薛天祥，沈春勇，陳潤澤

（中國電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽 550081）

1 引言

地面沉降是城市中常見的地質(zhì)災(zāi)害，在人類建設(shè)活動(dòng)及自然環(huán)境的共同作用下，地殼表層土體出現(xiàn)了不同程度的沉降現(xiàn)象，導(dǎo)致不同地區(qū)地面的高度有所下降，形成了難以逆轉(zhuǎn)的地質(zhì)問題。通常情況下，地面沉降的共有表現(xiàn)為持續(xù)時(shí)間較長，發(fā)展比較緩慢，區(qū)域影響較大，產(chǎn)生的原因復(fù)雜和治理問題多等，沉降的長期存在對(duì)城市建設(shè)、交通運(yùn)輸、資源調(diào)度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居住環(huán)境造成了巨大的威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)已有90 多個(gè)地區(qū)或城市出現(xiàn)了不同層次及深度的地面沉降，這些區(qū)域中，以上海為代表的長江三角洲、以天津?yàn)榇淼娜A北平原、以西安為代表的汾渭盆地是地面沉降的典型代表區(qū)域[1]。目前，我國沉降發(fā)生嚴(yán)重的城市有北京、天津、唐山、西安、太原、大同、滄州、臺(tái)北等。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，天津塘沽的最大沉降量已達(dá)3.1 m，其中，累計(jì)地面沉降量超過0.2 m 的總面積超過7.9×104km2，并且存在進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)[2]。

目前，很多學(xué)者開展了一系列的地面沉降分析工作，地面沉降的治理工作也有了一定成效，但未能有效控制其繼續(xù)惡化的趨勢(shì)，面對(duì)如此嚴(yán)峻的沉降問題，日后的研究工作開展仍十分困難[3]。隨著地面沉降問題的日益嚴(yán)重，為防止地面沉降導(dǎo)致巨額損失，有必要對(duì)此展開深入研究。因此，本文全面論述了地面沉降的監(jiān)測(cè)技術(shù)及治理措施等，對(duì)研究人員開展地面沉降防治工作具有一定的參考意義。

2 地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)分析

因地面沉降監(jiān)測(cè)范圍有所差異，監(jiān)測(cè)技術(shù)包括大范圍監(jiān)測(cè)技術(shù)和小范圍監(jiān)測(cè)技術(shù)[4]。大范圍監(jiān)測(cè)技術(shù)通常包括全球定位系統(tǒng)（GPS）、合成孔徑干涉雷達(dá)（InSAR）、分布式光纖傳感技術(shù)以及水準(zhǔn)測(cè)量等。GPS 監(jiān)測(cè)技術(shù)是利用人造衛(wèi)星對(duì)一個(gè)指定的測(cè)量地點(diǎn)進(jìn)行三邊測(cè)量定位，根據(jù)測(cè)量定位獲得的地面高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)地面沉降監(jiān)測(cè)[5]。InSAR 監(jiān)測(cè)技術(shù)是沉降監(jiān)測(cè)的先進(jìn)技術(shù)，通過對(duì)固定點(diǎn)測(cè)得干涉圖像和波形信號(hào)，模擬出測(cè)量點(diǎn)的三維模型特征，然后比較SAR 圖像的相位差獲得干涉條紋，進(jìn)而得出測(cè)量點(diǎn)高程數(shù)據(jù)的變化，達(dá)到沉降監(jiān)測(cè)目的[6，7]。多年以來，分布式光纖傳感技術(shù)已成為國際區(qū)域光纖通信成果中新型的研究方法，通過使用先進(jìn)的光時(shí)域反射儀（OTDR），把光纖當(dāng)作傳感元件，發(fā)揮其在傳輸過程中的介質(zhì)特性，研究光纖在各個(gè)區(qū)域的溫度和應(yīng)變分布規(guī)律，完善沉降監(jiān)測(cè)方法。小范圍監(jiān)測(cè)技術(shù)包括常見的水準(zhǔn)測(cè)量、基巖標(biāo)及分層標(biāo)等方法。其中，水準(zhǔn)測(cè)量也被稱作幾何水準(zhǔn)測(cè)量，該方法是通過水準(zhǔn)尺和水準(zhǔn)儀2 種儀器來測(cè)量地面上不同點(diǎn)之間的高差關(guān)系，保證在某個(gè)區(qū)域內(nèi)沉降監(jiān)測(cè)能得到滿足要求的監(jiān)測(cè)精度[8]。分層標(biāo)和基巖標(biāo)監(jiān)測(cè)技術(shù)則將基巖面作為水準(zhǔn)點(diǎn)，采用埋設(shè)分層標(biāo)和基巖標(biāo)的方式得到各土層壓縮（膨脹）量等數(shù)據(jù)，經(jīng)分析求解各個(gè)土層的變形量和地面沉降量[9]。現(xiàn)有常用的地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)見表1。

