什么是地面沉降?关于地面沉降的详细介绍

创闻科学2020-11-17 12:27:01

地面沉降指在自然因素和人为因素影响下形成的地表垂直下降现象。导致地面沉降的自然因素主要是构造升降运动以及地震、火山活动等;人为因素主要是开采地下水和油气资源以及局部性增加荷载。自然因素所形成的地面沉降范围大,速率小;人为因素所引起的地面沉降一般范围较小,但速率和幅度比较大。一般情况下,把自然因素引起的地面沉降归属于地壳形变或构造运动的范畴,作为一种自然动力现象加以研究;而将人为因素引起的地面沉降归属于地质灾害现象进行研究和防治。

地面沉降的特征和分布规律

地面沉降是指某一区域内由于开采地下水或其它地下流体导致的地表浅部松散沉积物压实或压密引起的地面标高下降的现象,又称为地面下沉或地陷。从成因上看,绝大多数由地下水的超量开采所致,个别的有地壳运动、石油开采引发的,但同时都伴随有地下水过量开采的因素。

地面沉降的主要特点

(1)地面沉降的过程缓慢,短时间不易觉察,靠精密仪器才能发现这些微量的沉降,所以容易被人们忽视。

(2)在城市内因过量开采地下水引起的地面沉降,其波及的面积广。

(3)地面沉降具有不可逆性,就是用人工回灌办法也难使地面沉降的地面回复到原来的标高。

(4)具有阶段性和可控制性。比如上海地面沉降历经沉降明显、沉降加快、沉降剧烈、沉降缓和几个阶段。

地面沉降的分布规律

(1)世界地面沉降分布规律

地面沉降主要发生于平原和内陆盆地工业发达的城市以及油气田开采区。美国、意大利、日本、英国、俄罗斯、泰国等。

目前美国的大部分地区都发生了地面沉降,有些地区还相当严重。美国已经有遍及45个州超过44030平方公里的土地受到了地面沉降的影响,由此造成的经济损失更是惊人。仅在美国圣克拉拉山谷,由地面沉降所造成的直接经济损失,在1979年大约为1.31亿美元,而到了1998年则高达3亿美元。造成这一灾害的主要原因是由于含水层的压实、有机质土壤的疏干排水、地下采矿、自然压实、溶坑以及永冻土的解冻等。

意大利的威尼斯,素有“水都”之称,地面沉降非常严重,著名的市政府大楼罗内丹宫已下沉了3.18米。

(2)中国地面沉降分布规律

从规模(面积)和程度来看,以天津、上海、苏锡常、沧州、西安、阜阳、太原等市最为严重(最大累积沉降均在1m以上)。主要分布在:① 长江下游三角洲平原地区;② 河北平原;③ 环渤海地区;④ 东南沿海平原;⑤ 河谷平原和山间盆地及山前冲洪积扇。

地面沉降的危害及实例

地面沉降主要危害表现

地面沉降所造成的破坏和影响是多方面的,其主要危害表现为:地面标高损失,继而造成雨季地表积水,防泄洪能力下降;沿海城市低地面积扩大、海堤高度下降而引起海水倒灌;海港建筑物破坏,装卸能力降低;地面运输线和地下管线扭曲断裂;城市建筑物基础下沉托空开裂;桥梁净空减小,影响通航;深井井管上升,井台破坏,城市供水及排水系统失效;农村低洼地区洪涝积水,使农作物减产等。

地面沉降灾害会给城市建筑物、道路交通、管道系统及给排水、防洪等带来诸多困难。因此,城市地面沉降已被列为十大地质灾害之一。它具有生成缓慢、持续时间长、成因复杂和防治难度大等特点,其影响范围之广、治理难度之大远远超过了其它城市地质灾害。

我国地面沉降的实例

最新研究表明,中国已有七十多个城市发生了不同程度的地面沉降,沉降面积达六点四万平方公里,其中上海是中国地面沉降发生最早、影响最大、带来危害最严重的城市。据悉,上海自一九二一年发生地面沉降以来,至今沉降面积达一千平方公里,沉降中心最大沉降量二点六米。四十多年来,地面沉降给上海造成的经济损失高达千亿元人民币。

