地面沉降,是由于地下支撑物(饱气带中的空气,孔隙承压水)的移动等因素引发地下松散岩层固结压缩并导致一定区域内地面标高损失的地质现象。
地面沉降是世界范围内较为普遍的地质灾害,中国已有超过 50 个地区均发生过不同程度的地面沉降,其中京津冀地区是中国地面沉降灾害发育最严重的地区之一。它具有形成缓慢、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。
2023年5月31日,津南区八里台镇局部地面出现突发沉降现象。天津市委、市政府邀请自然资源部、住房和城乡建设部、应急管理部等部门20多位专家、10余支专业队伍在现场开展监测,专家现场研究工程勘察资料和地区相关地质资料。目前,只有初步判断。
据目前掌握的各种资料,初步判断,这次事件属于突发地质灾害。客观原因是深部地质构造造成,根据国家科研机构通过多种先进手段探测,推断1300米深度以下疑似存在地质空腔,但并非常规的勘察手段能够探测到的。不能排除地热井打井施工触及了深层地质构造,从而导致涉事地区浅层水土流失,出现地面沉降等现象。
5月31日-6月2日,地面沉降初期发展较快,临街高层建筑不同程度受到影响,通过采取注浆等一系列措施,地面和建筑物沉降已明显趋缓。经我们与国家有关部门专家会商认为,目前处于平衡恢复期,还有少量的变化,但总体可控。
天津市地面沉降,最初在1923年发现。经三十多年治理,天津地面沉降得到有效遏制,2012-2015 年,天津市年平均地面沉降量由100mm降为26mm。
天津的近邻河北省自1950年代中期南部平原出现沉降,目前,已形成沧州、衡水、邯郸等10个沉降中心,其中是沧州是河北省沉降最严重、相关研究最多的地区。
01
天津是亚洲沉降最厉害的城市
了解发现,天津居然是城市地面下降速度最快的亚洲城市!
在天津地面下沉最快的早期阶段,从1959年到1982年,天津城市地面下降了2.5米!
天津市地面沉降现象最早发现于1923年,到1985年,天津平原区地面沉降灾害已十分严重,中心城区地面沉降量达80~100 mm/年,塘沽城区地面沉降量达80~ 150 mm/年。
这样惊人的地面沉降量,严重危害了城市安全、轨道交通工程安全,并加剧了沿海地区风暴潮灾害。
为了控制地面沉降,天津市进行了多项调查、监测和研究,积极推进防治工作。应该说,地面沉降防治已经取得了一定成效。
天津市2017年中心城区平均沉降量14 mm,滨海新区平均沉降量16 mm,其中塘沽平均沉降量 14 mm,汉沽平均沉降量 27 mm,大港平均沉降量14 mm。
根据天津市规划和自然资源局提供的数据,自2018年以来,天津年均地面沉降量减小65%,年最大沉降量减小57%,年沉降量大于50毫米的沉降严重区面积减小98%。
而且根据报道显示,2021年天津市超额完成《天津市平原区地面沉降综合防治实施方案(2020—2022年)》中,平均年地面沉降量和沉降严重区面积年度防治目标,防治成效创历史最好水平。
种种成果表明,天津在防治城市地面沉降方面是取得了积极进展的。
这次碧桂园小区地面沉陷事件只能说明,防治地面沉降工作的难度和复杂性,不是一蹴而就完成的。
02
上海地面沉降史也曾让人不寒而栗
对于地面沉陷问题,囿于专业知识所限,知之甚少。
第一次接触到这方面内容,还是在2007年上海杨浦区某项目深基坑水土流失专项论证时,对该方面的内容有了一些粗浅认知。
正因为经过那个项目的专项论证过程,接触到一些从事上海水土保持方面工作的业内人士,才知道上海这个城市在防止水土流失、减缓城市沉降方面多年来是多么的努力。
历史上,上海是我国发生地面沉降现象最早、 影响最大、 危害最深的城市。
自1921年发现明显沉降现象以来,到1965年,上海市区地面平均已下沉1.76m,沉降中心区的最大累积沉降量达2.63m,最大年沉降超300mm。
即使市区部分地段先后经历了两次加高,上海中心城区的地面高程仍由开埠时的4.0~4.5m减少到3.0~3.5m,内环线区域减少到2.5~3.0m。这个高程,已经低于黄浦公园站观测点多年平均高潮位3.12m和最高高潮位5.72m。
作为一个工程人,我只能用震惊来形容我第一次看到这些数据时的感受。
上海已经形成以市区地下水主要开采区为中心的沉降洼地,沉降范围已经遍及整个市区,并波及周边的近远郊地区。难怪有业内人士形容,上海这座城市下面,就是一个巨大的漏斗。
