梁珍花 謝劍學

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

關鍵詞：地下水；開采；沉降；地裂縫；

中圖分類號： TV211 文獻標識碼： A

地面沉降作為一種緩變型地質災害，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)濟最發(fā)達、城市工業(yè)化程度較高的地區(qū)之一，隨著工程經(jīng)濟活動強度和規(guī)模的不斷擴大，地質災害頻繁發(fā)生，地質環(huán)境日趨惡化。其中在該地區(qū)分布最廣、影響最大的地質災害就是地面沉降。

1、城市地面沉降產生的原因

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)。其機理是:根據(jù)有效應力原理,飽和土體的自重應力由顆粒和孔隙水共同承擔,由土顆粒所承擔的那部分應力為有效應力。當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力等量增大。使土體被壓密并導致地面沉降。

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

有效應力原理: σ =σ′+μ

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

圖1：有效應力原理圖

有效應力原理表示研究平面上的總應力、有效應力與孔隙水壓力三者之間的關系，當總應力保持不變時,孔隙水壓力與有效應力可以相互轉化,即:有效孔隙水壓力減小等于有效應力的等量增加。

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),須進行基坑降(排) 水。但是,降水方案不當,會引起周圍地面沉降,導致此范圍內的建筑物、地下管網(wǎng)、道路及其它設施發(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理有多種: 如下

1.2.1由于孔隙水從土中排出,導致有效應力增加,地層固結沉降;

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,隨著抽水的不斷進行,空洞擴大,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，嚴重影響抽水。

2.4由于地面沉降、水準點失準，城市工程建設所需水準資料，需從地面未沉降區(qū)水準點引測，增大了水準測量的工作量。

2.5影響建筑物抗震能力，致使地震災害加重。

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，洪澇災害加劇[1]。

3 、蘇州地區(qū)地質特點與沉降現(xiàn)狀

3.2.地質結構的影響

蘇州地區(qū)基底巖性主要為石英砂巖、泥質石英砂巖、紫紅色粉砂質泥巖、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動，褶皺和斷裂作用強烈，構造錯綜復雜，凹陷和隆起相繼形成，基底地形極其復雜。該地區(qū)地質結構變化大，第四紀沉積物成因類型復雜，發(fā)育有多個含水砂層和軟土層，在地質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構變化也大，地面沉降易產生不均勻性差異沉降，導致地裂縫和地面塌陷災害發(fā)生。因此，同樣由于過量開采地下水所誘發(fā)的地質災害，在蘇州地區(qū)所造成的破壞性會更大、災害更嚴重。

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年代以后井數(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。目前深井數(shù)已達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60年代初，70年代日趨嚴重，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。產生這一現(xiàn)象的原因可能與粘性土層的壓縮有關

3.3地面沉降的時間效應

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上有很大差別。一般認為：當水位下降后，砂層的沉降是瞬時完成的。當水位從持續(xù)下降轉入反復升降時，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。

4、防治措施

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

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

(3)實行建設項目地質災害危險性評估制度。在城鎮(zhèn)建設規(guī)劃過程中，對于大規(guī)模城市建設活動，一方面應考慮建筑荷載增加所產生的新的附加沉降，另一方面應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條件、周圍建筑物的分布情況及地下管線性質及分布范圍,根據(jù)實際情況設計科學的降水方案與防范措施。如：

①在基坑工程降水中設置豎向止水帷幕,實施坑內降水;

②井點降水應連續(xù)運轉,盡量避免間歇和反復抽水造成的累加沉降;

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

5、結論

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，造成了日益嚴重的環(huán)境地質影響。在防治過程中,需要采取科學合理的技術措施，還需要設計與施工單位給予配合與支持,才能使其得到根本控制?，F(xiàn)在很多城市的地下水已經(jīng)受到了過度的抽汲，所以應根據(jù)對各地區(qū)的地下水抽汲可能會造成危害程度的預測評估，并考慮地下水資源的恢復、補給能力，將地下水開采管理劃分為禁采區(qū)、限采區(qū)和控采區(qū)或不同的保護區(qū)，進行分區(qū)開采。科學而有效的控制地下水的抽汲，對與地下水抽汲有關的工程項目進行合理的設計與施工，才是解決問題的根本辦法。

參考文獻：

1、張人權，梁杏，靳孟貴，萬力等，2011，水文地質學基礎。

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.

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，北京大學學報(自然科學版),第37卷,第4期.