中国其他沉降中心最大沉降量超过二米的城市还有天津、太原、西安等,其中天津六成的地面发生沉降。

由国土资源部南京地质矿产研究所主持的《长三角地区地下水资源与地质灾害调查评价》日前完成。调查显示,由于过量开采地下水形成“地面沉降”,造成长三角地区经济损失近3150亿元。据悉,苏、浙、沪三省市地矿部门联手开展的此项调查,先后经历了4年时间,总投资超过2000万元。

江苏省经济最发达的苏锡常地区也是中国地面沉降最严重的地区之一。资料显示,该地区沉降面积已达五千七百平方公里,约占苏锡常平原面积的一半,沉降中心最大沉降量达二点八米。

中国科学院院士林学钰指出,过量抽取地下水、城市不合理建设是当前产生地面沉降最主要的原因,地面沉降会引发内涝加重、地表水环境恶化、地裂缝等危害。

地面沉降的形成机制和条件

形成机制

早期研究者提出了一些不同的观点,如新构造运动说、地层收缩说、自然压缩说、地面动静载荷说和区域性海平面上升说等。大量的研究证明,过量开采地下水是地面沉降的外部原因,中等、高压缩性粘土层和承压含水层的存在则是地面沉降的内因。因而,多数人认为沉降是由于过量开采地下水、石油和天然气、卤水以及高大建筑物的超量荷载等引起的。

在孔隙水承压含水层中,抽取地下水所引起的承压水位的降低,必然要使含水层本身及其上、下相对隔水层中的孔隙水压力随之而减小。根据有效应力原理可知,土中由覆盖层荷载引起的总应力是由孔隙中的水和土颗粒骨架共同承担的。

由于透水性能的显著差异,上述孔隙水压力减小、有效应力增大的过程,在砂层和粘土层中是截然不同的。砂层是“瞬时”完成的;而粘土层的压密过程却十分缓慢。

形成条件

从水文地质条件来看,疏松的多层含水层体系、水量丰富的承压含水层、开采影响范围内正常固结或欠固结的可压缩性厚层粘性土层等的存在,都有助于地面沉降的形成。从土层内的应力转变条件来看,承压水位大幅度波动式的持续降低是造成范围不断扩大累进性应力转变的必要前提。

(1)厚层松散细粒土层的存在是构成地面沉降的物质基础。

(2)长期过量开采地下流体: 地面沉降与开采地下液体引起水位或液压下降具有因果关系。

(3)新构造运动的影响:平原、河谷盆地等低洼地貌单元多是新构造运动的下降区,因此由新构造运动引起的区域性下沉对地面沉降的持续发展有一定的影响。例如,西安地面沉降区位于西安断陷区,由于西安断陷活动仍然存在,导致该地区地面沉降长期下沉。

(4)城市建设对地面沉降的影响:地铁、隧道、给排水工程、道路改扩建等造成地基以水平方向变形为主;基坑开挖、降排水、沉桩等造成地面以垂直方向变形为主。

地面沉降的监测与预防

地面沉降的监测

美国对地面沉降的监测采取了三种方法,即传统的监测、GPS监测、合成孔径干涉雷达监测。传统的地面沉降测量方法包括水准测量、基岩标和分层标测量。这些方法精度很高,但只能在比较小的范围内开展工作。对于大规模的区域地面沉降监测应该采用先进的全球定位系统(GPS)进行全方位的测量。GPS可借助于人造地球卫星进行三边测量定位。1996年美国地质调查局在圣克拉山谷河谷建起了地面沉降监测网,确定地面高程的变化情况,而且为与将来的监测结果进行比较建立了基准值。合成孔径干涉雷达监测是一种卫星遥感技术,可以敏感地监测出地面沉降的变化。

(1)在地面沉降区或研究区内布设水准测量点,定期进行测量,监测地面沉降;

(2)监测含水层地下水的抽排量、回灌量及地下水位的变化,观测地面沉降;

(3)用室内试验(常规试验、微观结构研究、高压固结、三轴剪切、长期流变、孔隙水压力消散、室内模型试验等)和野外试验(抽水试验、回灌试验、静力触探等),探索地面沉降发生、发展规律,并运用试验取得的数据进行经验性、理论性预测。

