地面沉降:工程地質現象-中文百科頻道

現象介紹

指地面下沉的現象。是目前世界各大城市的一個主要工程地質問題。它一般表現為區域性下沉和局部下沉兩種形式。可引起建築物傾斜，破壞地基的穩定性。濱海城市會造成海水倒灌，給生産和生活帶來很大影響。

造成地面沉降的原因很多，地殼運動、海平面上升等會引起區域性沉降;而引起城市局部地面沉降的主要原因則與大量開采地下水有密切關系。

沉降類型

地面沉降分構造沉降、抽水沉降和采空沉降三種類型。

(1) 構造沉降，由地殼沉降運動引起的地面下沉現象；

(2) 抽水沉降，由于過量抽汲地下水（或油、氣）引起水位（或油、氣壓）下降，在欠固結或半固結土層分布區，土層固結壓密而造成的大面積地面下沉現象；

(3) 采空沉降，因地下大面積采空引起頂闆岩（土）體下沉而造成的地面碟狀窪地現象。　中國出現的地面沉降的城市較多。

按發生地面沉降的地質環境可分為三種模式：

1、現代沖積平原模式，如中國的幾大平原。

2、三角洲平原模式，尤其是在現代沖積三角洲平原地區，如長江三角洲就屬于這種類型。常州、無錫、蘇州、嘉興、蕭山的地面沉降均發生在這種地質環境中。

3、斷陷盆地模式，它又可分為近海式和内陸式兩類。近海式指濱海平原，如甯波；而内陸式則為湖沖積平原，如西安市、大同市的地面沉降可作為代表。

形成原因

地面沉降是自然因素和人為因素綜合作用下形成的地面标高損失。自然因素包括構造下沉、地震、火山活動、氣候變化、地應力變化及土體自然固結等。人為因素主要包括開發利用地下流體資源（地下水、石油、天然氣等）、開采固體礦産、岩溶塌陷、軟土地區與工程建設有關的固結沉降等。原因如下：

第一是開發利用地下流體資源。由于抽取地下水，在許多國家和地區産生了地面沉降。20世紀20年代，我國上海、天津在市區集中開采地下水的地區發生地面沉降。華北平原地下水降落漏鬥和地面沉降已經引起廣泛關注。

第二是岩溶塌陷。中國是世界上岩溶最多的國家之一。随着岩溶地區國民經濟的飛速發展，岩溶區土地資源、水資源和礦産資源開發不斷增強，由此引發的岩溶塌陷問題日益突出，已成為岩溶地區主要地質災害問題。

第三是開采固體礦産。礦山塌陷多分布在礦山的采空區，以采煤塌陷最為突出。中國有約20個省區發生采空塌陷，以黑龍江、山西、安徽、山東、河南等省最為嚴重。

第四是工程環境效應。密集高層建築群等工程環境效應是近年來新的沉降制約因素，在地區城市化進程中不斷顯露，在部分地區的大規模城市改造建設中地面沉降效應明顯。

以上海為例，上海是中國最早發現區域性地面沉降的城市。自發現沉降以來至1965年，市區地面平均下沉1.76米，最大沉降量達2.63米。這主要是由于不合理開采地下水所緻。20世紀60年代中期開始，經采取壓縮地下水開采量，調整地下水開采層次及人工回灌等措施，實現了地面沉降的有效控制。

進入20世紀90年代，随着社會經濟的發展，上海市各種基礎市政工程及高層建築開始大規模建設。而在同一時期，上海地面又明顯出現加速沉降現象。由于上海中心城區地下水的開采得到嚴格控制，而且回灌量一直大于開采量，地下水動态曆年來基本保持穩定。在嚴格控制地下水開采的情況下，密集高層建築群等工程環境效應誘發的地面沉降已成為地面沉降的主要影響因素。

産生影響

地面沉降的危害主要有：

(1)毀壞建築物和生産設施；

(2)不利于建設事業和資源開發。發生地面沉降的地區屬于地層不穩定的地帶，在進行城市建設和資源開發時，需要更多的建設投資，而且生産能力也受到限制；

(3)造成海水倒灌。地面沉降區多出現在沿海地帶。地面沉降到接近海面時，會發生海水倒灌，使土壤和地下水鹽堿化。對地面沉降的預防主要是針對地面沉降的不同原因而采取相應的工程措施。

