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谈国际地面沉降研究综述
　　论文关健词：地面沉降 压缩含水层 地下流体开采 地下固矿开采 测量与监测 灾害治理模拟和预测
　　论文摘要：文章在介绍国际地面沉降会议历史及2000年第六届国际地面沉降会议简况的基础上,并根据2000年第六届国际地面沉降会议论文,对国际地面沉降研究进展情况分成如下六个方面进行了综述.地面沉降地质因素介绍了古代地面沉降、泥炭层沉降、地度砂土液化地面沉降和海平面上升研究状况.地下流体运移地面沉降方面介绍了以地下水开采为主的地面沉降问题及地面塌陷、天然气开采引起的地面沉降、均匀沉降对建筑结构的破坏和欠固结石英含水层的压密.固矿开采引起的地面沉降问题介绍了非溶解性矿开采引起的大区域沉降和溶解性矿开采导致的地面沉降.地面沉降灾害治理与决策制订介绍了保护威尼斯泄湖不受地面沉降影响的有关措施、地面沉阵引起的法律纠纷和防治地面沉降的社会决策制订.地面沉降测里与监测介绍了土层压缩性研究成果、放射性分层标技术、星载合成孔径雷达干涉监测技术及GPS和GIS在地面沉降监测中的应用.地面沉降计算与模拟介绍了地下水开采引起的地面沉降预测、矿坑涌水地面沉降计算、固矿开采引起的地面沉降预测、天然气开采引起的地面沉降预测和潜水变化所导致的地面沉降计算.
　　1国际地面沉降会议概况
　　1.1国际地面沉降会议的由来及历史简况
　　自50年代以来,地面沉降问题越来越受到全球的关注.科学界在努力获得对自然沉降和人为沉降的进一步理解,同时在地面沉降的野外和室内监测、机理、预测技术、防治措施与效果方面也取得了丰硕的成果.随着时间的推移,对于地下资源,人类认识到不能再遵循所谓的“用弃”哲学.事实上,越来越明显地需要遵循对地下资源合理管理的一贯政策.1969年,联合国教科文组织(UNESCO)认识到了地面沉降的严重性,当年就将该问题第一次反映在“国际水文十年”(IHD)中,后来又包括在“国际水文规划”(IHP)中.这样,联合国教科文组织与国际水文科学协会(IAHS)和其它国际及国家组织机构联合举办了6届国际地面沉降会议.第届于1969年在日本东京召开,第二届于1976年在美国阿纳海姆召开,第二届于1984年在意大利威尼斯召开,第四届于1991年在美国休斯敦召开,第五届于19%年在荷兰海牙召开,第六届国际地面沉降会议则于2000年9月24一29日在意大利拉韦纳市召开.
　　1.2 2000年第六届国际地面沉降会议介绍
　　2000年第六届国际地面沉降会议(slSOLSZooo)目的主要是回顾地面沉降研究领域近年来所取得的进展,提出新的研究思路,交流经验,讨论可持续研究方法,并探索天然资源的开发与缓解其所产生的负面效应之间的某种妥协.这些问题包括:会导致地面沉降的地下资源可持续开发,自然沉降与人为沉降之区别,地面沉降潜在热点预测(尤其是沿海低地地区),新的监测技术及控制和预测地面沉降的先进计算机模型.现在已经认识到,防治地面沉降策略制订的社会背景十分复杂,其制订往往要涉及许多部门.各部门之间的谈判解决尽管依赖于技术上的分析成果,但在很大程度上受到社会、经济、法律、政治等方面问题的影响.2000年第六届国际地面会议的纲领是地面沉降治理需要从资源管理、土地利用规划、工业开发、减灾及环境保护等社会政策方面进行综合考虑.2000年第六届国际地面沉降会议论文集选择出版了68篇论文,包括6个方面的主题,即地质问题、流体运移、固体开采、治理与决策制订、测量与监测和理论与模拟.本文则主要依据本次会议公开发表的论文来概述国际地面沉降研究动向.
　　2地面沉降的地质因素研究
　　共有5篇论文涉及到地面沉降的地质因素问题.
