单元区等。

　　(3)地面升降运动型沉降, 表现为地层作垂向升降运动，涉及范围广, 沉降缓慢。其主要分布于构造活动带, 如板块接触带、洋壳与陆壳接触带、构造断裂带等。我国喜马拉雅山弧形隆升带、唐古拉一川滇弧形带、昆仑一川西弧形带、祁连构造带、新疆断块、天山北缘断裂、南天山一兴都库什阿尔金断层、西昆仑北缘深断层、银川地堑兰州一宝鸡断层、渭河地堑一汾河雁行地堑系、营口一郊城一庐江断裂、冀中断陷、沧县隆起和太行山山前断裂等构造活动带, 均是发生升降运动型地面沉降的区域。

　　(4)有机质土变质型沉降, 表现为地层水疏干,有机质分解, 部分岩层缺失。一般由较易分解的有机质组成的地层沉降较快(如美国含苔类泥炭的地层的地面沉降速度达到25.4~76.2mm/a), 主要产生于沼泽相沉积地层组成的地貌单元区。

　　(5)地层软化型沉降, 表现为地层软化, 失去承重能力, 局部地面下陷，沉降涉及范围大小不等,沉降缓慢。主要产生于近代河流相沉积、冰川沉积地层组成的地貌单位区和亚寒带、寒带冻土环境。

　　3 地面沉降现状

　　3.1 国外地面沉降现状

　　据统计,目前世界上已有60多个国家和地区发生地面沉降,包括美国、中国、日本、墨西哥、意大利、泰国、英国、俄罗斯、委内瑞拉、荷兰、越南、匈牙利、德国、印度尼西亚、新西兰、比利时、南非等。

　　现有文献资料表明,1891年墨西哥城最早记录地面沉降现象,但当时由于地面沉降量不大,危害也不明显,所以没有引起人们的重视。到目前为止，其平均沉降量达到0. 3 cm/ a ,最大累计沉降量超过7. 5 m ,有的地区甚至超过15 m。

　　日本于1898 年在新泻县最早发生地面沉降,至1958年地面沉降速率达530mm/ a ,1952 - 1956 年期间新泻是日本地面沉降最严重的地区。日本出现严重地面沉降的城市或地区还有东京、大阪和佐贺县平原以及名古屋、川崎、山口、尼崎及西宫等。

　　上个世纪意大利的Ravenna地区发生了大面积的地面沉降。起初沉降不大,每年数毫米;第二次世界大战后,由于过度抽取地下水,以每年110mm的沉降量剧增。

　　美国于1922年最早在加州萨克拉门托SanJoaquin流域发现沉降,1920 - 1969 年地下水位下降达137 m ,累积地面沉降达2. 6 m ,影响范围9100km2 。至20世纪70年代初期,美国已有37个州因开采地下流体而产生的不同程度的地面沉降现象;至1995年,美国50个州均有地面沉降发生。

　　3.2 国内地面沉降现状

　　20世纪20年代初,中国最早在上海和天津市区发现地面沉降灾害,至20世纪60年代两地地面沉降灾害已十分严重。20世纪70年代,长江三角洲主要城市及平原区、天津市平原区、华北平原东部地区相继产生地面沉降;80年代以来,中小城市和农村地区地下水开采利用量大幅度增加,地面沉降范围也由此从城市向农村扩展,在城市上连片发展。同时地面沉降地区伴生的地裂缝和地面塌陷频频发生。

　　自1921年上海市区最早发现地面沉降以来,至今中国已有90多个城市和地区发生不同程度的地面沉降,到2011年沉降面积达123 885 km2。国土资源部、水利部等十多部委联合编制的2011年至2020年全国地面沉降防治规划近日获得国务院批准，规划指出，全国发生地面沉降灾害的城市已超过50个，地面沉降最严重的的区域主要有三大片区，一个是长江三角洲地区，包括浙江、江苏和上海;一个是华北地区;还有一个就是陕西和西安的汾渭地区。其中华北平原区地面沉降量超过200毫米的范围，达到6万4千平方公里，占整个华北地区的46%左右，而长江三角洲地区如果再不采取有效的防治措施，到2050年将有可能桑田变沧海。

