土木工程的防災減災分析
——以地面沉降為例

張海濤 （江漢大學數字建造與爆破工程學院，湖北 武漢 430056）

0 前言

1988年聯合國成立了“國際減輕自然災害十年”指導委員會，其特設的國際專家組將人類所要應對的各類災害定義為“災害是指自然發生或人為產生的，對人類和人類社會具有危害后果的事件與現象”。可見，災害應該具有四個明顯特征：一是社會性，即災害的人類社會范圍；二是危害性,即災害對人類社會產生嚴重的危害并且其破壞力超過了人類社會的承受能力；三是突發性，災害本身有突發災害和緩發災害之分，但緩發災害由于演變發展周期長，并且一般具有統計意義上的可預報性，人類社會對緩發災害能夠防止或延緩其發生或降低其產生的損失，因此本文討論的災害限于突發性災害；四是反復性，即各類災害都是按照確定和不確定的規律反復發生的。

我國是世界上自然災害最嚴重的少數國家之一，災害種類多、發生頻率高、分布地域廣、造成損失大。特別是進入上世紀90年代以來，自然災害造成的經濟損失呈明顯上升趨勢，已經成為影響經濟發展和社會安定的重要因素[1]。1988年，僅長江流域和東北地區的洪澇造成的損失就高達2500億元人民幣，約占當年我國GDP的3%。

防災減災工程是一項綜合性的系統工程，其內容涉及多個學科的相關專業領域，目前，我國將其列為一級學科“土木工程”下設的一個二級學科。在許多自然災害和人為災害中，土木工程既是主要的承災體，其失效又會演變為重要的致災體[2]。土木工程失效經常是導致人員傷亡和財產損失的主要原因。因此，本文從土木工程角度出發，淺析防災減災。

1 土木工程的防災減災

災害造成的危害，主要是由于土木工程建筑物、構筑物的倒塌破壞，以及如交通通信、供電供水等生命線工程的破壞所產生的次生災害所造成的。1976年7月28日凌晨發生的7.8級唐山地震將唐山市區夷為平地，90%的單層砌體房屋倒塌，85% 的多層建筑倒塌[3]，造成242469人死亡、175797人重傷，死亡人數/房屋倒塌面積達到0.38人/100m2。唐山市直接經濟損失9.27億元、間接經濟損失20.83億元[4]。

1.1 土木工程與抗災、減災的關系

土木工程與抗災、減災的關系如圖[5]所示,其相互關系表明:①幾乎所有災害甚至人為災害(如戰爭、核泄露)都與土木工程有關；②土木工程幾乎對抵抗、減輕所有災害都具有極強的積極主動性和不可替代性。

土木工程與抗災、減災的關系圖

1.2 土木工程災害的分類

從災害形成的原因分析，土木工程災害可歸屬于兩大類，即自然災害和人為災害。自然災害是由于自然界中物質變化、運動而產生并表現為自然態的災害,如地震、洪水、氣象災害等。人為災害是由人為的技術事故、行為過失和某些喪失理性的失控行為導致的工程災害。不論是與自然環境相關還是與人為因素相關的土木工程災害，其成因總是土木工程自身抗災能力的不足，是人類知識欠缺或行為疏忽的直接后果[2]。

1.3 土木工程防災減災系統

土木工程防災減災主要由數據監測、災害預報、防災抗災工程措施以及災后恢復重建等組成的一套多環節的系統工程。

1.3.1 數據監測

數據監測用以取得災害因子的變化數據，如對地面沉降的監測可通過設置分層標、基巖標、孔隙水壓力標、地下水動態監測網等方法取得數據。

1.3.2 災害預報

可根據監測數據對災害的發生可能性及其發展規律作出估計或判斷。應當指出的是，目前自然災害的預報水平還比較低，如對地震、地面沉降的精確預報尚未有可靠的方法。

1.3.3 防災抗災工程措施

涉及土木工程領域的防災抗災措施主要包括三個方面:一是在項目規劃選址時避開危險區域，即規劃性防災抗災；二是采用工程加固、避難場所建設等土木工程措施，即工程性防災抗災；三是各類防災抗災技術的運用，如在地震防災方面的隔震及減震與消能技術、防火減災方面的不燃化與難燃化技術、災后的檢測及加固與改造技術等，即技術性防災抗災。

1.3.4 災后恢復重建

汶川地震后,國務院迅速公布實施了《汶川地震災后恢復重建條例》,其中的主要工作內容包括城鄉住房建設、農村建設、基礎設施建設等等,可見,災后的土木工程重建是主導性工作,是災后恢復重建工作有力、有序、有效的保障。

2 地面沉降的防災減災

地面沉降是在自然和人為因素作用下,由于地下松散土體固結壓縮而導致局部性地面標高降低的一種工程地質現象,也是城市化建設過程中出現的主要地質災害之一。地面沉降具有影響范圍廣、成因復雜、防治難度大等特點。通常所說的地面沉降主要是由于人類工程活動引發的或誘發的一定范圍內對已有建筑物或構筑物破壞嚴重、危及人民生命和財產安全、惡化城市建筑環境的地面沉降。對地面的沉降發生和發展關系最為密切的人類活動因素是抽取地下液體的活動，其中以抽取地下水最為嚴重。此外，城市高大建筑的增加且集中、地面施工產生動荷載、基坑或邊坡不適當的開挖等，均可能產生地面沉降。

