浅析地面沉降的危害

浅析地面沉降的危害、发生机理及其预防措施（内蒙古第五地质矿产勘查开发院吴文平任国文）一、地面沉降的定义及其特点广义地讲，地面沉降是指地壳表面一切自然力或人类活动影响下所发生的区域性地面下降，就工程意义而言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（如石油、天然气）导致的地表浅层第四纪松散堆积物压密或进一步固结引起的地面标高下降的现象。地面沉降的特点：①波及范围广，下沉速率缓慢，难以察觉，一旦发生了地面沉降，即使不考虑产生的原因，沉降了的地面也是可能完全复原的；②在同一沉降区域内存在一处或多处沉降中心，沉降中心的位置和沉降量与地下流体开采点的分布和开采量密切相关。二、地面沉降的危害地面沉降所造成的破坏和影响是多方面的。主要为区域性地面标高的损失而引起环境恶化给工农业生产、交通运输、城市建设和人民生活造成危害和严重的经济损失，其具体环境灾害表现如下：1、在滨江或滨海区域易受河水或海水的侵袭，引起潮水、江水倒灌，给城市、农田造成严重经济损失。地面沉降也使内陆平原城市或地区遭受洪水灾害的频率增大、危害程度加重，尤其那些新构造盆地如江汉盆地、洞庭湖盆地、汾渭盆地及辽河盆地等。2、对城市公共设施、交通运输、港口码头及水利设施的损害。例如城市中下水管道变形排水能力下降，河道桥下净空减小通航能力降低，既有河、海堤坝或防洪墙防洪、潮的能力降低，道路设施破坏，港口码头失效货物装卸能力下降等。3、地面沉降的不均匀往往使地面和地下建筑遭受巨大的破坏，危及稳定、安全。如建筑物墙壁开裂、高楼脱空并使桩基产生负摩阻力，深井井管上升、井台破坏，桥墩不均匀下沉、自来水管弯裂漏水等。三、地面沉降的分布规律及成因1、地面沉降的分布规律地面沉降的地域分布具有明显地带性，其范围主要局限于存在厚层第四纪堆积物的平原、盆地、河口三角洲或滨海地带。例如长江、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厚度大，固结程度差，颗粒细，层次多，压缩性高；地下水含水层多，补给径流条件差，开采时间长，强度大；城镇密集、人口多，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，形成以城镇为中心的大面积沉降区。2、地面沉降的成因地面沉降发生的原因主要有自然因素和人为因素，自然因素主要是指新构造运动、强烈地震及海平面上升、欠固结土层自然固结等。人为因素主要是指大量抽取地下气、液体，建设大面积地面建筑群，固体矿床开采等。随着人类工程及经济活动的能力及强度的逐渐增强，其生产活动对地面沉降的影响通常已占主导地位。无论是何种因素，地面沉降都是因为改变了地层中原有应力状态，使地层发生变形的结果。城市地面沉降主要是因各种目的而进行的浅层疏干排水和抽取深层的气、液体，使地层内的气、液压降低，土颗粒间有效应力增加，地层压密固结的结果。这种因抽取地下水而形成的地面沉降，是地面沉降现象中发育最普遍，危害最严重的一类，其特点是沉降速率大，持续时间长，特别是含水层下部存在巨厚层高压缩性粘性土时。四、预测地面沉降量的估算方法1、要想预测沉降区域内某点的沉降量，必须查明该点工程地质、水文地质条件，划分压缩层和含水层；进行室内外测试，取得抽水压密试验、渗透试验、前期固结试验、流变试验、反复载荷试验等成果和沉降观测资料。2、估算方法（1）、分层总和法估算最终地面沉降量iiiiPSHE式中S－土层最终沉降量（mm）；iP－因水位变化而施加于第i层土上的平均荷载（MPa）；iE－第i层土的变形参数，砂土为变形模量，粘性土为压缩模量（MPa）；iH—第i层土的厚度（mm）。（2）、地面沉降发展趋势的预测在水位已经稳定不变的情况下，土层变形量与时间变化关系可用下式计算t∞S=SU-N-9N-25N2811U=1-[e+e+e+π925……]-N≈1-0.8e224VCNtH式中tS－预测某时刻t个月土层变形量（mm）；U－固结度，以小数表示；N－时间因素；VC—固结系数（mm2/月）；H－土层的计算厚度（mm），两面排水时取实际厚度的一半，单面排水时取全部厚度。3、实例市区某点的地下水位埋深为2.0米，由于开采地下水，水位每年下降0.5米，预测20年后地下水位将稳定，预测地面最终沉降量及水位稳定1.5年后地面沉降量，地层资料如下：序号土层名称层底埋深（m）孔隙比e0压缩系数a（MPa-1）压缩模量（MPa）重度（KN/m3）固结系数Cv（cm2/s）1粉细砂0～3.00.8940.2378.019.02淤泥质粉质粘土3.0～28.51.0470.7352.817.83.2×10-33卵石28.5～45.075.022.04花岗岩45以下分析：20年后地下水位下降至12米；卵石和花岗岩的变形可忽略不计，压缩层深度计算至卵石层顶面即可；粉细砂层属砂类土，地下水位一将稳定，其沉降即趋稳定，其固结度可按1考虑；计算时压缩层可分为3层，第一层粉细砂为2.0～3.0米，第二层淤泥质粉质粘土为3.0～12.0米，第三层淤泥质粉质粘土为12.0～28.5米。最终沉降量计算各层平均有效应力增量ΔPΔP1=H1×10/2=（3-2）×10/2=5（kPa）ΔP2=H1×10+H2×10/2=1×10+（12-3）×10/2=55（kPa）ΔP3=（H1+H2）×10=10×10=100（kPa）112212312555100()1916.5766.782.82.8iiiPPPPSHHHHmmEEEE1.5年后地面沉降量预测淤泥质粉质粘土固结度的计算时间因素22382263.143.2102.5910180.2528.5344()102VCNtH固结度0.252812.7180.383.1428U=1-πNe沉降量预测5510011(916.5)0.38291.72.82.8t∞5S=SU=8mm五、地面沉降量的预防对城市已发生地面沉降的地区，可根据工程地质和水文地质条件采取下列控制和治理方案：①减少地下水开采量和水位降深，调整开采层次，合理开发，当地面沉降发展剧烈时，应暂时停止开采地下水；②对地下水进行人工补给，但回灌时应控制回灌水源的水质标准，以防地下水被污染；③控制工程建设中的人工降低地下水位。对可能发生地面沉降的地区应预测地面沉降的可能性和估算地面沉降量，并可采取下列预测和防治措施：①根据场地工程地质、水文地质条件，预测可压缩层的分布；②抽水压密试验、渗透试验、先期固结压力试验、流变试验、载荷试验等的测试成果和沉降观测资料，计算分析地面沉降量和发展趋势；③合理开采地下水资源，限制人工降低地下水位及在地面沉降区内进行工程建设应采取措施。总之城市地面沉降与地下水过量开采紧密相关，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。上海市采取“严格控制，合理开采”的原则，加大对地下水开发、利用和管理的力度，取得了一定的效果，值得借鉴。