地面沉降研究概述

地面沉降研究概述

从广义上讲，地面沉降是由自然因素或人为因素（和）引起的高度土壤损失引起的。自然因素包括构造下沉、地震、火山活动、气候变化、地应力变化及土体自然固结等,因此,地面沉降应是地质历史时期普遍存在的现象。人为因素指开采地下流体资源(油、气、水),开采地下固体矿产(金属矿、煤、盐岩等),人为因素的地面沉降(本文不特别指出时均为此类沉降)最早于1898年在日本新泻发现,随后普遍发生在20世纪,尤其是其下半世纪。美国的地面沉降最早在加州萨克拉门托-圣卓阿金流域发现,到1995年,美国50个州均有发生(年均地面沉降控制成本估计为4亿美元)。我国最早于1921年在上海市区发现地面沉降现象,目前我国共有70个城市或地区(包括台湾)有地面沉降现象。联合国教科文组织(UNESCO)于1964年认识到地面沉降的严重性,因此,与国际水文科学协会已分别于1969,1976,1984,1991和1996年在日本东京、美国阿纳海姆、意大利威尼斯、美国休斯敦和荷兰的海牙共召开了5届国际地面沉降会议,2000年9月在意大利的拉韦纳(Ravenna)市举行第六届。我国分别于1964,1980,1988,1990和1998年在上海和天津召开了5届全国性地面沉降学术讨论会。近年来,我国的地面沉降程度和范围还在进一步地加深和加大,1998年的中国大洪灾已存在着地面沉降的加重影响。“九五”期间我国地面沉降研究也取得一些新的成就,但随着我国经济近年来的大发展,也同时出现了一些新的地面沉降问题。1地面沉降的基本涵义地面沉降的原因很多,如上海采用甚长基线干涉仪(VLBI)的测量资料,得出该地区地壳趋势性下降速率为1mm/a1,为构造沉降;据分层标监测资料,上海的褐黄色表土层有明显的季节性沉降问题,与气候变化引起的沉降有关;美国1956年在SanJoaquin谷对浅部黄土类土层的湿陷性沉降进行了详细的现场调查试验,地表浸水6个月,15个月后地面总沉降量超过24cm,这是湿陷性沉降;近年来采矿地面沉降问题特别多,如我国97%的煤炭生产为地下开采,约2100万亩土地已遭受到采矿沉降的影响;开采地下水、石油和天然气引起的地面沉降问题更为普遍;美国在加州萨克拉门托-圣卓阿金三角洲Orwood,Sherman和Jersey岛上对泥炭层沉降进行了观测,发现有机质氧化产生的沉降速率达0.5～1.1cm/a,这是有机质氧化沉降问题;上海市自1990年以来又发现工程施工引起的地面沉降问题;淤泥质软土具有流动性,其侧向流动也会产生地面沉降等等。地面沉降的原因这么多,那么地面沉降能遵循什么样的总原理呢?这需要高度的概括。美国地质调查局的G.l.Bertoldi先生对此作了非常有益的尝试。他引进了“地下支撑物(subsurfacesupport)”和“地面标高损失(lossofsurfaceelevation)”的概念。地下所有能构成对地面支撑的物质都是地下支撑物。这里要注意的并不是所有的地下物质都是地下支撑物,如饱气带中的空气,但孔隙承压水肯定是地面的地下支撑物之一,所以地下支撑物的认定还要做具体的分析。如果把地面标高作为一种资源来看待,地面标高又能长期稳定,那么这种地面标高资源是可持续利用的。当今世界上的大部分沿海低平地区是人口稠密的地方,其地面标高资源十分有限,又是地面沉降的多发地区,因此该地区地面标高的严重损失直接威胁到人类的生存与可持续发展问题。G.l.Bertoldi认为:“地面沉降是由于地下支撑物的移动导致的地面标高损失。”笔者认为这是目前对地面沉降概念或原理的最新概括。2中国土壤沉降的监测和研究2.1监测方法的改进与发展(1)GPS的应用:在美国加州萨克拉门托,GPS测量已经取代了区域性的地面标高的水准测量。1986年在该区建了38个GPS监测站,1989年后达到了68个。采用最严格的测量程序,其大地高的精度可达到毫米级。上海经过近两年应用AshtechZ12双频GPS信号接收机测定大地高,于1999年也取得了大地高精度达3mm的好成果2。其优点是对于区域性地面沉降的大范围监测具有事半功倍的效果。上海现正布设控制全市的区域性地面沉降GPS监测网。在新一轮的国土资源大调查中,建立长江三角洲统一的地面沉降GPS监测网,是非常具有战略意义的。(2)地下水位的自动化监测:我国的地下水位自动记录技术早在80年代就已经成熟,但其应用并不是很普遍,尤其在上海。现在是信息化高速发展的时代,传统的手工测量必须逐步被淘汰。上海已开始按规划建立地下水位自动化观测孔,数据能自动记录、自动存储、自动传送。(3)分层标的标型改进与自动化监测:分层标在全世界仍然是被普遍用于测量松散土层变形量的仪器设施。