地面沉降自然因素和社會因素以及沉降監測解決方案
地面沉降是在自然和人爲因素作用下(xià),由于地殼表層土體(tǐ)壓縮而導緻區域性地面标高降低的一(yī)種環境地質現象,是一(yī)種不可補償的永久性環境和資(zī)源損失。地面沉降具有生(shēng)成緩慢(màn)、持續時間長、影響範圍廣、成因機制複雜(zá)和防治難度大(dà)等特點,是一(yī)種對資(zī)源利用、環境保護、經濟發展、城市建設和人民生(shēng)活構成威脅的地質災害。
地面沉降發生(shēng)的原因主要有兩個方面, 即自然因素和社會因素。
一(yī)、地面沉降發生(shēng)的自然因素
自然因素是地面沉降發生(shēng)的先決條件, 是内因，主要包括地層岩性、構造運動、全球氣候轉暖等。
地層岩性對地面沉降的影響
存在壓實壓密型地面沉降的岩層。
存在塌陷型沉降的地層。
存在有機土變質型沉降的地層。
存在引發軟化型沉降。
1、構造運動對地面沉降的影響
一(yī)百萬年以來的新構造運動是一(yī)種強大(dà)的自然力量。升降運動是新構造運動中(zhōng)的一(yī)種構造運動形式, 地層的垂向升降, 直接引起局部地面下(xià)沉。強烈地震是新構造運動的一(yī)種突發事件, 在短期内可以引起變幅較大(dà)的區域性地面垂直變形, 也可使軟土地基震陷和古河道新近沉積土液化, 導緻區域性地面沉降。強烈地震, 尤其是海底火(huǒ)山爆發, 可引起海平面上升, 導緻地面相對下(xià)降。
2、氣候變化對地面沉降的影響
全球性氣候轉暖是一(yī)種強大(dà)的自然力量。目前地球正處于間冰期, 全球氣溫呈上升趨勢。人類燃燒大(dà)量的石化燃料而形成的“ 溫室效應” 加劇了氣溫的上升。這種全球性氣溫升高, 一(yī)是導緻冰川融化, 引起海平面上升；二是導緻凍土層液化。二者均能導緻地面下(xià)降。
二、地面沉降發生(shēng)的社會因素
地面沉降現象與人類活動密切相關。現在我(wǒ)們研究地面沉降的原因時,不難發現,人爲因素已大(dà)大(dà)超過了自然因素。尤其是近幾十年來,人類過度開(kāi)采石油、天然氣、固體(tǐ)礦産、地熱、地下(xià)水等地下(xià)資(zī)源,使貯存這些固體(tǐ)、液體(tǐ)和氣體(tǐ)的沉積層的孔隙壓力發生(shēng)趨勢性的降低,有效應力增大(dà),從而導緻地層的壓密。
直接導緻了今天全球範圍内的地面沉降。人爲的地面沉降廣泛見于一(yī)些大(dà)量開(kāi)采地下(xià)水的大(dà)城市和石油或天然氣開(kāi)采區。地面沉降主要由抽水作用形成,但又(yòu)與軟土層的厚度、地殼下(xià)沉,以及高層建築等因素密切相關。
造成我(wǒ)國地面沉降的成因,主要是地下(xià)水的長期超量開(kāi)采,同時,第四紀以來的的活動斷裂和構造沉降,加劇了這一(yī)災害的發生(shēng)和危害。
1、超采地下(xià)水引起地面沉降
由于大(dà)量開(kāi)采深層地下(xià)水,引起孔隙水壓力降低和有效應力增大(dà),緻使含水層被壓縮,顆粒接觸面積增大(dà),孔隙度減小(xiǎo)并釋水,産生(shēng)彈性變形,其沉降量一(yī)般相當粘性土壓縮率的15% ,當含水層中(zhōng)的水壓恢複後,骨架則複原,隻形成暫時性地面沉降。粘性土層孔隙度大(dà),孔隙微小(xiǎo),主要含結合水,當含水層與粘性土層之間的水頭差足以克服水與顆粒之間的結合力時,水便從粘性土層中(zhōng)排出。
釋水時孔隙壓縮,使粘土礦物(wù)顆粒接觸面積增大(dà),顆粒間發生(shēng)相對位移,孔隙結構被破壞而發生(shēng)塑性形變。當含水層中(zhōng)水壓恢複後,隻能使粘性土層被壓縮的孔隙中(zhōng)水壓升高,而不能使孔隙度和儲容水量恢複到初始狀态,形成永久性地面沉降。
2、大(dà)規模開(kāi)采固體(tǐ)礦産
