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【專家解說(shuō)】：談國(guó)際地面沉降研究綜述 　論文關(guān)健詞：地面沉降 壓縮含水層 地下流體開(kāi)采 地下固礦開(kāi)采 測(cè)量與監(jiān)測(cè) 災(zāi)害治理模擬和預(yù)測(cè) 　　論文摘要：文章在介紹國(guó)際地面沉降會(huì)議歷史及2000年第六屆國(guó)際地面沉降會(huì)議簡(jiǎn)況的基礎(chǔ)上，并根據(jù)2000年第六屆國(guó)際地面沉降會(huì)議論文，對(duì)國(guó)際地面沉降研究進(jìn)展情況分成如下六個(gè)方面進(jìn)行了綜述。地面沉降地質(zhì)因素介紹了古代地面沉降、泥炭層沉降、地度砂土液化地面沉降和海平面上升研究狀況。地下流體運(yùn)移地面沉降方面介紹了以地下水開(kāi)采為主的地面沉降問(wèn)題及地面塌陷、天然氣開(kāi)采引起的地面沉降、均勻沉降對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞和欠固結(jié)石英含水層的壓密。固礦開(kāi)采引起的地面沉降問(wèn)題介紹了非溶解性礦開(kāi)采引起的大區(qū)域沉降和溶解性礦開(kāi)采導(dǎo)致的地面沉降。地面沉降災(zāi)害治理與決策制訂介紹了保護(hù)威尼斯泄湖不受地面沉降影響的有關(guān)措施、地面沉陣引起的法律糾紛和防治地面沉降的社會(huì)決策制訂。地面沉降測(cè)里與監(jiān)測(cè)介紹了土層壓縮性研究成果、放射性分層標(biāo)技術(shù)、星載合成孔徑雷達(dá)干涉監(jiān)測(cè)技術(shù)及GPS和GIS在地面沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。地面沉降計(jì)算與模擬介紹了地下水開(kāi)采引起的地面沉降預(yù)測(cè)、礦坑涌水地面沉降計(jì)算、固礦開(kāi)采引起的地面沉降預(yù)測(cè)、天然氣開(kāi)采引起的地面沉降預(yù)測(cè)和潛水變化所導(dǎo)致的地面沉降計(jì)算。 　　1國(guó)際地面沉降會(huì)議概況 　　1.1國(guó)際地面沉降會(huì)議的由來(lái)及歷史簡(jiǎn)況 　　自50年代以來(lái)，地面沉降問(wèn)題越來(lái)越受到全球的關(guān)注。科學(xué)界在努力獲得對(duì)自然沉降和人為沉降的進(jìn)一步理解，同時(shí)在地面沉降的野外和室內(nèi)監(jiān)測(cè)、機(jī)理、預(yù)測(cè)技術(shù)、防治措施與效果方面也取得了豐碩的成果。隨著時(shí)間的推移，對(duì)于地下資源，人類認(rèn)識(shí)到不能再遵循所謂的“用棄”哲學(xué)。事實(shí)上，越來(lái)越明顯地需要遵循對(duì)地下資源合理管理的一貫政策。1969年，聯(lián)合國(guó)教科文組織(UNESCO)認(rèn)識(shí)到了地面沉降的嚴(yán)重性，當(dāng)年就將該問(wèn)題第一次反映在“國(guó)際水文十年”(IHD)中，后來(lái)又包括在“國(guó)際水文規(guī)劃”(IHP)中。這樣，聯(lián)合國(guó)教科文組織與國(guó)際水文科學(xué)協(xié)會(huì)(IAHS)和其它國(guó)際及國(guó)家組織機(jī)構(gòu)聯(lián)合舉辦了6屆國(guó)際地面沉降會(huì)議。第屆于1969年在日本東京召開(kāi)，第二屆于1976年在美國(guó)阿納海姆召開(kāi)，第二屆于1984年在意大利威尼斯召開(kāi)，第四屆于1991年在美國(guó)休斯敦召開(kāi)，第五屆于19%年在荷蘭海牙召開(kāi)，第六屆國(guó)際地面沉降會(huì)議則于2000年9月24一29日在意大利拉韋納市召開(kāi)。 　　