关于地面沉降的危害及成因机理研究

关于地面沉降的危害及成因机理研究
【摘要】地面沉降是在众多自然和认为因素下形成的一种地面标高损失的地质灾害现象，它具有生成缓慢、持续时间长、影响范围广等特征。

目前已经在多个国家和地区发现了地面沉降现象，由于地面沉降的巨大危害性，加强地面沉降的研究有着重要的意义。

【关键词】地面沉降；危害；成因机理研究
1 地面沉降的定义及类型
地面沉降是在自然和人为因素下，由于地表松散土体压缩而导致的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的环境和资源损失，是地质环境系统破坏所导致的恶果[1]。

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。

地面沉降已成为我国乃至世界范围较为普遍的地质灾害现象，对社会经济的可持续发展影响巨大。

关于地面沉降的分类，根据地面沉降发生区的地质水文概况主要可分为以下三种类型：内陆河谷和盆地型、冲击和洪积平原型、沿海三角洲和滨海平原型。

2 国内外地面沉降现状
众所周知，自1891年墨西哥城记载有地面沉降现象以来，地面沉降现象已经遍及世界各国的多个城市和地区。

据报道和学界的研究，现今地面沉降较为严重的国家有日本、墨西哥、美国和意大利等。

我国的地面沉降较世界其他国家和地区在发生时间上相对较晚，但随着最近几十年来我国经济的飞速腾飞，我国的地面沉降同样也在迅速扩大，扩展的速度和发展的强度远远高于世界其他国家。

自1921年在我国上海市发生地面沉降以来，目前我国的96个城市和地区发现了不同程度的地面沉降现象。

3 地面沉降危害
地面沉降已经成为城市建设和发展的一种“慢性病”，地面陈建的生成缓慢、持续时间场、影响范围大等特征使得其成为了一定程度上制约我国城市地区可持续发展的地质灾害“元凶”。

从地面沉降的定义我们可以看出地面沉降带来的最根本的影响是地表标高的损失，地面高程的损失降低将引发一系列的次生灾害，通过研究地面的主要危害和影响体现在以下几个方面：
3.1 加大沿海城市风暴潮的频率和强度
沿海地区，由于濒临大海，使得该种地区经常受到风暴潮的侵袭并对人民的
生命财产安全构成严重的威胁。

地面沉降造成的地面标高的损失使得这些地区抗击风暴潮的能力下降，同时风暴潮发生频率也进一步上升。

3.2 城市排水系统损毁，导致城市内涝积水
许多城市的地面沉降中心由于严重的标高降低，导致该地区按原来报告设计的城市排水系统部分或全部失去作用，在雨季，许多城市雨水无法正常排除出，形成大面积积水，许多城区变成汪洋一片，对人民的正常生活和出行造成了极大的影响。

3.3 城市河道泄洪能力下降
地面沉降直接导致河道堤岸、桥梁等的原本高程降低，同时区域性的地面不均匀沉降，使得许多内河入海口都有严重的淤泥淤积，这些因素都使得河道的泄洪能力严重降低。

3.4 内河河道的过水能力降低
引发河道过水能力降低的根本原因还是由于地面沉降引发的标高损失，地面沉降导致了河床的下沉，从而导致许多河道原先设计的过水能力严重降低，许多河道如流经沧州地区的南运河段过水能力已不及原设计指标的1/2。

3.5 地下管线等市政设施遭受破坏
地面沉降的一大危害体现在地面标高的损失，另一点则是区域性的不均匀地面沉降。

不均匀沉降在城市地区对地下管线的安全构成了严重的影响，它导致管线弯曲、断裂，造成自来水、家用煤气的泄露的发生，在影响城区人民正常生活的同时也对当地的人民生命财产安全构成了威胁。

地面沉降的不均匀性，还会导致城市地区的地表建筑物地基下降，倾斜，墙体产生裂缝，严重的时候甚至还会发生坍塌现象。

3.6 损坏危害城市城际之间的重要交通干线
发生地面沉降的城市大多是经济较为发达的中心城市，很多都是地区的政治文化中心和交通枢纽，不仅城市内部有许多交通干线，更有许多较为重要的公路、铁路干线通过，因此地面沉降和不均匀沉降的发生会导致这些交通干线的路基损坏，许多地区因地面沉降加重的洪涝灾害也会导致这些道路干线被淹没，这些都在一定程度上威胁着道路交通甘泉，若不及时治理将会造成重大的经济损失。

