地面沉降地質(zhì)災害的原因與防治方法

巫永忠

摘要：地面沉降屬于一種常見的地質(zhì)災害，危害非常大。造成地面沉降的因素不僅和地下水有關(guān)，而且還和地層巖性結(jié)構(gòu)、土質(zhì)類型、水文地質(zhì)條件、固結(jié)歷史、壓縮性大小等相關(guān)。本文結(jié)合實際案例，首先對地面沉降出現(xiàn)的原因進行了分析，然后采用加強地基質(zhì)量評估、加固地基、加強地基監(jiān)測等措施對地質(zhì)災害進行防治。

關(guān)鍵詞：地面沉降；地質(zhì)災害；地層結(jié)構(gòu)

地面沉降主要是在人為因素和自然因素的影響下產(chǎn)生較大幅度的變化，由于長期對地下水進行過量開采，導致區(qū)域內(nèi)地下水持續(xù)降低并隨之出現(xiàn)了附加應力。一方面導致孔隙水壓力轉(zhuǎn)移到含水層骨架上，導致含水顆粒之間的應力增加，含水層排水壓密出現(xiàn)彈性變形；另一方面含水層底板黏性土中的結(jié)合水會滲入到含水層，使黏性土出現(xiàn)固結(jié)，出現(xiàn)永久變形或塑性變形，因此地面沉降主要是由于水資源過度開采和地質(zhì)條件不良共同作用下造成的。

1.工程概況

某地區(qū)總占地面積17512km²，是我國工業(yè)化程度比較高的地區(qū)，該地區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了嚴重的地面沉降。該區(qū)域主要為泥灰?guī)r、白云巖、灰?guī)r等，地貌結(jié)構(gòu)錯綜復雜、斷裂和褶皺租用強烈，基底地形非常復雜，存在多個發(fā)育軟土層和含水沙層，地質(zhì)歷史時期賦存了非常豐富的地下水。

2.地面沉降出現(xiàn)的原因

2.1人為因素

人為因素會造成地面沉降現(xiàn)象的發(fā)生。通過調(diào)查可知，地下水長期超負荷開采是造成地面沉降的主導因素。為了提高施工的成效性，對地下水的開采量不斷加大，甚至進行無節(jié)制地開采，使得地表沉降問題日益突出。該區(qū)地面沉降涉及面廣，而且沉降差異性較大，沉降量超過200mm的區(qū)域涉及五個鎮(zhèn)區(qū)。

2.2地質(zhì)因素

（1）地層結(jié)構(gòu)對地面沉降的不良影響。地層結(jié)構(gòu)會對地面造成一定的沉降影響。通常情況下地層結(jié)構(gòu)有兩種類型：①平原區(qū)。該地區(qū)平原區(qū)由于下伏基巖的深度較大，所表現(xiàn)出來的沉降分布較為均勻，對建筑物的影響也是較為緩慢式的整體均勻沉降。②基巖起伏區(qū)，與平原區(qū)存在很大的差異，基巖起伏區(qū)的下伏基巖會產(chǎn)生顯著地地面沉降現(xiàn)象，從而造成地表裂縫現(xiàn)象的發(fā)生。按照下伏基巖的差異性可將地面沉降分為孤潛山型、基巖山邊型、第四系不均勻沉陷型、巖溶塌陷型四種類型。

（2）地層巖性的影響。造成該區(qū)域地質(zhì)災害的主要因素是地層巖性。在工程施工中對地下水長期地過度開采是引發(fā)地下水下降的主要原因。地質(zhì)災害類型受到地質(zhì)條件的影響程度較大，災害的程度大小不僅與地下水位地下降深淺有關(guān)，而且還與地層結(jié)構(gòu)有著密不可分的聯(lián)系。一般而言，沉降嚴重的區(qū)域大多數(shù)為黏性土層較厚的地方，黏性土是地層中重要的壓縮層。黏性土的物理力學特征對沉降量的大小有著一定的影響力。對該地區(qū)原狀土的室內(nèi)壓縮試驗表明，黏性土的深度為10m以內(nèi)的，其超固結(jié)程度較高，而當黏性土的深度達到60m～90m時為正常狀態(tài)下的固結(jié)土。通過對圖1進行分析，可得出如下信息：①II承壓含水層頂板以上的黏性土是沉降易發(fā)生區(qū)域。②隨著黏土層沉降量的增加，土層厚度也會得到不同程度的增加。③土層的沉降量與物理力學性質(zhì)有關(guān)，超固結(jié)比越小，黏土的含水量也越高，而且孔隙比也會越大。

（3）固結(jié)歷史的影響。通過對該地區(qū)1989年～1997年的地下水位進行監(jiān)測分析可知，該地區(qū)地下水位呈現(xiàn)出明顯地下降趨勢，而且每年的沉降量也不同。假設(shè)地下水位地下降為不斷加荷的過程，而地下水位的上升則為卸荷的過程，圖2反映出正常固結(jié)土卸載一再壓縮過程，從圖2中可知在初始階段回彈曲線并未與加載曲線ah相重合，當卸載到0時，土樣的孔隙比還沒有完全恢復，這也充分說明了一部分土發(fā)生了壓縮變形現(xiàn)象，也叫作塑性變形，恢復原樣的土層被稱作彈性變形。對圖2進行分析可知土的再壓縮曲線明顯小于原壓縮曲線斜率，這點也表明土經(jīng)過再壓縮后，2018年第五期水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、工程地質(zhì)壓縮性能會顯著降低。對于欠固結(jié)土來說，隨著孔隙水的不斷消散，孔隙比也會不斷降低，土體壓密產(chǎn)生塑性變形，而對于超固結(jié)土來說，由于前期固結(jié)壓力已處于超密實狀態(tài)，因此地下水的降低不會對地表造成不良影響。地面沉降的變化幅度會隨著時間地推移而逐漸減少，最終處于平穩(wěn)狀態(tài)，換句話來說就是地面沉降是有一定限度的。