　　4 地面沉降的原因

　　地面沉降发生的原因主要有两个方面, 即自然因素和社会因素。

　　4.1 地面沉降发生的自然因素

　　自然因素是地面沉降发生的先决条件, 是内因，主要包括地层岩性、构造运动、全球气候转暖等。

　　4.1.1 地层岩性对地面沉降的影响

　　(1)存在压实压密型地面沉降的岩层。

　　(2)存在塌陷型沉降的地层。

　　(3)存在有机土变质型沉降的地层。

　　(4)存在引发软化型沉降。

　　4.1.2 构造运动对地面沉降的影响

　　一百万年以来的新构造运动是一种强大的自然力量。升降运动是新构造运动中的一种构造运动形式, 地层的垂向升降, 直接引起局部地面下沉。强烈地震是新构造运动的一种突发事件, 在短期内可以引起变幅较大的区域性地面垂直变形, 也可使软土地基震陷和古河道新近沉积土液化, 导致区域性地面沉降。强烈地震, 尤其是海底火山爆发, 可引起海平面上升, 导致地面相对下降

　　4.1.3 气候变化对地面沉降的影响

　　全球性气候转暖是一种强大的自然力量。目前地球正处于间冰期, 全球气温呈上升趋势。人类燃烧大量的石化燃料而形成的“ 温室效应” 加剧了气温的上升。这种全球性气温升高, 一是导致冰川融化, 引起海平面上升;二是导致冻土层液化。二者均能导致地面下降。

　　4.2 地面沉降发生的社会因素

　　地面沉降现象与人类活动密切相关。现在我们研究地面沉降的原因时,不难发现,人为因素已大大超过了自然因素。尤其是近几十年来,人类过度开采石油、天然气、固体矿产、地热、地下水等地下资源,使贮存这些固体、液体和气体的沉积层的孔隙压力发生趋势性的降低,有效应力增大,从而导致地层的压密。直接导致了今天全球范围内的地面沉降。人为的地面沉降广泛见于一些大量开采地下水的大城市和石油或天然气开采区。地面沉降主要由抽水作用形成,但又与软土层的厚度、地壳下沉,以及高层建筑等因素密切相关。

　　薛禹群认为,造成我国地面沉降的成因,主要是地下水的长期超量开采,同时,第四纪以来的的活动断裂和构造沉降,加剧了这一灾害的发生和危害。

　　4.2.1 超采地下水引起地面沉降

　　由于大量开采深层地下水,引起孔隙水压力降低和有效应力增大,致使含水层被压缩,颗粒接触面积增大,孔隙度减小并释水,产生弹性变形,其沉降量一般相当粘性土压缩率的15% ,当含水层中的水压恢复后,骨架则复原,只形成暂时性地面沉降。粘性土层孔隙度大,孔隙微小,主要含结合水,当含水层与粘性土层之间的水头差足以克服水与颗粒之间的结合力时,水便从粘性土层中排出。释水时孔隙压缩,使粘土矿物颗粒接触面积增大,颗粒间发生相对位移,孔隙结构被破坏而发生塑性形变。当含水层中水压恢复后,只能使粘性土层被压缩的孔隙中水压升高,而不能使孔隙度和储容水量恢复到初始状态,形成永久性地面沉降。

　　4.2.2 大规模开采固体矿产

　　固态矿产是经济社会发展的重要物质基础。随着经济社会的快速发展, 对固态矿产的需求量也越来越大。大规模开采固态矿产背后, 留下成片的采空区, 由于开采后的充填技术有缺陷或经济利益的驱动没有采取采后充填措施, 常常引起矿坑塌顶造成地面沉降。

　　4.2.3 开采油气资源引起地面沉降

　　在油气田区,开采油气资源也会引起地面沉降。根据大港油田的有关资料, 2500m以下普遍出现了欠压密地层,当油气开发后,必将使流体压力降低,固体颗粒有效应力增加,使地层进一步固结压密,从而引起地面沉降。因此,石油天然气的开采也是引起油气田区地面沉降的因素之一。

　　4.2.4 开采地热引起地面沉降

　　沿海某些地区蕴藏有地热资源,地下热水开采量逐年增加,抽取地下热水引起水位下降,地层内孔隙水压力减少有效应力增加,必然引起地层进一步压实而导致地面沉降。

　　4.2.5 大量开掘地下工程

　　人类为满足自身需求大量开挖隧道、防空洞、地下铁路、地下停车场、地下商城等地下工程, 在这些工程开挖前, 首先要工程排水, 引发含水层的压实压密和地面沉降。地下工程开挖过程中, 常因加固、支护技术不过关, 导致塌陷和地面沉降。