地面沉降會對地表或地下構築物造成危害；在沿海地區還能引起海水入侵、港灣設施失效等不良後果。人為的地面沉降主要是過量開采地下液體或氣體，緻使貯存這些液、氣體的沉積層的孔隙壓力發生趨勢性的降低，有效應力相應增大，從而導緻地層的壓密。基于上述機制，上海于1965年以後，采用人工回灌方法，使地下水位回升、地面部分回彈，比較成功地控制了地面沉降。

嚴重地區

中國現狀

2011年12月的研究顯示，地面沉陷這一問題已經遍布全國。

“目前，中國在19個省份中超過50個城市發生了不同程度的地面沉降，累計沉降量超過200毫米的總面積超過7.9萬平方公裡。”2011年12月，國土資源部地質環境司副司長陶慶法表示，“地面沉降的重災區主要是長江三角洲地區、華北平原和汾渭盆地這三個區域。”

中國地質調查局公布的《華北平原地面沉降調查與監測綜合研究》及《中國地下水資源與環境調查》顯示：華北平原不同區域的沉降中心有連成一片的趨勢；長江區最近30多年累計沉降超過200毫米的面積近1萬平方公裡，占區域總面積的1/3。其中，上海市、江蘇省的蘇錫常三市開始出現地裂縫等地質災害。

以下簡要介紹幾座地面沉降較嚴重的城市。

1、上海市從1921年發現地面下沉開始，到1965年止，最大的累計沉降量已達2.63米，影響範圍達400平方公裡。有關部門采取了綜合治理措施後，市區地面沉降已基本上得到控制。從1966—1987年22年間。累計沉降量36.7毫米，年平均沉降量為1.7毫米。

2、天津市從1959—1982年間最大累計沉降量為2.15米。1982年測得市區的平均沉降速率為94毫米。目前，最大累計沉降量已達2.5米，沉降量100毫米以上的範圍已達900平方公裡。

3、北京市自從70年代以來，北京的地下水位平均每年下降1—2米，最嚴重的地區水位下降可達3—5米。地下水位的持續下降導緻了地面沉降。有的地區（如東北部）沉降量590毫米。沉降總面積超過600平方公裡。而北京城區面積僅440平方公裡，所以，沉降範圍已波及到郊區。

4、西安市地面沉降發現于1959年、1971年後随着過量開采地下水而逐漸加劇。1972—1983年，最大累計沉降量777毫米，年平均沉降量30—70毫米的沉降中心有5處。1983年後，西安市地面沉降趨于穩定發展，部分地區還有減緩的趨勢。到1988年最大累計沉降量已達1.34米，沉降量100毫米的範圍達200平方公裡。

5、太原市經1979年、1980年、1982年三次在市區600平方公裡範圍的測量，發現沉降量大于200毫米的面積有254平方公裡，大于1000毫米的沉降區面積達7.1平方公裡。最嚴重的是吳家堡，其次是小店。吳家堡水準點的累計沉降量：1980年是819毫米，1982年是1232毫米，到1987年累計沉降量達1380毫米。

此外，還有甯波市、常州市、蘇州市、無錫市、嘉興市、杭州市、台灣的屏東、彰化、雲林、嘉義、台中和台北等6個縣（市），均發生了不同程度的地面沉降。

6、滄州市地面沉降從上世紀70年代至今，滄州大約沉降了2.4米。地面沉降已成為滄州市的主要地質災害之一其危害最為典型、最為嚴重。滄州地區内有多條重大交通幹線，由于地面沉降也受到嚴重威脅。從滄州市地面沉降中心穿過的京滬鐵路，由于地面沉降碎石路基一再加高，在地面沉降中心附近鐵軌下的墊石比原墊石層加厚了500毫米，不僅增加了維護成本而且影響鐵路運行安全。京滬高速鐵路也面臨新的考驗。

