地面沉降研究概述

地面沉降研究概述

從廣義上講，地面沉降是由自然因素或人為因素（和）引起的高度土壤損失引起的。自然因素包括構(gòu)造下沉、地震、火山活動、氣候變化、地應(yīng)力變化及土體自然固結(jié)等,因此,地面沉降應(yīng)是地質(zhì)歷史時期普遍存在的現(xiàn)象。人為因素指開采地下流體資源(油、氣、水),開采地下固體礦產(chǎn)(金屬礦、煤、鹽巖等),人為因素的地面沉降(本文不特別指出時均為此類沉降)最早于1898年在日本新瀉發(fā)現(xiàn),隨后普遍發(fā)生在20世紀(jì),尤其是其下半世紀(jì)。美國的地面沉降最早在加州薩克拉門托-圣卓阿金流域發(fā)現(xiàn),到1995年,美國50個州均有發(fā)生(年均地面沉降控制成本估計為4億美元)。我國最早于1921年在上海市區(qū)發(fā)現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象,目前我國共有70個城市或地區(qū)(包括臺灣)有地面沉降現(xiàn)象。聯(lián)合國教科文組織(UNESCO)于1964年認(rèn)識到地面沉降的嚴(yán)重性,因此,與國際水文科學(xué)協(xié)會已分別于1969,1976,1984,1991和1996年在日本東京、美國阿納海姆、意大利威尼斯、美國休斯敦和荷蘭的海牙共召開了5屆國際地面沉降會議,2000年9月在意大利的拉韋納(Ravenna)市舉行第六屆。我國分別于1964,1980,1988,1990和1998年在上海和天津召開了5屆全國性地面沉降學(xué)術(shù)討論會。近年來,我國的地面沉降程度和范圍還在進(jìn)一步地加深和加大,1998年的中國大洪災(zāi)已存在著地面沉降的加重影響?！熬盼濉逼陂g我國地面沉降研究也取得一些新的成就,但隨著我國經(jīng)濟(jì)近年來的大發(fā)展,也同時出現(xiàn)了一些新的地面沉降問題。1地面沉降的基本涵義地面沉降的原因很多,如上海采用甚長基線干涉儀(VLBI)的測量資料,得出該地區(qū)地殼趨勢性下降速率為1mm/a1,為構(gòu)造沉降;據(jù)分層標(biāo)監(jiān)測資料,上海的褐黃色表土層有明顯的季節(jié)性沉降問題,與氣候變化引起的沉降有關(guān);美國1956年在SanJoaquin谷對淺部黃土類土層的濕陷性沉降進(jìn)行了詳細(xì)的現(xiàn)場調(diào)查試驗,地表浸水6個月,15個月后地面總沉降量超過24cm,這是濕陷性沉降;近年來采礦地面沉降問題特別多,如我國97%的煤炭生產(chǎn)為地下開采,約2100萬畝土地已遭受到采礦沉降的影響;開采地下水、石油和天然氣引起的地面沉降問題更為普遍;美國在加州薩克拉門托-圣卓阿金三角洲Orwood,Sherman和Jersey島上對泥炭層沉降進(jìn)行了觀測,發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)氧化產(chǎn)生的沉降速率達(dá)0.5～1.1cm/a,這是有機(jī)質(zhì)氧化沉降問題;上海市自1990年以來又發(fā)現(xiàn)工程施工引起的地面沉降問題;淤泥質(zhì)軟土具有流動性,其側(cè)向流動也會產(chǎn)生地面沉降等等。地面沉降的原因這么多,那么地面沉降能遵循什么樣的總原理呢?這需要高度的概括。美國地質(zhì)調(diào)查局的G.l.Bertoldi先生對此作了非常有益的嘗試。他引進(jìn)了“地下支撐物(subsurfacesupport)”和“地面標(biāo)高損失(lossofsurfaceelevation)”的概念。地下所有能構(gòu)成對地面支撐的物質(zhì)都是地下支撐物。