地面沉降：城市不能承受之痛

提及地表沉降，似乎距离我们很遥远：

• 它很少被新闻报道；

• 中学阶段所涉及的地面沉降地域范围有限；

• 我们对其原因理解不够全面。

  
  

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地面沉降威胁，触目惊心

今天，一起看看地面沉降的原因、影响、应对措施。

背景

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。（光明网 2023.06.08《专家初步判断：津南区八里台镇局部地面沉降属于突发地质灾害》）

[color=var(--weui-FG-HALF)]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。

地面沉降的原因

• 发生条件

  
  

地面沉降，实质是未曾成岩的地层，由于其密实度小、孔隙度高，孔隙中液体被抽出过程中，岩层被压实、收缩持续的过程。

[color=var(--weui-FG-HALF)]2. 形成原因分析

通常，我们会把地面沉降和过度开采地下水、矿产资源开采造成地下采空密切相关。事实上，自然因素的影响也不应忽视。

地面沉降的原因可以分为自然原因和人为原因。

• 自然原因

• 内力作用：地震、火山、地壳运动等引发；

• 外力作用：溶蚀、氧化、冻融等引发；

• 人为原因

• 开采地下水、矿产资源

• 建设高层建筑、大型工程

• 动荷载诱发土体变形

• 特殊土的压缩变形

• 软土地基变形有关

  
  

[color=var(--weui-FG-HALF)]3. 自然原因的影响

(1）火山、地震活动地震和火山喷发

都会导致地面沉降，但它们的影响因素不同。地震会导致地面抬升或降低，影响到火山口、岩浆管和火山周围土地的变化。而火山喷发后，岩浆房内产生负压，多数情况下会引起地面沉降(若岩浆补给极为迅速，地壳有时会升高)。地壳活动是导致地面沉降的主要原因之一。




地壳运动包括构造运动、火山喷发等，这些都会对地面产生影响。例如，地震会导致地面抬升或降低，这可能会导致火山口、岩浆管和火山周围土地的变化。而火山喷发后，岩浆房内产生负压，多数情况下会引起地面沉降(若岩浆补给极为迅速，地壳有时反而会升高)。




（2）地壳运动

区域构造活动新构造活动是导致京津冀地区构造沉降的基本因素。京津冀地区地面沉降分布具有明显的构造作用，地面沉降区多位于活动断裂交接部位的沉积凹陷地区。地面沉降的发展趋势也和活动断裂的走向具有明显的对应关系，与第四纪沉积凹陷十分吻合。有活动断裂通过的区域，地面沉降剖面线上表现出明显的转折或突变，断裂两侧区域不均匀沉降十分明显。

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京津冀协同发展区主要断裂分布图

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区域断陷分布状况

从上图可以看出，京津唐地区分布有断裂，对地面沉降的形成和发展起着重要作用。

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京津冀地区地面沉降监测状况

（3）冻融冻融过程中，土层颗粒大小及含水量可以影响冻胀和融陷，一般土层颗粒愈粗，含水量愈小，土的冻胀和融陷性愈小；反之愈大。相应地，土层承受动荷载的能力发生改变。多年冻土区，地基土体受地表温度的影响，反复冻融。

高温季节，地表土体融化，承载力大大降低，上覆荷载影响下， 压缩性变化较大，地基产生融沉；低温季节，冻结状态下，地表土体冻结，排水通道关闭，具有较低的压缩性，故融沉停止。

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青藏高原热融湖塘

全球气候变暖的背景下，高原多年冻土的地表年均温上升、活动层厚度增厚、多年冻土厚度变薄、地下冰消融等一系列现象，诱发的热融灾害严重影响高原冻土区的工程建设以及冻土区环境。

（4）溶蚀溶蚀对地面沉降的影响主要是由于溶蚀作用导致土壤中的孔隙水减少，土壤颗粒之间的摩擦力增大，从而使土壤的压缩性降低，导致地面沉降。

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2012年湖南益阳出现近700处岩溶沉降

此外，溶蚀作用还会导致地下水位下降，进而引起地面沉降。

[color=var(--weui-FG-HALF)]2. 人为原因的影响

引发地面沉降的人为原因主次，过度开采地下水居于首位，此外石油、天然气、固体矿产资源开采等。

（1）开采地下水、矿产资源

过度开采地下水过度开采地下水造成地下水位下降严重，使得水位下降造成储存地下水的含水层系统（由砂土或黏土等介质组成）压缩，土层厚度降低，且很难在短期内得以恢复。

上覆地层的重量只能作用在含水介质所构成的骨架上，原有的受力平衡遭到破坏。为实现新的平衡，上部岩土体沉降，上覆地层随之下沉。

沉降过程受低渗透和高压缩含水层不可恢复压实的控制，由于相邻含水层受到过度开采时孔隙流体压力降低，含水层发生压实，这是发生地表沉降最普遍的原因。随着城市化的发展，对于水资源的需求量持续增长，加上地下水量大、易开采，以及对地下水资源认识有限，过度开采地下水。就京津冀地区来说，地下水位下降成为引起其地面沉降的主要原因，其次是地下水更新缓慢及局部滞留而不能及时获取补给。

