□张莉萍曹建军冯寿兆殷琦唐波城市地面沉降及其防治措施综述摘要：地面沉降是世界性的难题，也是环境地质研究的主要内容之一。

目前，经济发展对地下水的需求量的不断加大和地下水导致地面沉降制约经济的发展，已经成为一对不可调和的矛盾。

本文在总结前人的研究成果的基础上，对地面沉降的防治措施提出了几点意见。

关键词：环境地质；地面沉降；防治一、引言地面沉降是城市地质中常见的地质灾害，尤其是在沿海一些经济发达城市，随着经济的发展，城市工业化程度的提高，对水资源的需求量急剧上升，导致地面发生大幅度的沉降，高程的损失造成了诸多问题。

比如，城市下沉导致地面建筑物开裂、城市防汛难度加大、地下管道发生变形甚至爆裂等等。

沿海城市的海水入侵以及海平面相对高程的下降，使得城市高程有低于海平面的危险，一旦发生海啸等自然灾害，后果不堪设想。

地面沉降是个世界性的难题。

一方面人类对水资源的需求无法回避；二来治理地面沉降目前还没有太好的方法。

目前开展的地下水回灌，也只能是地面沉降的速度减缓，使得地下水水面缓慢上升，使地面沉降趋于缓慢。

而由于土的塑性，使得这种高程损失无法恢复。

地面沉降已经严重制约城市经济的发展。

二、地面沉降的机理地面沉降的主要原因是由于长期超量开采地下水，使得承压含水层水头降低，上部高压缩软土层中孔隙水压力下降，土体内有效应力增加，从而产生压密固结作用。

是水和土相互作用的、内部应力发生变化的外在表现。

它与土的变形特性和水的渗流情况密切相关。

三、地面沉降的影响因素（一）地质原因（内因）在主要开采层之上普遍发育软土层，它们具有含水率高、孔隙比大、压缩性高、渗透性差等共同特点。

（二）人为原因（外因）超量开采地下水是引起地面沉降的主要原因。

长期无节制的超量采水，使得地下水位严重下降，再加上一些水井的布置严重不合理，也即无序的开采地下水更加重了地面沉降的范围与深度。

由此可见，地面沉降量的大小不仅取决于开采量的大小，同时还受软土层的性质、结构特征、厚度大小以及空间分布等因素的制约。

四、地面沉降防治措施（1）从地质专业角度去进行防治主要措施有a.削减地下水开采量，从源头上控制地面沉降；b.调整开采层次，根据含水层的分布，调整开采的含水层；c.优化开采井的分布，在城市内部，严格控制采水井的选址，从中心城市地区逐渐向郊区扩散，缓解城市中心地区的开采压力；d.在原开采层内调整各水井的开采量；e.开展地下水人工回灌，虽然不能有效恢复地下水开采对高程的损失，不过在重要地区，这种措施能够起到减缓地面沉降的速率的作用；f.研究新的开采地下水技术，比如采水井井形的选择，目前许多专家提出来浅层取水，但是由于浅层水的渗透系数小，含水层厚度薄，所以采水量受到限制。

中国地质大学陈崇希、裴顺平在《地下水开采—地面沉降数值模拟机防治对策研究———以江苏省苏州市为例》一书中，论及浅层取水时，建议采用水平井、辐射井等井型。

这类井的施工技术在我国已有成熟的经验。

另外考虑一种新的井型“子母井”———中心打一母井供抽水用，周围打一群子井，它们以虹吸管与母井联系，地下水流入子井群后通过虹吸管向母井集中再从母井中用水泵抽取，子母井的功能是增大过水断面的面积，提高地下水进入井孔的过水能力。

g.调查区内软土层的分布情况及性质，从而优化井位的选择和高层建筑的选址。

高程建筑荷载大，对地下分布的软土会产生压密作用，也是地面沉降的一个原因。

查明软土层的分布和厚度，从而规划高程建筑的选址，可以控制工程性沉降。

（2）行政手段除了上述从地质专业的角度进行防治外，主观部门还应该用行政手段来控制地面沉降，工作内容有：a.健全法制，加强管理。

规范地下水的开采活动；b.与周边城市联动，从大区域的范围来系统宏观管理地下水开采地面沉降的研究方法。

因为一个地区的含水层不是一个孤立的系统，与周边地区的含水层是连续的，所以控制地面沉降不能仅仅局限于一个封闭的小地区，而应该从大区域的角度来把握全局。

五、目前地面沉降主要研究方法目前对地面沉降的研究主要根据含水层水位变化与土体变形特征之间的关系，来进行研究，一般的方法是通过建立数学模型来实现开采井的优化以及对地面沉降的预测预报。

（1）地面沉降计算中采用的渗流模型常用的主要有以下几种a.二维模型含水层中的地下水在水平面内作二维平面流动，含水层之间的粘土、亚粘土则视作不透水。

b.改进的二维模型含水层中的地下水作水平方向流动，并将粘土、亚粘土层中的压密释水概化为水流模型的源汇项。

c.准三维模型含水层中的地下水作水平渗流，粘土、亚粘土层中的水流作一维垂向渗流处理。

4.全三维模型含水层和弱透水层中的地下水流均作三维渗流处理。

（2）土体变形模型地质、勘察、测绘专栏296广东科技2009.6.总第214期a.线弹性模型即认为土的应力应变关系符合虎克定律，土层厚度变化与有效应力的变化成正比。