這里要注意的并不是所有的地下物質(zhì)都是地下支撐物,如飽氣帶中的空氣,但孔隙承壓水肯定是地面的地下支撐物之一,所以地下支撐物的認(rèn)定還要做具體的分析。如果把地面標(biāo)高作為一種資源來看待,地面標(biāo)高又能長期穩(wěn)定,那么這種地面標(biāo)高資源是可持續(xù)利用的。當(dāng)今世界上的大部分沿海低平地區(qū)是人口稠密的地方,其地面標(biāo)高資源十分有限,又是地面沉降的多發(fā)地區(qū),因此該地區(qū)地面標(biāo)高的嚴(yán)重?fù)p失直接威脅到人類的生存與可持續(xù)發(fā)展問題。G.l.Bertoldi認(rèn)為:“地面沉降是由于地下支撐物的移動導(dǎo)致的地面標(biāo)高損失?！惫P者認(rèn)為這是目前對地面沉降概念或原理的最新概括。2中國土壤沉降的監(jiān)測和研究2.1監(jiān)測方法的改進(jìn)與發(fā)展(1)GPS的應(yīng)用:在美國加州薩克拉門托,GPS測量已經(jīng)取代了區(qū)域性的地面標(biāo)高的水準(zhǔn)測量。1986年在該區(qū)建了38個GPS監(jiān)測站,1989年后達(dá)到了68個。采用最嚴(yán)格的測量程序,其大地高的精度可達(dá)到毫米級。上海經(jīng)過近兩年應(yīng)用AshtechZ12雙頻GPS信號接收機(jī)測定大地高,于1999年也取得了大地高精度達(dá)3mm的好成果2。其優(yōu)點是對于區(qū)域性地面沉降的大范圍監(jiān)測具有事半功倍的效果。上?，F(xiàn)正布設(shè)控制全市的區(qū)域性地面沉降GPS監(jiān)測網(wǎng)。在新一輪的國土資源大調(diào)查中,建立長江三角洲統(tǒng)一的地面沉降GPS監(jiān)測網(wǎng),是非常具有戰(zhàn)略意義的。(2)地下水位的自動化監(jiān)測:我國的地下水位自動記錄技術(shù)早在80年代就已經(jīng)成熟,但其應(yīng)用并不是很普遍,尤其在上?！，F(xiàn)在是信息化高速發(fā)展的時代,傳統(tǒng)的手工測量必須逐步被淘汰。上海已開始按規(guī)劃建立地下水位自動化觀測孔,數(shù)據(jù)能自動記錄、自動存儲、自動傳送。(3)分層標(biāo)的標(biāo)型改進(jìn)與自動化監(jiān)測:分層標(biāo)在全世界仍然是被普遍用于測量松散土層變形量的儀器設(shè)施。早期的分層標(biāo)保護(hù)管一般采用水泥管,如在五六十年代,后來發(fā)展到主要采用鑄鐵管。標(biāo)桿在早期采用井管代替,后采用鋼絲索,以后逐漸采用鋼管;發(fā)現(xiàn)鋼管的撓曲后,開始加扶正器。上海在新規(guī)劃的分層標(biāo)網(wǎng)絡(luò)實施過程中,對分層標(biāo)的設(shè)計做了較多的改進(jìn),突出的是寶塔式標(biāo)桿。分層標(biāo)也已采用更先進(jìn)的自動化監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行測量,數(shù)據(jù)能自動記錄、自動存儲、自動傳送。2.2系統(tǒng)的系統(tǒng)組成上海市地面沉降信息系統(tǒng)完成于2000年1月3。該系統(tǒng)由地面沉降信息庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、預(yù)測系統(tǒng)和圖形信息制作維護(hù)系統(tǒng)4部分組成。支撐該系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)為Windows95/98,Access,VisualBasic6.0,Visualc++6.0和MapGIS32等。