7、深圳5年37次地陷，據深圳新聞網深圳論壇發布的《深圳市2001年以來地面塌陷事故地圖》，深圳自2001年以來共發生39次路面坍塌事故。

世界上地面沉降問題的發現，約始于20世紀初。有關上海地面沉降的報導最早見于1921年，到1965年在市區已形成了一個碟形窪地，其中心處的最大沉降量達2.63米。

然而，無論是媒體的統計，還是民間的地陷地圖都難以真正對未來可能的地陷以及生命的消逝起到足夠的預防作用。這些統計和地圖隻是一種民間的記憶，表達一種事後的或懷念，或憤怒的複雜情感。銘記災難，講述災難是為了明天活得更好，更安全，然而應對莫名其妙的地陷，有心的民間人士亦感乏力，除了記錄，他們對于明天的地陷也沒有更好的辦法。

美國現狀

美國的大部分地區都發生了地面沉降，有些地區還相當嚴重。美國已經有遍及45個州超過44030平方公裡的土地受到了地面沉降的影響，由此造成的經濟損失更是驚人。僅在美國聖克拉拉山谷，由地面沉降所造成的直接經濟損失，在1979年大約為1.31億美元，而到了1998年則高達3億美元。造成這一災害的主要原因是由于含水層的壓實、有機質土壤的疏幹排水、地下采礦、自然壓實、溶坑以及永凍土的解凍等。

最強烈的地面沉降發生于美國長灘市威爾明頓油田,其最大累積沉降量達9米。

其他國外地面沉降情況

據統計，目前世界上已有150多個國家和地區發生地面沉降，如美國、中國、日本、墨西哥、意大利、泰國、英國、俄羅斯、委内瑞拉、荷蘭、越南、匈牙利、德國、印度尼西亞、新西蘭、比利時、南非等。

現有文獻資料表明，1891年墨西哥城最早記錄地面沉降現象，但當時由于地面沉降量不大，危害也不明顯，所以并未引起人們的重視。日本于1898年在新潟最早發生地面沉降，産生嚴重地面沉降的城市或地區還有東京、大阪和佐賀縣平原等。

防治研究

美國在地面沉降防治和研究工作中，注重研究開發高新技術，注重水準測量、基岩标和分層标等傳統技術方法利用，并始終把地下水和地面沉降監測工作作為防治地面沉降的基礎，其中一些經驗值得我國學習和借鑒。

監測方法

美國對地面沉降的監測采取了三種方法，即傳統的監測、GPS監測、合成孔徑幹涉雷達監測。

傳統的地面沉降測量方法包括水準測量、基岩标和分層标測量。這些方法精度很高，但隻能在比較小的範圍内開展工作。

對于大規模的區域地面沉降監測應該采用先進的全球定位系統（GPS）進行全方位的測量。GPS可借助于人造地球衛星進行三邊測量定位。1996年美國地質調查局在聖克拉山谷河谷建起了地面沉降監測網，确定地面高程的變化情況，而且為與将來的監測結果進行比較建立了基準值。

合成孔徑幹涉雷達監測是一種衛星遙感技術，可以敏感地監測出地面沉降的變化。

多種措施

地面沉降在經濟發達地區可能導緻嚴重的财産和基礎下部建築的損失。最具有代表性的地面沉降是由人為造成的，由于人為抽取地下水而導緻含水層系統受壓縮而産生地面沉降。針對這種情況必須采取措施減少地下水的使用量，增加地面水補給。因此，随時正确監測地面和地下水位沉降，并提供标準的數據對于預測和預報地面沉降工作至關重要。美國地質調查局的研究人員根據地面沉降的特點以及實際情況，對其采用以下幾種方法來減緩地面沉降的速度，以及修複地面沉降，把損失降到最低。

修複技術

為了滿足供水和改善水質的要求，含水層存儲和修複技術在美國各州得以廣泛應用。在聖克拉拉山谷，目前需水量仍然很大，但由于地表水的引入，回灌得以實施，使得地下水抽汲量減少，從而防止了地下水位繼續下降。另外，該區水資源管理局在當地的河流上建立了5個蓄水壩以收集雨水，這樣增加了河水對流經區的地下水的補給。這個地區是美國第一個被發現也是第一個采取有效措施并在1969年前後終止了沉降地區。同樣的情況還有亞利桑那州的中南部，通過引入科羅拉多河的河水，減少了地下水的需求強度，從而緩解了地面沉降。

