地面沉降是在自然和人為因素作用下,由于地殼表層土體壓縮而導致區(qū)域性地面標高降低的一種環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象,是一種不可補償?shù)挠谰眯原h(huán)境和資源損失。地面沉降具有生成緩慢、持續(xù)時間長、影響范圍廣、成因機制復雜和防治難度大等特點,是一種對資源利用、環(huán)境保護、經(jīng)濟發(fā)展、城市建設(shè)和人民生活構(gòu)成威脅的地質(zhì)災害。
地面沉降發(fā)生的原因主要有兩個方面, 即自然因素和社會因素。
一、地面沉降發(fā)生的自然因素
自然因素是地面沉降發(fā)生的先決條件, 是內(nèi)因，主要包括地層巖性、構(gòu)造運動、全球氣候轉(zhuǎn)暖等。
地層巖性對地面沉降的影響
存在壓實壓密型地面沉降的巖層。
存在塌陷型沉降的地層。
存在有機土變質(zhì)型沉降的地層。
存在引發(fā)軟化型沉降。
1、構(gòu)造運動對地面沉降的影響
一百萬年以來的新構(gòu)造運動是一種強大的自然力量。升降運動是新構(gòu)造運動中的一種構(gòu)造運動形式, 地層的垂向升降, 直接引起局部地面下沉。強烈地震是新構(gòu)造運動的一種突發(fā)事件, 在短期內(nèi)可以引起變幅較大的區(qū)域性地面垂直變形, 也可使軟土地基震陷和古河道新近沉積土液化, 導致區(qū)域性地面沉降。強烈地震, 尤其是海底火山爆發(fā), 可引起海平面上升, 導致地面相對下降。
2、氣候變化對地面沉降的影響
全球性氣候轉(zhuǎn)暖是一種強大的自然力量。目前地球正處于間冰期, 全球氣溫呈上升趨勢。人類燃燒大量的石化燃料而形成的“ 溫室效應(yīng)” 加劇了氣溫的上升。這種全球性氣溫升高, 一是導致冰川融化, 引起海平面上升；二是導致凍土層液化。二者均能導致地面下降。
二、地面沉降發(fā)生的社會因素
地面沉降現(xiàn)象與人類活動密切相關(guān)。現(xiàn)在我們研究地面沉降的原因時,不難發(fā)現(xiàn),人為因素已大大超過了自然因素。尤其是近幾十年來,人類過度開采石油、天然氣、固體礦產(chǎn)、地熱、地下水等地下資源,使貯存這些固體、液體和氣體的沉積層的孔隙壓力發(fā)生趨勢性的降低,有效應(yīng)力增大,從而導致地層的壓密。
直接導致了今天全球范圍內(nèi)的地面沉降。人為的地面沉降廣泛見于一些大量開采地下水的大城市和石油或天然氣開采區(qū)。地面沉降主要由抽水作用形成,但又與軟土層的厚度、地殼下沉,以及高層建筑等因素密切相關(guān)。
造成我國地面沉降的成因,主要是地下水的長期超量開采,同時,第四紀以來的的活動斷裂和構(gòu)造沉降,加劇了這一災害的發(fā)生和危害。
1、超采地下水引起地面沉降
由于大量開采深層地下水,引起孔隙水壓力降低和有效應(yīng)力增大,致使含水層被壓縮,顆粒接觸面積增大,孔隙度減小并釋水,產(chǎn)生彈性變形,其沉降量一般相當粘性土壓縮率的15% ,當含水層中的水壓恢復后,骨架則復原,只形成暫時性地面沉降。粘性土層孔隙度大,孔隙微小,主要含結(jié)合水,當含水層與粘性土層之間的水頭差足以克服水與顆粒之間的結(jié)合力時,水便從粘性土層中排出。
釋水時孔隙壓縮,使粘土礦物顆粒接觸面積增大,顆粒間發(fā)生相對位移,孔隙結(jié)構(gòu)被破壞而發(fā)生塑性形變。當含水層中水壓恢復后,只能使粘性土層被壓縮的孔隙中水壓升高,而不能使孔隙度和儲容水量恢復到初始狀態(tài),形成永久性地面沉降。
2、大規(guī)模開采固體礦產(chǎn)
