地下水開采引起蘇州地區(qū)地面沉降的機(jī)理分析及防治措施

梁珍花 謝劍學(xué)

摘 要：地面沉降的出現(xiàn)與區(qū)域地層巖性結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、土的類型、厚度、壓縮性的大小、固結(jié)歷史等因素有關(guān)，本文以蘇州地區(qū)為例，對抽汲地下水引起的地面沉降、建設(shè)工程性地面沉降等問題進(jìn)行闡述與分析，并針對這些問題提出了相應(yīng)的預(yù)防與治理措施。

關(guān)鍵詞：地下水；開采；沉降；地裂縫；

中圖分類號： TV211 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

地面沉降作為一種緩變型地質(zhì)災(zāi)害，是世界上許多國家、尤其是位于廣大平原區(qū)并以開采地下水為主要供水水源的地區(qū)共同面臨的問題。蘇州地區(qū)位于長江三角洲地帶江蘇省南部，是我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、城市工業(yè)化程度較高的地區(qū)之一，隨著工程經(jīng)濟(jì)活動強(qiáng)度和規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，地質(zhì)環(huán)境日趨惡化。其中在該地區(qū)分布最廣、影響最大的地質(zhì)災(zāi)害就是地面沉降。

1、城市地面沉降產(chǎn)生的原因

1.1抽汲地下水引起地面沉降

抽汲地下水引起的地面沉降大多發(fā)生在大量開采松散沉積物孔隙承壓水的地區(qū)。其機(jī)理是:根據(jù)有效應(yīng)力原理,飽和土體的自重應(yīng)力由顆粒和孔隙水共同承擔(dān),由土顆粒所承擔(dān)的那部分應(yīng)力為有效應(yīng)力。當(dāng)抽水引起承壓水水位下降時,含水層本身及其上下隔水層中孔隙水壓力也隨之降低。在總應(yīng)力不變的條件下,飽和土體中孔隙壓力減小必然會使土中有效應(yīng)力等量增大。使土體被壓密并導(dǎo)致地面沉降。

如圖1，在外荷載作用下，土中應(yīng)力被土骨架和土中的水氣共同承擔(dān)，但是只有通過土顆粒傳遞的有效應(yīng)力才會使土產(chǎn)生變形，具有抗剪強(qiáng)度。

有效應(yīng)力原理: σ =σ′+μ

式中:σ為平面上法向總應(yīng)力, kPa;σ′為平面上有效法向應(yīng)力, kPa;μ為孔隙水壓力, kPa。

圖1：有效應(yīng)力原理圖

有效應(yīng)力原理表示研究平面上的總應(yīng)力、有效應(yīng)力與孔隙水壓力三者之間的關(guān)系，當(dāng)總應(yīng)力保持不變時,孔隙水壓力與有效應(yīng)力可以相互轉(zhuǎn)化,即:有效孔隙水壓力減小等于有效應(yīng)力的等量增加。

1.2工程降水引起局部地面沉降

在深基坑和地下構(gòu)筑物的開挖過程中往往會遇到地下水位高于施工作業(yè)面的情況,為防止基坑邊坡失穩(wěn),保證順利開挖,避免水下作業(yè),須進(jìn)行基坑降(排) 水。但是,降水方案不當(dāng),會引起周圍地面沉降,導(dǎo)致此范圍內(nèi)的建筑物、地下管網(wǎng)、道路及其它設(shè)施發(fā)生斷裂、傾斜,影響其正常使用和安全。

工程降水引起的地面沉降機(jī)理有多種: 如下

1.2.1由于孔隙水從土中排出,導(dǎo)致有效應(yīng)力增加,地層固結(jié)沉降;

1.2.2水位降低,減少了土中地下水對地上建筑物的浮托力,使軟弱土、層受到壓縮而沉降;