固态礦産是經濟社會發展的重要物(wù)質基礎。随着經濟社會的快速發展, 對固态礦産的需求量也越來越大(dà)。大(dà)規模開(kāi)采固态礦産背後, 留下(xià)成片的采空區, 由于開(kāi)采後的充填技術有缺陷或經濟利益的驅動沒有采取采後充填措施, 常常引起礦坑塌頂造成地面沉降。
3、開(kāi)采油氣資(zī)源引起地面沉降
在油氣田區,開(kāi)采油氣資(zī)源也會引起地面沉降。根據大(dà)港油田的有關資(zī)料, 2500m以下(xià)普遍出現了欠壓密地層,當油氣開(kāi)發後,必将使流體(tǐ)壓力降低,固體(tǐ)顆粒有效應力增加,使地層進一(yī)步固結壓密,從而引起地面沉降。因此,石油天然氣的開(kāi)采也是引起油氣田區地面沉降的因素之一(yī)。
4、開(kāi)采地熱引起地面沉降
沿海某些地區蘊藏有地熱資(zī)源,地下(xià)熱水開(kāi)采量逐年增加,抽取地下(xià)熱水引起水位下(xià)降,地層内孔隙水壓力減少有效應力增加,必然引起地層進一(yī)步壓實而導緻地面沉降。
5、大(dà)量開(kāi)掘地下(xià)工(gōng)程
人類爲滿足自身需求大(dà)量開(kāi)挖隧道、防空洞、地下(xià)鐵路、地下(xià)停車(chē)場、地下(xià)商(shāng)城等地下(xià)工(gōng)程, 在這些工(gōng)程開(kāi)挖前, 首先要工(gōng)程排水, 引發含水層的壓實壓密和地面沉降。地下(xià)工(gōng)程開(kāi)挖過程中(zhōng), 常因加固、支護技術不過關, 導緻塌陷和地面沉降。
6、大(dà)面積增加地面堆載
由于地面空間的有限性或經濟發展的需要, 人類使建築向空中(zhōng)發展, 重大(dà)高層建築林立或由于調整水資(zī)源供需矛盾, 修建大(dà)型水庫等蓄水工(gōng)程。這些大(dà)面積的地面堆載, 給地基施加了巨大(dà)的靜荷載, 使地基發生(shēng)壓密變形, 引發地面沉降。
三、地面沉降的預測、監測與防治措施
地面沉降的預測
國内外(wài)有關地面沉降的預測方法很多，主要有模糊神經網絡、灰色理論等當沉降均勻平穩時，宜采用灰色預測，當沉降波動較大(dà)時，宜采用人工(gōng)神經網絡預測。沉降是一(yī)個受多方面因素影響的複雜(zá)過程，其影響因素與沉降之間存在複雜(zá)的非線性關系，正确選擇預測方法和建立相應的模型，對于精确的預測沉降和防止事故的發生(shēng)顯得尤爲重要。
地面沉降的監測
地面沉降的監測項月主要有大(dà)地水準測量、地下(xià)水動态監測、地表及地下(xià)建築物(wù)設施破壞現象的監測等。監測的基本方法是設置分(fēn)層标、基岩标、孔隙水壓力标、水準點、水動态監測網、水文觀測點、海平面預測點等。
定期進行水準測貸和地下(xià)水開(kāi)采量、地下(xià)水位、地下(xià)水壓力、地下(xià)水水質監測及地下(xià)水回灌監測，同時開(kāi)展建築物(wù)和其他設施因地面沉降而破壞的定期監測等。根據地面沉降的活動條件和發展趨勢，預測地面沉降速度、幅度、範圍及可能産生(shēng)的危害。
追蹤監測：地面沉降現象發生(shēng)地區設施變形破壞情況的追蹤監測，如标高損失造成的海水倒灌、港口及堤防工(gōng)程失效、測繪标志(zhì)失效、橋梁和庫房淨空減少、汛期排洩不暢造成積水、内澇；不均勻下(xià)沉造成道路和房屋開(kāi)裂變形、各種井管上升、傾斜、損壞等。
專項監測：各監測網的專項監測包括地面沉降或回彈量測定，地下(xià)水水位、水量的動态變化等；
分(fēn)層監測：水準測量和應用GPS 測量監測地面沉降量的大(dà)小(xiǎo)，分(fēn)層監測含水系統各主要層位的沉降量和孔隙水壓力變化量。
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2022年10月