1.2 2000年第六屆國(guó)際地面沉降會(huì)議介紹 　　2000年第六屆國(guó)際地面沉降會(huì)議(slSOLSZooo)目的主要是回顧地面沉降研究領(lǐng)域近年來(lái)所取得的進(jìn)展，提出新的研究思路，交流經(jīng)驗(yàn)，討論可持續(xù)研究方法，并探索天然資源的開(kāi)發(fā)與緩解其所產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)之間的某種妥協(xié)。這些問(wèn)題包括:會(huì)導(dǎo)致地面沉降的地下資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)，自然沉降與人為沉降之區(qū)別，地面沉降潛在熱點(diǎn)預(yù)測(cè)(尤其是沿海低地地區(qū))，新的監(jiān)測(cè)技術(shù)及控制和預(yù)測(cè)地面沉降的先進(jìn)計(jì)算機(jī)模型。現(xiàn)在已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，防治地面沉降策略制訂的社會(huì)背景十分復(fù)雜，其制訂往往要涉及許多部門。各部門之間的談判解決盡管依賴于技術(shù)上的分析成果，但在很大程度上受到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、法律、政治等方面問(wèn)題的影響。2000年第六屆國(guó)際地面會(huì)議的綱領(lǐng)是地面沉降治理需要從資源管理、土地利用規(guī)劃、工業(yè)開(kāi)發(fā)、減災(zāi)及環(huán)境保護(hù)等社會(huì)政策方面進(jìn)行綜合考慮。2000年第六屆國(guó)際地面沉降會(huì)議論文集選擇出版了68篇論文，包括6個(gè)方面的主題，即地質(zhì)問(wèn)題、流體運(yùn)移、固體開(kāi)采、治理與決策制訂、測(cè)量與監(jiān)測(cè)和理論與模擬。本文則主要依據(jù)本次會(huì)議公開(kāi)發(fā)表的論文來(lái)概述國(guó)際地面沉降研究動(dòng)向。 　　2地面沉降的地質(zhì)因素研究 　　共有5篇論文涉及到地面沉降的地質(zhì)因素問(wèn)題。 　　2.1古代地面沉降 　　意大利的C.Cherubini等通過(guò)對(duì)Sybaris平原進(jìn)行的地質(zhì)調(diào)查說(shuō)明了過(guò)去2500年以來(lái)Syharis古城以及其上希臘城和羅馬城嚴(yán)重沉降的地質(zhì)環(huán)境，即地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)氣候和巖土工程環(huán)境。發(fā)現(xiàn)古Sybaris地面大約在現(xiàn)代平均海平面之下2.5m處。地面沉降的地質(zhì)環(huán)境則主要是有埋深35一40m側(cè)向不連續(xù)的高壓縮性粘性土，這一層土有時(shí)甚至是泥炭，其大幅沉降導(dǎo)致居住斷層。 　　另外，A.Guerricchio等在Crotone海岸帶發(fā)現(xiàn)大量的水下古建筑(水下3一sm)，如石建工程、古采石場(chǎng)、碼頭、臺(tái)階、輔路石等，沉人海底的原因與海洋帶土體移動(dòng)有關(guān)，土體移動(dòng)表現(xiàn)為海岸帶滑坡和深部土層動(dòng)力變形。 　　2.2泥炭層沉降 　　F·Brunamonte等對(duì)pontina平原地面沉降研究表明，沉降最大最明顯的地區(qū)與最厚泥炭沉積層分布相一致。該平原19世紀(jì)水力與地貌條件改變引起的沉降速率超過(guò)Zcm/a，20世紀(jì)早期一系列排水活動(dòng)使沉降速率增加，達(dá)4cm/a，最大沉降速率超過(guò)scm/a，發(fā)生在1927一1939年大規(guī)模土地開(kāi)墾時(shí)期，1958到1994年間沉降速率有所減少，約為3cm/a。