表1 現(xiàn)有常用的地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)

目前的監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)將監(jiān)測(cè)目標(biāo)最大化，在各種監(jiān)測(cè)技術(shù)里面，水準(zhǔn)測(cè)量自動(dòng)化集成過程難度大，很難達(dá)到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息化的要求；GPS 和InSAR 監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度常常與各農(nóng)作物等因素相關(guān)，且監(jiān)測(cè)所需費(fèi)用多；分布式光纖技術(shù)仍在積極的研發(fā)與試驗(yàn)過程中；分層標(biāo)和基巖標(biāo)存在著傳感密度較低、分析數(shù)據(jù)不足和實(shí)際操作存在難度等問題。

3 地面沉降預(yù)測(cè)與監(jiān)測(cè)

3.1 地面沉降預(yù)測(cè)

目前，國內(nèi)外通常采用灰色理論和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法來預(yù)測(cè)地面沉降[10]。其中，基于灰色理論的預(yù)測(cè)方法，在預(yù)測(cè)上海路家嘴地區(qū)的沉降過程中，唐益群和王寒梅通過建立非等時(shí)距GM（1，1）①GM（1,1），即灰色動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，G 表示Grey（灰色）；M 表示Model（模型）；GM（1，1）表示1 階的、1 個(gè)變量的模型。模型對(duì)沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析表明，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大致相同，預(yù)測(cè)結(jié)果能達(dá)到精度要求。通過研究天津市區(qū)地面沉降的分布規(guī)律，李濤和潘云[11]等將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理運(yùn)用到研究中，成功預(yù)測(cè)了天津市區(qū)年度沉降情況。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法常用于地面沉降上下浮動(dòng)較大的情況，當(dāng)?shù)孛娉两蹈?dòng)較小、穩(wěn)定且均勻時(shí)，通過灰色理論來進(jìn)行預(yù)測(cè)。地面沉降的產(chǎn)生與多種形成機(jī)制息息相關(guān)，二者之間需求解復(fù)雜的非線性問題，因此，為了準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)地面沉降出現(xiàn)的可能性，并有效防止災(zāi)害發(fā)生，采用正確的預(yù)測(cè)方法和建立合適的預(yù)測(cè)模型是十分重要的。

3.2 地面沉降監(jiān)測(cè)

隨著地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的逐漸加快，全球定位系統(tǒng)（GPS）已得到大力的推廣，區(qū)域性水準(zhǔn)測(cè)量慢慢被替代。例如，針對(duì)日本新瀉等區(qū)域的沉降情況，日本的Hiroshi[12]通過使用GPS 技術(shù)，通過量測(cè)結(jié)果描繪沉降過程變化圖。1960 年早期，結(jié)合多種防治方法的治理效果，上海市鋪設(shè)了沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[13，14]，緩解了地面沉降的危害。美國也將InSAR 監(jiān)測(cè)技術(shù)作為重點(diǎn)研究對(duì)象。1990 年以后，隨著大面積的城市建設(shè)，高層建筑荷載逐漸加大，城市周邊地下水利用增多，從而導(dǎo)致中心位置在建設(shè)過程中出現(xiàn)新沉降并快速發(fā)展。目前，為實(shí)現(xiàn)長江三角洲沉降情況的全面監(jiān)測(cè)，上海市鋪設(shè)了信息系統(tǒng)（LSIS）以及GPS 監(jiān)測(cè)網(wǎng)，通過分析地面沉降圖件成果，實(shí)時(shí)跟蹤地面沉降變化進(jìn)程。

4 地面沉降治理措施

4.1 加強(qiáng)組織管理和協(xié)調(diào)

我國部分地區(qū)通過建立專有的管理部門，重點(diǎn)關(guān)注地面沉降的防治工作，落實(shí)減輕地面沉降災(zāi)害所需要的費(fèi)用。雖然部分地區(qū)開始規(guī)劃地質(zhì)災(zāi)害防治方法，并編制相關(guān)工作大綱，但針對(duì)沉降所開展的專項(xiàng)規(guī)劃仍然較少，難以整合地面沉降防治工作的多方資源。因此，應(yīng)針對(duì)不同的城市特點(diǎn)，結(jié)合城市規(guī)劃實(shí)際情況，編寫適用于不同地面沉降問題的治理規(guī)劃。同時(shí)，需要有法律法規(guī)推進(jìn)地面沉降的防治規(guī)劃工作順利開展，給實(shí)際實(shí)施過程提供支撐依據(jù)和效果保障。尤其是多職能部門（如國土、環(huán)保、水利等）交叉配合的區(qū)域，存在協(xié)調(diào)和管理難度較大的問題，急需建立法律法規(guī)來保障防治工作實(shí)施。

