地面沉降的危害主要包括:(1)地面的下沉 ,导致地表的抗洪排涝功能受损;(2)地表裂缝对建筑物基础的影响会减少建筑物的寿命。地面不均匀沉降会对公路、铁路、隧道、桥梁以及地下管道造成破坏,安全性降低;(3)地面沉降会导致桥梁下空间减小,通行能力降低;(4)水的供应能力受到破坏;(5) 地标性建筑遭破坏失效。近40年内,上海因地面沉降造成的损失已超过350亿美元。
5基本特点
中国地面沉降的特点在于速度慢,持续时间长,不可恢复。相对于机械因素导致的地面沉降,因地下水位下降造成的地面沉降速度较为缓慢。例如上海的地下水位变化最大速率为10米每年,尽管速度缓慢,但是随着时间的积累,这个积累值会很大。由于土层的塑性蠕变,当有效应力降低时,它只能少量甚至没有回弹。如:从1962年到1971年,尽管给上海大量补给地下水(6.4?106立方米/年),从1966年到1971年,也仅仅回弹了3毫米。除此之外,还有其他特点。
自然因素和人为因素是地面沉降的两大主要诱因。前者包括新构造运动与自然欠固结土沉降;后者包括过度开采地下水、石油、天然气以及地下温泉,工程的施工等。在一些地区新构造运动是很小的(1-2毫米/年),在几十年或100年的研究期内,几乎可以忽略不计。中国地面沉降可以分为两类:过量开采地下水引起的地面沉降,如:长江三角洲地区。石油、地下温泉开采造成的地面沉降,是叠加在由新构造运动与土层自然固结沉降上的,如天津市。近1万年内,在天津因新构造运动造成的地面沉降速率为1-2毫米/年,但1985年,市区的沉降量速度达到了85毫米/年,塘沽区更是高达100毫米/年。采取措施减少地下水使用后,市区的沉降速率为11毫米/年,塘沽区的速率也降到了11毫米/年。由此可见,过量开采地下水是天津产生沉降的主要原因。此外,近10年来,欠固结土自然沉降的速率为10-20毫米/年;地下温泉与石油的开采造成的沉降为6毫米/年。黄淮地区的沉降情况也是如此。地面沉降速度较快也有一些次要原因,如因高层建筑的压实造成的机械性沉降、土层的自然压缩固结、新构造运动、海平面上升等,当采取措施控制人为因素导致的地面沉降后,沉降会进入缓慢发展阶段,这些因素会是沉降的主要原因。
近些年,随着经济的飞速发展,在上海、天津等城市工程建筑造成的沉降,特别是超高层建筑造成的沉降又日渐显著。如在上海陆家嘴,当三栋高层建筑完工之后,从2000年4月到2001年4月,这三个建筑附近区域分别沉降了23.1毫米,26.4毫米和63.3毫米。
地表裂缝同样有两种类型,一是基岩面和不同厚度的第四纪沉积物不均匀沉降造成的裂缝,这种裂缝在很多地方都有,如:无锡和常州。另一个是因地质因素和过量开采地下水导致的,如西安太原等城市。区域构造应力对裂缝的形成有
重要作用,它控制着裂缝的生长模式,但主要原因还是过量开采导致的地面沉降造成的。
人们在沉降严重的区域限制或者禁止地下水开采,并人工补给地下水,虽然水位已经恢复,沉降速度已经放缓,但沉降的面积依然在扩大。地面加速沉降是因为地下水的无节制开采。在限制开采量之前,地面沉降会遵循“略有沉降—明显地沉降—迅速沉降”的发展阶段,这与地下水的开采量呈正相关。在采取措施限制地下水的开采量时,因为地下水位下降速度放缓或回升,地面沉降量也会减少,甚至会随着人工回灌而产生反弹。但日后随着地下水的补给与开采,地面沉降会发生改变,甚至可能会缓慢增加。
调整地下水的开采曾作为一种辅助方式在一定的阶段内对控制地面沉降是有一定的作用的,但治标不治本,关键还是在于减少地下水的开采量并增加补给。最初,上海的地下水开采是从第二和第三承压含水层抽取;1968年开始,人们采取了减少开采量,人工增加补给并调整开采水层的方式,如果总的开采量没有下降,新的开采层水位也是会逐渐下降的甚至会成为另一个主沉降区。根据上海从1986年到1998年采集的数据,不难发现第二承压含水层上方的浅水层占到了总开采量的很大的比例,这表明这一时段内沉降主要发生在浅土层。从1992年到1998年,浅层土的沉降量减少;位于第三承压含水层以下的深层土的沉降随着随着第四和第五承压含水层的开采量的增加相应地增加。例如,当前第四和第五承压含水层的开发已经达到70%,占总数的15%,第四承压含水层(第五含砂层)平均沉降比例上升到49.27%。1986年到1991年,第四含水层沉降量仅占总量的18.8%,但从1992年到1998年已经攀升到了70.9%,根据表1给出的观测数据,相比之下,第二和第三承压含水层在1995年之前仅占4.87%,但由于近些年人工补给的减少,已经增加到目前的12.43%。