1.2.3土壤中的細(xì)小顆粒隨著流動的水不斷流失,在土層中形成空洞,隨著抽水的不斷進(jìn)行,空洞擴(kuò)大,最終形成塌陷沉降。

2、地面沉降的危害

2.1對建筑物的破壞和影響，建筑物地基下沉、房屋開裂破壞。

2.2形成地裂縫，它直接或間接地惡化環(huán)境。

2.3許多機(jī)井因地面沉降，井管較地面相對上升，泵房地面及墻體開裂，造成泵房破壞，嚴(yán)重影響抽水。

2.4由于地面沉降、水準(zhǔn)點(diǎn)失準(zhǔn)，城市工程建設(shè)所需水準(zhǔn)資料，需從地面未沉降區(qū)水準(zhǔn)點(diǎn)引測，增大了水準(zhǔn)測量的工作量。

2.5影響建筑物抗震能力，致使地震災(zāi)害加重。

2.6由于地面沉降作用，局部改變地形地貌條件，形成地面沉降降落漏斗，降低防洪排澇工程效能，造成大面積積水，洪澇災(zāi)害加劇[1]。

3 、蘇州地區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)與沉降現(xiàn)狀

3.2.地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響

蘇州地區(qū)基底巖性主要為石英砂巖、泥質(zhì)石英砂巖、紫紅色粉砂質(zhì)泥巖、灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r等。其地貌格局主要奠定于中生代末的燕山運(yùn)動，褶皺和斷裂作用強(qiáng)烈，構(gòu)造錯綜復(fù)雜，凹陷和隆起相繼形成，基底地形極其復(fù)雜。該地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化大，第四紀(jì)沉積物成因類型復(fù)雜，發(fā)育有多個含水砂層和軟土層，在地質(zhì)歷史時期賦存了豐富的地下水，其中埋藏于70～130 m的第Ⅱ承壓含水層富水性好、水質(zhì)優(yōu)良、分布廣泛，是蘇州地區(qū)地下水主要開采層。

蘇州地區(qū)基巖面起伏不平，高低落差大，松散地層的厚度與結(jié)構(gòu)變化也大，地面沉降易產(chǎn)生不均勻性差異沉降，導(dǎo)致地裂縫和地面塌陷災(zāi)害發(fā)生。因此，同樣由于過量開采地下水所誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，在蘇州地區(qū)所造成的破壞性會更大、災(zāi)害更嚴(yán)重。

圖2是蘇州地區(qū)潛水埋深的歷史情況。

圖2蘇州地區(qū)潛水埋深隨時間的變化情況

蘇州市第Ⅱ承壓水雖開采量不大，但在主開采層(Ⅲ上)的強(qiáng)烈開采影響下，Ⅱ承壓水通過弱透水層或局部“天窗”越流排泄給第Ⅲ承壓水層，水位逐年下降。蘇州市區(qū)20世紀(jì)6O年代以前深井總數(shù)不過8眼，60年代末為47眼，70年代以后井?dāng)?shù)猛增到234眼，日開采量也由原來的數(shù)千立方米增到10×104m3以上。1980年至1982年日開采量為18×104m3，1983年起由于壓縮了開采量，地下水位下降趨于和緩。目前深井?dāng)?shù)已達(dá)300多眼，中心區(qū)水位已降至-50 m高程以下。蘇州市區(qū)地面沉降最早始于20世紀(jì)60年代初，70年代日趨嚴(yán)重，市區(qū)沉降速率40～50 mm／a，市郊20—30 mm／a。2008年市區(qū)沉降中心的最大累計沉降量超過1600 m。

3.2.固結(jié)歷史的影響

從圖2蘇州市歷年地下水開采量、中心區(qū)水位、年沉降量曲線中可以看出蘇州市的地下水位從1989年至1997年一直呈下降趨勢，但平均年沉降量卻不同。1989年至1992年年均沉降量逐年增加，而1992年以后卻逐年減緩。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能與粘性土層的壓縮有關(guān)

3.3地面沉降的時間效應(yīng)