建立健全立法工作是加速各區(qū)域和城市沉降防治規(guī)劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以將沉降防治工作納入法制化管理。當(dāng)發(fā)生大范圍的地面沉降時(shí)，常涉及多個(gè)區(qū)域，僅僅通過單個(gè)行政區(qū)域采取措施難以達(dá)到防治效果。因此，各區(qū)域之間的有效協(xié)調(diào)和配合顯得尤為關(guān)鍵，需加強(qiáng)各區(qū)域的聯(lián)合調(diào)度，靈活管理各區(qū)域的協(xié)同工作。為了給地面沉降的防治措施提供科學(xué)的參考依據(jù)，仍需搭建全面的沉降防治網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并動(dòng)態(tài)觀測(cè)地面形態(tài)變化和地下水的活動(dòng)情況。

4.2 統(tǒng)籌地表水和地下水

通過統(tǒng)計(jì)多個(gè)地面沉降數(shù)據(jù)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，過度利用地下水是引起地面沉降的主要原因，因此，要合理規(guī)劃地下水資源使用。統(tǒng)一調(diào)查城市的生產(chǎn)井網(wǎng)，在滿足地面沉降控制的最低標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，對(duì)城市可利用資源的情況進(jìn)行分析，計(jì)算出實(shí)際開采量，依托統(tǒng)計(jì)的可利用資源量統(tǒng)一調(diào)度已有生產(chǎn)井網(wǎng)。為防止二次污染的發(fā)生，在地下水資源使用后，應(yīng)當(dāng)立刻回灌。例如，雨季合理儲(chǔ)存地表水資源，淡季合理使用自來水，并將使用后剩余部分的水回灌地下。針對(duì)水資源缺乏的區(qū)域，要統(tǒng)籌建設(shè)區(qū)域的供水工程。

4.3 防護(hù)措施

地面沉降常常會(huì)導(dǎo)致工程建筑出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象，因沉降區(qū)域的地面標(biāo)高不斷下降，引發(fā)海水入侵內(nèi)陸、積蓄洪水出現(xiàn)洪澇等次生災(zāi)害。為解決沉降的次生災(zāi)害，通常采用的治理方法有新修或者加高、加固防洪堤、防潮堤、防洪閘等，以輔助河道的疏導(dǎo)疏浚等措施，并通過新建排洪排澇建筑物、抬高建設(shè)區(qū)域高度、提高地下管網(wǎng)的強(qiáng)度及剛度等方式來緩解危害。在實(shí)際城鎮(zhèn)建設(shè)中從源頭防治地面沉降，應(yīng)統(tǒng)一規(guī)劃水資源的調(diào)配，嚴(yán)格把控自然環(huán)境與水環(huán)境的適應(yīng)性和協(xié)同性，避免盲目開采固體礦產(chǎn)、地下水等地下資源，保證各區(qū)域地質(zhì)環(huán)境及條件的穩(wěn)定性。在項(xiàng)目規(guī)劃期間，新建或者擴(kuò)建項(xiàng)目中如果出現(xiàn)對(duì)沉降較敏感的區(qū)域，建議最好遠(yuǎn)離地面沉降嚴(yán)重的區(qū)域，對(duì)可能發(fā)生沉降的危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)予以關(guān)注。原則上，應(yīng)將城鎮(zhèn)供水區(qū)域布置在離工程建設(shè)區(qū)較遠(yuǎn)的位置，考慮布置在地質(zhì)及水文條件上對(duì)建筑物影響不大的區(qū)域，以免帶來不必要的問題。

5 結(jié)語

地面沉降的發(fā)生過程是不可逆的，一旦形成便難以恢復(fù)。通過大量的研究及資料分析發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)重的地面沉降及其造成的災(zāi)害將對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市建設(shè)、交通運(yùn)輸、環(huán)境保護(hù)和人民生活造成巨大影響。本文對(duì)地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)、預(yù)測(cè)方法及治理措施進(jìn)行了深入的研究，指出為減少地面沉降帶來的危害，需全面、綜合地對(duì)不同區(qū)域的地面沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理，并對(duì)地面沉降治理措施展開基礎(chǔ)理論和應(yīng)用實(shí)踐研究，并統(tǒng)籌規(guī)劃城鎮(zhèn)建設(shè)，加強(qiáng)地面形態(tài)的長期觀測(cè)及源頭防治，為科學(xué)制定沉降治理措施提供依據(jù)。