土地使用

為了防止地面沉降，将土地使用由農業用地型向城市用地型轉變，以降低需水強度，防止地下水位的進一步下降。佛羅裡達州的泥沼區使用這種方法可以防止有機土的進一步分解，減緩有機質氧化的速度，使地面發生沉降的速度降低，地基更加穩定。

節水措施

利用含水層組貯藏和運輸地下水，要優于造價高昴的地表蓄水和輸水系統。美國的研究人員采用先進和合理的地下水運輸方法，作出地下水使用的遠景規劃。節水是制止沉降的一項重要措施。例如在聖瓊斯地區，目前人均用水量隻有1920年的1/5，遠低于過去作為農業用地時的用水量。因此即便是在1976年~1977年和1987年~1991年期間，這兩個州的主要旱期裡，水位還是保持在曆史最低水位以上。

加固堤防

對沿海城市進行海岸加固，建造堤防防止洪水泛濫和海水入侵。例如在加利福尼亞州境内三角洲地區，大面積的人工堤壩及人工島有效地保護了這個三角洲，使之免遭海水的入侵，同時維持了有利的淡水坡度，保護了淡水源。

立法保護

美國對地下水的使用進行立法，使水資源有一個合理的使用環境。如在聖拉拉山谷成立一個專門的水資源管理機構來管理該區的用水，使地表水和地下水得到了長期有效的綜合利用。美國許多地區甚至采取法制措施來防治地面沉降。例如1980年通過了《亞利桑那地下水管理法案》。其基本目标是加強對已衰竭含水層組的管理，把有限的地下水資源進行最合理的分配，開發新的水資源供應來增加亞利桑那的地下水資源。

減少落水洞

美國已有的案例表明，落水洞的活動與地下水的抽取有直接關系，控制地下水位的波動可以防止落水洞的形成。如美國佛羅裡達西南水資源管理區與其他水資源機構通力合作，設立了佛羅裡達中西部地下水的臨界水位。最低水位的提出将會改良一些誘發條件，減少落水洞産生的影響。

聯防聯控

今後，長三角、華北平原、汾渭盆地三個全國重點地區的地面沉降防治工作将實現聯防聯控。2012年12月24日在上海召開的全國重點地區地面沉降聯防聯控工作會議上，這三個地區的國土資源管理部門及相關部門分别簽署了合作協議。國土資源部黨組成員、副部長，中國地調局局長汪民在會上要求，要以地下水和地面沉降監測為依據，全面加強地面沉降監督監管。

汪民在講話中指出，近年來地面沉降防治工作取得重要成效：地面沉降調查評價工作持續開展；防治規劃和條例的出台為有序、有力、有效開展工作提供了法制基礎；地下水限采和人工回灌相結合的防控措施逐漸成為共識。

當前地面沉降防治任務仍然艱巨，地區聯動、部門聯動還未到位。各地國土資源部門要以貫徹落實《全國地面沉降防治規劃（2011-2020年）》為契機，認真研究本地區地面沉降問題并制定防治規劃彙報給地方政府；要進一步加強基礎調查，摸清全國地面沉降發育現狀；要優化監測網絡，全方位監控地下水和地面沉降；要繼續開展科學研究，不斷提高地面沉降防治水平；強調地區合作、部門合作，分清職責，聯防聯控。國土資源部門監測成果，要作為監督監管的依據，并形成相應管理機制和手段。

山西和陝西國土資源廳分别簽訂了地面沉降防治區域合作協議。根據協議，将建立區域地面沉降防治省際聯席會議制度，研究商定防治合作中的重大事項；協商确定相鄰地區的地面沉降年度控沉指标，整體部署、同步推進相鄰地區的地面沉降調查、監測，地下水壓采、回灌等工作；共建本區域地面沉降監測網絡和信息系統，建立信息通報和信息共享制度以及區域信息發布協調機制，并彙總本地區地面沉降防治信息後報國土資源部發布；定期開展交流研讨，合作開展專題研究和科技攻關，聯合開展相鄰地區地面沉降防治工作效果檢查和評估，共促控沉目标實現。