地面沉降是在自然和人為因素作用下,由于地殼表層土體壓縮而導(dǎo)致區(qū)域性地面標(biāo)高降低的一種環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象,是一種不可補(bǔ)償?shù)挠谰眯原h(huán)境和資源損失。地面沉降具有生成緩慢、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣、成因機(jī)制復(fù)雜和防治難度大等特點(diǎn),是一種對(duì)資源利用、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市建設(shè)和人民生活構(gòu)成威脅的地質(zhì)災(zāi)害。
地面沉降發(fā)生的原因主要有兩個(gè)方面, 即自然因素和社會(huì)因素。
一、地面沉降發(fā)生的自然因素
自然因素是地面沉降發(fā)生的先決條件, 是內(nèi)因，主要包括地層巖性、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、全球氣候轉(zhuǎn)暖等。
地層巖性對(duì)地面沉降的影響
存在壓實(shí)壓密型地面沉降的巖層。
存在塌陷型沉降的地層。
存在有機(jī)土變質(zhì)型沉降的地層。
存在引發(fā)軟化型沉降。
1、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)地面沉降的影響
一百萬(wàn)年以來(lái)的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是一種強(qiáng)大的自然力量。升降運(yùn)動(dòng)是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中的一種構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形式, 地層的垂向升降, 直接引起局部地面下沉。強(qiáng)烈地震是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的一種突發(fā)事件, 在短期內(nèi)可以引起變幅較大的區(qū)域性地面垂直變形, 也可使軟土地基震陷和古河道新近沉積土液化, 導(dǎo)致區(qū)域性地面沉降。強(qiáng)烈地震, 尤其是海底火山爆發(fā), 可引起海平面上升, 導(dǎo)致地面相對(duì)下降。
2、氣候變化對(duì)地面沉降的影響
全球性氣候轉(zhuǎn)暖是一種強(qiáng)大的自然力量。目前地球正處于間冰期, 全球氣溫呈上升趨勢(shì)。人類燃燒大量的石化燃料而形成的“ 溫室效應(yīng)” 加劇了氣溫的上升。這種全球性氣溫升高, 一是導(dǎo)致冰川融化, 引起海平面上升；二是導(dǎo)致凍土層液化。二者均能導(dǎo)致地面下降。
二、地面沉降發(fā)生的社會(huì)因素
地面沉降現(xiàn)象與人類活動(dòng)密切相關(guān)。現(xiàn)在我們研究地面沉降的原因時(shí),不難發(fā)現(xiàn),人為因素已大大超過(guò)了自然因素。尤其是近幾十年來(lái),人類過(guò)度開(kāi)采石油、天然氣、固體礦產(chǎn)、地?zé)?、地下水等地下資源,使貯存這些固體、液體和氣體的沉積層的孔隙壓力發(fā)生趨勢(shì)性的降低,有效應(yīng)力增大,從而導(dǎo)致地層的壓密。
直接導(dǎo)致了今天全球范圍內(nèi)的地面沉降。人為的地面沉降廣泛見(jiàn)于一些大量開(kāi)采地下水的大城市和石油或天然氣開(kāi)采區(qū)。地面沉降主要由抽水作用形成,但又與軟土層的厚度、地殼下沉,以及高層建筑等因素密切相關(guān)。
造成我國(guó)地面沉降的成因,主要是地下水的長(zhǎng)期超量開(kāi)采,同時(shí),第四紀(jì)以來(lái)的的活動(dòng)斷裂和構(gòu)造沉降,加劇了這一災(zāi)害的發(fā)生和危害。
1、超采地下水引起地面沉降
由于大量開(kāi)采深層地下水,引起孔隙水壓力降低和有效應(yīng)力增大,致使含水層被壓縮,顆粒接觸面積增大,孔隙度減小并釋水,產(chǎn)生彈性變形,其沉降量一般相當(dāng)粘性土壓縮率的15% ,當(dāng)含水層中的水壓恢復(fù)后,骨架則復(fù)原,只形成暫時(shí)性地面沉降。粘性土層孔隙度大,孔隙微小,主要含結(jié)合水,當(dāng)含水層與粘性土層之間的水頭差足以克服水與顆粒之間的結(jié)合力時(shí),水便從粘性土層中排出。
釋水時(shí)孔隙壓縮,使粘土礦物顆粒接觸面積增大,顆粒間發(fā)生相對(duì)位移,孔隙結(jié)構(gòu)被破壞而發(fā)生塑性形變。當(dāng)含水層中水壓恢復(fù)后,只能使粘性土層被壓縮的孔隙中水壓升高,而不能使孔隙度和儲(chǔ)容水量恢復(fù)到初始狀態(tài),形成永久性地面沉降。
2、大規(guī)模開(kāi)采固體礦產(chǎn)
固態(tài)礦產(chǎn)是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展, 對(duì)固態(tài)礦產(chǎn)的需求量也越來(lái)越大。大規(guī)模開(kāi)采固態(tài)礦產(chǎn)背后, 留下成片的采空區(qū), 由于開(kāi)采后的充填技術(shù)有缺陷或經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)沒(méi)有采取采后充填措施, 常常引起礦坑塌頂造成地面沉降。