該系統(tǒng)依照上海市地面沉降控制管理的日常操作流程設(shè)計,能夠進(jìn)行地面沉降數(shù)據(jù)資料信息管理、信息綜合分析處理、年度地下水采灌方案制定、地面沉降成果圖件制作等日常工作。2.3地質(zhì)環(huán)境條件上海市擁有1980年和1995年全市陸域范圍的地面水準(zhǔn)點高程資料,以此用計算機(jī)編繪了上海市1∶20萬地面沉降分布圖4,從而將上海地面沉降研究范圍從原來的中心城區(qū)和近郊區(qū)擴(kuò)大到了全市。在此基礎(chǔ)上,依據(jù)制約上海地面沉降發(fā)育的主要地質(zhì)環(huán)境條件——地下水資源豐富程度,編制了上海市地面沉降地質(zhì)環(huán)境圖;進(jìn)一步根據(jù)地面沉降的累積程度和災(zāi)害程度,編制了上海市1∶20萬地面沉降發(fā)育程度分區(qū)圖;再進(jìn)一步根據(jù)地面沉降預(yù)測成果,編制了上海市1∶20萬地面沉降危險程度分區(qū)圖。天津按地面沉降量編制了1959—1986年地面沉降災(zāi)害程度分區(qū)圖,提出并依據(jù)地面沉降致災(zāi)指數(shù)Z(地面沉降累積沉降量S減去地面沉降災(zāi)害成災(zāi)臨界沉降量S0(300mm)后與臨界沉降量之比),編制了天津市地面沉降災(zāi)害致災(zāi)強度指數(shù)等值線圖;提出并依據(jù)地面沉降災(zāi)害的破壞強度指數(shù)D(為Z與地面沉降災(zāi)害易損性指數(shù)Y之積),編制了天津市地面沉降災(zāi)害易損性分區(qū)圖。2.4國內(nèi)的地面沉降數(shù)值模型地面沉降預(yù)測計算模型可謂發(fā)展很多,但主要可分為兩大類:土水(或其它液體)模型(釋水(或液)壓密理論),多由水位預(yù)測模型和土層壓密模型構(gòu)成;生命旋回模型,直接由沉降量和時間的關(guān)系構(gòu)成。前者復(fù)雜,后者簡便。對于資料全面豐富的地區(qū),一般用前者,反之用后者。前者,國內(nèi)近年來研制的模型主要為準(zhǔn)三維地下水流耦合一維沉降數(shù)值模型5,6,另外有考慮流變特性的流固耦合地面沉降計算模型。同時,天津利用美國的MODFLOW與英國共同開發(fā)了IDP夾層排水軟件包,在此基礎(chǔ)上天津又做了進(jìn)一步的改進(jìn)。國內(nèi)的預(yù)測計算結(jié)果尚沒有達(dá)到三維可視化程度,美國已推出三維可視化MODFLOW。后者主要是90年代發(fā)展起來的,有泊松旋回模型、Verhulst生物模型和灰色模型。2.4天津地面沉降災(zāi)害損失評估目前,對地面沉降災(zāi)害損失評估理論方法漸趨成熟,有調(diào)查統(tǒng)計法、統(tǒng)計推斷法和關(guān)系計算法,評估內(nèi)容包括直接損失和間接損失兩大部分,間接損失與直接損失的比值現(xiàn)研究為10。以此方法對天津地面沉降災(zāi)害損失評估最為詳細(xì),自1959—1993年總損失評估為1896億元,其中直接損失為172億元,間接損失為1724億元;其次是蘇錫常三市,總損失評估每年為33億元,其中直接損失每年為3億元,間接損失每年為30億元。相比之下,1993年前對上海市地面沉降災(zāi)害損失評估尚不夠全面。2.5地下水采灌措施從上海市防治地面沉降的經(jīng)驗來看,地面沉降防治措施主要包括如下4方面:災(zāi)害治理措施、控沉措施、監(jiān)測研究措施和行政法規(guī)措施。災(zāi)害治理措施包括市區(qū)防汛墻建設(shè)(1956—1998年上海建成208km)和市區(qū)排澇泵站建設(shè)(1956—1996年建成161座,總排水能力969m3/s)?？