(4)在地面沉降区及其附近,设立相对沉降、孔隙水压力和基岩等标志,监测各岩土层和含水层的变形及地下水水位动态变化,以便深入研究其规律,为地面沉降监测提供依据。

地面沉降的预测

虽然地面沉降可导致房屋墙壁开裂、楼房因地基下沉而脱空和地表积水等灾害,但其发生、发展过程比较缓慢,属于一种渐进性地质灾害,因此对地面沉降灾害只能预测其发展趋势。目前地面沉降预测计算模型主要有两种:

(1)水土模型:水位预测模型和土力学模型两部分构成。

(2)生命旋回模型:主要从地面沉降的整个过程来考虑,直接由沉降量和时间之间的相关关系构成。

地面沉降的防治措施与成果

地面沉降的防治措施

(1)运用法规、行政管理手段。

运用法规、行政管理手段加强沉降区地下开采方面的统一管理,制定控制审批增打新井制度,倡导居民节约用水,压缩用水,严格控制地下水的开采量,达到用水与供需平衡,控制降落漏斗的扩展,如上海市。

(2)改变土地使用类型。

为了防止地面沉降,将土地使用由农业用地型向城市用地型转变,以降低需水强度,防止地下水位的进一步下降。佛罗里达州的泥沼区使用这种方法可以防止有机土的进一步分解,减缓有机质氧化的速度,使地面发生沉降的速度降低,地基更加稳定。

(3)用人工灌水方法补充地下水量,提高地下水位,缓和地面沉降速率。

(4)进行地下水的采、灌数学模型研究,从而指导城市的地下水合理开发利用。

为了满足供水和改善水质的要求,含水层存储和修复技术在美国各州得以广泛应用。在圣克拉拉山谷,目前需水量仍然很大,但由于地表水的引入,回灌得以实施,使得地下水抽汲量减少,从而防止了地下水位继续下降。另外,该区水资源管理局在当地的河流上建立了5个蓄水坝以收集雨水,这样增加了河水对流经区的地下水的补给。这个地区是美国第一个被发现也是第一个采取有效措施并在1969年前后终止了沉降地区。同样的情况还有亚利桑那州的中南部,通过引入科罗拉多河的河水,减少了地下水的需求强度,从而缓解了地面沉降。

(5)地面已发生沉降的城市,应在减少地下开采的同时,想法引调远方的客水,例如天津的引滦工程。新建城镇要尽量避开致灾区,先找到充足的水源后再规划城市,不得先建城市后寻找水源。

(6)做好沉降区建筑场地的选勘工作,尽量避开断层活动引起的差异沉降、载荷造成软弱地基的差异沉降、地震引起砂土液化的不均匀沉降等沉降区。

(7)在地面沉降区或易发生地面沉降的地区的建筑物高度不宜过高,高宽度比值适度。

防治地面沉降取得的成果

近年来上海依靠先进的监测系统,初步建立了地面沉降的预警预报机制,地面沉降防治取得了显著成效。二00六年上海平均地面沉降量为七点五毫米,比二000年下降了四点八毫米。上海市目前农业基本不使用地下水,规划到2010年,工业与乡镇企业地下水开采量降到2500万立方米/年,同时回灌量达到2500万立方米/年,加上对密集高大建筑物的规划限制和对建筑基坑排水治理等相关措施,届时年沉降速率计划控制在地质构造运动的最大范围5毫米内。

为控制地面沉降,我国有关部门进行了不懈的努力,并取得了一定的成效。江苏省2000年出台了苏锡常地区限期开采地下水的规定,经过几年的实践,地下水水位得到了回升,地面沉降速率减缓。

天津市1973年在1635平方公里范围内建立了精密水准监测网后,2005年监测布网面积达到了3850平方公里,水准监测点达到1624个,完成了国家级GPS一级网建设和沉降易发区二级网建设,并在全市范围内建立了10个分层标组和两个基岩标。

2002年6月,北京市地面沉降监测网站预警预报系统正式启动,使北京五区地面沉降基本得到了控制。