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地面沉降与地下水开采问题的探讨 郑 朋 贵州省交通规划勘察设计研究院 , 贵州 贵阳 550001 摘 要 地面沉降作为一种广泛的地质灾害 , 会引起建筑物破坏 、 地表形成洼地以及公路 、 铁路和管线 错断等危害 。 它不仅对地面设施造成很大的破坏作用 , 而且也会使地下环境发生变化 , 给工业生产 、 城市建设和人们生活带来的影响是深刻和巨大的 , 。地面沉降主要 是由于人类过渡开采地下水引起的 , 。对地面沉 降的概念做了介绍 , , , 最后从 , 行了探讨 。 关键词 地面沉降 ; 可持续发展 中图分类号 TU433 B 文章编号 1004 57162007 10 0060 03 1 地面沉降概述 地面沉降是在自然条件和人为因素作用下 , 由于地 壳表层土压缩而导致区域性地面标高降低的一种环境 地质现象 。 地面沉降是一种缓慢的地基压缩变形过程 , 这种现象常在那些新近沉积的正在发生固结的地方发 生 。 地面沉降作为一种广泛的地质灾害 , 造成地下管道 扭曲折断 、 道路起伏不平 、 海水倒灌 , 建筑物产生裂缝甚 至倒塌 , 不仅对地面设施产生很大的破坏作用 , 而且也 会使地下环境发生变化 , 给工业生产 、 城市建设和人们 生活带来的影响是深刻和巨大的 。 1个多世纪以前 , 国 外就发现由于地下水抽取引起的地面沉降 。意大利比 萨平原现在的地面沉降速率为自然沉降的 25倍 , 对 深度达 250m 的主要含水层水位的监测表明 , 地下水位 呈总体下降趋势 ; 伊朗 Esfahan 南部因地下水开采也产 生严重地面沉降 , 并发生了几条地裂缝 [1]。 在我国也有 许多地方由于地下水的开采而引起地面沉降 , 如上海 、 天津 、 太原等地 [2]。 在世界许多城市 , 尤其是沿海地区 , 地面沉降已经成为一个非常严重的问题 。地面沉降伴 随着地下水的开采而产生 、 伴随着地下水位的变化而变 化 、 伴随着开采量的增加或减少而发展或减缓 。 地面沉 降的漏斗与地下水位下降漏斗基本一致 , 发生地面沉降 的层位与各含水组的开采量相对应 , 其次新构造运动 、 地震 、 工程建筑的施工降水及荷重等对沉降也产生一定 的影响 , 但主要是开采地下水所致 。 地面沉降会引起建 筑物破坏 、 地表形成洼地以及公路 、 铁路和管线错断等 危害 , 如不及时防治 , 必将对我们人类的生活及社会发 展造成十分严重的影响 。 如何正确认识地表沉降发生机理 , 描述地下水渗 流 , 确立地面沉降模型 , 并以此来预测地下水可开采量 及地面沉降量 , 这对控制地面沉降的发展至关重要 。 探的结果作为地球物理勘探的效验样本 ; 在各滑坡上布 置了重合的勘探点 , 结果显示各滑坡滑面波勘察的深度 与所揭示的深度相一致 , 说明了面波勘探的可靠性及准 确性 。 4 结论 多瞬道面波勘察技术 , 首先详细给出各土层的波 速 , 实测了各层土体的动力学特征 ; 其次 , 探明了各滑坡 的滑面的准确位置 ; 再次 , 勘测结果与钻探结果对比 , 充 分说明了面波勘查方法的精确性 , 为滑坡的后期治理和 加固设计提供了可靠的依据 。 参考文献 [1] 张咸恭 , 王思敬 , 张悼元 , 等 . 中国工程地质学「 M 」 . 北京 科 学出版社 ,2000203-215. 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G B 50330-2002建筑边坡工程技术规范 [S]. 06 西部探矿工程 2007年第 10 期 2 地表沉降损害发生机理 2. 1 地下水相关分析 地表沉降损害应该根据地下水所处的地层层位 、 载 体物性 、 载体厚度 、 抽排方式和沉陷损害类型进行分析 。 从地下水所处的地层层位看 , 可以把地下水分为浅层地 下水和深层地下水 ; 从地下水所处地层的物性 地下水 载体 看 , 可分为新生代地层载体地下水和基岩地层载 体地下水 , 其中 , 新生代地层载体又有非固结 、 固结和超 固结等 3种状态 ; 从地下水所处地层的厚度看 , 可分为 厚含水层和薄含水层 ; 从地下水抽排的性质看 , 可以分 为正常的地下水的抽放与突发性的地下水强排 ; 从地下 水抽排对地表所产生的影响看 , 还可分为一般地层的连 续沉陷与特殊构造地层的突发陷落损害 。 2. 2 主导因素 、 渗透力的作用 。 