爻链胧┌▔嚎s或限制地下水開采、地下水人工回灌、調(diào)整開采層次和制定年度地下水采灌方案。監(jiān)測研究措施包括對水準(zhǔn)點和分層標(biāo)的水準(zhǔn)測量、對地下水動態(tài)的長期觀測、水文工程地質(zhì)勘察及項目研究等。行政法規(guī)措施如《上海市深井管理條例》于1963年發(fā)布實施,《上海市管理蘇州河駁岸和防洪墻暫行辦法》也于1963年發(fā)布實施,《上海市地面沉降監(jiān)測設(shè)施管理辦法》于1996年8月發(fā)布實施等。1966—1995年的30a間上海市中心城區(qū)地面沉降僅12cm(4mm/a)是控制地面沉降效果的最好說明。80年代以來,上海市地面沉降洪災(zāi)已得到了有效防止,暴雨引起地面積水程度得到了減緩。針對上海近期處于新的地面沉降加快階段形勢,研究了進(jìn)一步控制上海地面沉降的措施7。從地下水開采總量、地下水分散開采(地區(qū)分散和層次分散)、地下水集中回灌(回灌總量、集中地區(qū)、集中層次和集中時間)及合理采灌比等研究了進(jìn)一步控沉的地下水采灌措施。針對上海市地下水資源總量較少而水質(zhì)較好的特點,提出將第四含水層優(yōu)質(zhì)地下水作為上海市飲用水開發(fā),同時又有利于地面沉降的控制。對于施工引起的地面沉降問題,提出要加強工程建設(shè)施工的監(jiān)督管理。對地面沉降災(zāi)害的防治,建立黃浦江河口擋潮閘是具有現(xiàn)實意義的。另外要盡早出臺《上海市地面沉降防治管理辦法》。3新的地面沉降研究3.1非離公羅流體時空分布特性上海市淤泥質(zhì)軟土的沉降特點為:(1)呈持續(xù)沉降狀態(tài),沉降速率達(dá)2.9～5.7mm/a;(2)占總沉降量的30%～60%;(3)無論含水層抽水或灌水,其孔隙水壓力基本不變;(4)離黃浦江越近,沉降量越大。這些特點早在70年代就受到了有關(guān)專家的注意,并用次固結(jié)、蠕動、流變等觀點進(jìn)行過探討,但均沒有得到令人滿意的結(jié)果。筆者曾注意到了淤泥質(zhì)軟土的流體流動特性,并用它從理論上解釋了淤泥質(zhì)軟土在黃浦江兩岸沉降量較大的原因,但還需要得到實測驗證,值得投入一定的實測工作量進(jìn)行證實。淤泥質(zhì)軟土埋藏較淺,其地質(zhì)環(huán)境變化較大,受到的人為影響因素也較多,其地面沉降的原因自然復(fù)雜。淤泥質(zhì)軟土的厚度并不大,但所產(chǎn)生的沉降量較大,對部分地區(qū)的控沉?xí)a(chǎn)生較大的影響,這是擺在我們面前要研究解決的問題之一。3.2均沉降速率上海的深部土層埋深在150～300m左右范圍內(nèi),主要由第四、五含水層組成。1991—1996年平均沉降約27.7mm,速率4.6mm/a,約占地面沉降的45.2%,與前25a相比,每年增加4.1mm。同期地下水開采每年增采0.43億m3,地下水位下降速率達(dá)1.31～3.37m/a。1996年以來深部土層沉降又有新的增加,年沉降量已達(dá)cm級,因此,深部土層的沉降規(guī)律應(yīng)做進(jìn)一步的研究。3.3工程施工問題20世紀(jì)90年代以來,工程性沉降問題已越來越多,一方面對工程建成后的運營產(chǎn)生影響,另一方面也對區(qū)域性地面沉降產(chǎn)生了影響,如黃浦江大橋工程、隧道工程、地鐵工程、高大建筑工程、高速公路等在運營過程當(dāng)中越來越明顯地受到地面沉降問題的影響。工程性沉降問題包括工程施工引起的周圍地面沉降問題、基礎(chǔ)沉降問題、建成后運營過程當(dāng)中的沉降問題、差異沉降問題以及區(qū)域地面沉降對工程的影響問題等。