泥炭層沉降機(jī)理與生物氧化和自重固結(jié)及人為排水因結(jié)等有關(guān)。 　　2.3地展砂土液化地面沉降 　　日本的A.Kagawa等研究表明，1995年神戶地震引起砂土液化導(dǎo)致人工島地面嚴(yán)重沉降，在神戶城島的外圍，許多碼頭傾裂，甚至滑入海中，最大沉降4.7m，在島的中心區(qū)，因?yàn)椴町惓两?，地下生命線遭受嚴(yán)重?fù)p壞，樁基建筑相對(duì)地面發(fā)生上升位移;地面沉降和泥水噴出引發(fā)洪災(zāi)。液化沉降是一種與地震相關(guān)聯(lián)的特殊事件，對(duì)新開(kāi)墾的低地易導(dǎo)致瞬間嚴(yán)重?fù)p害。 　　2.4海平面變化 　　意大利的G.D.Donat。等提出當(dāng)今相對(duì)平均海平面的垂向變化速率是構(gòu)造變化速率、沉積物自重沉降速率、土層壓密速率、冰后期海面回彈速率及人為沉降速率的總和，并通過(guò)模型模擬研究了前四種自然因素引起的海面變化。構(gòu)造因素引起波河平原的長(zhǎng)期沉降速率達(dá)Zmm/a，占所有自然因素的50%，沉積物自重和壓密沉降分別占30%和20%。文中估計(jì)的威尼斯海平面上升速率從l.2mll必1轉(zhuǎn)變?yōu)閛.5mm/a。 　　3地下流體運(yùn)移地面沉降 　　引發(fā)地面沉降的地下流體主要有地下水、石油和天然氣等，共有12篇論文。 　　3.1以地下水開(kāi)采為主的地面沉降問(wèn)題 　　據(jù)G.Benedetti，在波河流域南部Emilia一Ro-magna地區(qū)，現(xiàn)在地下水開(kāi)采引起的地面沉降每年有幾個(gè)cm，另外還有天然氣開(kāi)采的影響。據(jù)A.R，si等，意大利比薩平原，過(guò)去7000年的自然沉降速率約為0.5一4mm/a但是近3。1990年來(lái)精密水準(zhǔn)測(cè)量表明，現(xiàn)在地面沉降速率是自然沉降的2一5倍，對(duì)深度達(dá)250m的主要含水層水位的監(jiān)測(cè)表明，地下水位呈總體下降趨勢(shì)。 　　據(jù)伊朗的B.Bahadotran和R.Ajalloeian，伊朗Esfahan南部因地下水開(kāi)采也產(chǎn)生嚴(yán)重地面沉降，開(kāi)采歷史約有30年，因含水層枯竭，地下水發(fā)生逆向運(yùn)移(靜水位埋深從原先的18一20m下降到18一200m，平均每年下降約6m)，近十年來(lái)發(fā)生了幾條地裂縫，長(zhǎng)度近10km，裂縫每年張開(kāi)l一5cm不等，并穿過(guò)高速公路、一些住宅區(qū)和農(nóng)業(yè)區(qū)。 　　3.2地面塌陷 　　據(jù)美國(guó)的A.B.Tihansky和D.LGouowoy，在美國(guó)佛羅里達(dá)州中西部巖溶覆蓋區(qū)，發(fā)生地面塌陷是一種普遍的自然沉降現(xiàn)象，他們繪制了塌陷與松散覆蓋層類型及厚度的分布關(guān)系圖，表明塌陷活動(dòng)的類型及頻率與覆蓋層的組成及厚度、下伏碳酸鹽巖溶解程度和當(dāng)?shù)厮臈l件關(guān)系密切，地下水和土地資源的加速開(kāi)發(fā)會(huì)導(dǎo)致塌陷頻率增加。當(dāng)溶洞中地下水位與覆蓋物之間的平衡被打破時(shí)，塌陷就會(huì)產(chǎn)生。地下水開(kāi)采、地面加載與地下水開(kāi)采的結(jié)合、排水的改變、建筑施工等活動(dòng)都會(huì)引發(fā)塌陷。 　　