目前 , 普遍采用地下水开采有效应力的 变化原理解释地表沉降的发生机制 。含水地层强度 -土层的预固结应力 预固结应力是指黏性土层在地质历 史过程迄今所承受的最大有效应力 , 这是衡量一个地区 某一土层固结情况的尺度 。 根据土力学 , 把土层的预固 结应力值与土层现今的自重应力比较 , 可分出欠固结 、 正常固结和超固结三种 。 对于前两种 , 尤其是欠固结状 态有利于地表沉降损害的发生 , 因为处于这两种状态的 土层在地下水开采后 , 地下水失去了对土空隙的占据 , 也失去了对上覆土层的支撑 , 使地层有效应力增大 , 从 而产生渗透固结和荷载固结 , 尤其是渗透固结对地表沉 降所起的作用较大 。 对于具超固结应力的土层 , 只有在 承压水位下降 , 并使土层中产生新的孔隙水压力时 , 才 有可能出现地表沉降 。 对于基岩中的地下水 , 由于基岩 强度相对很大 , 所以基岩内地下水流失对上覆岩层以及 地表的沉陷影响很小 。 上述分析得出 , 引起地表沉陷的 地下水一般产生于松散或半固结状态的 、 强度相对较弱 的新生代沉积结构模式环境中 , 尤其是那些未固结状态 的土层 。 也就是说 , 深层基岩地下水的开采造成的地表 沉陷极小 , 在未导致浅层新生代地下水大量流失的条件 下 , 一般可不考虑基岩地下水引起的地表沉陷 , 而浅层 新生代地下水的开采对地表沉陷的影响很大 , 是地表沉 陷的主导因素 。 含水层浮托力减小和渗透力 这两个因 素对开采地下承压水造成地表沉陷有一定的影响 。在 抽取地下承压含水层中的地下水时 , 会使承压水头压力 降低 , 减小含水层浮托力 , 引起土骨架之间有效应力增 加 , 使骨架孔隙压缩 。 加之 , 地下水渗透力的作用 , 造成 含水层周围的地下水运移释水 , 从而形成地下较大范围 的 “ 压缩层” , 导致地表沉降 。但相对地说 , 这两个因素 对于非承压的浅层厚新生代地下水影响不大 。因此 , 浅 层非固结的厚新生代地下水的开采是引起地表沉陷损 害的主导因素 , 而地下水强排和特殊构造地层是引发地 表沉陷损害的主要原因 。 3 地面沉降的预测方法 国际上许多学者针对不同的地质条件与现场地下水 开采的实践 , 提出了各种不同的方法预测由于地下水的开 采引起的地基收缩与固结沉降问题。 对地下流体资源开采 引起的地面沉降有许多不同的预测方法 [2], 见表 1。 表 1 地面沉降的预测方法 类别 特点 优缺点 要求大量统计资料 , 普遍适用性较差 理论法 势的相似性衡量因 素间的关系 对样本量没 有太高的要求 早期的数 值计算法 数值分析法 由于当时计算机容量限 制 , 只能做简单问题 准三轴 计算法 两步计 算模型 水平方向的二维地下水 渗漏与一维聚结渗漏与 不对弱透水层 建立渗流方程 基于真三维水流 模型的计算法 考虑三维渗流 与一维固结 解决了准三轴中不对弱 透水层建立渗流方程的 问题 , 对土体变形仍考 虑一维固结 三维完全 耦合模型 三维渗流与三维固 结完全耦合 计算复杂化 , 占用计算 空间大 , 耗时多 , 许多 基于真三维水流模型的计算方法考虑了弱透水层 的渗流 , 充分模拟了地下水的三维渗流 , 但是它仍有不 足之处 ①土层变形采用一维模型并不能表达现场的 实际情况 ; ② 不能考虑现场初始的应力条件 ; ③不能考 虑地裂缝分布 。 它与太沙基理论不同的是 , 太沙基理论 增加了一个假定 , 即在固结过程中法向总应力不随时间 改变 。 最早应用比奥理论分析地面沉降问题的是意大 利的 Gambolati 等 。 Gambolati 等将透水层与弱透水层 当作弹性体 , 应用比奥固结理论求解地面沉降问题 , 但 由于没能考虑土体的非线性性质 , 计算精度较低 。为使 比奥理论正确求解 , 应将比奥理论与土体的非线性弹塑 性模型如邓肯张剑桥模型耦合在一起分析 。如果是这 样 , 计算变得较为复杂 , 首先应计算初始地应力场 , 然后 采用增量法分步计算塑性变形 , 使计算量变得非常庞 大 。 这对于求解小范围的岩土工程问题是可以达到的 , 如 Shen 等 [4-7]。 将比奥理论与剑桥模型耦合分析路提 施工引起的沉降 ; 张建民等运用 Biot 理论耦合分析海 岸堤防引起的沉降变形 ; 蔡丰锡将比奥理论与剑桥模型 耦合分析了盾构法施工引起的沉降问题 。在国内 , 陈杰 162007年第 10期 西部探矿工程 等曾运用二维比奥固结平面有限元程序计算开采地下 水引起的小范围地面沉降问题 。