沉降区的土层一般由沙子、淤泥、淤泥质粉质粘土、黏土和淤泥质黏土组成。各土层的沉降量不仅取决于其压缩性,也取决于其厚度,如果这部分土层较厚,即使其压缩性较差也会产生较大的沉降,例如,上海的第四承压含水层由细砂,砂,砂砾石组成,其压缩性远低于软粘土层,但其厚度较大(大于80米)。因此,其沉降量分别占总量的70.9%和52%。还有,由于第二软土层较薄,虽然其压缩性很大,但它的沉降量也仅占总沉降量的8.8%。当然,我们并不能因此想
当然人为沉降就发生在粘土层而不再砂层或者碎石层。如果粘土的厚度很大,它的沉降量也会很大,比如天津海洋粘土和淤泥质粘土层。
众所周知,粘性土层(弱透水层)的变形是塑性蠕变,而天津海洋黏土就是又淤泥质黏土和淤泥层组成,上海粘土层的变形与天津类似。但砂土层变形的复杂性一开始很少被发现,不同的砂层在不用的应力条件下,其变形情况就有所不同。例如,重复性地抽水和补水会使第二和第三承压含水层发生弹性形变。第四承压含水层尽在应力较小的时候发生弹性应变,当应力较大,其变形主要就是塑性蠕变,应力与应变呈现非线性关系。
从上海和天津采集到的数据显示,尽管地下水位停止下降,但沉降还在继续,但总体会保持在一个稳定值。并且,当地下水位恢复到开采前的状态,沉降还是会继续的,换句话说沉降有一定的延迟性。目前长时间估计沉降量是一个难题。
地面沉降不仅会发生在中东部地区,在西部只要达到一定的条件,也会发生沉降。例如,上世纪80年代以来,昆明由于过度开采地下水与地下温泉,就曾发生过地面沉降;西藏因为过度开采地下温泉进行发电,羊八井附近也发生了地面沉降,20世纪末,羊八井附近的平均沉降量已经超过了20毫米,在其中心区域最大达到了363.8毫米。
6发展趋势
在中国,地面沉降十分迅速,与90年代末相比,已经增长了三分之一。众所周知,地下水的过量开采是产生地面沉降与地面裂缝的主要原因,减少开采量,理性使用时减少其损失的主要途径。水供不应求在短期是一个难题,迅速扭转地面沉降不断扩大的现状也是不现实的。在许多地区,沉降率将在一定的时段内保持在一个较高的水平,地表裂缝与沉降将更加严重。
在北方地区,特别是河北省,地下水是重要的,有时也是主要的水源。要提供工业,农业和生活用水,地下水开采量在短时间内可几乎没有减少的可能。在某些干旱的年份,开采量甚至是暂时升高。河北的形势就很严峻了。
以中国南部长江三角洲为例,该地区曾有充足的水源,但近20多年来,地表水已经遭受严重污染,地下水就成了唯一的水源,过度地开采地下水也造成了严重的地面沉降。现在,一小部分大城市如上海、苏州、无锡和常州都出台了一
系列严格的措施来控制地下水的开采,使得之前迅速下沉的地面放缓了沉降速度。对农村和小城镇而言,它们不像徐州无锡一样经济发达,还可以把长江作为水源,小城镇由于没有其他的可替代水源,地下水是他们的唯一选择。长江三角洲的地面沉降还会继续,沉降区可能会连在一起。
随着汾渭地区的发展,应当重视沉降的区域并尽早采取措施以减少地下水的开采。石油和天然气一般深埋在地下,并且因开发石油与天然气导致的沉降较为缓慢。虽然情况尚不严重,但在大庆以及华北地区的石油开采区已经发现了地面沉降的迹象,这应当引起人们的注意。
7结束语
中国发生地面沉降的主要原因是地下水的过量开采,中国现在处于经济飞速发展的时段,由于中国是一个水资源不足的国家,减少地下水的开采,基本方法是节约用水。中国的用水量有很大的节约空间。以农业灌溉为例,在中国水的利用率只有0.4-0.5,但发达国家的利用率有0.7-0.8。在发达国家,每立方米的水容量只有1kg,这个量只是发达国家的一半,因此农业用水有很大的节约空间。2003年,中国每1万元的GDP要耗水456立方米,这是世界平均水平的4倍;工业生产每1万元生产量要耗水218立方米,是发达国家的5-10倍。在中国,水的重复使用了只有50%,但在发达国家达到了85%。这些例子都表名中国水的利用率很低,工业用水还有很多的节约空间,如果相关机构关注这些问题并引进新技术的话,可以节约地下水从而减少地下水的开采。
地面沉降的控制和防治工作是一个多学科的系统工程,涉及到法律,行政管理和先进技术的应用。有必要在长三角地区投资建设一个面积超过15万平方公里的的监控网,它可以覆盖整个长三角地区、以及河北、西安、太原等。地面沉降的预防和控制需要政府和社会的支持,需要统一的规划。