　　2.1古代地面沉降
　　意大利的C.Cherubini等通过对Sybaris平原进行的地质调查说明了过去2500年以来Syharis古城以及其上希腊城和罗马城严重沉降的地质环境,即地质结构、地质气候和岩土工程环境.发现古Sybaris地面大约在现代平均海平面之下2.5m处.地面沉降的地质环境则主要是有埋深35一40m侧向不连续的高压缩性粘性土,这一层土有时甚至是泥炭,其大幅沉降导致居住断层.
　　另外,A.Guerricchio等在Crotone海岸带发现大量的水下古建筑(水下3一sm),如石建工程、古采石场、码头、台阶、辅路石等,沉人海底的原因与海洋带土体移动有关,土体移动表现为海岸带滑坡和深部土层动力变形.
　　2.2泥炭层沉降
　　F·Brunamonte等对pontina平原地面沉降研究表明,沉降最大最明显的地区与最厚泥炭沉积层分布相一致.该平原19世纪水力与地貌条件改变引起的沉降速率超过Zcm/a,20世纪早期一系列排水活动使沉降速率增加,达4cm/a,最大沉降速率超过scm/a,发生在1927一1939年大规模土地开垦时期,1958到1994年间沉降速率有所减少,约为3cm/a.泥炭层沉降机理与生物氧化和自重固结及人为排水因结等有关.
　　2.3地展砂土液化地面沉降
　　日本的A.Kagawa等研究表明,1995年神户地震引起砂土液化导致人工岛地面严重沉降,在神户城岛的外围,许多码头倾裂,甚至滑入海中,最大沉降4.7m,在岛的中心区,因为差异沉降,地下生命线遭受严重损坏,桩基建筑相对地面发生上升位移;地面沉降和泥水喷出引发洪灾.液化沉降是一种与地震相关联的特殊事件,对新开垦的低地易导致瞬间严重损害.
　　2.4海平面变化
　　意大利的G.D.Donat.等提出当今相对平均海平面的垂向变化速率是构造变化速率、沉积物自重沉降速率、土层压密速率、冰后期海面回弹速率及人为沉降速率的总和,并通过模型模拟研究了前四种自然因素引起的海面变化.构造因素引起波河平原的长期沉降速率达Zmm/a,占所有自然因素的50%,沉积物自重和压密沉降分别占30%和20%.文中估计的威尼斯海平面上升速率从l.2mll必1转变为o.5mm/a.
　　3地下流体运移地面沉降
　　引发地面沉降的地下流体主要有地下水、石油和天然气等,共有12篇论文.
　　3.1以地下水开采为主的地面沉降问题
　　据G.Benedetti,在波河流域南部Emilia一Ro-magna地区,现在地下水开采引起的地面沉降每年有几个cm,另外还有天然气开采的影响.据A.R,si等,意大利比萨平原,过去7000年的自然沉降速率约为0.5一4mm/a但是近3.1990年来精密水准测量表明,现在地面沉降速率是自然沉降的2一5倍,对深度达250m的主要含水层水位的监测表明,地下水位呈总体下降趋势.
　　据伊朗的B.Bahadotran和R.Ajalloeian,伊朗Esfahan南部因地下水开采也产生严重地面沉降,开采历史约有30年,因含水层枯竭,地下水发生逆向运移(静水位埋深从原先的18一20m下降到18一200m,平均每年下降约6m),近十年来发生了几条地裂缝,长度近10km,裂缝每年张开l一5cm不等,并穿过高速公路、一些住宅区和农业区.
　　3.2地面塌陷
　　据美国的A.B.Tihansky和D.LGouowoy,在美国佛罗里达州中西部岩溶覆盖区,发生地面塌陷是一种普遍的自然沉降现象,他们绘制了塌陷与松散覆盖层类型及厚度的分布关系图,表明塌陷活动的类型及频率与覆盖层的组成及厚度、下伏碳酸盐岩溶解程度和当地水文条件关系密切,地下水和土地资源的加速开发会导致塌陷频率增加.当溶洞中地下水位与覆盖物之间的平衡被打破时,塌陷就会产生.地下水开采、地面加载与地下水开采的结合、排水的改变、建筑施工等活动都会引发塌陷.
