水文地质特征对城镇地面沉降的影响分析

盛祝东

摘 要:地面沉降涉及资源、环境、经济和社会等多个方面,影响城市和地区的可持续发展,已成为21世纪国内外城市主要地质灾害,严重制约了我国社会、经济的可持续发展。这与水文地质特征有着密切的联系,通过对两者关系的调查,对城市地面沉降问题提出一些预防及治理措施。

关键词:地面沉降水文地质特征城镇

中图分类号:TU433 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)05(b)-0222-02

1 地面沉降

在一定的地表面积内,会有地面水平面降低的现象,这一现象就称为地面沉降。[3,4]我国很早就有这一现象的记载。地质是城镇地面沉降的重要原因之一。然而,城镇地面沉降现象越来越严重,还有一个重要的原因,那就是城市人口的密集和经济的快速发展。如上海、西安、天津、北京等城市人口密集的大型城市,这种现象尤其严重,沉降面积很大。在分析以上两种原因时,可以发现,后者已大大超过了前者。

自然因素主要在于地质因素:地层受重力影响,不断地沉积、压紧,会变成紧致或者坚硬的岩石,从而地层厚度也就随之减小,使得地面沉降现象频发;地面凹凸也是地面沉降的重要原因,它主要是由于地质构造的作用而成的;另外,地下的波动引起的地震也是地面沉降的主要因素。[1]

地面沉降现象受人类活动的影响越来越大,现如今地面沉降在世界很多地方都有发生。容易致使地面沉降的人类活动有过度开采地下资源,如天然气、地下水、固体矿产、石油等。在我国的大多数城市,由于人口密集,对地下水的需求过多,地下水的开采量急剧增加,使得许多人口密集城市地面沉降现象严重,此外,沿海城市还有海水入侵的现象。

地面沉降的危害主要表现在地表建筑物和地下的主要设施上。我国地面沉降已经造成了一亿元人民币/年的经济损失。由于损失巨大,我国越来越重视这一问题,并在许多地区采取了一系列的措施控制地面沉降现象的发生,主要有出台计划生育政策来控制人口、对地下水的开采也进行严格控制。

地面沉降的产生是需要一定的地质、土层内的应力转变条件及水文地质条件。从地质、水文地质条件来看,多层含水体系中较疏松的体系承压含水层的水量比较丰富,更适于长期得开采;在开采层一定的影响范围内,尤其是它的顶、底板,有厚层的正常固结甚或欠固结的粘性土层等,对地面沉降产生条件是非常有利的。从土层内的应力转变条件上看,承压水位大幅度并波动式的降低,则是造成地面沉降范围不断扩大的必要前提。

2 水文地质特征对地面沉降的影响

地下水和地表水系是主要影响水文地质的因素。上层潜水、滞水和承压水主要储存于地下,是地下水的主要构成部分,严重影响了城市地下空间的容量,比如:降低岩体以及结构面的强度、增大地下空间的开发利用难度、破坏地下工程其支衬结构、提高开发地下空间的成本等等;地表水系对地下水系工程的造价成本和施工方式的影响是直接的。地表水域、地下水水质以及地下水赋存形态等是影响水文地质的开发及利用的重要原因,现对这三种影响因素分别进行评述。

2.1 地下水赋存形态

如果要对地下空间进行开发,首先是开发基坑和隧道,而在这一构成中应该采取排水措施,要采取的排水措施则主要取决于地下水的类型,如对含水量较大的基岩裂隙水,不适于采用排水井的方法,这主要是由于这种类型的地下水压力很大,使得排水井的适宜性差,同时排水井的施工花费很大,对于含水量中等的松散岩类孔隙水,则可应用适宜性好的井点降水或者旋喷、注浆等技术措施防治地下水,而对含水量较少或者缺乏松散岩类孔隙水,只需要采用明排水的方法,这种方法的处理较容易,且适宜性也良好。

2.2 地下水水质

地下水的水质类型会对构筑物或地下建筑的耐久性有较大影响,一般来说,HCO3-Ca.Mg和HCO3-C1.Ca型是淡水区水质,C1-Na型是咸水区水质的类型,不同水质类型对建筑物的影响也有差异。淡水区水质对建筑物中的混凝土及其中的钢结构不具有腐蚀性或者具有很弱的腐蚀性。而咸水区水质对混凝土及其中的钢结构则有中等-强腐蚀性,因此在开发地下空间时,应该对地上及地下构筑物采取适当的保护措施,对建筑材料中所需要的水质也要严格要求。[7]

