土木工程的防灾减灾分析——以地面沉降为例

张海涛 （江汉大学数字建造与爆破工程学院，湖北 武汉 430056）

0 前言

1988年联合国成立了“国际减轻自然灾害十年”指导委员会，其特设的国际专家组将人类所要应对的各类灾害定义为“灾害是指自然发生或人为产生的，对人类和人类社会具有危害后果的事件与现象”。可见，灾害应该具有四个明显特征：一是社会性，即灾害的人类社会范围；二是危害性,即灾害对人类社会产生严重的危害并且其破坏力超过了人类社会的承受能力；三是突发性，灾害本身有突发灾害和缓发灾害之分，但缓发灾害由于演变发展周期长，并且一般具有统计意义上的可预报性，人类社会对缓发灾害能够防止或延缓其发生或降低其产生的损失，因此本文讨论的灾害限于突发性灾害；四是反复性，即各类灾害都是按照确定和不确定的规律反复发生的。

我国是世界上自然灾害最严重的少数国家之一，灾害种类多、发生频率高、分布地域广、造成损失大。特别是进入上世纪90年代以来，自然灾害造成的经济损失呈明显上升趋势，已经成为影响经济发展和社会安定的重要因素[1]。1988年，仅长江流域和东北地区的洪涝造成的损失就高达2500亿元人民币，约占当年我国GDP的3%。

防灾减灾工程是一项综合性的系统工程，其内容涉及多个学科的相关专业领域，目前，我国将其列为一级学科“土木工程”下设的一个二级学科。在许多自然灾害和人为灾害中，土木工程既是主要的承灾体，其失效又会演变为重要的致灾体[2]。土木工程失效经常是导致人员伤亡和财产损失的主要原因。因此，本文从土木工程角度出发，浅析防灾减灾。

1 土木工程的防灾减灾

灾害造成的危害，主要是由于土木工程建筑物、构筑物的倒塌破坏，以及如交通通信、供电供水等生命线工程的破坏所产生的次生灾害所造成的。1976年7月28日凌晨发生的7.8级唐山地震将唐山市区夷为平地，90%的单层砌体房屋倒塌，85% 的多层建筑倒塌[3]，造成242469人死亡、175797人重伤，死亡人数/房屋倒塌面积达到0.38人/100m2。唐山市直接经济损失9.27亿元、间接经济损失20.83亿元[4]。

1.1 土木工程与抗灾、减灾的关系

土木工程与抗灾、减灾的关系如图[5]所示,其相互关系表明:①几乎所有灾害甚至人为灾害(如战争、核泄露)都与土木工程有关；②土木工程几乎对抵抗、减轻所有灾害都具有极强的积极主动性和不可替代性。

土木工程与抗灾、减灾的关系图

1.2 土木工程灾害的分类

从灾害形成的原因分析，土木工程灾害可归属于两大类，即自然灾害和人为灾害。自然灾害是由于自然界中物质变化、运动而产生并表现为自然态的灾害,如地震、洪水、气象灾害等。人为灾害是由人为的技术事故、行为过失和某些丧失理性的失控行为导致的工程灾害。不论是与自然环境相关还是与人为因素相关的土木工程灾害，其成因总是土木工程自身抗灾能力的不足，是人类知识欠缺或行为疏忽的直接后果[2]。

1.3 土木工程防灾减灾系统

土木工程防灾减灾主要由数据监测、灾害预报、防灾抗灾工程措施以及灾后恢复重建等组成的一套多环节的系统工程。

1.3.1 数据监测

数据监测用以取得灾害因子的变化数据，如对地面沉降的监测可通过设置分层标、基岩标、孔隙水压力标、地下水动态监测网等方法取得数据。

1.3.2 灾害预报

可根据监测数据对灾害的发生可能性及其发展规律作出估计或判断。应当指出的是，目前自然灾害的预报水平还比较低，如对地震、地面沉降的精确预报尚未有可靠的方法。

1.3.3 防灾抗灾工程措施

涉及土木工程领域的防灾抗灾措施主要包括三个方面:一是在项目规划选址时避开危险区域，即规划性防灾抗灾；二是采用工程加固、避难场所建设等土木工程措施，即工程性防灾抗灾；三是各类防灾抗灾技术的运用，如在地震防灾方面的隔震及减震与消能技术、防火减灾方面的不燃化与难燃化技术、灾后的检测及加固与改造技术等，即技术性防灾抗灾。

1.3.4 灾后恢复重建

汶川地震后,国务院迅速公布实施了《汶川地震灾后恢复重建条例》,其中的主要工作内容包括城乡住房建设、农村建设、基础设施建设等等,可见,灾后的土木工程重建是主导性工作,是灾后恢复重建工作有力、有序、有效的保障。

2 地面沉降的防灾减灾

地面沉降是在自然和人为因素作用下,由于地下松散土体固结压缩而导致局部性地面标高降低的一种工程地质现象,也是城市化建设过程中出现的主要地质灾害之一。地面沉降具有影响范围广、成因复杂、防治难度大等特点。通常所说的地面沉降主要是由于人类工程活动引发的或诱发的一定范围内对已有建筑物或构筑物破坏严重、危及人民生命和财产安全、恶化城市建筑环境的地面沉降。对地面的沉降发生和发展关系最为密切的人类活动因素是抽取地下液体的活动，其中以抽取地下水最为严重。此外，城市高大建筑的增加且集中、地面施工产生动荷载、基坑或边坡不适当的开挖等，均可能产生地面沉降。

