地下水开采引起苏州地区地面沉降的机理分析及防治措施
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摘 要：地面沉降的出现与区域地层岩性结构、水文地质条件、土的类型、厚度、压缩性的大小、固结历史等因素有关，本文以苏州地区为例，对抽汲地下水引起的地面沉降、建设工程性地面沉降等问题进行阐述与分析，并针对这些问题提出了相应的预防与治理措施。
关键词：地下水；开采；沉降；地裂缝；
中图分类号： TV211 文献标识码： A
地面沉降作为一种缓变型地质灾害，是世界上许多国家、尤其是位于广大平原区并以开采地下水为主要供水水源的地区共同面临的问题。苏州地区位于长江三角洲地带江苏省南部，是我国经济最发达、城市工业化程度较高的地区之一，随着工程经济活动强度和规模的不断扩大，地质灾害频繁发生，地质环境日趋恶化。其中在该地区分布最广、影响最大的地质灾害就是地面沉降。
1、城市地面沉降产生的原因
1.1抽汲地下水引起地面沉降
抽汲地下水引起的地面沉降大多发生在大量开采松散沉积物孔隙承压水的地区。其机理是:根据有效应力原理,饱和土体的自重应力由颗粒和孔隙水共同承担,由土颗粒所承担的那部分应力为有效应力。当抽水引起承压水水位下降时,含水层本身及其上下隔水层中孔隙水压力也随之降低。在总应力不变的条件下,饱和土体中孔隙压力减小必然会使土中有效应力等量增大。使土体被压密并导致地面沉降。
如图1，在外荷载作用下，土中应力被土骨架和土中的水气共同承担，但是只有通过土颗粒传递的有效应力才会使土产生变形，具有抗剪强度。
有效应力原理: σ =σ′+μ
式中:σ为平面上法向总应力, kPa;σ′为平面上有效法向应力, kPa;μ为孔隙水压力, kPa。
图1：有效应力原理图
有效应力原理表示研究平面上的总应力、有效应力与孔隙水压力三者之间的关系，当总应力保持不变时,孔隙水压力与有效应力可以相互转化,即:有效孔隙水压力减小等于有效应力的等量增加。
1.2工程降水引起局部地面沉降
在深基坑和地下构筑物的开挖过程中往往会遇到地下水位高于施工作业面的情况,为防止基坑边坡失稳,保证顺利开挖,避免水下作业,须进行基坑降(排) 水。但是,降水方案不当,会引起周围地面沉降,导致此范围内的建筑物、地下管网、道路及其它设施发生断裂、倾斜,影响其正常使用和安全。
工程降水引起的地面沉降机理有多种: 如下
1.2.1由于孔隙水从土中排出,导致有效应力增加,地层固结沉降;
1.2.2水位降低,减少了土中地下水对地上建筑物的浮托力,使软弱土、层受到压缩而沉降;
1.2.3土壤中的细小颗粒随着流动的水不断流失,在土层中形成空洞,随着抽水的不断进行,空洞扩大,最终形成塌陷沉降。
2、地面沉降的危害
2.1对建筑物的破坏和影响，建筑物地基下沉、房屋开裂破坏。
2.2形成地裂缝，它直接或间接地恶化环境。
2.3许多机井因地面沉降，井管较地面相对上升，泵房地面及墙体开裂，造成泵房破坏，严重影响抽水。
2.4由于地面沉降、水准点失准，城市工程建设所需水准资料，需从地面未沉降区水准点引测，增大了水准测量的工作量。
2.5影响建筑物抗震能力，致使地震灾害加重。
2.6由于地面沉降作用，局部改变地形地貌条件，形成地面沉降降落漏斗，降低防洪排涝工程效能，造成大面积积水，洪涝灾害加剧[1]。
3.2.地质结构的影响
苏州地区基底岩性主要为石英砂岩、泥质石英砂岩、紫红色粉砂质泥岩、灰岩、白云岩、泥灰岩等。其地貌格局主要奠定于中生代末的燕山运动，褶皱和断裂作用强烈，构造错综复杂，凹陷和隆起相继形成，基底地形极其复杂。该地区地质结构变化大，第四纪沉积物成因类型复杂，发育有多个含水砂层和软土层，在地质历史时期赋存了丰富的地下水，其中埋藏于70～130 m的第Ⅱ承压含水层富水性好、水质优良、分布广泛，是苏州地区地下水主要开采层。