从1965年之后,上海通过限制地下水开采、调整地下水开采层次及开展地下水人工回灌等措施,使得地面沉降得到有效控制。在措施实施初期,市区地面出现明显回弹,但随后每年仍有数毫米的微量沉降。
这是一个颇为无奈的事实,因为地面沉降具有不可逆性,损失的地面标高绝大部分是不可恢复了,只能延缓沉降速度。但不管怎样,经过近半个世纪努力,上海已经成功延缓了地面沉降速率。
在2013年4月17日,上海市第十四届人民代表大会常务委员会第三次会议通过《上海市地面沉降防治管理条例》,以地方性法规的形式来固化防止城市地面沉降所取得的成果。
该《条例》与工程相关的主要是第二十二条:
1.在地面沉降易发区内进行基坑开挖深度七米以上的建设工程,建设单位在可行性研究阶段进行地质灾害危险性评估时,应当将地面沉降危险性评估作为主要内容。
2.基坑开挖深度七米以上不足十五米的,建设单位在进行地质灾害危险性评估时,地面沉降危险性评估部分可以直接采用市规划国土资源行政管理部门发布的分区地面沉降危险性评估报告。
3.基坑开挖深度十五米以上的,建设单位应当委托具备相应资质的评估单位,根据分区地面沉降控制要求,对地面沉降危险性进行评估。评估报告应当经专家评审通过,并由建设单位报市规划国土资源行政管理部门备案。
只有做到有法可依,防治的前景才可预期。
03
地面沉降成因、危害及防治方法
关于引起地面沉降的原因,通常认为是自然和人为两个因素造成。
自然因素方面,新构造运动引起的地面沉降、海平面上升导致地面的相对下降(如沿海城市)、土层的天然固结等。
概括来讲,就是先天不足。
比如我们长江三角洲就是地陷灾害的主要区域,这个区域都是冲积平原,从历史的角度看,属于很新的陆地,所以受以上自然因素影响就大。同理,作为华北平原出海口的天津,情况亦是如此。
再看人为因素,如下几个方面都会引起地面沉降:
1.抽汲地下气、液体引起的地面沉降。这其中抽取地下水而引起的地面沉降,是地面沉降现象中发育最普通、危害性最严重的一类。
本来地层主要由各含水层及其相对隔水的粘性土层相叠组成,各层间在一定的水压下有着水力联系。
抽取地下水使含水层的水头(或水位)下降,并牵动相关的水头下降,导致孔隙水压力减小,有效应力增加。
有效应力的增加,等同于给土层施加一附加压应力,使土层生压缩变形,各土层的变形叠加,最终导致地面的整体下沉。
2.大面积地面堆载引起的地面沉降。
3.大范围密集建筑群施工造成的整体性沉降,属于工程性地面沉降。
还是以上海为例,20世纪90年代以前,上海市施工量较少,地面沉降的主要原因为抽采地下水。自20世纪90年代以来,上海跨入发展新时期,到2000年底上海共有高层建筑3529幢,这一时期工程施工对地面沉降的影响约为32%。
对于我们住户来说,地面沉降带来的危害是看得见、摸得着的,比如最常见的就是住宅墙面、顶面出现裂缝。
这个情况对于2010年之后交付的钢混结构高层住宅影响还不大,只要建筑质量过关。但1990~2010之间20年开发的多层住宅小区,尤其还有一部分是预制板结构的房屋,危害不小。
谈到控制地面沉降灾害的工程措施,主要就是地下水回灌、调整地下水开采层次以及土方回填。
这其中比较直接的措施就是对地下水进行人工补给。但采取人工回灌措施也会受到一些客观因素制约。比如南方雨水多,采用人工回灌补给地下水的成本低,而这个如果放到天津就很难了。
另外还要注意,回灌地下水时应控制水源的水质标准,以防止地下水被污染。
采用地下水回灌虽然有效,但毕竟是补救措施,属于事后控制。
更为合理的做法还是严格实行地下水取水许可制度,最大限度地压缩开采量,并保证深层地下水的采灌动态平衡。事前控制才是重点。
同时,在考虑地质环境容量和承载能力前提下,防治沉降速率过快、累积沉降过大等灾害性地面沉降。
04
地面沉降的影响
地面沉降危害的特点:发展缓慢,难以觉察;后果严重,难以完全恢复;规模大,影响范围广,经济损失严重。尤其是在各国沿海的一些城市,地面沉降所带来的问题更为严重。地面沉降的危害具体如下:
(1)地面标高损失
地面标高损失,使地面水准点、水准测量高程网等国家基础设施失效,在发生地面沉降的沿海地区引起海水入侵与倒灌、内涝等危害。
地面标高损失造成地表雨季积水,防洪、泄洪能力下降,尤其沿海地区相对海平面上升,将加剧海水侵袭和风暴潮等灾害。
(2)重大线性工程破坏
