張海濤 （江漢大學(xué)數(shù)字建造與爆破工程學(xué)院，湖北 武漢 430056）

0 前言

1988年聯(lián)合國(guó)成立了“國(guó)際減輕自然災(zāi)害十年”指導(dǎo)委員會(huì)，其特設(shè)的國(guó)際專家組將人類所要應(yīng)對(duì)的各類災(zāi)害定義為“災(zāi)害是指自然發(fā)生或人為產(chǎn)生的，對(duì)人類和人類社會(huì)具有危害后果的事件與現(xiàn)象”?？梢姡瑸?zāi)害應(yīng)該具有四個(gè)明顯特征：一是社會(huì)性，即災(zāi)害的人類社會(huì)范圍；二是危害性,即災(zāi)害對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害并且其破壞力超過了人類社會(huì)的承受能力；三是突發(fā)性，災(zāi)害本身有突發(fā)災(zāi)害和緩發(fā)災(zāi)害之分，但緩發(fā)災(zāi)害由于演變發(fā)展周期長(zhǎng)，并且一般具有統(tǒng)計(jì)意義上的可預(yù)報(bào)性，人類社會(huì)對(duì)緩發(fā)災(zāi)害能夠防止或延緩其發(fā)生或降低其產(chǎn)生的損失，因此本文討論的災(zāi)害限于突發(fā)性災(zāi)害；四是反復(fù)性，即各類災(zāi)害都是按照確定和不確定的規(guī)律反復(fù)發(fā)生的。

我國(guó)是世界上自然災(zāi)害最嚴(yán)重的少數(shù)國(guó)家之一，災(zāi)害種類多、發(fā)生頻率高、分布地域廣、造成損失大。特別是進(jìn)入上世紀(jì)90年代以來，自然災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失呈明顯上升趨勢(shì)，已經(jīng)成為影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)安定的重要因素[1]。1988年，僅長(zhǎng)江流域和東北地區(qū)的洪澇造成的損失就高達(dá)2500億元人民幣，約占當(dāng)年我國(guó)GDP的3%。

防災(zāi)減災(zāi)工程是一項(xiàng)綜合性的系統(tǒng)工程，其內(nèi)容涉及多個(gè)學(xué)科的相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域，目前，我國(guó)將其列為一級(jí)學(xué)科“土木工程”下設(shè)的一個(gè)二級(jí)學(xué)科。在許多自然災(zāi)害和人為災(zāi)害中，土木工程既是主要的承災(zāi)體，其失效又會(huì)演變?yōu)橹匾闹聻?zāi)體[2]。土木工程失效經(jīng)常是導(dǎo)致人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的主要原因。因此，本文從土木工程角度出發(fā)，淺析防災(zāi)減災(zāi)。

1 土木工程的防災(zāi)減災(zāi)

災(zāi)害造成的危害，主要是由于土木工程建筑物、構(gòu)筑物的倒塌破壞，以及如交通通信、供電供水等生命線工程的破壞所產(chǎn)生的次生災(zāi)害所造成的。1976年7月28日凌晨發(fā)生的7.8級(jí)唐山地震將唐山市區(qū)夷為平地，90%的單層砌體房屋倒塌，85% 的多層建筑倒塌[3]，造成242469人死亡、175797人重傷，死亡人數(shù)/房屋倒塌面積達(dá)到0.38人/100m2。唐山市直接經(jīng)濟(jì)損失9.27億元、間接經(jīng)濟(jì)損失20.83億元[4]。

1.1 土木工程與抗災(zāi)、減災(zāi)的關(guān)系

土木工程與抗災(zāi)、減災(zāi)的關(guān)系如圖[5]所示,其相互關(guān)系表明:①幾乎所有災(zāi)害甚至人為災(zāi)害(如戰(zhàn)爭(zhēng)、核泄露)都與土木工程有關(guān)；②土木工程幾乎對(duì)抵抗、減輕所有災(zāi)害都具有極強(qiáng)的積極主動(dòng)性和不可替代性。

土木工程與抗災(zāi)、減災(zāi)的關(guān)系圖

1.2 土木工程災(zāi)害的分類

從災(zāi)害形成的原因分析，土木工程災(zāi)害可歸屬于兩大類，即自然災(zāi)害和人為災(zāi)害。自然災(zāi)害是由于自然界中物質(zhì)變化、運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生并表現(xiàn)為自然態(tài)的災(zāi)害,如地震、洪水、氣象災(zāi)害等。人為災(zāi)害是由人為的技術(shù)事故、行為過失和某些喪失理性的失控行為導(dǎo)致的工程災(zāi)害。不論是與自然環(huán)境相關(guān)還是與人為因素相關(guān)的土木工程災(zāi)害，其成因總是土木工程自身抗災(zāi)能力的不足，是人類知識(shí)欠缺或行為疏忽的直接后果[2]。

1.3 土木工程防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)