在地面沉降的發(fā)生和發(fā)展過程中，粘性土和無粘性土在時間效應(yīng)上有很大差別。一般認(rèn)為：當(dāng)水位下降后，砂層的沉降是瞬時完成的。當(dāng)水位從持續(xù)下降轉(zhuǎn)入反復(fù)升降時，砂層的變形為彈性變形。粘性土則不然，由于粘性土的滲透性小，孔隙水需經(jīng)一定時間才能排出，故有一定滯后效應(yīng)。

4、防治措施

(1)加強(qiáng)管理、統(tǒng)一規(guī)劃、避免開采中的盲目性。加強(qiáng)全區(qū)的地下水統(tǒng)一管理，制定地下水資源開采利用的長遠(yuǎn)規(guī)劃，并堅決予以落實(shí)。加強(qiáng)宣傳，增強(qiáng)防災(zāi)意識：不斷提高全民的防災(zāi)減災(zāi)意識，依法嚴(yán)格管理地下水資源，要合理開發(fā)利用地下水資源。

(2)控制地下水開采量，逐步調(diào)整供水水源結(jié)構(gòu)。限制或減少地下水開采量：可以以地表水代替地下水資源；以人工制冷設(shè)備代替地下水資源；實(shí)行一水多用，充分綜合利用地下水資源。

(3)實(shí)行建設(shè)項(xiàng)目地質(zhì)災(zāi)害危險性評估制度。在城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)劃過程中，對于大規(guī)模城市建設(shè)活動，一方面應(yīng)考慮建筑荷載增加所產(chǎn)生的新的附加沉降，另一方面應(yīng)考慮地面潛在沉降量因素。

(4)工程降水

在工程降水前,首先要查明場地的水文地質(zhì)條件、周圍建筑物的分布情況及地下管線性質(zhì)及分布范圍,根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計科學(xué)的降水方案與防范措施。如：

①在基坑工程降水中設(shè)置豎向止水帷幕,實(shí)施坑內(nèi)降水;

②井點(diǎn)降水應(yīng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),盡量避免間歇和反復(fù)抽水造成的累加沉降;

③采用井點(diǎn)降水與回灌相結(jié)合的技術(shù),在井點(diǎn)降水管井與需保護(hù)的建筑、管線間設(shè)置回灌井點(diǎn)、回灌砂井或回灌砂溝,持續(xù)、不斷地用清潔水進(jìn)行回灌,形成一道水幕,以減少降水曲面向外擴(kuò)張,防止臨近建筑物、管線等基礎(chǔ)下土層因釋放水而沉降。

5、結(jié)論

人為因素引起的地面沉降已在逐漸加劇，地下水的大量抽汲，破壞了地下水的平衡，造成了日益嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)影響。在防治過程中,需要采取科學(xué)合理的技術(shù)措施，還需要設(shè)計與施工單位給予配合與支持,才能使其得到根本控制。現(xiàn)在很多城市的地下水已經(jīng)受到了過度的抽汲，所以應(yīng)根據(jù)對各地區(qū)的地下水抽汲可能會造成危害程度的預(yù)測評估，并考慮地下水資源的恢復(fù)、補(bǔ)給能力，將地下水開采管理劃分為禁采區(qū)、限采區(qū)和控采區(qū)或不同的保護(hù)區(qū)，進(jìn)行分區(qū)開采?？茖W(xué)而有效的控制地下水的抽汲，對與地下水抽汲有關(guān)的工程項(xiàng)目進(jìn)行合理的設(shè)計與施工，才是解決問題的根本辦法。

參考文獻(xiàn)：

1、張人權(quán)，梁杏，靳孟貴，萬力等，2011，水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)。

2、張落成，陳振光，吳楚材．2003，蘇南太湖流域地下水過度開采引起的地面沉降及其防治對策，湖泊科學(xué).

3、袁仁茂、陳鎖忠、陶蕓、徐海鵬，2001，蘇州地區(qū)地下水開發(fā)中的問題及其可持續(xù)發(fā)展對策，北京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),第37卷,第4期.