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研究区地下水资源开采状况图

地下水开采利用的时间分布、空间分布与地面沉降的形成和发展关系密切，地下水位与地面沉降呈现高度正相关关系。

对郑州市地面沉降时空演变规律的研究表明：郑州市地面沉降在时间和空间上均可以分为3个阶段,在时间上分别为快速发展期、相对稳定期和急剧变缓期。城中村超采地下水导致郑州市地面沉降的主要原因：城中村拆迁,对地下水开采量减少，地面沉降变缓甚至出现地面沉降抬升; 因拆迁导致流动人口迁移到远郊的城中村,形成新的流动人口和产业聚集区,进而形成了新的地面沉降区。

地面沉降变化趋势与地下水水位动态变化的良好一致性，但地面沉降相对于已经发生的地下水位下降存在滞后性，通常会滞后一个月到数月。

开采油气及其他矿产资源的影响，与此类似，不再赘述。（2）土体变形与地面沉降当外界荷载作用在土体，荷载产生的应力也由固体颗粒、孔隙水和空气等三部分共同承担。其中，土体中固体颗粒骨架真正受的应力，为有效应力。有效应力=土体承受的总应力 - 孔隙水的应力（备注：有效应力无法直接测出，只能测出外界荷载产生的总应力和孔隙水压力）

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地面沉降与可压缩黏性土厚度的关系

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地面沉降与地层结构关系

地面沉降通常是由于有效应力的增加而产生的。随着地下水位的下降或土顶载荷的增加，土壤骨架中的有效应力增大，这导致土体形变和可压缩层固结的有效应力大于历史应力。同样的地下水开采环境下，对地面沉降影响强度大小，从大到小依次为：超固结地层、正常固结地层次、未固结地层。

固结状态欠佳的软弱土层在自重压力作用下，孔隙水压力将逐渐消散，地层将缓慢固结，导致地面沉降。地面沉降和地层结构的关系密切。以北京平原区地面沉降为例，以砂卵砾石层为主并夹有薄层的黏性土，土体颗粒较粗，抗压强度高，可压缩性低，不易产生压缩变形。北京地面沉降区浅部土体压缩减缓，中深部土体和深部土体多以较快的速度持续压缩。

（3）城市工程建设

建筑物（或构筑物）的建设和使用过程中，会对地基产生较大压力，尤其是在建筑物（或构筑物）重量和地基承载力不匹配，会导致地基沉降和变形。此外，建筑物的建设和使用还会影响周围环境，如堵塞排水渠道和改变地下水位等，进一步加剧地面沉降。建筑物设计和施工过程中，避免因建筑物重量引起的地面沉降问题。

2023年5月发表于《地球的未来》期刊的文章《纽约市的重量:人为来源对地面沉降的可能贡献》提出，为容纳880万人口，纽约市建造100多万栋建筑物，这些建筑物总重量超过7600亿千克，它们对地面沉降产生重要影响。基于研究模型，研究者对比了卫星数据，分析出整个城市实际下沉幅度为平均每年1~2毫米。建筑重量正是纽约市整体沉降的主要原因。对于建筑在松散沉积物之上的地区，沉降更为严重。

由于土层类型、建筑重量的空间分布差异，导致不确定时间、范围的次级沉降发生。次级沉降，让地表沉降加速沉降。

（4）动荷载诱发土体变形

[color=var(--weui-FG-HALF)] 明确动载荷含义

• 载荷，有动载荷和静载荷之分，又区别于作用。

• 由于直接作用或者间接作用于结构上，在结构内部产生内力（如轴力、弯矩、剪力、扭矩等）和变形（如转角、裂缝），可称为“结构效应”，即通常所说的的“作用”。

• 当作用为直接作用时，其效应又可称为“荷载效应”，即此处所谓的荷载。

• 动载荷是指体在运动过程中受到震动、环境等因素影响下，所受的载荷随时间变化（周期性，或非周期性）；静载荷，即构件所承受的外力不随时间而变化，故结构本身各点的状态也不随时间发生变化。

  
  

动载荷的影响

考虑动荷载对地面沉降的影响时，需要综合考虑地质、土体结构、工程、交通等因素。地质条件：地面沉降受断层滑移影响较大。

地面土体结构：地面土体的结构、密度、含水量等都会影响土体的稳定性，从而影响动荷载的大小和频率。

以冻融为例来说，土层颗粒大小及含水量可以影响冻胀和融陷，一般土层颗粒愈粗，含水量愈小，土的冻胀和融陷性愈小；反之愈大。相应地，土层承受动荷载的能力发生改变。多年冻土区，地基土体受地表温度的影响，反复冻融。高温季节，地表土体融化，承载力大大降低，上覆荷载影响下， 压缩性变化较大，地基产生融沉；低温季节，冻结状态下，地表土体冻结，排水通道关闭，具有较低的压缩性，故融沉停止。全球气候变暖的背景下，高原多年冻土的地表年均温上升、活动层厚度增厚、多年冻土厚度变薄、地下冰消融等一系列现象，诱发的热融灾害严重影响高原冻土区的工程建设以及冻土区环境。

