水文地質特征對城鎮地面沉降的影響分析

盛祝東

摘 要:地面沉降涉及資源、環境、經濟和社會等多個方面,影響城市和地區的可持續發展,已成為21世紀國內外城市主要地質災害,嚴重制約了我國社會、經濟的可持續發展。這與水文地質特征有著密切的聯系,通過對兩者關系的調查,對城市地面沉降問題提出一些預防及治理措施。

關鍵詞:地面沉降水文地質特征城鎮

中圖分類號:TU433 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)05(b)-0222-02

1 地面沉降

在一定的地表面積內,會有地面水平面降低的現象,這一現象就稱為地面沉降。[3,4]我國很早就有這一現象的記載。地質是城鎮地面沉降的重要原因之一。然而,城鎮地面沉降現象越來越嚴重,還有一個重要的原因,那就是城市人口的密集和經濟的快速發展。如上海、西安、天津、北京等城市人口密集的大型城市,這種現象尤其嚴重,沉降面積很大。在分析以上兩種原因時,可以發現,后者已大大超過了前者。

自然因素主要在于地質因素:地層受重力影響,不斷地沉積、壓緊,會變成緊致或者堅硬的巖石,從而地層厚度也就隨之減小,使得地面沉降現象頻發;地面凹凸也是地面沉降的重要原因,它主要是由于地質構造的作用而成的;另外,地下的波動引起的地震也是地面沉降的主要因素。[1]

地面沉降現象受人類活動的影響越來越大,現如今地面沉降在世界很多地方都有發生。容易致使地面沉降的人類活動有過度開采地下資源,如天然氣、地下水、固體礦產、石油等。在我國的大多數城市,由于人口密集,對地下水的需求過多,地下水的開采量急劇增加,使得許多人口密集城市地面沉降現象嚴重,此外,沿海城市還有海水入侵的現象。

地面沉降的危害主要表現在地表建筑物和地下的主要設施上。我國地面沉降已經造成了一億元人民幣/年的經濟損失。由于損失巨大,我國越來越重視這一問題,并在許多地區采取了一系列的措施控制地面沉降現象的發生,主要有出臺計劃生育政策來控制人口、對地下水的開采也進行嚴格控制。

地面沉降的產生是需要一定的地質、土層內的應力轉變條件及水文地質條件。從地質、水文地質條件來看,多層含水體系中較疏松的體系承壓含水層的水量比較豐富,更適于長期得開采;在開采層一定的影響范圍內,尤其是它的頂、底板,有厚層的正常固結甚或欠固結的粘性土層等,對地面沉降產生條件是非常有利的。從土層內的應力轉變條件上看,承壓水位大幅度并波動式的降低,則是造成地面沉降范圍不斷擴大的必要前提。

2 水文地質特征對地面沉降的影響

地下水和地表水系是主要影響水文地質的因素。上層潛水、滯水和承壓水主要儲存于地下,是地下水的主要構成部分,嚴重影響了城市地下空間的容量,比如:降低巖體以及結構面的強度、增大地下空間的開發利用難度、破壞地下工程其支襯結構、提高開發地下空間的成本等等;地表水系對地下水系工程的造價成本和施工方式的影響是直接的。地表水域、地下水水質以及地下水賦存形態等是影響水文地質的開發及利用的重要原因,現對這三種影響因素分別進行評述。

2.1 地下水賦存形態

如果要對地下空間進行開發,首先是開發基坑和隧道,而在這一構成中應該采取排水措施,要采取的排水措施則主要取決于地下水的類型,如對含水量較大的基巖裂隙水,不適于采用排水井的方法,這主要是由于這種類型的地下水壓力很大,使得排水井的適宜性差,同時排水井的施工花費很大,對于含水量中等的松散巖類孔隙水,則可應用適宜性好的井點降水或者旋噴、注漿等技術措施防治地下水,而對含水量較少或者缺乏松散巖類孔隙水,只需要采用明排水的方法,這種方法的處理較容易,且適宜性也良好。

2.2 地下水水質

地下水的水質類型會對構筑物或地下建筑的耐久性有較大影響,一般來說,HCO3-Ca.Mg和HCO3-C1.Ca型是淡水區水質,C1-Na型是咸水區水質的類型,不同水質類型對建筑物的影響也有差異。淡水區水質對建筑物中的混凝土及其中的鋼結構不具有腐蝕性或者具有很弱的腐蝕性。而咸水區水質對混凝土及其中的鋼結構則有中等-強腐蝕性,因此在開發地下空間時,應該對地上及地下構筑物采取適當的保護措施,對建筑材料中所需要的水質也要嚴格要求。[7]