（4）土層含水性的影響。根據(jù)該地區(qū)土層含水情況看，“欠固結(jié)”土層被壓縮主要是因為弱含水層自身的“孔隙水”被釋放造成的，作為含水層持水的上下隔水層，如果其間夾著的含水層疏干、失水時，會使包含的地下水箱含水層滲透補給，靜水壓力會損失，使土層中骨架顆粒原本的應力狀態(tài)發(fā)生改變，導致顆粒之間的孔隙變小，使土體進一步壓密。

3.防治措施

（1）通過對全區(qū)所有地下水的統(tǒng)一規(guī)劃和管理，避免對地下水的盲目開采，定制完善的管理機制。

（2）通過長期有效的落實開采計劃，逐漸調(diào)整水資源結(jié)構(gòu)，逐步降低水資源的使用量。

（3）通過對城市建設(shè)項目的危害評估，對嚴重危害地下水的建設(shè)進行評估和審核。對建設(shè)項目嚴重荷載，對增大地面附加沉降的項目和潛在沉降的項目直接取消。

（4）路基軟土處理措施。對于分布的軟土路基，需要根據(jù)軟基的分布性質(zhì)、分布特點，對路基穩(wěn)定性和路基沉降進行驗算后，采取相應的軟基處理措施。

（5）橋位區(qū)域的軟土地基可以根據(jù)樁基四周堆載情況，考慮軟土段負摩阻作用，同時進行路基軟基和橋臺范圍軟基的處理措施。一般可以使用CFG樁、粉噴樁、管樁等軟基處理措施進行處理，采用這種方法進行處理可以有效避免產(chǎn)生過大的沉降差，避免橋臺跳車的發(fā)生概率。

（6）提高軟土路基沉降預警、觀測、預報等工作的管理力度，地基處理完成后要根據(jù)規(guī)范要求檢測施工質(zhì)量，一般可以選擇單樁負荷地基載荷試驗或鉆芯法對施工質(zhì)量進行檢查。

（7）在進行城鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)時，要將供水區(qū)域布置在遠離建設(shè)區(qū)或者水文地質(zhì)條件上對城鎮(zhèn)建設(shè)影響比較小的地段。當某個地區(qū)進行大量抽水后，雖然短期內(nèi)該地區(qū)不會出現(xiàn)地面沉降，但是受滯后效應的影響，經(jīng)過多年時間在完成沉降積累期后，土層會發(fā)生“質(zhì)”的變化，所以在對城鎮(zhèn)建設(shè)進行規(guī)劃時，要注意避開“質(zhì)變”期，對城鎮(zhèn)技術(shù)建設(shè)的周期和內(nèi)容進行合理的規(guī)劃，保證基礎(chǔ)建設(shè)工程的統(tǒng)一和穩(wěn)固。

（8）對含水層進行保護。要結(jié)合實際情況，對含水層實施存儲性保護，使用人工回灌的方法對含水層進行人為的修復和處理，從而保證某區(qū)域范圍內(nèi)地質(zhì)環(huán)境的穩(wěn)定。做好地下水開采的控制工作，對開采井的布局情況、開采層位、開采時間進行調(diào)整，科學地實施地下水開采，積極推廣地下水回灌，對地下水源進行及時的補充，對水位進行調(diào)節(jié)，保持儲量平衡。

（9）做好地下水動態(tài)監(jiān)測工作。地下水動態(tài)監(jiān)測工作是防治地質(zhì)災害的有效措施，可以將監(jiān)測得到的資料作為地下水資源開發(fā)利用的參考依據(jù)，在進行地下水動態(tài)監(jiān)測時，需在原有監(jiān)測網(wǎng)點的基礎(chǔ)上，進一步加密監(jiān)測點，并對監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化調(diào)整，對破損的監(jiān)測井進行修復，并對監(jiān)測點進行優(yōu)化和調(diào)整，從而提升周邊監(jiān)測的區(qū)域的服務(wù)水平，并建立地下水信息管理系統(tǒng)，動態(tài)化地進行地下水資源管理，實現(xiàn)在線沉降監(jiān)測。

（10）在地面沉降區(qū)域構(gòu)建基巖標，從而消除因原地面沉降引起高程失真的情況。此外，由于地面沉降會緩慢出現(xiàn)，在確定設(shè)計標高時，需考慮區(qū)域地面沉降產(chǎn)生的影響。

4.結(jié)論

綜上所述，地面沉降的出現(xiàn)需要同時具有可壓縮性土層和地下水持續(xù)下降兩個因素，兩者缺一不可，地面沉降不僅和地下水位下降有著比較大的聯(lián)系，而且和水文地質(zhì)條件、地層巖性結(jié)構(gòu)、土質(zhì)類型、土層厚度、固結(jié)歷史等有關(guān)，在對地面沉降進行控制時，除了考慮人為因素以外，還要考慮地面沉降造成的影響，從而更好地將地面沉降問題解決。