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实验表明，无荷载作用下，水分无法排出，土层孔隙水压力消散数值小，故融沉变形不大；静荷载、动荷载作用下，水分逐渐被排出，土层孔隙水压力消散较快，且消散数值动荷载大于静荷载，从而导致动荷载作用下的融沉变形大于静荷载。

交通运输：随着车速的增加，动荷载造成的土体竖向位移降低。随着车重的增加，竖向位移增加。

工程建设：施工过程中的挖掘、填方、压实等操作都会影响地面土体的稳定性，从而影响动荷载的大小和频率。

(5)软土地基变形

软土一般指天然含水量大、压缩性高、承载能力低的一种软塑到流塑状态的粘性土，具有天然孔隙比大、天然含水率高、透水性小、抗剪强度低、压缩性强等特点，包括如淤泥、淤泥质土、沼泽土、泥炭土、疏松种植土、冲积粉砂土、高液限膨胀土等。软土地基广泛分布在我国沿海地区、内陆地区以及江河湖泊处,按沉积环境，可以分为：

• 滨海沉积——滨海相，泻湖相、溺谷相及三角洲相。

• 湖泊沉积——湖相、三角洲相。

• 河滩沉积一—河漫滩相、牛轭湖相。

• 沼泽沉积——沼泽相。

  
  

荷载作用下，软土路基容易塌陷，出现不均匀沉降。软土层厚越深，地基的沉降持续的时间也越长，故其沉降控制难度大。。

外部荷载作用下，软土低级沉降可分为初始沉降、固结沉降、次固结沉降。前者是指软土地基加载瞬时出现，导致地基的孔隙水无法及时排出，软土地基会发生剪切变形，土体发生形状的变化，无体积变化；固结沉降，是软土地基沉降变形的主体组成部分，多因为土壤颗粒在外部荷载作用下蠕变引起软土地基沉降；

综合来看，过度开采地下水是诱发区域地面沉降的最主要外因，而地质结构、土体构成是地面沉降发生的内因，地面沉降是多种因素联动共同影响的，只对单因素进行研究不足以对地面沉降成因和演化进行全面刻画。随着区域城市化水平的不断提高，城市建筑增多、交通流量增大、资源匮乏等问题加剧，城市地上的工程建设和地下的空间开发加剧地面沉降程度。

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。

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华北平原地面沉降状况（2015）

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。

天津地面沉降导致广州荔湾区珠江隧道

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2020年8月广州珠江隧道沉降

地裂缝

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。

地面沉降的治理措施

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[color=var(--weui-FG-HALF)]美国加利福尼亚San Joaquin峡谷地面沉降（左下方给出图例为1926-1970年下降/米）

治表措施

• 在沿海低平原地带修筑或加高挡潮堤、防洪堤，防止海水倒灌，淹没低洼地区;

• 改造低洼地形，人工填土加高地面；

• 改建城市给排水系统和输油气管线，整修因沉降而被破坏的交通路线等线性工程，使之适应地面沉降后的情况

• 修改城市建设规划，调整城市功能分区及总体布局规划中的重要建筑物要避开沉降地区;

  
  

治本措施

• 切实加强地面沉降监测工作

  
  

建立地面沉降监测网，是预防和减轻地面沉降灾害的重要措施。由于地面沉降是一个渐进的过程，通过长期、系统的监测实现对沉降的实时监测和预测，有助于掌握沉降的变化规律和影响范围，及时发现沉降问题，从而为后续的治理工作提供科学依据，从而，避免沉降对地理环境造成更大影响。

2.严格控制开采地下水

地下水的过度开采是导致地面沉降的重要原因。因此，控制地下水开采对防止地面沉降至关重要。通过不同手段，减少对地下水的依赖，以地面水源代替地下水源。

可以实现控制开采地下水的目标。京津冀地区通过南水北调解决工业、生活用水，预计减少30%的地下水开采量，同时，最大限度压缩农业灌溉的地下水开采量，有效地控制了区域内地面沉降的快速发展。

3. 采取人工回灌措施

维持地下水的水位，除了控制地下水的开采，还可人工回灌。人工回灌，指将水资源通过一定方式回灌到地下含水层中，补充地下水资源，从而缓解地面沉降。当然，人工回灌的安全和有效性，需要以回灌的水量和水质为前提，并进行科学的监测和管理。

4.科学规划做好城市规划，对高层建筑物所带来的地质危害进行评估；避开软弱地基或对软弱地基进行工程处理。

5. 健全法规、完善管理

政府部门需要加强对地面沉降的重视，制定和完善相关法规和政策规范和管理，明确各方责任和义务，确保治理工作的有序推进。同时，还要加强宣传和教育，提高公众对地面沉降的认知，形成全社会共同参与和监督的良好局面。

综上，应对措施的核心是预防和减轻地面沉降灾害，需要通过多种途径综合治理地面沉降，减轻地面沉降危害的目的。其中，加强监测和规划管理是最为重要的措施，控制地下水的开采是最直接、有效的，人工回灌等工程技术也可起一定作用。人类需要在科学分析和评估的基础上进行，确保其有效性和安全性。

文章转载于地理学漫步，收录于合集人文地理