这一模型主要用于含水层的变形，即将含水层的变形作为弹性的、可恢复的。

另外，在考虑土体的三维变形时，将含水层和粘土、亚粘土层，几乎都看作线弹性体。

b.非线弹性模型即考虑土体变形的非弹性特性，当地下水位恢复时，土体要产生回弹，但不可能完全恢复，且恢复的程度与土质条件、土体所处的应力状态有关。

另外土体的变形与土体经历的应力历史有关。

因此在计算土体变形时按土体的前期固结应力的大小，需要进行分段处理。

c.流变模型即认为由于在土体骨架应力作用下土体表面所吸附的水的粘滞性，土体颗粒重新排列和骨架体的错动将具有明显的时间效应（3）沉降计算模型根据渗流模型与土体变形模型不同的结合形式，沉降模型大体可分为三类。

a.两步计算模型主要根据含水层和弱透水层的水位变化来计算有效应力的变化，从而计算各土层的变形量，即完全分成各自独立的两步完成，进而求出地面沉降量。

b.部分耦合模型此类模型也就是耦合的两步模型，一般的表现特征是水位和变形既分步计算又相互影响。

地下水流模型和土体变形模型中的参数在沉降过程中是变化的，而他们之间的耦合体现在参数随沉降的变化中。

c.完全耦合模型它考虑土体的变形和地下水渗流的耦合作用，即孔隙水压力的变化对土体变形以及土体变形对孔隙水压力的相互影响，将土的变形和地下水流动置于时间和空间上同步，孔隙水压力和变形同时算出，且地下水流和变形都是三维的。

从理论上讲，全耦合模型是预测地面沉降最完善的方法，但由于全耦合模型参数较多，对大区域地质体刻划能力有限，而难于满足复杂的实际情况，而且当介质是非均质时需给出不同土层各自的参数，其参数将更为复杂。

因此在解决实际问题时有很大的困难，实际应用中仍然以前两种模型居多。

在运用数学模型进行地面沉降的预测预报和井位选址优化时，选择合理的模型及其边界条件、确定参数，是模型能否真实反映实际情况的关键。

六、地面沉降监测方法地面沉降的监测是对地面沉降的定量研究。

它主要是监测地面点的下沉和变形，由此分析计算地面沉降情况。

主要方法有以下几种：a.传统测量方法，也即平面水准控制测量；b.GPS卫星定位测量；c.星载合成孔径雷达干涉测量技术InSAR。

下面来比较一下GPS和InSAR各自的优缺点：①GPS定位精度高，空间分辨率低；InSAR具有连续覆盖特性；②GPS具有高精度的平面绝对定位能力，高程定位精度较低；InSAR确定相对位置，对高程信息特别敏感，精度可达到亚厘米级；③GPS可以长时间连续观测，数据的时间分辨率很高；In-SAR为瞬时测量，周期比较长，时间分辨率低。

鉴于两者互有长短，所以许多学者提出了要把GPS和In-SAR数据融合，这样可以发挥两者的长处，互相取长补短。

GPS和InSAR数据融合的优势在于既可以改正InSAR数据本身难以消除的误差，又可以实现GPS技术高时间分辨率和高水平位置精度与InSAR技术高空间分辨率和高高程变形精度有效统一。

七、结论和建议综上所述，地面沉降受控于两个主要因素：软土层的分布和开采量。

区内软土层的分布、厚度、性质是地面沉降产生的地质因素，根据对以往城市地面沉降的研究，最主要的沉降量主要来自于含水砂层和具有高压缩性的软土的压密释水，还有前面提及的工程性沉降，也是由于高层建筑物的自重荷载对软土层的压密作用。

所以调查软土层的分布对控制地面沉降具有重要意义。

在充分调查软土层分布的情况下，合理选择井位以及开采层，从而控制开采量，对控制地面沉降有着积极意义。

对于一个地区的地面沉降研究方法（上图1），应该在全面考察区域地面沉降资料的基础上，建立准确的数学模型，选择合适的边界条件和参数是建立的数学模型是否成功的关键。

这就要求在实际运用中，与监测资料充分对比，建立的数学模型必须能真实反映实际情况，并根据监测沉降量与计算沉降量的对比，对模型进行改进。

建立数学模型的目的在于预测预报沉降量，以及以控制沉降量为目标，来优化开采方案，包括井位的选址、开采层的选择等。

■参考文献：[1]陈崇希，裴顺平.《地下水开采-地面沉降数值模拟机防治对策研究———以江苏省苏州市为例》[M].武汉：中国地质大学出版社，2001，81-82[2]张云，薛禹群.抽水地面沉降数学模型的研究现状与展望[J].中国地质灾害与防治学报2002.13(2)：2-5[3]独知行，阳凡林，刘国林.GPS与InSAR数据融合的研究现状与展望[J].山东科技大学学报2005.24(3)：6（作者单位：南京市水利规划设计院有限责任公司）图1地面沉降项目运作流程图地质、勘察、测绘专栏297广东科技2009.6.总第214期。