據(jù)意大利的G.Capelli等，意大利中部Velino流域巖溶塌陷也較嚴(yán)重，他們調(diào)查了自1891年以來(lái)的29次巖溶塌陷，編繪了水文地質(zhì)平面圖及剖面圖，覆蓋層超過(guò)20Om，有多處泉水出露(總排泄量達(dá)25m3/s)，深部流體、巖溶水與潛水混合出現(xiàn)，巖溶塌陷發(fā)生的誘因有:沿?cái)鄬訋У男聵?gòu)造活動(dòng)性及地震活動(dòng)性、沖積層中潛水快速滲透及巖溶水與深部流體的水巖作用和水化學(xué)作用。 　　俄羅斯的A.v.Anikeev解釋了巖溶塌陷的水力斷裂過(guò)程，即上覆承壓頂板在抽汲地下水的作用下破裂散落的過(guò)程，并根據(jù)水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件，推導(dǎo)了產(chǎn)生塌陷的臨界水頭降深公式。 　　3.3天然氣開(kāi)采引起的地面沉降 　　荷蘭的A.PE.M.Houtenbos研究了荷蘭天然氣開(kāi)采引起地面沉降的定量評(píng)價(jià)問(wèn)題。以前還沒(méi)有這方面的嘗試。荷蘭的天然氣田深度在300cm左右，天然氣的開(kāi)采引起了巖層壓密和地面沉降。要解決的問(wèn)題是:參考水準(zhǔn)點(diǎn)不連續(xù)、不穩(wěn)定、測(cè)量誤差累積、高程資料斷檔等導(dǎo)致水準(zhǔn)點(diǎn)高程資料需要處理。提出了以沉降中心為原點(diǎn)的橢園形碟面隨時(shí)間變化的高程解析模型，決定模型的6個(gè)主要參數(shù)是沉降起始時(shí)間(to)、沉降橢碟中心座標(biāo)X。，Y。、沉降中心分到橢園長(zhǎng)短軸沉降梯度最大處的距離a和b及沉降橢碟長(zhǎng)軸的關(guān)聯(lián)度a。并以Mumekez1Ji地區(qū)137個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)的530個(gè)高程數(shù)據(jù)為實(shí)例進(jìn)行了研究。 　　3.4均勻沉降也會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成損害 　　荷蘭的A.Verruyt和R.B.J.Brinkgreve認(rèn)為，通常假定土層均勻沉降不會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成損害，因?yàn)榛A(chǔ)是和土層一起沉降的。但是在地下水位接近地表的地區(qū)，而且地下水位主要受到海平面的控制，那么在土層發(fā)生沉降時(shí)而地下水位仍維持在原來(lái)的高度，則一個(gè)基礎(chǔ)面在地下水位之下的淺基，就會(huì)失去部分承載力。如果該建筑基礎(chǔ)負(fù)荷不均勻時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致不均勻沉降，甚至破壞。他們還用有限單元模型進(jìn)行了分析。 　　3.5欠固結(jié)石英含水砂層的壓密 　　P.Schutjens等通過(guò)對(duì)欠固結(jié)、孔隙率為18一35%、富含石英的含水砂層做了巧次壓密試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其壓縮系數(shù)隨孔隙率的增加、顆粒大小的增加和方解石與長(zhǎng)石膠結(jié)程度的減少而增加，他們的解釋為:在低應(yīng)力一應(yīng)變條件下，非彈性壓密主要是因?yàn)榇植陬w粒接觸點(diǎn)上的棱角破損而產(chǎn)生的，同時(shí)引發(fā)微小的顆粒旋轉(zhuǎn)和滑移，一些粘土和長(zhǎng)石的易碎性和晶質(zhì)塑性變化也會(huì)發(fā)生，在高應(yīng)力一應(yīng)變條件下，顆粒內(nèi)部和跨越顆粒的破裂越來(lái)越明顯，同時(shí)導(dǎo)致顆粒變小，他們認(rèn)為，隨時(shí)間而變化的壓密速率是受顆粒之間、顆粒內(nèi)部及跨越顆粒的微裂隙結(jié)構(gòu)和傳播速率的控制。 　　