水文地質(zhì)特征對(duì)城鎮(zhèn)地面沉降的影響分析

盛祝東

摘 要:地面沉降涉及資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等多個(gè)方面,影響城市和地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展,已成為21世紀(jì)國(guó)內(nèi)外城市主要地質(zhì)災(zāi)害,嚴(yán)重制約了我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。這與水文地質(zhì)特征有著密切的聯(lián)系,通過對(duì)兩者關(guān)系的調(diào)查,對(duì)城市地面沉降問題提出一些預(yù)防及治理措施。

關(guān)鍵詞:地面沉降水文地質(zhì)特征城鎮(zhèn)

中圖分類號(hào):TU433 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)05(b)-0222-02

1 地面沉降

在一定的地表面積內(nèi),會(huì)有地面水平面降低的現(xiàn)象,這一現(xiàn)象就稱為地面沉降。[3,4]我國(guó)很早就有這一現(xiàn)象的記載。地質(zhì)是城鎮(zhèn)地面沉降的重要原因之一。然而,城鎮(zhèn)地面沉降現(xiàn)象越來越嚴(yán)重,還有一個(gè)重要的原因,那就是城市人口的密集和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。如上海、西安、天津、北京等城市人口密集的大型城市,這種現(xiàn)象尤其嚴(yán)重,沉降面積很大。在分析以上兩種原因時(shí),可以發(fā)現(xiàn),后者已大大超過了前者。

自然因素主要在于地質(zhì)因素:地層受重力影響,不斷地沉積、壓緊,會(huì)變成緊致或者堅(jiān)硬的巖石,從而地層厚度也就隨之減小,使得地面沉降現(xiàn)象頻發(fā);地面凹凸也是地面沉降的重要原因,它主要是由于地質(zhì)構(gòu)造的作用而成的;另外,地下的波動(dòng)引起的地震也是地面沉降的主要因素。[1]

地面沉降現(xiàn)象受人類活動(dòng)的影響越來越大,現(xiàn)如今地面沉降在世界很多地方都有發(fā)生。容易致使地面沉降的人類活動(dòng)有過度開采地下資源,如天然氣、地下水、固體礦產(chǎn)、石油等。在我國(guó)的大多數(shù)城市,由于人口密集,對(duì)地下水的需求過多,地下水的開采量急劇增加,使得許多人口密集城市地面沉降現(xiàn)象嚴(yán)重,此外,沿海城市還有海水入侵的現(xiàn)象。

地面沉降的危害主要表現(xiàn)在地表建筑物和地下的主要設(shè)施上。我國(guó)地面沉降已經(jīng)造成了一億元人民幣/年的經(jīng)濟(jì)損失。由于損失巨大,我國(guó)越來越重視這一問題,并在許多地區(qū)采取了一系列的措施控制地面沉降現(xiàn)象的發(fā)生,主要有出臺(tái)計(jì)劃生育政策來控制人口、對(duì)地下水的開采也進(jìn)行嚴(yán)格控制。

地面沉降的產(chǎn)生是需要一定的地質(zhì)、土層內(nèi)的應(yīng)力轉(zhuǎn)變條件及水文地質(zhì)條件。從地質(zhì)、水文地質(zhì)條件來看,多層含水體系中較疏松的體系承壓含水層的水量比較豐富,更適于長(zhǎng)期得開采;在開采層一定的影響范圍內(nèi),尤其是它的頂、底板,有厚層的正常固結(jié)甚或欠固結(jié)的粘性土層等,對(duì)地面沉降產(chǎn)生條件是非常有利的。從土層內(nèi)的應(yīng)力轉(zhuǎn)變條件上看,承壓水位大幅度并波動(dòng)式的降低,則是造成地面沉降范圍不斷擴(kuò)大的必要前提。

2 水文地質(zhì)特征對(duì)地面沉降的影響

地下水和地表水系是主要影響水文地質(zhì)的因素。上層潛水、滯水和承壓水主要儲(chǔ)存于地下,是地下水的主要構(gòu)成部分,嚴(yán)重影響了城市地下空間的容量,比如:降低巖體以及結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度、增大地下空間的開發(fā)利用難度、破壞地下工程其支襯結(jié)構(gòu)、提高開發(fā)地下空間的成本等等;地表水系對(duì)地下水系工程的造價(jià)成本和施工方式的影響是直接的。地表水域、地下水水質(zhì)以及地下水賦存形態(tài)等是影響水文地質(zhì)的開發(fā)及利用的重要原因,現(xiàn)對(duì)這三種影響因素分別進(jìn)行評(píng)述。

2.1 地下水賦存形態(tài)

如果要對(duì)地下空間進(jìn)行開發(fā),首先是開發(fā)基坑和隧道,而在這一構(gòu)成中應(yīng)該采取排水措施,要采取的排水措施則主要取決于地下水的類型,如對(duì)含水量較大的基巖裂隙水,不適于采用排水井的方法,這主要是由于這種類型的地下水壓力很大,使得排水井的適宜性差,同時(shí)排水井的施工花費(fèi)很大,對(duì)于含水量中等的松散巖類孔隙水,則可應(yīng)用適宜性好的井點(diǎn)降水或者旋噴、注漿等技術(shù)措施防治地下水,而對(duì)含水量較少或者缺乏松散巖類孔隙水,只需要采用明排水的方法,這種方法的處理較容易,且適宜性也良好。

2.2 地下水水質(zhì)