苏州地区基岩面起伏不平，高低落差大，松散地层的厚度与结构变化也大，地面沉降易产生不均匀性差异沉降，导致地裂缝和地面塌陷灾害发生。因此，同样由于过量开采地下水所诱发的地质灾害，在苏州地区所造成的破坏性会更大、灾害更严重。
图2是苏州地区潜水埋深的历史情况。
图2苏州地区潜水埋深随时间的变化情况
苏州市第Ⅱ承压水虽开采量不大，但在主开采层(Ⅲ上)的强烈开采影响下，Ⅱ承压水通过弱透水层或局部“天窗”越流排泄给第Ⅲ承压水层，水位逐年下降。苏州市区20世纪6O年代以前深井总数不过8眼，60年代末为47眼，70年代以后井数猛增到234眼，日开采量也由原来的数千立方米增到10×104m3以上。1980年至1982年日开采量为18×104m3，1983年起由于压缩了开采量，地下水位下降趋于和缓。目前深井数已达300多眼，中心区水位已降至-50 m高程以下。苏州市区地面沉降最早始于20世纪60年代初，70年代日趋严重，市区沉降速率40～50 mm／a，市郊20―30 mm／a。2008年市区沉降中心的最大累计沉降量超过1600 m。
3.2.固结历史的影响
从图2苏州市历年地下水开采量、中心区水位、年沉降量曲线中可以看出苏州市的地下水位从1989年至1997年一直呈下降趋势，但平均年沉降量却不同。1989年至1992年年均沉降量逐年增加，而1992年以后却逐年减缓。产生这一现象的原因可能与粘性土层的压缩有关
3.3地面沉降的时间效应
在地面沉降的发生和发展过程中，粘性土和无粘性土在时间效应上有很大差别。一般认为：当水位下降后，砂层的沉降是瞬时完成的。当水位从持续下降转入反复升降时，砂层的变形为弹性变形。粘性土则不然，由于粘性土的渗透性小，孔隙水需经一定时间才能排出，故有一定滞后效应。
4、防治措施
(1)加强管理、统一规划、避免开采中的盲目性。加强全区的地下水统一管理，制定地下水资源开采利用的长远规划，并坚决予以落实。加强宣传，增强防灾意识：不断提高全民的防灾减灾意识，依法严格管理地下水资源，要合理开发利用地下水资源。
(2)控制地下水开采量，逐步调整供水水源结构。限制或减少地下水开采量：可以以地表水代替地下水资源；以人工制冷设备代替地下水资源；实行一水多用，充分综合利用地下水资源。
(3)实行建设项目地质灾害危险性评估制度。在城镇建设规划过程中，对于大规模城市建设活动，一方面应考虑建筑荷载增加所产生的新的附加沉降，另一方面应考虑地面潜在沉降量因素。
(4)工程降水
在工程降水前,首先要查明场地的水文地质条件、周围建筑物的分布情况及地下管线性质及分布范围,根据实际情况设计科学的降水方案与防范措施。如：
①在基坑工程降水中设置竖向止水帷幕,实施坑内降水;
②井点降水应连续运转,尽量避免间歇和反复抽水造成的累加沉降;
③采用井点降水与回灌相结合的技术,在井点降水管井与需保护的建筑、管线间设置回灌井点、回灌砂井或回灌砂沟,持续、不断地用清洁水进行回灌,形成一道水幕,以减少降水曲面向外扩张,防止临近建筑物、管线等基础下土层因释放水而沉降。
5、结论
人为因素引起的地面沉降已在逐渐加剧，地下水的大量抽汲，破坏了地下水的平衡，造成了日益严重的环境地质影响。在防治过程中,需要采取科学合理的技术措施，还需要设计与施工单位给予配合与支持,才能使其得到根本控制。现在很多城市的地下水已经受到了过度的抽汲，所以应根据对各地区的地下水抽汲可能会造成危害程度的预测评估，并考虑地下水资源的恢复、补给能力，将地下水开采管理划分为禁采区、限采区和控采区或不同的保护区，进行分区开采。科学而有效的控制地下水的抽汲，对与地下水抽汲有关的工程项目进行合理的设计与施工，才是解决问题的根本办法。
参考文献：
1、张人权，梁杏，靳孟贵，万力等，2011，水文地质学基础。
2、张落成，陈振光，吴楚材．2003，苏南太湖流域地下水过度开采引起的地面沉降及其防治对策，湖泊科学.
3、袁仁茂、陈锁忠、陶芸、徐海鹏，2001，苏州地区地下水开发中的问题及其可持续发展对策，北京大学学报(自然科学版),第37卷,第4期.