土木工程防災(zāi)減災(zāi)主要由數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)報(bào)、防災(zāi)抗災(zāi)工程措施以及災(zāi)后恢復(fù)重建等組成的一套多環(huán)節(jié)的系統(tǒng)工程。

1.3.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)用以取得災(zāi)害因子的變化數(shù)據(jù)，如對(duì)地面沉降的監(jiān)測(cè)可通過設(shè)置分層標(biāo)、基巖標(biāo)、孔隙水壓力標(biāo)、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)等方法取得數(shù)據(jù)。

1.3.2 災(zāi)害預(yù)報(bào)

可根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)災(zāi)害的發(fā)生可能性及其發(fā)展規(guī)律作出估計(jì)或判斷。應(yīng)當(dāng)指出的是，目前自然災(zāi)害的預(yù)報(bào)水平還比較低，如對(duì)地震、地面沉降的精確預(yù)報(bào)尚未有可靠的方法。

1.3.3 防災(zāi)抗災(zāi)工程措施

涉及土木工程領(lǐng)域的防災(zāi)抗災(zāi)措施主要包括三個(gè)方面:一是在項(xiàng)目規(guī)劃選址時(shí)避開危險(xiǎn)區(qū)域，即規(guī)劃性防災(zāi)抗災(zāi)；二是采用工程加固、避難場(chǎng)所建設(shè)等土木工程措施，即工程性防災(zāi)抗災(zāi)；三是各類防災(zāi)抗災(zāi)技術(shù)的運(yùn)用，如在地震防災(zāi)方面的隔震及減震與消能技術(shù)、防火減災(zāi)方面的不燃化與難燃化技術(shù)、災(zāi)后的檢測(cè)及加固與改造技術(shù)等，即技術(shù)性防災(zāi)抗災(zāi)。

1.3.4 災(zāi)后恢復(fù)重建

汶川地震后,國(guó)務(wù)院迅速公布實(shí)施了《汶川地震災(zāi)后恢復(fù)重建條例》,其中的主要工作內(nèi)容包括城鄉(xiāng)住房建設(shè)、農(nóng)村建設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等等,可見,災(zāi)后的土木工程重建是主導(dǎo)性工作,是災(zāi)后恢復(fù)重建工作有力、有序、有效的保障。

2 地面沉降的防災(zāi)減災(zāi)

地面沉降是在自然和人為因素作用下,由于地下松散土體固結(jié)壓縮而導(dǎo)致局部性地面標(biāo)高降低的一種工程地質(zhì)現(xiàn)象,也是城市化建設(shè)過程中出現(xiàn)的主要地質(zhì)災(zāi)害之一。地面沉降具有影響范圍廣、成因復(fù)雜、防治難度大等特點(diǎn)。通常所說的地面沉降主要是由于人類工程活動(dòng)引發(fā)的或誘發(fā)的一定范圍內(nèi)對(duì)已有建筑物或構(gòu)筑物破壞嚴(yán)重、危及人民生命和財(cái)產(chǎn)安全、惡化城市建筑環(huán)境的地面沉降。對(duì)地面的沉降發(fā)生和發(fā)展關(guān)系最為密切的人類活動(dòng)因素是抽取地下液體的活動(dòng)，其中以抽取地下水最為嚴(yán)重。此外，城市高大建筑的增加且集中、地面施工產(chǎn)生動(dòng)荷載、基坑或邊坡不適當(dāng)?shù)拈_挖等，均可能產(chǎn)生地面沉降。

如上所述，一般認(rèn)為地下水位變化是引起地面沉降的主要因素，其成因可以從下述三個(gè)方面的共同作用加以解釋：

①當(dāng)承壓含水層地下水位下降時(shí)會(huì)引起相鄰粘土層孔隙水向含水層釋放，進(jìn)而空隙水壓力降低、土層浮力效果減弱、有效應(yīng)力增大，造成粘土層被壓縮；

②水體流動(dòng)引起的重力場(chǎng)及滲透力作用變化，產(chǎn)生粘土顆粒重新排列并向側(cè)向移動(dòng)發(fā)展，造成土層壓密；

③抽水作用使砂礫石含水層顆粒排列緊密，間隙減小。

2.1 地面沉降監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)地面沉降的有效控制，需要在沉降監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)模型建立的基礎(chǔ)上構(gòu)建地面沉降信息系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由地面沉降基礎(chǔ)數(shù)據(jù)系統(tǒng)、地面沉降監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)和地面沉降圖形信息系統(tǒng)等組成。