4固礦開(kāi)采引起的地面沉降問(wèn)題 　　本次大會(huì)有7篇論文涉及固體礦床開(kāi)采引起的地面沉降問(wèn)題。這些礦床主要有銅礦、巖礦、金礦和白云巖礦等。他們涉及的國(guó)家有波蘭、俄羅斯、南斯拉夫、西班牙、意大利和南非等。 　　4.1非溶解性固礦開(kāi)采引起的大區(qū)域沉降 　　據(jù)波蘭的J.Ostrowski和E.popiolek，波蘭Legnica一Glogow銅礦盆地是于1957年發(fā)現(xiàn)的，是世界上最大的銅礦(約占世界銅礦資源的ro%)，銅礦沉積層位于地下400一1500m產(chǎn)狀為NE3一50，平均厚度3.5m(在幾十cm到20m之間變化)。采礦必須排走上覆地層的大量來(lái)水。目前己排出約6億耐的地下水。由此產(chǎn)生了超越開(kāi)采區(qū)的巨大沉降槽，最長(zhǎng)處超過(guò)40hm，最大沉降達(dá)0.8m。盡管沉降還沒(méi)有直接威脅到建筑物，但影響到了地面設(shè)施的正常功能并對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了負(fù)面影響。 　　4.2溶解性固礦開(kāi)采導(dǎo)致地面沉降 　　據(jù)南斯拉夫的D.Stojlljkovie和S.Komatind，人們并不知道南斯拉夫Tuzla城巖礦是世界級(jí)的，由于低礦化水的滲人而在鹽層中形成鹽水層，鹽水開(kāi)采近100年，鹽水層的水壓幾乎下降了Zoom，最大地面沉降近10m，幾乎使1000幢房屋被毀，巧000名居民被遷出，基礎(chǔ)設(shè)施明顯被破壞，現(xiàn)處于重建之中。 　　另外西班牙歷史名城Calatayud存在石膏礦蒸發(fā)溶解地面沉降問(wèn)題。意大利Burian鹽礦溶解開(kāi)采也導(dǎo)致了地面沉降問(wèn)題。 　　5地面沉降災(zāi)害治理與決策制訂 　　共有7篇論文涉及到地面沉降的工程建設(shè)與地下水資源開(kāi)發(fā)、保護(hù)威尼斯泄湖環(huán)境不受沉降影響的措施、地面沉降防治措施效果、地下水盆地的環(huán)境資源管理、地面沉降法律糾紛及社會(huì)決策與地面沉降等方面的內(nèi)容。 　　5.1保護(hù)威尼斯泄湖不受地面沉降影響的措施 　　據(jù)意大利的LC盯bognin等，自本世紀(jì)初以來(lái)，威尼斯地面標(biāo)高相對(duì)平均海平面損失約23cm。該城的歷史建筑非常有特點(diǎn)，有些是5個(gè)世紀(jì)以前建的，與水相連，并且地面只在一般高潮位之上幾十cm。地面沉降引起洪水次數(shù)增加，并引發(fā)侵蝕及水力作用，這些常會(huì)惡化城市建筑并導(dǎo)致更頻繁的維修。濕地消失與岸灘變低會(huì)使泄湖盆地和沿海岸帶更易遭受沿海海上風(fēng)暴的毀滅性襲擊。提出的一系列防治措施有:新建海灘和海灘養(yǎng)護(hù)、恢復(fù)沙丘、濕地重建與保護(hù)、防御工程、海上出人口臨時(shí)關(guān)閉等。 　　5.2地面沉降的法律糾紛 　　荷蘭的F.B.J.Barends認(rèn)為，對(duì)于地面沉降引起的法律糾紛，科學(xué)解釋與法律規(guī)則或者公眾輿論之間存在著矛盾。他介紹了4個(gè)案例: 　　案例1:某私宅房主意識(shí)到其住宅會(huì)受到建筑排水或下水道修理造成的損壞，于是在施工前拍了其住宅的照片，因此能夠表明損壞的原因和肇事方。應(yīng)該承擔(dān)責(zé)任的是承包商和政府，他們不同意，于是請(qǐng)來(lái)專家，但是沒(méi)有獲得任何資料。如何找到技術(shù)上相一致的回答才是關(guān)鍵。結(jié)果是承包商和政府?dāng)≡V。 　　案例2:一座橫越大河的高速公路橋墩在下沉。在3000m深處開(kāi)采石油的公司被控為被告，技術(shù)調(diào)查得出了驚人而難堪的結(jié)果，起訴被駁回。 　　案例3:為采礦而進(jìn)行的地震勘查涉及到地面爆破。