　　4.2.6 大面积增加地面堆载

　　由于地面空间的有限性或经济发展的需要, 人类使建筑向空中发展, 重大高层建筑林立或由于调整水资源供需矛盾, 修建大型水库等蓄水工程。这些大面积的地面堆载, 给地基施加了巨大的静荷载, 使地基发生压密变形, 引发地面沉降。

　　5 地面沉降主要机理

　　开采地下水所致的地面沉降, 目前普遍采用有效应力原理进行解释。承压含水层地下水大量开采,地下水位下降, 相邻各粘土层孔隙水向含水层释水,孔隙水压力降低, 土层浮力效果减弱甚至消失, 有效应力增大, 粘土层被压缩水体流动、渗透力作用及重力场变化, 使粘土层颗粒重新排列、结构变形或破坏, 并发生侧向移动, 造成土层压密抽水作用使砂砾石含水层颗粒排列紧密, 间隙减小, 上述三者共同作用, 造成地面沉降。

　　第四系松散土层主要由含水的粘性土层和饱水砂砾石含水层组成, 是由固相的土和液相的孔隙水有机组成的两相介质, 土体所承受的荷载由土颗粒和孔隙水共同承担。当地下水开采造成含水层孔隙水部分疏干后, 粘性土中孔隙水也逐渐被排出, 粘性土层和含水层孔隙水压力大幅度降低, 土颗粒承担的应力大大增加, 使土体产生固结压密,从而形成地面沉降。

　　6 地面沉降的防治对策和建议

　　防治地面沉降灾害, 是一项综合系统工程, 它即属于地质环境系统, 又属于社会系统, 故需要政府、社会的共同参与, 更需要科学技术支撑。

　　地面沉降灾害的防治包括灾前预防和灾后治理, 应以预防为主, 防治结合。针对地面沉降灾害发生的原因, 制定灾害防治措施, 包括预防措施和治理措施。

　　6.1 通用的预防措施

　　(1)政府宏观统一组织, 设立专门的地面沉降监测机构;

　　(2)运用新技术、新方法, 提高地面沉降监测水平：

　　①合成孔径雷达干涉监测技术

　　这是一种提取地面垂直高度变化相关信息的技术, 充分利用SAR重复观测同一地区的雷达回波相位差来获取地表形变数据, 测量精度可达厘米级。

　　②3S(RS、GPS、GIS)技术

　　布设GPS地面沉降观测站, 利用RS技术进行实时跟踪观测，利用GIS技术描述地面沉降现状, 并预测地面沉降发展趋势, 在图上实现可视化成果, 测量精度可达到毫米级。

　　③放射性分层标技术

　　将Cs137或Co60等放射性弹分层固定放入开采液、气的地层中, 利用放射性分层标技术来监测各岩层的形变量, 并可获得地层垂向一维压缩系数, 以此可预测开采气、液体产生的地面沉降。

　　(3)制定相应的法规制度, 使地面沉降的防治步入法制的轨道。

　　6.2 治理措施

　　对已发生地面沉降的地区, 主要治理措施如下：

　　(1)对灾害进行灾情评估;

　　(2)划分灾害所处的阶段, 分别制定相应治理措施;

　　(3)采用含水层存储和恢复技术(ASR)进行回灌补给地下水, 提高地下水位并改善水质, 促进地层复原;

　　(4)在沉降区围建、加固堤防, 防止洪水泛滥和海水入侵。

　　7 结论

　　我国的地面沉降是在经济快速发展过程中,过量开发利用地下水产生的环境地质问题。地面沉降是制约一个地区经济可持续发展的重要因素之一,地面沉降的防治不仅是地质环境保护的需要,也是保证区域水资源可持续利用、地区经济可持续发展的必不可少的先决条件。

　　地面沉降的研究涉及多个学科领域:水文地质学、工程地质学、土力学,只有在学科真正交叉的基础上,通过生产、教学、科研单位的协作,发挥各自优势才有可能解决前面提出的问题。做好这项工作,实现信息的某种共享是必不可少的。至于地面沉降的防治则更是一个系统工程,除上述学科外,还涉及法律(有关法规、规章的制订) 、行政管理、高新技术的引进和应用等领域,需要政府有关部门重视,列入议事日程,并争取全社会的支持,统一规划,综合防治。希望随着地质事业的蓬勃发展,我国能在地面沉降研究和防治中取得更多新的处于世界先进,甚至领先水平的成果。

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《地面沉降研究及其防治》

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