2.3 地表水域影響

由于地表水體的干擾,地下空間的開發(特別是淺層)困難較大,這主要是因為地表水體的滲漏,它一方面使隧道排水困難,另一方面影響了基坑的疏干,是工程的難度增加,溝渠和水域的緩沖距離是影響地表水滲漏的重要原因,將溝渠和水域分別緩沖10m、30m和20m、50m,形成影響程度有差異的若干區。用截斷-排干法處理溝渠,可以使其緩沖的適宜性增強如果在水域緩沖20m或者溝渠緩沖10m之內,地下空開發的適宜性較差,在水域緩沖20～50m或者溝渠緩沖10～30m之內,地面水體對地下空間開發的影響會逐漸減小,如果比這個范圍大的話,那么就不用考慮地面水域所導致的影響,且適宜性良好。[6,8]

隨著鄉鎮工業的迅猛發展,地下水的開采量急劇的增加,超過了其允許開采量,大量的超量開采將造成地下水資源疏干開采、產生地面下沉等地質環境問題,使生態環境遭到嚴重破壞。我們應當認識到:不實施開采計劃管理,不加強地下水管理,放任超量的開采地下水,將會給整個社會造成巨大的損失。各級政府應當充分認識到地質環境的重要性,且一旦遭受破壞,將難以恢復。更要認識到地質環境危害性和治理工作的艱巨性、長期性,從而強化管理,努力使地下水資源的開采量控制在允許開采的范圍內,實現水資源的可持續利用。

3 地面沉降的預測及防治

3.1 地面沉降的危害

許多專家學者展開了地面沉降的研究工作,這主要是由于這一災害危害到世界很多地區,引起人們的更多關注,這些研究者將研究重點放在了這一災害的預測和防治工作上。我國分析不同地區地面沉降的原因,根據不同原因分別采用控制地下水位下降和人工補給地下水的方法防止地面沉降的發生及進一步擴大。

比如上海,主要采取地下水人工回灌和控制地下水開采兩大措施,使上海地面沉降從年沉降量110mm,下降到目前的年沉降量10mm左右。上海從1966年起,采取一系列的措施控制地面沉降問題。這些措施主要有控制地下水的開采,甚至回灌以補充地下水,夏天灌入,冬季使用,以及開采深層地下水等。過去上海市地下水取水點多如牛毛,現在已經壓縮到僅800個左右。地下水得年開采量從過去的2億立方米,下降至2002年的9635萬m3。[5]

3.2 防治地面沉降的措施

防治地面沉降,首先應該使地下水的檢測系統更加完善。完善地下水監測井網[2]的意義重大,它可以對地下水的具體情況(如水質、水量)有一個動態的分析,從而能夠進行預測,對地下水的開發及利用提出建議和保護措施,對取水許可制度的實施也有重大的意義。

防治地面沉降,其次應該使地下水的檢測水平更加的現代化。人工觀測是目前許多地區地下水監測的主要手段,這一手段所獲取的地下水動態信息較慢,致使信息的發布不夠快速、不能及時應用到成果中來。為了提高地下水的檢測水平,除了要科學合理的設置井網,掌握高超的科學技術,如:合成孔徑雷達干涉測量技術(InSAR)、RS、GIS、GPS等技術,還需要配置先進的科學儀器,加快地下水監測現代化進程。同時,應該多方位采集地面沉降信息,以便于預測預報和快速處理地面沉降災害,提高應急能力。

參考文獻

[1] 嚴勇,袁銘,王穎.城市地面沉降推估內插模型研究[J].工程勘察,2007(11):54-58.

[2] 袁銘,張序.城市地面沉降監測網的形變分析[J].蘇州城建環保學院學報,2002,15(4):22-25.

[3] 紀萬斌.塌陷與災害[M].北京:地震出版社,1997.

[4] 李蘭英,王新民,徐丹青.地面沉降機理及控制措施[M].地球科學與社會可持續發展—2005年華東六省一市地學科技論壇論文集,2005,11.

[5] 關關.摩天大樓能壓塌上海灘嗎[J].中國商報,2003,12.

[6] 陳凱杰,趙建軍,鄭偉鋒.深圳寶安區地下空間評估的指標體系研究——從地質環境的角度[J].廣東建材,2011,04.

[7] 李海燕,趙霞則,張麗華.東營市2008年地下水動態分析[J].山東水利,2011,7.

[8] 黃于新,鄭偉鋒,鄭先昌.深圳寶安區地下空間評估的地質環境因子評價[J].廣東土木與建筑,2009,3