農(nóng)場(chǎng)主確信這會(huì)改變土地的地質(zhì)、水文地質(zhì)狀況，并要求影響莊稼收成的賠償。兩位專家(水文地質(zhì)專家和農(nóng)業(yè)專家)進(jìn)行了調(diào)查，盡管調(diào)查結(jié)果表明不會(huì)有影響，但這家公司也冒了一次險(xiǎn)。 　　案例4:由于新聞媒體的推波助瀾，荷蘭公眾對(duì)開(kāi)采其北方深部天然氣產(chǎn)生了很大的爭(zhēng)論，并影響到了學(xué)術(shù)界和政治家的觀念，公共的情緒扭曲了正常的辨論。專家們無(wú)能為力，否則會(huì)丟掉飯碗。 　　5.3社會(huì)決策制訂與地面沉降 　　加拿大的R.A.Freeze利用決策分析的概念建立了評(píng)價(jià)地面沉降問(wèn)題的原則框架。他認(rèn)為，防治地面沉降的決策制訂環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，雖然要依賴于技術(shù)分析結(jié)果，但是會(huì)受到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、法律和政治問(wèn)題的嚴(yán)重影響，因此，他強(qiáng)調(diào)防治地面沉降的決策制訂需要從技術(shù)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、法律和政治等多方面的綜合考慮。最終是利益沖突各方通過(guò)談判來(lái)解決地面沉降問(wèn)題。他介紹了5個(gè)方面的內(nèi)容:①地面沉降原因與影響;②防治地面沉降的可行策略;③決策分析原則框架;④地面沉降經(jīng)濟(jì)成本和風(fēng)險(xiǎn);⑤多重利益方案社會(huì)調(diào)查的途徑和障礙。 　　6地面沉降測(cè)量與監(jiān)測(cè) 　　本次大會(huì)在地面沉降測(cè)量與監(jiān)測(cè)方面成果最為豐富，共有22篇論文，涉及到土層壓縮性測(cè)試、放射性分層標(biāo)監(jiān)測(cè)技術(shù)、星載合成孔徑雷達(dá)千涉監(jiān)測(cè)技術(shù)、GPS測(cè)量技術(shù)及GIS技術(shù)等，其中星載孔徑雷達(dá)干涉監(jiān)測(cè)技術(shù)格外引人注目。 　　6.1土層壓縮系數(shù)研究 　　英國(guó)的G.Cassiani和意大利的C.Zoeoatelli通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的松散土巖壓縮系數(shù)Cm和在波河三角洲天然氣田用放性分層標(biāo)測(cè)定的野外壓縮系數(shù)進(jìn)行了分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室壓縮系數(shù)要比現(xiàn)場(chǎng)壓縮系數(shù)大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，他們認(rèn)為使用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的壓縮系數(shù)進(jìn)行地面沉降預(yù)測(cè)更為可靠。 　　意大利的G.Brighenti等對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的波河天然氣田土層壓縮性進(jìn)行了分析和模擬研究，他們認(rèn)為壓縮性的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定技術(shù)還不完全成熟，也不完全可靠，因?yàn)楸Ｗo(hù)鉆孔的套管、鉆孔和套管之間澆注固結(jié)類型以及鉆孔周圍地層的預(yù)先壓縮都會(huì)影響到壓縮性測(cè)定的準(zhǔn)確性