3.7地面沉降引发伴生地裂缝，损毁房屋等
据研究，地面沉降的局部不均匀性是造成地裂缝的主要诱因。

地裂缝是地面沉降的伴生灾害，相比地面沉降，地裂缝带来的影响则更为直接和明显。

在我国的多个沉降城市都发现了这一地质灾害现象，如西安、河北的沧州等。

地裂缝会
造成房屋损毁性的开裂，引发巨大的经济损失的同时，也对地区的土地利用、发展规划等工作产生诸多不利影响。

4 地面沉降成因及机理研究
地面沉降的一大特征是成因机制复杂，但研究表明可以概略的把地面沉降的成因归为人为原因和自然原因两类，具体阐述如下。

人为原因是造成现今大多数城市地面沉降的最主要因素，主要体现在以下几个方面：
（1）地下水资源的过量开采：这是造成地面沉降的最为根本的原因，许多国家和地区都由于过量的地下水开采而导致了严重的地面沉降，我国的天津、苏锡常地区都是此种因素引发了严重的地面沉降现象。

（2）天然气石油等资源的开采：许多城市是能源型城市，在当地富含丰富的煤炭、天然气和石油等资源。

由这样的原因引发的地面沉降不胜枚举：在美国的德克萨斯州由于碳氢化合物的开采造成了严重的地面沉降；我国的胜利油田，由于原油的注水开采，1978年到1991年间累计地面沉降达到了巨大的1.5m；从上世纪90年代起，大量的需求致使昆明市地热水的开采开始大规模扩大，引发了地面沉降灾害。

（3）建筑和施工等工程效应造成的局部沉降当今的城市建设为了缓解用地紧张和人口激增所面临的居住问题，高层建筑如雨后春笋般数量激增。

以高层建筑为代表的工程施工对周围地区将造成区域性的不可逆转的地面下沉现象。

其中对周边地段影响较大的工程有高层建筑的基坑开挖、地铁的盾构开挖等等。

规模较大的隧道、涵洞的开挖有着更为显著的沉降效应。

另一类造成地面沉降的原因主要是自然界因素，是人力所不可控制的因素，主要有以下几个方面：
（1）软土地层的自然压实、固结：我国的滨海平原和沿海城市第四纪沉积层的厚度都较大，这些沉积层含水量高，固结程度差，组成颗粒较为松散，在重力等的作用下，这些松散的底层会从松散或半松散态转而变为压实的坚硬态，地层厚度就会降低从而导致地面沉降的发生。

（2）地质构造运动：地球内部的构造运动和变迁会形成高山、盆地等地貌，形成了我们今天所生活的地表的基本形态。

虽然剧烈的地质构造如地球板块的运动不会发生，但是轻量的地质构造运动也会引起地表的凹陷从而产生地面沉降现象。

（3）地震的影响：据相关的研究和统计，发生地震的城市在震后的观测中总会发现明显的地面沉降现象的发生。

现今被人们广泛接收地关于地面沉降的解释是土力学中的有效应力理论。

大量研究都已表明，地下水的开采是造成地面沉降的最主要原因。

但究竟为何地下水的开采会引发地面沉降一直无法得到有说服力的解释，直到土力学这门学科的建立人们进一步认识到粘性土层压缩和承压含水层的存在是行成地面沉降的内因。

土力学指出土体是一种固液气三相体，构成土体的主要成分是固态，即固体颗粒，它们堆积成有孔隙的土体骨架，非饱和态下，土体骨架中含有水和空气，而饱和状态下则完全充满水。

土体在外部应力的作用下，土体颗粒和土体骨架中的孔隙水均会发生移动，但由于这部分的运动较小，所以造成的土体变形可以忽略。

土体的主体变形来自于土体骨架的变形，而此方面的变形主要是由于土体中有效应力的增加。

由于地表建筑物和土体自重产生的总应力主要是由土体和土体骨架中含有的孔隙水共同承担，相应的力称为有效应力和孔隙水压力，三者之间的关系如下公式所示：
（1-1）
式中：总应力，：有效应力，：孔隙水压力。

承压含水层中地下水的大量开采导致地下水位的迅速下降，相邻的粘土层的空隙水流向水位较低的开采层，从而导致土层中孔隙水压力的下降，由式（2-1）式可知，在总应力一定的前提下，孔隙水压力的降低必然会导致有效应力的增加，有效应力的增大会使土体骨架产生变形，相应的粘土层压实，这种作用导致了地面沉降的发生。

此外，地下水体的流动、渗透力的作用等，使得粘土层土体颗粒重新排列、结构发生变形并发生侧方向的移动，造成土层压密；再而就是地下水抽水时砂石含水层颗粒会因抽水作用排列紧密，颗粒间空隙减少。

这两者也是土力学中给出的关于地面沉降的成因机理的解释。

5 结束语
本文主要叙述了关于地面沉降的一些基本知识，包括国内外地面沉降的现状，地面沉降的种类、地面沉降的危害、成因机理等等。

这些基本知识是地面沉降课题需进行研究的基本点之一，研究的技术路线主要是阅读大量的文献书籍和整理相关的资料，从而得出了上述的融合了自己一些见解的粗浅结论。

同时本文也是为其他部分的研究工作包括沉降模型的建立提供基本的理论依据，是后续试验的知识基础。