目前，地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)依據(jù)監(jiān)測(cè)范圍主要分為兩類：一是基于地面的小范圍監(jiān)測(cè)技術(shù)，包括水準(zhǔn)測(cè)量、鉆孔引伸計(jì)等；二是基于空間的大范圍監(jiān)測(cè)技術(shù)，包括InSAR、GPS等。從地面沉降預(yù)測(cè)方面來看，預(yù)測(cè)方法主要分為兩種：一種是基于有效應(yīng)力和固結(jié)理論，通過模擬地面沉降過程建立物理模型，常見模型包括水流模型和土體變形模型，物理模型能夠較好地反映沉降機(jī)理，但也存在方法基于理想假設(shè)或經(jīng)驗(yàn)結(jié)論設(shè)置參數(shù)，可能會(huì)出現(xiàn)預(yù)測(cè)失效的現(xiàn)象；另一種是基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法，通過離散時(shí)間序列建立數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型，常見模型主要有回歸模型、灰色模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。相比于物理模型，數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型具有數(shù)據(jù)采集容易、計(jì)算方便及參數(shù)定義簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，具有更廣的應(yīng)用范圍[6]。對(duì)比兩種方法，第一種基于沉降機(jī)理的預(yù)測(cè)方法需要在取得可靠的水文地質(zhì)特征參數(shù)情況下，通過構(gòu)建相應(yīng)的物理模型來計(jì)算模擬沉降的演變趨勢(shì)，從而對(duì)沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，但常存在由于參數(shù)和物理模型的不可靠導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果不可靠的問題。第二種單純基于數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)方法，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)系及發(fā)展規(guī)律來分析沉降的演變趨勢(shì)，未考慮實(shí)際的水文特征、巖性特征及其兩者的相互耦合作用，因此常存在預(yù)測(cè)模型不適于推廣應(yīng)用的問題。

2.2 地面沉降控制與治理措施

作為一種復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象，地面沉降通常包含多種成因，因此要分析針對(duì)不同誘發(fā)因素采取對(duì)應(yīng)的控制與治理措施。下面對(duì)由于地震液化、超采地下水、深基坑降水引起的地面沉降加以分析。

①由于地震原因使得砂土液化產(chǎn)生的沉降現(xiàn)象，可采用土體置換的方法，去除表層液化土，再敷以新土壓實(shí)；或利用強(qiáng)夯法壓實(shí)土體進(jìn)行處理；或采用打擠壓密砂樁的方法，其作用一是可利用砂樁擠入對(duì)周圍軟化土體產(chǎn)生橫向擠壓作用提高土體強(qiáng)度，二是利用砂樁起到排水固結(jié)效果。

②對(duì)超采地下水引起的地面沉降問題，限制地下水開采、調(diào)整地下水開采的含水層分布和開采量以及對(duì)含水層進(jìn)行人工回灌3項(xiàng)措施在世界范圍內(nèi)被廣泛采用[7]。如利用人工回灌可使得含水層的空隙液壓恢復(fù)或保持在初始平衡狀態(tài)，回灌的關(guān)鍵是要求回灌水不能污染地下水。在日本、墨西哥以及我國(guó)的上海、天津，人工回灌對(duì)地面沉降的治理取得了良好的效果。

③基坑采用坑外降水時(shí)，降水形成的盆式曲線會(huì)使基坑周邊場(chǎng)地的地下水位線下降進(jìn)而造成地層土體固結(jié)下沉，并且，一般認(rèn)為基坑施工過程引起地面沉降的主要原因是承壓水的抽水降壓?；毓啻胧┖头忾]式降水施工方法對(duì)減小基坑周邊環(huán)境的不良影響效果顯著。如對(duì)深井降水施工引起的基坑周邊區(qū)域的地面沉降問題,可采用間歇性降水、設(shè)置或加深止水帷幕（高壓旋噴注漿法、深層攪拌法等）隔水以及回灌（地表入滲補(bǔ)給法、井內(nèi)灌注法等）等工程措施進(jìn)行處理。

3 結(jié)語

災(zāi)害以土木工程作為特殊的承災(zāi)體，是我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)中不可避免且必須解決的問題。由于災(zāi)害系統(tǒng)的復(fù)雜性，決定了防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)也具備復(fù)雜性、綜合性和交叉性[8]。防災(zāi)減災(zāi)研究涉及自然科學(xué)、工程科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，但正如文獻(xiàn)[2]所述，土木工程既是主要的承災(zāi)體，其失效又會(huì)演變?yōu)橹匾闹聻?zāi)體。因此，土木工程對(duì)防災(zāi)減災(zāi)負(fù)有巨大的責(zé)任，受災(zāi)后土木工程失穩(wěn)、失效是導(dǎo)致人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的主要原因，而經(jīng)常并非是災(zāi)害本身。

從土木工程角度考慮防災(zāi)減災(zāi)，強(qiáng)調(diào)建立一個(gè)包括數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)報(bào)、防災(zāi)抗災(zāi)工程措施以及災(zāi)后恢復(fù)重建的系統(tǒng)是不可或缺的，并且由于地震、洪水、風(fēng)災(zāi)以及多種地質(zhì)災(zāi)害等尚不能精準(zhǔn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，因此防災(zāi)抗災(zāi)土木工程措施研究顯得尤為重要，科學(xué)合理的措施能有效地阻斷土木工程演變成致災(zāi)體的路徑。