　　据意大利的G.Capelli等,意大利中部Velino流域岩溶塌陷也较严重,他们调查了自1891年以来的29次岩溶塌陷,编绘了水文地质平面图及剖面图,覆盖层超过20Om,有多处泉水出露(总排泄量达25m3/s),深部流体、岩溶水与潜水混合出现,岩溶塌陷发生的诱因有:沿断层带的新构造活动性及地震活动性、冲积层中潜水快速渗透及岩溶水与深部流体的水岩作用和水化学作用.
　　俄罗斯的A.v.Anikeev解释了岩溶塌陷的水力断裂过程,即上覆承压顶板在抽汲地下水的作用下破裂散落的过程,并根据水文地质工程地质条件,推导了产生塌陷的临界水头降深公式.
　　3.3天然气开采引起的地面沉降
　　荷兰的A.PE.M.Houtenbos研究了荷兰天然气开采引起地面沉降的定量评价问题.以前还没有这方面的尝试.荷兰的天然气田深度在300cm左右,天然气的开采引起了岩层压密和地面沉降.要解决的问题是:参考水准点不连续、不稳定、测量误差累积、高程资料断档等导致水准点高程资料需要处理.提出了以沉降中心为原点的椭园形碟面随时间变化的高程解析模型,决定模型的6个主要参数是沉降起始时间(to)、沉降椭碟中心座标X.,Y.、沉降中心分到椭园长短轴沉降梯度最大处的距离a和b及沉降椭碟长轴的关联度a.并以Mumekez1Ji地区137个水准点的530个高程数据为实例进行了研究.
　　3.4均匀沉降也会对建筑结构造成损害
　　荷兰的A.Verruyt和R.B.J.Brinkgreve认为,通常假定土层均匀沉降不会对建筑结构造成损害,因为基础是和土层一起沉降的.但是在地下水位接近地表的地区,而且地下水位主要受到海平面的控制,那么在土层发生沉降时而地下水位仍维持在原来的高度,则一个基础面在地下水位之下的浅基,就会失去部分承载力.如果该建筑基础负荷不均匀时,就会导致不均匀沉降,甚至破坏.他们还用有限单元模型进行了分析.
　　3.5欠固结石英含水砂层的压密
　　P.Schutjens等通过对欠固结、孔隙率为18一35%、富含石英的含水砂层做了巧次压密试验发现,其压缩系数随孔隙率的增加、颗粒大小的增加和方解石与长石胶结程度的减少而增加,他们的解释为:在低应力一应变条件下,非弹性压密主要是因为粗糙颗粒接触点上的棱角破损而产生的,同时引发微小的颗粒旋转和滑移,一些粘土和长石的易碎性和晶质塑性变化也会发生,在高应力一应变条件下,颗粒内部和跨越颗粒的破裂越来越明显,同时导致颗粒变小,他们认为,随时间而变化的压密速率是受颗粒之间、颗粒内部及跨越颗粒的微裂隙结构和传播速率的控制.
　　4固矿开采引起的地面沉降问题
　　本次大会有7篇论文涉及固体矿床开采引起的地面沉降问题.这些矿床主要有铜矿、岩矿、金矿和白云岩矿等.他们涉及的国家有波兰、俄罗斯、南斯拉夫、西班牙、意大利和南非等.
　　4.1非溶解性固矿开采引起的大区域沉降
　　据波兰的J.Ostrowski和E.popiolek,波兰Legnica一Glogow铜矿盆地是于1957年发现的,是世界上最大的铜矿(约占世界铜矿资源的ro%),铜矿沉积层位于地下400一1500m产状为NE3一50,平均厚度3.5m(在几十cm到20m之间变化).采矿必须排走上覆地层的大量来水.目前己排出约6亿耐的地下水.由此产生了超越开采区的巨大沉降槽,最长处超过40hm,最大沉降达0.8m.尽管沉降还没有直接威胁到建筑物,但影响到了地面设施的正常功能并对环境产生了负面影响.
　　4.2溶解性固矿开采导致地面沉降
　　据南斯拉夫的D.Stojlljkovie和S.Komatind,人们并不知道南斯拉夫Tuzla城岩矿是世界级的,由于低矿化水的渗人而在盐层中形成盐水层,盐水开采近100年,盐水层的水压几乎下降了Zoom,最大地面沉降近10m,几乎使1000幢房屋被毁,巧000名居民被迁出,基础设施明显被破坏,现处于重建之中.
