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一、地面沉降的概念及产生原因
地面沉降(Land Subsidence)是指在自然因素或人为因素影响下发生的幅度较大、速率较大的地表高程垂直下降的现象。地面沉降,又称地面下沉或地陷,是指某一区域内由于开采地下水或其它地下流体所导致的地表浅部松散沉积物压实或压密引起的地面标高下降的现象。意大利威尼斯城最早发现地面沉降。之后随着经济发展,人口增加和地下水(油气)开采量增大,世界上许多国家如美国、日本、墨西哥、欧洲和东南亚一些国家均发生了严重的地面沉降。
地面沉降的特征是主要发生于大型沉积盆地和沿海平原地区的工业发达城市及油气田开采区。其特点是涉及范围广,下沉速率缓慢,往往不易被察觉;在城市内过量开采地下水引起的地面沉降,其波及的面积大;地面沉降具有不可逆特性,就是用人工回灌办法,也难使地面沉降的地面回复到原来的标高。因此地面沉降对于建筑物、城市建设和农田水利设施危害极大。
经过对地面沉降的长期观测和研究,对地面沉降的主要原因已取得比较一致的看法。地面沉降的原因颇多,有地质构造、气候等自然因素,也有人为原因。人类工程活动是主要原因之一,人类工程活动既可导致地面沉降,又可加剧地面沉降,其主要表现在以下几方面:
1. 大量抽取液体资源(地下水、石油等)、地下气体(天然气、沼气等)活动是造成大幅度、急剧地面沉降的最主要原因;
2. 采掘地下团体矿藏(如沉积型煤矿、铁矿等)形成的大范围采空区,及地下工程(隧道、防空洞、地下铁道等)是导致地面下沉变形的原因之一。
3. 地面上的人为振动作用(大型机械、机动车辆等及爆破等引起的地面振动)在一定条件下也可引起土体的压密变形。
4. 重大建筑物、蓄水工程(如水库)对地基施加的静荷载,使地基土体发生压密下沉变形。
5. 由于在建筑工程中对地基处理不当,即地基勘探不周。
从地层结构而言,透水性差的隔水层(粘土层)与透水性好的含水层(砂质土层、砂层、砂砾层)互层结构易于发生地面沉降,即在含水性较好的砂层、砂砾层内抽排地下水时,隔水层中的孔隙水向含水层流动就会引起地面沉降。根据土的固结理论可知,含水层上覆荷载的总应力P应由含水层中水体和土体颗粒共同承受。其中由水体所承受的孔隙压力Pw并不能引起土层压密,称之为中性压力。由土体承受的部分压力直接作用于含水层固体骨架之上。可直接造成土层压密,称之为有效压力Ps。水压力Pw和有效压力Ps共同承担上覆荷载,即P=Pw+Ps。从孔隙承压含水层中抽汲地下水,引起含水层中地下水位下降,水压降低,但不会引起外部荷载的变化,这将导致有效应力的增加。
从成因上看,我国地面沉降绝大多数是地下水超量开采所致,地域分布具有明显的地带性(松散岩层区):
(1)大型河流三角洲及沿海平原区(长江、黄河、海河、辽河下游平原及河口三角洲地区);
(2)小型河流三角洲区(东南沿海地区);
(3)山前冲洪积扇及倾斜平原区(北京、保定、邯郸、郑州、安阳等);
(4)山间盆地和河谷地区(渭河盆地、汾河谷地)。
二、地面沉降调查与监测
地面沉降勘察有两种情况,一是勘察地区已发生了地面沉降;一是勘察地区有可能发生地面沉降。两种情况的勘察内容是有区别的,对于前者,主要是调查地面沉降的原因,预测地面