水平延伸較長的長距離工程遇到的沉降問題將比較多、比較復(fù)雜,治理難度大。利用軟基礎(chǔ)的大型工程設(shè)計、施工及運營均應(yīng)考慮沉降問題,并且要進(jìn)行系統(tǒng)的沉降觀測,同時要加強這方面的課題研究。3.4角洲地面沉降災(zāi)害的系統(tǒng)性主要由上海、蘇錫常和杭嘉湖組成的長江南岸三角洲平原,面積只有3萬km2,僅占全國面積的0.3%,但產(chǎn)生的國民生產(chǎn)總值卻占全國的15.3%(蔣承菘副部長語)?？墒?地面沉降卻是這一地區(qū)在高速發(fā)展過程中所面臨的共同的嚴(yán)重環(huán)境地質(zhì)問題,其嚴(yán)重性體現(xiàn)在:(1)蘇錫常和杭嘉湖的地面沉降災(zāi)害比上海發(fā)展得更快,世界上,采油采水沉降一般要達(dá)30a以上的時間才會產(chǎn)生嚴(yán)重的地面沉降災(zāi)害問題,上海約要了35a,而蘇錫常和杭嘉湖從60年代初發(fā)生地面沉降到90年代初已出現(xiàn)地面沉降災(zāi)害現(xiàn)象卻不足30a。(2)蘇錫常出現(xiàn)了更為嚴(yán)重的地裂縫問題,如江陰市河塘鎮(zhèn)1995年底到1996年初發(fā)生的地裂縫,縫長450m,縫寬3～6cm,縫深6～9m。③防汛壓力不斷加重,地面標(biāo)高一般只有2～3m,環(huán)太湖地區(qū)水閘擋水壩已攔不住3.5m警戒水位,上海還要遭受風(fēng)暴潮的嚴(yán)重威脅。長江三角洲地面沉降的系統(tǒng)性主要體現(xiàn)在:①地質(zhì)條件的統(tǒng)一性,屬于同一個三角洲地質(zhì)單元,水文工程地質(zhì)條件基本一致,地下水系統(tǒng)總屬共同的一個;②都屬于太湖流域的范疇,在防汛問題上也具有統(tǒng)一性。但是,這一地區(qū)卻在行政上隸屬于3個省市,這就容易導(dǎo)致對地面沉降和地下水的管理、監(jiān)測、研究和控制上的不統(tǒng)一和不協(xié)調(diào)問題。3.5對國內(nèi)抗洪堤設(shè)施的影響美國地質(zhì)調(diào)查局1995年提出的美國地面沉降最新研究計劃共有5項,其中第2項就是要評價地面沉降對美國全國性基礎(chǔ)設(shè)施的影響,那么地面沉降是否已經(jīng)對我國的全國性基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生了影響呢?全國性的基礎(chǔ)設(shè)施主要有鐵路、高等級公路、大江大河防汛堤等。從1998年中國大洪災(zāi)可看出,地面沉降已經(jīng)對我國大江大河防汛堤的防洪能力產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。沙市、武漢、哈爾濱和大慶等城市和地區(qū)是我國1998年夏季特大洪水的重災(zāi)地區(qū),而這些地區(qū)實際上已存在地面沉降問題多年。這些地區(qū)的地面沉降原因主要是采油采水和構(gòu)造沉降。地面沉降導(dǎo)致了沙市洪峰水位超過歷史記錄的假象。地面沉降因為降低了這些地區(qū)的防汛堤高度而使其防洪能力嚴(yán)重降低,從而加重了1998年中國大洪災(zāi)。這一現(xiàn)象警示我們:地面沉降已經(jīng)影響到我國的全國性防汛基礎(chǔ)設(shè)施。對其它基礎(chǔ)設(shè)施的影響盡管還沒見報道,但應(yīng)引起足夠重視,尤其是地裂縫。應(yīng)盡快組織地面沉降對全國性基礎(chǔ)設(shè)施影響的調(diào)查評價。3.6衛(wèi)星孔徑雷達(dá)干涉資料研究根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局S.A.