　　另外西班牙历史名城Calatayud存在石膏矿蒸发溶解地面沉降问题.意大利Burian盐矿溶解开采也导致了地面沉降问题.
　　5地面沉降灾害治理与决策制订
　　共有7篇论文涉及到地面沉降的工程建设与地下水资源开发、保护威尼斯泄湖环境不受沉降影响的措施、地面沉降防治措施效果、地下水盆地的环境资源管理、地面沉降法律纠纷及社会决策与地面沉降等方面的内容.
　　5.1保护威尼斯泄湖不受地面沉降影响的措施
　　据意大利的LC盯bognin等,自本世纪初以来,威尼斯地面标高相对平均海平面损失约23cm.该城的历史建筑非常有特点,有些是5个世纪以前建的,与水相连,并且地面只在一般高潮位之上几十cm.地面沉降引起洪水次数增加,并引发侵蚀及水力作用,这些常会恶化城市建筑并导致更频繁的维修.湿地消失与岸滩变低会使泄湖盆地和沿海岸带更易遭受沿海海上风暴的毁灭性袭击.提出的一系列防治措施有:新建海滩和海滩养护、恢复沙丘、湿地重建与保护、防御工程、海上出人口临时关闭等.
　　5.2地面沉降的法律纠纷
　　荷兰的F.B.J.Barends认为,对于地面沉降引起的法律纠纷,科学解释与法律规则或者公众舆论之间存在着矛盾.他介绍了4个案例:
　　案例1:某私宅房主意识到其住宅会受到建筑排水或下水道修理造成的损坏,于是在施工前拍了其住宅的照片,因此能够表明损坏的原因和肇事方.应该承担责任的是承包商和政府,他们不同意,于是请来专家,但是没有获得任何资料.如何找到技术上相一致的回答才是关键.结果是承包商和政府败诉.
　　案例2:一座横越大河的高速公路桥墩在下沉.在3000m深处开采石油的公司被控为被告,技术调查得出了惊人而难堪的结果,起诉被驳回.
　　案例3:为采矿而进行的地震勘查涉及到地面爆破.农场主确信这会改变土地的地质、水文地质状况,并要求影响庄稼收成的赔偿.两位专家(水文地质专家和农业专家)进行了调查,尽管调查结果表明不会有影响,但这家公司也冒了一次险.
　　案例4:由于新闻媒体的推波助澜,荷兰公众对开采其北方深部天然气产生了很大的争论,并影响到了学术界和政治家的观念,公共的情绪扭曲了正常的辨论.专家们无能为力,否则会丢掉饭碗.
　　5.3社会决策制订与地面沉降
　　加拿大的R.A.Freeze利用决策分析的概念建立了评价地面沉降问题的原则框架.他认为,防治地面沉降的决策制订环境相当复杂,虽然要依赖于技术分析结果,但是会受到社会、经济、法律和政治问题的严重影响,因此,他强调防治地面沉降的决策制订需要从技术、社会、经济、法律和政治等多方面的综合考虑.最终是利益冲突各方通过谈判来解决地面沉降问题.他介绍了5个方面的内容:①地面沉降原因与影响;②防治地面沉降的可行策略;③决策分析原则框架;④地面沉降经济成本和风险;⑤多重利益方案社会调查的途径和障碍.
　　6地面沉降测量与监测
　　本次大会在地面沉降测量与监测方面成果最为丰富,共有22篇论文,涉及到土层压缩性测试、放射性分层标监测技术、星载合成孔径雷达千涉监测技术、GPS测量技术及GIS技术等,其中星载孔径雷达干涉监测技术格外引人注目.
　　6.1土层压缩系数研究
　　英国的G.Cassiani和意大利的C.Zoeoatelli通过对实验室测定的松散土岩压缩系数Cm和在波河三角洲天然气田用放性分层标测定的野外压缩系数进行了分析对比,发现实验室压缩系数要比现场压缩系数大几个数量级,因此,他们认为使用现场测定的压缩系数进行地面沉降预测更为可靠.
　　意大利的G.Brighenti等对现场测定的波河天然气田土层压缩性进行了分析和模拟研究,他们认为压缩性的现场测定技术还不完全成熟,也不完全可靠,因为保护钻孔的套管、钻孔和套管之间浇注固结类型以及钻孔周围地层的预先压缩都会影响到压缩性测定的准确性