地面沉降自然因素和社会因素以及沉降监测解决方案
地面沉降是在自然和人为因素作用下,由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面标高降低的一种环境地质现象,是一种不可补偿的永久性环境和资源损失。地面沉降具有生成缓慢、持续时间长、影响范围广、成因机制复杂和防治难度大等特点,是一种对资源利用、环境保护、经济发展、城市建设和人民生活构成威胁的地质灾害。
地面沉降发生的原因主要有两个方面, 即自然因素和社会因素。
一、地面沉降发生的自然因素
自然因素是地面沉降发生的先决条件, 是内因，主要包括地层岩性、构造运动、全球气候转暖等。
地层岩性对地面沉降的影响
存在压实压密型地面沉降的岩层。
存在塌陷型沉降的地层。
存在有机土变质型沉降的地层。
存在引发软化型沉降。
1、构造运动对地面沉降的影响
一百万年以来的新构造运动是一种强大的自然力量。升降运动是新构造运动中的一种构造运动形式, 地层的垂向升降, 直接引起局部地面下沉。强烈地震是新构造运动的一种突发事件, 在短期内可以引起变幅较大的区域性地面垂直变形, 也可使软土地基震陷和古河道新近沉积土液化, 导致区域性地面沉降。强烈地震, 尤其是海底火山爆发, 可引起海平面上升, 导致地面相对下降。
2、气候变化对地面沉降的影响
全球性气候转暖是一种强大的自然力量。目前地球正处于间冰期, 全球气温呈上升趋势。人类燃烧大量的石化燃料而形成的“ 温室效应” 加剧了气温的上升。这种全球性气温升高, 一是导致冰川融化, 引起海平面上升；二是导致冻土层液化。二者均能导致地面下降。
二、地面沉降发生的社会因素
地面沉降现象与人类活动密切相关。现在我们研究地面沉降的原因时,不难发现,人为因素已大大超过了自然因素。尤其是近几十年来,人类过度开采石油、天然气、固体矿产、地热、地下水等地下资源,使贮存这些固体、液体和气体的沉积层的孔隙压力发生趋势性的降低,有效应力增大,从而导致地层的压密。
直接导致了今天全球范围内的地面沉降。人为的地面沉降广泛见于一些大量开采地下水的大城市和石油或天然气开采区。地面沉降主要由抽水作用形成,但又与软土层的厚度、地壳下沉,以及高层建筑等因素密切相关。
造成我国地面沉降的成因,主要是地下水的长期超量开采,同时,第四纪以来的的活动断裂和构造沉降,加剧了这一灾害的发生和危害。
1、超采地下水引起地面沉降
由于大量开采深层地下水,引起孔隙水压力降低和有效应力增大,致使含水层被压缩,颗粒接触面积增大,孔隙度减小并释水,产生弹性变形,其沉降量一般相当粘性土压缩率的15% ,当含水层中的水压恢复后,骨架则复原,只形成暂时性地面沉降。粘性土层孔隙度大,孔隙微小,主要含结合水,当含水层与粘性土层之间的水头差足以克服水与颗粒之间的结合力时,水便从粘性土层中排出。
释水时孔隙压缩,使粘土矿物颗粒接触面积增大,颗粒间发生相对位移,孔隙结构被破坏而发生塑性形变。当含水层中水压恢复后,只能使粘性土层被压缩的孔隙中水压升高,而不能使孔隙度和储容水量恢复到初始状态,形成永久性地面沉降。
2、大规模开采固体矿产
固态矿产是经济社会发展的重要物质基础。随着经济社会的快速发展, 对固态矿产的需求量也越来越大。大规模开采固态矿产背后, 留下成片的采空区, 由于开采后的充填技术有缺陷或经济利益的驱动没有采取采后充填措施, 常常引起矿坑塌顶造成地面沉降。
3、开采油气资源引起地面沉降
在油气田区,开采油气资源也会引起地面沉降。根据大港油田的有关资料, 2500m以下普遍出现了欠压密地层,当油气开发后,必将使流体压力降低,固体颗粒有效应力增加,使地层进一步固结压密,从而引起地面沉降。因此,石油天然气的开采也是引起油气田区地面沉降的因素之一。
4、开采地热引起地面沉降
沿海某些地区蕴藏有地热资源,地下热水开采量逐年增加,抽取地下热水引起水位下降,地层内孔隙水压力减少有效应力增加,必然引起地层进一步压实而导致地面沉降。
5、大量开掘地下工程
人类为满足自身需求大量开挖隧道、防空洞、地下铁路、地下停车场、地下商城等地下工程, 在这些工程开挖前, 首先要工程排水, 引发含水层的压实压密和地面沉降。地下工程开挖过程中, 常因加固、支护技术不过关, 导致塌陷和地面沉降。
6、大面积增加地面堆载
由于地面空间的有限性或经济发展的需要, 人类使建筑向空中发展, 重大高层建筑林立或由于调整水资源供需矛盾, 修建大型水库等蓄水工程。这些大面积的地面堆载, 给地基施加了巨大的静荷载, 使地基发生压密变形, 引发地面沉降。
三、地面沉降的预测、监测与防治措施
地面沉降的预测
国内外有关地面沉降的预测方法很多，主要有模糊神经网络、灰色理论等当沉降均匀平稳时，宜采用灰色预测，当沉降波动较大时，宜采用人工神经网络预测。沉降是一个受多方面因素影响的复杂过程，其影响因素与沉降之间存在复杂的非线性关系，正确选择预测方法和建立相应的模型，对于精确的预测沉降和防止事故的发生显得尤为重要。
地面沉降的监测
地面沉降的监测项月主要有大地水准测量、地下水动态监测、地表及地下建筑物设施破坏现象的监测等。监测的基本方法是设置分层标、基岩标、孔隙水压力标、水准点、水动态监测网、水文观测点、海平面预测点等。
定期进行水准测贷和地下水开采量、地下水位、地下水压力、地下水水质监测及地下水回灌监测，同时开展建筑物和其他设施因地面沉降而破坏的定期监测等。根据地面沉降的活动条件和发展趋势，预测地面沉降速度、幅度、范围及可能产生的危害。
追踪监测：地面沉降现象发生地区设施变形破坏情况的追踪监测，如标高损失造成的海水倒灌、港口及堤防工程失效、测绘标志失效、桥梁和库房净空减少、汛期排泄不畅造成积水、内涝；不均匀下沉造成道路和房屋开裂变形、各种井管上升、倾斜、损坏等。
专项监测：各监测网的专项监测包括地面沉降或回弹量测定，地下水水位、水量的动态变化等；
分层监测：水准测量和应用GPS 测量监测地面沉降量的大小，分层监测含水系统各主要层位的沉降量和孔隙水压力变化量。