早期的分层标保护管一般采用水泥管,如在五六十年代,后来发展到主要采用铸铁管。标杆在早期采用井管代替,后采用钢丝索,以后逐渐采用钢管;发现钢管的挠曲后,开始加扶正器。上海在新规划的分层标网络实施过程中,对分层标的设计做了较多的改进,突出的是宝塔式标杆。分层标也已采用更先进的自动化监测技术进行测量,数据能自动记录、自动存储、自动传送。2.2系统的系统组成上海市地面沉降信息系统完成于2000年1月3。该系统由地面沉降信息库、数据库管理系统、预测系统和图形信息制作维护系统4部分组成。支撑该系统的软件系统为Windows95/98,Access,VisualBasic6.0,Visualc++6.0和MapGIS32等。该系统依照上海市地面沉降控制管理的日常操作流程设计,能够进行地面沉降数据资料信息管理、信息综合分析处理、年度地下水采灌方案制定、地面沉降成果图件制作等日常工作。2.3地质环境条件上海市拥有1980年和1995年全市陆域范围的地面水准点高程资料,以此用计算机编绘了上海市1∶20万地面沉降分布图4,从而将上海地面沉降研究范围从原来的中心城区和近郊区扩大到了全市。在此基础上,依据制约上海地面沉降发育的主要地质环境条件——地下水资源丰富程度,编制了上海市地面沉降地质环境图;进一步根据地面沉降的累积程度和灾害程度,编制了上海市1∶20万地面沉降发育程度分区图;再进一步根据地面沉降预测成果,编制了上海市1∶20万地面沉降危险程度分区图。天津按地面沉降量编制了1959—1986年地面沉降灾害程度分区图,提出并依据地面沉降致灾指数Z(地面沉降累积沉降量S减去地面沉降灾害成灾临界沉降量S0(300mm)后与临界沉降量之比),编制了天津市地面沉降灾害致灾强度指数等值线图;提出并依据地面沉降灾害的破坏强度指数D(为Z与地面沉降灾害易损性指数Y之积),编制了天津市地面沉降灾害易损性分区图。2.4国内的地面沉降数值模型地面沉降预测计算模型可谓发展很多,但主要可分为两大类:土水(或其它液体)模型(释水(或液)压密理论),多由水位预测模型和土层压密模型构成;生命旋回模型,直接由沉降量和时间的关系构成。前者复杂,后者简便。对于资料全面丰富的地区,一般用前者,反之用后者。前者,国内近年来研制的模型主要为准三维地下水流耦合一维沉降数值模型5,6,另外有考虑流变特性的流固耦合地面沉降计算模型。同时,天津利用美国的MODFLOW与英国共同开发了IDP夹层排水软件包,在此基础上天津又做了进一步的改进。国内的预测计算结果尚没有达到三维可视化程度,美国已推出三维可视化MODFLOW。后者主要是90年代发展起来的,有泊松旋回模型、Verhulst生物模型和灰色模型。2.4天津地面沉降灾害损失评估目前,对地面沉降灾害损失评估理论方法渐趋成熟,有调查统计法、统计推断法和关系计算法,评估内容包括直接损失和间接损失两大部分,间接损失与直接损失的比值现研究为10。以此方法对天津地面沉降灾害损失评估最为详细,自1959—1993年总损失评估为1896亿元,其中直接损失为172亿元,间接损失为1724亿元;其次是苏锡常三市,总损失评估每年为33亿元,其中直接损失每年为3亿元,间接损失每年为30亿元。相比之下,1993年前对上海市地面沉降灾害损失评估尚不够全面。2.5地下水采灌措施从上海市防治地面沉降的经验来看,地面沉降防治措施主要包括如下4方面:灾害治理措施、控沉措施、监测研究措施和行政法规措施。灾害治理措施包括市区防汛墙建设(1956—1998年上海建成208km)和市区排涝泵站建设(1956—1996年建成161座,总排水能力969m3/s)。控沉措施包括压缩或限制地下水开采、地下水人工回灌、调整开采层次和制定年度地下水采灌方案。监测研究措施包括对水准点和分层标的水准测量、对地下水动态的长期观测、水文工程地质勘察及项目研究等。行政法规措施如《上海市深井管理条例》于1963年发布实施,《上海市管理苏州河驳岸和防洪墙暂行办法》也于1963年发布实施,《上海市地面沉降监测设施管理办法》于1996年8月发布实施等。1966—1995年的30a间上海市中心城区地面沉降仅12cm(4mm/a)是控制地面沉降效果的最好说明。80年代以来,上海市地面沉降洪灾已得到了有效防止,暴雨引起地面积水程度得到了减缓。针对上海近期处于新的地面沉降加快阶段形势,研究了进一步控制上海地面沉降的措施7。从地下水开采总量、地下水分散开采(地区分散和层次分散)、地下水集中回灌(回灌总量、集中地区、集中层次和集中时间)及合理采灌比等研究了进一步控沉的地下水采灌措施。