地面沉降的災情預測評估模型與防治措施分析

仲偉華+謝劍學

【摘要】人類工程活動既可導致地面沉降，又可加劇地面沉降，對地面沉降產(chǎn)生的原因進行分析與工程監(jiān)測，總結出地面沉降的預測評估模型，提出預防措施，對現(xiàn)代大型工程有一定的借鑒意義。

【關鍵詞】地面沉降；預測；土壓力；防治措施

Disaster assessment model prediction and prevention measures analysis of ground subsidence

Zhong Wei-hua1，Xie Jian-xue2

（1.Suzhou City Water Conservancy Water Authority Suzhou Jiangsu 215000；

2.Suzhou University of Science and Technology Department of Civil Engineering Suzhou Jiangsu 215011）

【Abstract】Human activity can cause land subsidence， but also exacerbated land subsidence due to ground subsidence resulting analysis and project monitoring， summed up the land subsidence prediction assessment model， proposed preventive measures to modern large-scale projects have a certain significance.

【Key words】Ground subsidence；Forecast；Earth pressure；Prevention measures

1. 地面沉降的概念及產(chǎn)生原因

1.1 地面沉降，又稱地面下沉或地陷，是指某一區(qū)域內(nèi)由于開采地下水或其它地下流體所導致的地表淺部松散沉積物壓實或壓密引起的地面標高下降的現(xiàn)象。在城市內(nèi)過量開采地下水引起的地面沉降，其波及的面積大；涉及范圍廣，下沉速率緩慢，往往不易被察覺；地面沉降具有不可逆特性，就是用人工回灌辦法，也難使地面沉降的地面回復到原來的標高。因此地面沉降對于建筑物、城市建設和農(nóng)田水利設施危害極大。

1.2 人類工程活動既可導致地面沉降，又可加劇地面沉降，其主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）大量抽取液體資源（地下水、石油等）、地下氣體（天然氣、沼氣等）活動是造成大幅度、急劇地面沉降的最主要原因。

（2）采掘地下團體礦藏（如沉積型煤礦、鐵礦等）形成的大范圍采空區(qū)，及地下工程（隧道、防空洞、地下鐵道等）是導致地面下沉變形的原因之一。

（3）地面上的人為振動作用（大型機械、機動車輛等及爆破等引起的地面振動）在一定條件下也可引起土體的壓密變形。

（4）重大建筑物、蓄水工程（如水庫）對地基施加的靜荷載，使地基土體發(fā)生壓密下沉變形。

（5）由于在建筑工程中對地基處理不當，即地基勘探不周。

2. 地面沉降的災情評估

2.1 地面沉降等級劃分。

地面沉降調(diào)查應查明：沉降的位置、范圍及面積；沉降量；沉降區(qū)的環(huán)境水文地質(zhì)條件；沉降原因以及發(fā)展趨勢。依據(jù)地面沉降面積、累計沉降量進行等級劃分（表1）。

2.2 地面沉降的災情評估。

地面沉降的危害是多方面的，包括：

（1）損失地面標高，造成雨季地表積水，防洪能力下降；

（2）沿海城市低地面積擴大，海堤高度下降，海水倒灌；

（3）海港建筑物破壞，裝卸能力降低；

（4）地面運輸線、地下管線扭曲斷裂；

（5）城市建筑物基礎下沉脫空開裂；

（6）橋梁凈空減小，影響通航；

（7）深井井管上升，井臺破壞，供水排水系統(tǒng)失效；

（8）農(nóng)田低洼地區(qū)洪澇積水，農(nóng)作物減產(chǎn)。

3. 地面沉降的預測評估模型

可采用統(tǒng)計模型、土水模型、生命旋回模型等。

3.1 統(tǒng)計模型：大量開采地下水引起地下水位持續(xù)下降，進而引起隔水層失水固結是地面沉降的根本原因，通過統(tǒng)計方法建立開采量Q（或含水層水位h）與地面沉降量s（mm）之間的統(tǒng)計關系。該方法簡單明了，但有弱點，帶有人為性，難于了解沉降機制。

3.2 土水模型：包括水位預測模型、土力學模型兩部分，可利用相關法、解析法和數(shù)值法等進行地下水位預測分析；土力學模型包括含水層彈性計算模型、粘性土層最終沉降量模型、太沙基固結模型、流變固結模型、比奧（Biot）固結理論模型、彈塑性固結模型、回歸計算模型及半理論半經(jīng)驗模型（如單位變形量法等）和最優(yōu)化計算方法等。

（1）含水層的沉降計算方法。

一般采用彈性公式：

S=ΔhEγwH

式中：Δh——含水層水位變幅（m）；

E——含水層壓縮或回彈模量（常采用反算值）；

γw ——水容重；

H——含水層厚度；

S——含水層變形量。

（2）粘性土沉降變形的計算方法。

粘性土層的固結是一個緩慢的過程，土層的最終沉降量是指土層完全固結情況下的沉降量，常采用分層總和法（e-logP曲線法）：

S=∑Si

式中：Q N——固結度、時間因數(shù)；

CVK——固結系數(shù)（cm2/s）、滲透系數(shù)（cm/s）；

t——時間（s）；

st——承壓水頭降低后在時間t內(nèi)的壓縮量（cm）。

該法曾用于對日本東京、中國上海、常州等進行了地面沉降預測，與實測結果基本吻合。

3.3 生命旋回模型：該模型直接由沉降量與時間的相關關系構成，如泊松旋回模型。Verhulst生物模型和灰色預測模型等。

地面沉降預測中有代表性的成果有美國D、C、HolmA、leak的COMPAC軟件，包括沉降預測模型、水位模型、優(yōu)化調(diào)節(jié)模型、反饋計算模型。

4. 地面沉降的防治措施

大量實踐表明，限制地下水開采或向含水層人工注水，可以控制或減緩地面沉降，表明地表沉降具有可控制性。地面沉降的控制與防治措施有：

（1）加強宣傳，增強防災意識：不斷提高全民的防災減災意識，依法嚴格管理地下水資源，要合理開發(fā)利用地下水資源。

（2）限制或減少地下水開采量：可以地表水代替地下水資源；以人工制冷設備代替地下水資源；實行一水多用，充分綜合利用地下水。

（3）采用地表水人工補給地下水：上海市自1966年采用了“冬灌夏用”為輔，大量人工補給地下水，水位大幅度回升，常年沉降轉(zhuǎn)為“冬升夏沉”。

（4）調(diào)整地下水開采層次：地面沉降的主要原因是地下水的集中開采（開采時間集中、地區(qū)集中、層次集中），因此適當調(diào)整地下水的開采層和合理支配開采時間，可以有效的控制地面沉降。

參考文獻

[1] 張梁等著. 《地質(zhì)災害災情評估理論與實踐》1998.

[2] 龔曉南，高有潮. 《深基坑工程設計施工手冊》.中國建筑出版社，1998.

[3] 孫家齊.工程地質(zhì)[M].武漢：武漢工業(yè)大學出版社，2000.endprint