虽然比奥固结理论已 经被成功地应用于研究路堤等引起的土体沉降变形 , 但 是由于地面沉降所涉及的面积广 , 计算工作量大 , 需要 的参数复杂 , 不管是国内还是国外 , 目前的地面沉降预 测模型都没有做到水流模型与沉降模型在力学计算上 的真正耦合 。 开采地下水引起的地面沉降是三维的 , 随 着计算技术的发展 , 特别是有限单元法的发展 , 研究三 维渗流和三维变形耦合的真三维完全耦合模型成为将 来地面沉降预测工作的重点 ; ④ 对土体采用线弹性模 型并不合适 ; ⑤由于土体变形的滞后性 , 使得土体的变 形特性非常复杂 , 这与模型中的假定有一定的差距 [3]。 Biot 于 1941年从较严格的固结机理出发 , 方程 , 一般称为 , 空间中是同时的 , 并引起总应力的重新 。 4 地面沉降和地下水开采矛盾的解决 由于超量开采地下水引起的防治不是一朝一夕的 事情 , 必须区分轻重缓急 , 制定防治规划 。开展地下水 资源开发利用规划 , 加强地下水资源管理开展滨海平原 地下水开发利用现状调查 , 深入研究地下水含水系统结 构及地面沉降状况 , 确定地下水超采区 , 划定限采区和 禁采区 , 把地下水开采量控制在合理范围之内 。加强用 水管理 , 合理用水 、 优水优用 , 进一步控制工业用地下 水 , 并把优质地下水作为生活饮用水逐步过度为作为饮 用水水源 ; 采用经济扛杆 , 实行优质优价 ; 加大环境综合 整治力度 , 解决替代水源 , 改善地面水功能 , 提高地面水 的供水能力 。 在地面沉降剧烈的情况下 , 应暂时停止开采地下 水 ; 向含水层进行人工回灌 , 回灌时要严格控制回灌水 源的水质标准 , 以防止地下水被污染 , 并要根据地面沉 降规律 , 制定合理的采灌方案 ; 调整地下水开采层次 , 进 行合理开采 , 适当开采更深层的地下水 。认真做好规划 的组织实施 ; 政府各部门要高度重视 , 将规划作为一件 大事列入议事日程 , 成立规划协调机构 , 定期检查规划 实施情况 ; 加强法制建设 , 保护地质环境 广泛宣传国家 有关法规 , 加快制订地质环境保护的法规 。不断提高人 民群众的法制观念 , 形成全社会自觉保护地质环境的强 大舆论 。 抓好重点项目的实施和管理 , 要严格按规划立 项 , 按项目进行动态管理 , 按设计组织施工 , 按工程进度 安排资金 。 要保障重点项目的资金投入 环境地质问题 的勘察与防治重点工程项目 , 要纳入市基本建设计算 , 相关部门按照事权 、 财权对人员和资金投入作出长期安 排 。 因此 , 在总量控制的前提下 , 要进一步优化地下水 的开采布局 , 把按层次 、 地区和时间内集中开采调为按 含水系统的特征转化为分散式的开采 , 避免现有地下水 降落漏斗的进一步发展 。 具体措施如下 1 完善地下水动态与地面沉降监测 进一步完善 地下水动态监测网络 , 加强地下水动态监测 , 改进监测 手段 , 加快地下水动态监测信息网建设 , 提高监测成果 的时效性和服务水平 。建立和完善滨海平原地面沉降 区域监测网 , 加快 GPS 监测网络与分层标相结合的地 面沉降监测网络体系建设 , 实现 GPS 监测与分层监测 标组监测自动化 。及时掌握地下水开采与地面沉降动 态情况 , 适时调整地下水开采计划 , 实现地下水资源的 加强地面沉 , 研究地面沉降与地下水开采 、 水位动态与地质结构的相互关系及其演化规律 , 结合海 平面变化趋势研究 , 深入分析地面沉降对城市建设 、 国 土整治 、 经济发展的危害 。 建立滨海平原地区地下水资 源与地面沉降预测预警系统 , 为政府制定城市和区域可 持续发展规划提供科学依据 。 3 因地制宜开展地下水人工回灌 人工回灌是防 治地面沉降的有效手段之一 , 且方法简单 , 技术可行 , 并 能起到蓄水储能的综合效果 。 应积极创造条件 , 在保证 水质的前提下 , 选择水文地质条件有利地段建立地下水 人工回灌试验场 , 进行地下水人工回试验 , 并有计划有 步骤因地制宜逐步推广地下水人工回灌工作 。 总之 , 对待地面沉降这样问题 , 应该用科学的态度 看待 , 采取有效的措施 , 解决人与自然协调和可持续发 展的 , 对地面沉降和地下水开采的矛盾降低到最小 。 参考文献 [1] Zhang A G ,Liu Y , G ong S L. 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