针对上海市地下水资源总量较少而水质较好的特点,提出将第四含水层优质地下水作为上海市饮用水开发,同时又有利于地面沉降的控制。对于施工引起的地面沉降问题,提出要加强工程建设施工的监督管理。对地面沉降灾害的防治,建立黄浦江河口挡潮闸是具有现实意义的。另外要尽早出台《上海市地面沉降防治管理办法》。3新的地面沉降研究3.1非离公罗流体时空分布特性上海市淤泥质软土的沉降特点为:(1)呈持续沉降状态,沉降速率达2.9～5.7mm/a;(2)占总沉降量的30%～60%;(3)无论含水层抽水或灌水,其孔隙水压力基本不变;(4)离黄浦江越近,沉降量越大。这些特点早在70年代就受到了有关专家的注意,并用次固结、蠕动、流变等观点进行过探讨,但均没有得到令人满意的结果。笔者曾注意到了淤泥质软土的流体流动特性,并用它从理论上解释了淤泥质软土在黄浦江两岸沉降量较大的原因,但还需要得到实测验证,值得投入一定的实测工作量进行证实。淤泥质软土埋藏较浅,其地质环境变化较大,受到的人为影响因素也较多,其地面沉降的原因自然复杂。淤泥质软土的厚度并不大,但所产生的沉降量较大,对部分地区的控沉会产生较大的影响,这是摆在我们面前要研究解决的问题之一。3.2均沉降速率上海的深部土层埋深在150～300m左右范围内,主要由第四、五含水层组成。1991—1996年平均沉降约27.7mm,速率4.6mm/a,约占地面沉降的45.2%,与前25a相比,每年增加4.1mm。同期地下水开采每年增采0.43亿m3,地下水位下降速率达1.31～3.37m/a。1996年以来深部土层沉降又有新的增加,年沉降量已达cm级,因此,深部土层的沉降规律应做进一步的研究。3.3工程施工问题20世纪90年代以来,工程性沉降问题已越来越多,一方面对工程建成后的运营产生影响,另一方面也对区域性地面沉降产生了影响,如黄浦江大桥工程、隧道工程、地铁工程、高大建筑工程、高速公路等在运营过程当中越来越明显地受到地面沉降问题的影响。工程性沉降问题包括工程施工引起的周围地面沉降问题、基础沉降问题、建成后运营过程当中的沉降问题、差异沉降问题以及区域地面沉降对工程的影响问题等。水平延伸较长的长距离工程遇到的沉降问题将比较多、比较复杂,治理难度大。利用软基础的大型工程设计、施工及运营均应考虑沉降问题,并且要进行系统的沉降观测,同时要加强这方面的课题研究。3.4角洲地面沉降灾害的系统性主要由上海、苏锡常和杭嘉湖组成的长江南岸三角洲平原,面积只有3万km2,仅占全国面积的0.3%,但产生的国民生产总值却占全国的15.3%(蒋承菘副部长语)。可是,地面沉降却是这一地区在高速发展过程中所面临的共同的严重环境地质问题,其严重性体现在:(1)苏锡常和杭嘉湖的地面沉降灾害比上海发展得更快,世界上,采油采水沉降一般要达30a以上的时间才会产生严重的地面沉降灾害问题,上海约要了35a,而苏锡常和杭嘉湖从60年代初发生地面沉降到90年代初已出现地面沉降灾害现象却不足30a。(2)苏锡常出现了更为严重的地裂缝问题,如江阴市河塘镇1995年底到1996年初发生的地裂缝,缝长450m,缝宽3～6cm,缝深6～9m。③防汛压力不断加重,地面标高一般只有2～3m,环太湖地区水闸挡水坝已拦不住3.5m警戒水位,上海还要遭受风暴潮的严重威胁。长江三角洲地面沉降的系统性主要体现在:①地质条件的统一性,属于同一个三角洲地质单元,水文工程地质条件基本一致,地下水系统总属共同的一个;②都属于太湖流域的范畴,在防汛问题上也具有统一性。但是,这一地区却在行政上隶属于3个省市,这就容易导致对地面沉降和地下水的管理、监测、研究和控制上的不统一和不协调问题。3.5对国内抗洪堤设施的影响美国地质调查局1995年提出的美国地面沉降最新研究计划共有5项,其中第2项就是要评价地面沉降对美国全国性基础设施的影响,那么地面沉降是否已经对我国的全国性基础设施产生了影响呢?全国性的基础设施主要有铁路、高等级公路、大江大河防汛堤等。从1998年中国大洪灾可看出,地面沉降已经对我国大江大河防汛堤的防洪能力产生了严重影响。沙市、武汉、哈尔滨和大庆等城市和地区是我国1998年夏季特大洪水的重灾地区,而这些地区实际上已存在地面沉降问题多年。这些地区的地面沉降原因主要是采油采水和构造沉降。地面沉降导致了沙市洪峰水位超过历史记录的假象。地面沉降因为降低了这些地区的防汛堤高度而使其防洪能力严重降低,从而加重了1998年中国大洪灾。这一现象警示我们:地面沉降已经影响到我国的全国性防汛基础设施。对其它基础设施的影响尽管还没见报道,但应引起足够重视,尤其是地裂缝。应尽快组织地面沉降对全国性基础设施影响的调查评价。3.6卫星孔径雷达干涉资料研究根据美国地质调查局S.A.