固態(tài)礦產(chǎn)是經(jīng)濟社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展, 對固態(tài)礦產(chǎn)的需求量也越來越大。大規(guī)模開采固態(tài)礦產(chǎn)背后, 留下成片的采空區(qū), 由于開采后的充填技術(shù)有缺陷或經(jīng)濟利益的驅(qū)動沒有采取采后充填措施, 常常引起礦坑塌頂造成地面沉降。
3、開采油氣資源引起地面沉降
在油氣田區(qū),開采油氣資源也會引起地面沉降。根據(jù)大港油田的有關(guān)資料, 2500m以下普遍出現(xiàn)了欠壓密地層,當油氣開發(fā)后,必將使流體壓力降低,固體顆粒有效應(yīng)力增加,使地層進一步固結(jié)壓密,從而引起地面沉降。因此,石油天然氣的開采也是引起油氣田區(qū)地面沉降的因素之一。
4、開采地熱引起地面沉降
沿海某些地區(qū)蘊藏有地熱資源,地下熱水開采量逐年增加,抽取地下熱水引起水位下降,地層內(nèi)孔隙水壓力減少有效應(yīng)力增加,必然引起地層進一步壓實而導致地面沉降。
5、大量開掘地下工程
人類為滿足自身需求大量開挖隧道、防空洞、地下鐵路、地下停車場、地下商城等地下工程, 在這些工程開挖前, 首先要工程排水, 引發(fā)含水層的壓實壓密和地面沉降。地下工程開挖過程中, 常因加固、支護技術(shù)不過關(guān), 導致塌陷和地面沉降。
6、大面積增加地面堆載
由于地面空間的有限性或經(jīng)濟發(fā)展的需要, 人類使建筑向空中發(fā)展, 重大高層建筑林立或由于調(diào)整水資源供需矛盾, 修建大型水庫等蓄水工程。這些大面積的地面堆載, 給地基施加了巨大的靜荷載, 使地基發(fā)生壓密變形, 引發(fā)地面沉降。
三、地面沉降的預測、監(jiān)測與防治措施
地面沉降的預測
國內(nèi)外有關(guān)地面沉降的預測方法很多，主要有模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色理論等當沉降均勻平穩(wěn)時，宜采用灰色預測，當沉降波動較大時，宜采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測。沉降是一個受多方面因素影響的復雜過程，其影響因素與沉降之間存在復雜的非線性關(guān)系，正確選擇預測方法和建立相應(yīng)的模型，對于精確的預測沉降和防止事故的發(fā)生顯得尤為重要。
地面沉降的監(jiān)測
地面沉降的監(jiān)測項月主要有大地水準測量、地下水動態(tài)監(jiān)測、地表及地下建筑物設(shè)施破壞現(xiàn)象的監(jiān)測等。監(jiān)測的基本方法是設(shè)置分層標、基巖標、孔隙水壓力標、水準點、水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)、水文觀測點、海平面預測點等。
定期進行水準測貸和地下水開采量、地下水位、地下水壓力、地下水水質(zhì)監(jiān)測及地下水回灌監(jiān)測，同時開展建筑物和其他設(shè)施因地面沉降而破壞的定期監(jiān)測等。根據(jù)地面沉降的活動條件和發(fā)展趨勢，預測地面沉降速度、幅度、范圍及可能產(chǎn)生的危害。
追蹤監(jiān)測：地面沉降現(xiàn)象發(fā)生地區(qū)設(shè)施變形破壞情況的追蹤監(jiān)測，如標高損失造成的海水倒灌、港口及堤防工程失效、測繪標志失效、橋梁和庫房凈空減少、汛期排泄不暢造成積水、內(nèi)澇；不均勻下沉造成道路和房屋開裂變形、各種井管上升、傾斜、損壞等。
專項監(jiān)測：各監(jiān)測網(wǎng)的專項監(jiān)測包括地面沉降或回彈量測定，地下水水位、水量的動態(tài)變化等；
分層監(jiān)測：水準測量和應(yīng)用GPS 測量監(jiān)測地面沉降量的大小，分層監(jiān)測含水系統(tǒng)各主要層位的沉降量和孔隙水壓力變化量。

審核編輯黃宇