地下水的水質(zhì)類型會(huì)對(duì)構(gòu)筑物或地下建筑的耐久性有較大影響,一般來說,HCO3-Ca.Mg和HCO3-C1.Ca型是淡水區(qū)水質(zhì),C1-Na型是咸水區(qū)水質(zhì)的類型,不同水質(zhì)類型對(duì)建筑物的影響也有差異。淡水區(qū)水質(zhì)對(duì)建筑物中的混凝土及其中的鋼結(jié)構(gòu)不具有腐蝕性或者具有很弱的腐蝕性。而咸水區(qū)水質(zhì)對(duì)混凝土及其中的鋼結(jié)構(gòu)則有中等-強(qiáng)腐蝕性,因此在開發(fā)地下空間時(shí),應(yīng)該對(duì)地上及地下構(gòu)筑物采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施,對(duì)建筑材料中所需要的水質(zhì)也要嚴(yán)格要求。[7]

2.3 地表水域影響

由于地表水體的干擾,地下空間的開發(fā)(特別是淺層)困難較大,這主要是因?yàn)榈乇硭w的滲漏,它一方面使隧道排水困難,另一方面影響了基坑的疏干,是工程的難度增加,溝渠和水域的緩沖距離是影響地表水滲漏的重要原因,將溝渠和水域分別緩沖10m、30m和20m、50m,形成影響程度有差異的若干區(qū)。用截?cái)?排干法處理溝渠,可以使其緩沖的適宜性增強(qiáng)如果在水域緩沖20m或者溝渠緩沖10m之內(nèi),地下空開發(fā)的適宜性較差,在水域緩沖20～50m或者溝渠緩沖10～30m之內(nèi),地面水體對(duì)地下空間開發(fā)的影響會(huì)逐漸減小,如果比這個(gè)范圍大的話,那么就不用考慮地面水域所導(dǎo)致的影響,且適宜性良好。[6,8]

隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)的迅猛發(fā)展,地下水的開采量急劇的增加,超過了其允許開采量,大量的超量開采將造成地下水資源疏干開采、產(chǎn)生地面下沉等地質(zhì)環(huán)境問題,使生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞。我們應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到:不實(shí)施開采計(jì)劃管理,不加強(qiáng)地下水管理,放任超量的開采地下水,將會(huì)給整個(gè)社會(huì)造成巨大的損失。各級(jí)政府應(yīng)當(dāng)充分認(rèn)識(shí)到地質(zhì)環(huán)境的重要性,且一旦遭受破壞,將難以恢復(fù)。更要認(rèn)識(shí)到地質(zhì)環(huán)境危害性和治理工作的艱巨性、長(zhǎng)期性,從而強(qiáng)化管理,努力使地下水資源的開采量控制在允許開采的范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。

3 地面沉降的預(yù)測(cè)及防治

3.1 地面沉降的危害

許多專家學(xué)者展開了地面沉降的研究工作,這主要是由于這一災(zāi)害危害到世界很多地區(qū),引起人們的更多關(guān)注,這些研究者將研究重點(diǎn)放在了這一災(zāi)害的預(yù)測(cè)和防治工作上。我國(guó)分析不同地區(qū)地面沉降的原因,根據(jù)不同原因分別采用控制地下水位下降和人工補(bǔ)給地下水的方法防止地面沉降的發(fā)生及進(jìn)一步擴(kuò)大。

比如上海,主要采取地下水人工回灌和控制地下水開采兩大措施,使上海地面沉降從年沉降量110mm,下降到目前的年沉降量10mm左右。上海從1966年起,采取一系列的措施控制地面沉降問題。這些措施主要有控制地下水的開采,甚至回灌以補(bǔ)充地下水,夏天灌入,冬季使用,以及開采深層地下水等。過去上海市地下水取水點(diǎn)多如牛毛,現(xiàn)在已經(jīng)壓縮到僅800個(gè)左右。地下水得年開采量從過去的2億立方米,下降至2002年的9635萬m3。[5]

3.2 防治地面沉降的措施

防治地面沉降,首先應(yīng)該使地下水的檢測(cè)系統(tǒng)更加完善。完善地下水監(jiān)測(cè)井網(wǎng)[2]的意義重大,它可以對(duì)地下水的具體情況(如水質(zhì)、水量)有一個(gè)動(dòng)態(tài)的分析,從而能夠進(jìn)行預(yù)測(cè),對(duì)地下水的開發(fā)及利用提出建議和保護(hù)措施,對(duì)取水許可制度的實(shí)施也有重大的意義。

防治地面沉降,其次應(yīng)該使地下水的檢測(cè)水平更加的現(xiàn)代化。人工觀測(cè)是目前許多地區(qū)地下水監(jiān)測(cè)的主要手段,這一手段所獲取的地下水動(dòng)態(tài)信息較慢,致使信息的發(fā)布不夠快速、不能及時(shí)應(yīng)用到成果中來。為了提高地下水的檢測(cè)水平,除了要科學(xué)合理的設(shè)置井網(wǎng),掌握高超的科學(xué)技術(shù),如:合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(InSAR)、RS、GIS、GPS等技術(shù),還需要配置先進(jìn)的科學(xué)儀器,加快地下水監(jiān)測(cè)現(xiàn)代化進(jìn)程。同時(shí),應(yīng)該多方位采集地面沉降信息,以便于預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和快速處理地面沉降災(zāi)害,提高應(yīng)急能力。

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