如上所述，一般认为地下水位变化是引起地面沉降的主要因素，其成因可以从下述三个方面的共同作用加以解释：

①当承压含水层地下水位下降时会引起相邻粘土层孔隙水向含水层释放，进而空隙水压力降低、土层浮力效果减弱、有效应力增大，造成粘土层被压缩；

②水体流动引起的重力场及渗透力作用变化，产生粘土颗粒重新排列并向侧向移动发展，造成土层压密；

③抽水作用使砂砾石含水层颗粒排列紧密，间隙减小。

2.1 地面沉降监测与预测

为了实现对地面沉降的有效控制，需要在沉降监测、预测模型建立的基础上构建地面沉降信息系统，系统主要由地面沉降基础数据系统、地面沉降监测预报系统和地面沉降图形信息系统等组成。

目前，地面沉降监测技术依据监测范围主要分为两类：一是基于地面的小范围监测技术，包括水准测量、钻孔引伸计等；二是基于空间的大范围监测技术，包括InSAR、GPS等。从地面沉降预测方面来看，预测方法主要分为两种：一种是基于有效应力和固结理论，通过模拟地面沉降过程建立物理模型，常见模型包括水流模型和土体变形模型，物理模型能够较好地反映沉降机理，但也存在方法基于理想假设或经验结论设置参数，可能会出现预测失效的现象；另一种是基于机器学习算法，通过离散时间序列建立数学统计模型，常见模型主要有回归模型、灰色模型和神经网络模型等。相比于物理模型，数学统计模型具有数据采集容易、计算方便及参数定义简单的优点，具有更广的应用范围[6]。对比两种方法，第一种基于沉降机理的预测方法需要在取得可靠的水文地质特征参数情况下，通过构建相应的物理模型来计算模拟沉降的演变趋势，从而对沉降进行预测，但常存在由于参数和物理模型的不可靠导致预测结果不可靠的问题。第二种单纯基于数学模型的预测方法，从监测数据的内在关系及发展规律来分析沉降的演变趋势，未考虑实际的水文特征、岩性特征及其两者的相互耦合作用，因此常存在预测模型不适于推广应用的问题。

2.2 地面沉降控制与治理措施

作为一种复杂的地质现象，地面沉降通常包含多种成因，因此要分析针对不同诱发因素采取对应的控制与治理措施。下面对由于地震液化、超采地下水、深基坑降水引起的地面沉降加以分析。

①由于地震原因使得砂土液化产生的沉降现象，可采用土体置换的方法，去除表层液化土，再敷以新土压实；或利用强夯法压实土体进行处理；或采用打挤压密砂桩的方法，其作用一是可利用砂桩挤入对周围软化土体产生横向挤压作用提高土体强度，二是利用砂桩起到排水固结效果。

②对超采地下水引起的地面沉降问题，限制地下水开采、调整地下水开采的含水层分布和开采量以及对含水层进行人工回灌3项措施在世界范围内被广泛采用[7]。如利用人工回灌可使得含水层的空隙液压恢复或保持在初始平衡状态，回灌的关键是要求回灌水不能污染地下水。在日本、墨西哥以及我国的上海、天津，人工回灌对地面沉降的治理取得了良好的效果。

③基坑采用坑外降水时，降水形成的盆式曲线会使基坑周边场地的地下水位线下降进而造成地层土体固结下沉，并且，一般认为基坑施工过程引起地面沉降的主要原因是承压水的抽水降压。回灌措施和封闭式降水施工方法对减小基坑周边环境的不良影响效果显著。如对深井降水施工引起的基坑周边区域的地面沉降问题,可采用间歇性降水、设置或加深止水帷幕（高压旋喷注浆法、深层搅拌法等）隔水以及回灌（地表入渗补给法、井内灌注法等）等工程措施进行处理。

3 结语

灾害以土木工程作为特殊的承灾体，是我国城镇化建设中不可避免且必须解决的问题。由于灾害系统的复杂性，决定了防灾减灾系统也具备复杂性、综合性和交叉性[8]。防灾减灾研究涉及自然科学、工程科学、经济学、社会学等多个领域，但正如文献[2]所述，土木工程既是主要的承灾体，其失效又会演变为重要的致灾体。因此，土木工程对防灾减灾负有巨大的责任，受灾后土木工程失稳、失效是导致人员伤亡和财产损失的主要原因，而经常并非是灾害本身。

从土木工程角度考虑防灾减灾，强调建立一个包括数据监测、灾害预报、防灾抗灾工程措施以及灾后恢复重建的系统是不可或缺的，并且由于地震、洪水、风灾以及多种地质灾害等尚不能精准预测预报，因此防灾抗灾土木工程措施研究显得尤为重要，科学合理的措施能有效地阻断土木工程演变成致灾体的路径。