2.3 地表水域影响

由于地表水体的干扰,地下空间的开发(特别是浅层)困难较大,这主要是因为地表水体的渗漏,它一方面使隧道排水困难,另一方面影响了基坑的疏干,是工程的难度增加,沟渠和水域的缓冲距离是影响地表水渗漏的重要原因,将沟渠和水域分别缓冲10m、30m和20m、50m,形成影响程度有差异的若干区。用截断-排干法处理沟渠,可以使其缓冲的适宜性增强如果在水域缓冲20m或者沟渠缓冲10m之内,地下空开发的适宜性较差,在水域缓冲20～50m或者沟渠缓冲10～30m之内,地面水体对地下空间开发的影响会逐渐减小,如果比这个范围大的话,那么就不用考虑地面水域所导致的影响,且适宜性良好。[6,8]

随着乡镇工业的迅猛发展,地下水的开采量急剧的增加,超过了其允许开采量,大量的超量开采将造成地下水资源疏干开采、产生地面下沉等地质环境问题,使生态环境遭到严重破坏。我们应当认识到:不实施开采计划管理,不加强地下水管理,放任超量的开采地下水,将会给整个社会造成巨大的损失。各级政府应当充分认识到地质环境的重要性,且一旦遭受破坏,将难以恢复。更要认识到地质环境危害性和治理工作的艰巨性、长期性,从而强化管理,努力使地下水资源的开采量控制在允许开采的范围内,实现水资源的可持续利用。

3 地面沉降的预测及防治

3.1 地面沉降的危害

许多专家学者展开了地面沉降的研究工作,这主要是由于这一灾害危害到世界很多地区,引起人们的更多关注,这些研究者将研究重点放在了这一灾害的预测和防治工作上。我国分析不同地区地面沉降的原因,根据不同原因分别采用控制地下水位下降和人工补给地下水的方法防止地面沉降的发生及进一步扩大。

比如上海,主要采取地下水人工回灌和控制地下水开采两大措施,使上海地面沉降从年沉降量110mm,下降到目前的年沉降量10mm左右。上海从1966年起,采取一系列的措施控制地面沉降问题。这些措施主要有控制地下水的开采,甚至回灌以补充地下水,夏天灌入,冬季使用,以及开采深层地下水等。过去上海市地下水取水点多如牛毛,现在已经压缩到仅800个左右。地下水得年开采量从过去的2亿立方米,下降至2002年的9635万m3。[5]

3.2 防治地面沉降的措施

防治地面沉降,首先应该使地下水的检测系统更加完善。完善地下水监测井网[2]的意义重大,它可以对地下水的具体情况(如水质、水量)有一个动态的分析,从而能够进行预测,对地下水的开发及利用提出建议和保护措施,对取水许可制度的实施也有重大的意义。

防治地面沉降,其次应该使地下水的检测水平更加的现代化。人工观测是目前许多地区地下水监测的主要手段,这一手段所获取的地下水动态信息较慢,致使信息的发布不够快速、不能及时应用到成果中来。为了提高地下水的检测水平,除了要科学合理的设置井网,掌握高超的科学技术,如:合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)、RS、GIS、GPS等技术,还需要配置先进的科学仪器,加快地下水监测现代化进程。同时,应该多方位采集地面沉降信息,以便于预测预报和快速处理地面沉降灾害,提高应急能力。

参考文献

[1] 严勇,袁铭,王颖.城市地面沉降推估内插模型研究[J].工程勘察,2007(11):54-58.

[2] 袁铭,张序.城市地面沉降监测网的形变分析[J].苏州城建环保学院学报,2002,15(4):22-25.

[3] 纪万斌.塌陷与灾害[M].北京:地震出版社,1997.

[4] 李兰英,王新民,徐丹青.地面沉降机理及控制措施[M].地球科学与社会可持续发展—2005年华东六省一市地学科技论坛论文集,2005,11.

[5] 关关.摩天大楼能压塌上海滩吗[J].中国商报,2003,12.

[6] 陈凯杰,赵建军,郑伟锋.深圳宝安区地下空间评估的指标体系研究——从地质环境的角度[J].广东建材,2011,04.

[7] 李海燕,赵霞则,张丽华.东营市2008年地下水动态分析[J].山东水利,2011,7.

[8] 黄于新,郑伟锋,郑先昌.深圳宝安区地下空间评估的地质环境因子评价[J].广东土木与建筑,2009,3