城市轨道交通、市政管网、高架道梁、高速铁路、防汛设施等重大线性工程,因地面不均匀沉降遭到破坏,地下管线系统出问题的频率增加,增加维护成本,甚至直接威胁城市的生产生活安全。
(3)建(构)筑物损毁
地面差异沉降导致建筑物墙体开裂、高楼脱空、井管油管相对上抬等危害,严重时可影响建(构)筑物安全运营和使用寿命。
地面沉降可导致工业与民用建筑物破坏,引发地裂缝,使地下管道断裂,对地下水井等设施产生负面影响。
(4)防汛通航能力下降
地面沉降导致堤坝下沉,易造成现有堤坝或防汛墙的防洪抗涝能力下降。
由地面沉降引发的河道淤积、桥涵孔径减小,导致河道桥下净空减小致通航能力降低,港口码头失效等。
(5)生态环境恶化
沿海地区面临着地面沉降和海平面上升的双重压力,致使海岸侵蚀加剧,海水入侵,地下水受到咸潮污染。海水倒灌。地面沉降区多出现在沿海地带。地面沉降到接近海面时,会发生海水倒灌,使土壤和地下水盐碱化。
诱发地裂缝灾害地面不均匀沉降诱发地裂缝灾害,在许多地区两者伴生出现。地裂缝危害主要包括地基下沉、地面开裂、房屋裂缝、地面设施破坏、地下管道断裂等,影响建筑物寿命,威胁居民生命财产安全。
(6)不利于建设事业和资源开发
发生地面沉降的地区属于地层不稳定的地带,在进行城市建设和资源开发时,需要更多的建设投资,而且土地资源综合利用价值受到影响。
05
科学干预能有效减缓沉降
地面沉降现象虽然很常见,但国家相关部门对此一直都很重视。2012年初,由国土资源部、水利部会同国家发改委、财政部等十部委联合编制的中国首部《全国地面沉降防治规划(2011-2020年)》获得国务院批复,地面沉降作为一种重要的地质灾害正式被纳入防灾减灾之列。
杜建军表示,近些年来我国在地面沉降问题的研究上取得了不少突破,有效地减缓了这种地质灾害的严重程度。“在地质灾害发生后,以现在的科学技术水平是可以介入减缓甚至阻止灾害的继续扩大和蔓延。特别是针对人为原因导致的地质灾害,及时分析原因并科学治理,能有效阻止灾害的进一步加剧。”
黄辅琼也认为,在长期连续监测地表变形的基础上,以当前的科技条件是可以做到对一些地面沉降做出预警的;灾害发生后,以科技手段探明灾害区域的地下结构,结合地表构筑物的具体情况采取加固措施,就能有效减缓和阻止灾害进一步扩大。“在地面沉降现象发生后,政府管理部门需积极组织科研机构开展有序的调查研究,尽可能探明地下灾害体的空间范围、结构特征,并提供可能的治理措施,确保治理工作的有效实施。”
天津市为应对严重的地面沉降问题,已于2014年2月3日起施行《天津市控制地面沉降管理办法》。从2019年至2022年,天津全市地面沉降总体趋势逐年明显减缓,沉降严重区大幅缩小,全市平原区平均年沉降量由19毫米减小到8毫米,沉降严重区面积由773平方公里减小到仅3平方公里,分别减小57.9%和99.6%。“通过科学手段介入,天津市地面沉降问题已取得有效的缓解。”杜建军说。
06
如何应对突发地质灾害
其实,除了较为常见的地面沉降现象,日常生活中还有很多突发地质灾害,会威胁到人们的日常生活和生命财产安全。
杜建军介绍说,突发性地质灾害主要是指地震、崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝等。“这些突发灾害里面,地震最为严重,发生后还会导致崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝等次生地质灾害。”
“不同的居住环境,可能会面临不同的突发地质灾害。”黄辅琼提醒:在山区,居民需要面对的是滑坡和崩塌地质灾害;在河边,居民需要面对的是暴雨与洪水所导致的地质灾害;在矿区附近,则需要面对的是矿产资源开采中可能出现的爆破振动导致的各种建筑损坏等情况。为应对地质灾害,日常生活中,我们需时常观察居住环境周边的变化,密切关注气象部门的预报预警信息,在灾害风险较高的区域应积极配合相关部门安装相应的监测仪器。
面对地质灾害,科学预防最为重要。目前,国家出台了地质灾害防治条例,一些地方政府也编制了地质灾害防治方案。预防在先,无疑是有效应对地质灾害的法宝。
杜建军建议,政府及相关部门应加强地质灾害科普知识的宣传,以增强公众防灾减灾的自救能力。“当然,公众平时也应多学习地质灾害方面的科普知识,提高防范意识。毕竟,防灾减灾也是每一个公民应尽的义务。”
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