3、開(kāi)采油氣資源引起地面沉降
在油氣田區(qū),開(kāi)采油氣資源也會(huì)引起地面沉降。根據(jù)大港油田的有關(guān)資料, 2500m以下普遍出現(xiàn)了欠壓密地層,當(dāng)油氣開(kāi)發(fā)后,必將使流體壓力降低,固體顆粒有效應(yīng)力增加,使地層進(jìn)一步固結(jié)壓密,從而引起地面沉降。因此,石油天然氣的開(kāi)采也是引起油氣田區(qū)地面沉降的因素之一。
4、開(kāi)采地?zé)嵋鸬孛娉两?br /> 沿海某些地區(qū)蘊(yùn)藏有地?zé)豳Y源,地下熱水開(kāi)采量逐年增加,抽取地下熱水引起水位下降,地層內(nèi)孔隙水壓力減少有效應(yīng)力增加,必然引起地層進(jìn)一步壓實(shí)而導(dǎo)致地面沉降。
5、大量開(kāi)掘地下工程
人類為滿足自身需求大量開(kāi)挖隧道、防空洞、地下鐵路、地下停車場(chǎng)、地下商城等地下工程, 在這些工程開(kāi)挖前, 首先要工程排水, 引發(fā)含水層的壓實(shí)壓密和地面沉降。地下工程開(kāi)挖過(guò)程中, 常因加固、支護(hù)技術(shù)不過(guò)關(guān), 導(dǎo)致塌陷和地面沉降。
6、大面積增加地面堆載
由于地面空間的有限性或經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要, 人類使建筑向空中發(fā)展, 重大高層建筑林立或由于調(diào)整水資源供需矛盾, 修建大型水庫(kù)等蓄水工程。這些大面積的地面堆載, 給地基施加了巨大的靜荷載, 使地基發(fā)生壓密變形, 引發(fā)地面沉降。
三、地面沉降的預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)與防治措施
地面沉降的預(yù)測(cè)
國(guó)內(nèi)外有關(guān)地面沉降的預(yù)測(cè)方法很多，主要有模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色理論等當(dāng)沉降均勻平穩(wěn)時(shí)，宜采用灰色預(yù)測(cè)，當(dāng)沉降波動(dòng)較大時(shí)，宜采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)。沉降是一個(gè)受多方面因素影響的復(fù)雜過(guò)程，其影響因素與沉降之間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系，正確選擇預(yù)測(cè)方法和建立相應(yīng)的模型，對(duì)于精確的預(yù)測(cè)沉降和防止事故的發(fā)生顯得尤為重要。
地面沉降的監(jiān)測(cè)
地面沉降的監(jiān)測(cè)項(xiàng)月主要有大地水準(zhǔn)測(cè)量、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、地表及地下建筑物設(shè)施破壞現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)等。監(jiān)測(cè)的基本方法是設(shè)置分層標(biāo)、基巖標(biāo)、孔隙水壓力標(biāo)、水準(zhǔn)點(diǎn)、水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)、水文觀測(cè)點(diǎn)、海平面預(yù)測(cè)點(diǎn)等。
定期進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)貸和地下水開(kāi)采量、地下水位、地下水壓力、地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)及地下水回灌監(jiān)測(cè)，同時(shí)開(kāi)展建筑物和其他設(shè)施因地面沉降而破壞的定期監(jiān)測(cè)等。根據(jù)地面沉降的活動(dòng)條件和發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)測(cè)地面沉降速度、幅度、范圍及可能產(chǎn)生的危害。
追蹤監(jiān)測(cè)：地面沉降現(xiàn)象發(fā)生地區(qū)設(shè)施變形破壞情況的追蹤監(jiān)測(cè)，如標(biāo)高損失造成的海水倒灌、港口及堤防工程失效、測(cè)繪標(biāo)志失效、橋梁和庫(kù)房?jī)艨諟p少、汛期排泄不暢造成積水、內(nèi)澇；不均勻下沉造成道路和房屋開(kāi)裂變形、各種井管上升、傾斜、損壞等。
專項(xiàng)監(jiān)測(cè)：各監(jiān)測(cè)網(wǎng)的專項(xiàng)監(jiān)測(cè)包括地面沉降或回彈量測(cè)定，地下水水位、水量的動(dòng)態(tài)變化等；
分層監(jiān)測(cè)：水準(zhǔn)測(cè)量和應(yīng)用GPS 測(cè)量監(jiān)測(cè)地面沉降量的大小，分層監(jiān)測(cè)含水系統(tǒng)各主要層位的沉降量和孔隙水壓力變化量。

審核編輯黃宇