如上所述，一般認為地下水位變化是引起地面沉降的主要因素，其成因可以從下述三個方面的共同作用加以解釋：

①當承壓含水層地下水位下降時會引起相鄰粘土層孔隙水向含水層釋放，進而空隙水壓力降低、土層浮力效果減弱、有效應力增大，造成粘土層被壓縮；

②水體流動引起的重力場及滲透力作用變化，產生粘土顆粒重新排列并向側向移動發展，造成土層壓密；

③抽水作用使砂礫石含水層顆粒排列緊密，間隙減小。

2.1 地面沉降監測與預測

為了實現對地面沉降的有效控制，需要在沉降監測、預測模型建立的基礎上構建地面沉降信息系統，系統主要由地面沉降基礎數據系統、地面沉降監測預報系統和地面沉降圖形信息系統等組成。

目前，地面沉降監測技術依據監測范圍主要分為兩類：一是基于地面的小范圍監測技術，包括水準測量、鉆孔引伸計等；二是基于空間的大范圍監測技術，包括InSAR、GPS等。從地面沉降預測方面來看，預測方法主要分為兩種：一種是基于有效應力和固結理論，通過模擬地面沉降過程建立物理模型，常見模型包括水流模型和土體變形模型，物理模型能夠較好地反映沉降機理，但也存在方法基于理想假設或經驗結論設置參數，可能會出現預測失效的現象；另一種是基于機器學習算法，通過離散時間序列建立數學統計模型，常見模型主要有回歸模型、灰色模型和神經網絡模型等。相比于物理模型，數學統計模型具有數據采集容易、計算方便及參數定義簡單的優點，具有更廣的應用范圍[6]。對比兩種方法，第一種基于沉降機理的預測方法需要在取得可靠的水文地質特征參數情況下，通過構建相應的物理模型來計算模擬沉降的演變趨勢，從而對沉降進行預測，但常存在由于參數和物理模型的不可靠導致預測結果不可靠的問題。第二種單純基于數學模型的預測方法，從監測數據的內在關系及發展規律來分析沉降的演變趨勢，未考慮實際的水文特征、巖性特征及其兩者的相互耦合作用，因此常存在預測模型不適于推廣應用的問題。

2.2 地面沉降控制與治理措施

作為一種復雜的地質現象，地面沉降通常包含多種成因，因此要分析針對不同誘發因素采取對應的控制與治理措施。下面對由于地震液化、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產生的沉降現象，可采用土體置換的方法，去除表層液化土，再敷以新土壓實；或利用強夯法壓實土體進行處理；或采用打擠壓密砂樁的方法，其作用一是可利用砂樁擠入對周圍軟化土體產生橫向擠壓作用提高土體強度，二是利用砂樁起到排水固結效果。

②對超采地下水引起的地面沉降問題，限制地下水開采、調整地下水開采的含水層分布和開采量以及對含水層進行人工回灌3項措施在世界范圍內被廣泛采用[7]。如利用人工回灌可使得含水層的空隙液壓恢復或保持在初始平衡狀態，回灌的關鍵是要求回灌水不能污染地下水。在日本、墨西哥以及我國的上海、天津，人工回灌對地面沉降的治理取得了良好的效果。

③基坑采用坑外降水時，降水形成的盆式曲線會使基坑周邊場地的地下水位線下降進而造成地層土體固結下沉，并且，一般認為基坑施工過程引起地面沉降的主要原因是承壓水的抽水降壓。回灌措施和封閉式降水施工方法對減小基坑周邊環境的不良影響效果顯著。如對深井降水施工引起的基坑周邊區域的地面沉降問題,可采用間歇性降水、設置或加深止水帷幕（高壓旋噴注漿法、深層攪拌法等）隔水以及回灌（地表入滲補給法、井內灌注法等）等工程措施進行處理。

3 結語

災害以土木工程作為特殊的承災體，是我國城鎮化建設中不可避免且必須解決的問題。由于災害系統的復雜性，決定了防災減災系統也具備復雜性、綜合性和交叉性[8]。防災減災研究涉及自然科學、工程科學、經濟學、社會學等多個領域，但正如文獻[2]所述，土木工程既是主要的承災體，其失效又會演變為重要的致災體。因此，土木工程對防災減災負有巨大的責任，受災后土木工程失穩、失效是導致人員傷亡和財產損失的主要原因，而經常并非是災害本身。

從土木工程角度考慮防災減災，強調建立一個包括數據監測、災害預報、防災抗災工程措施以及災后恢復重建的系統是不可或缺的，并且由于地震、洪水、風災以及多種地質災害等尚不能精準預測預報，因此防災抗災土木工程措施研究顯得尤為重要，科學合理的措施能有效地阻斷土木工程演變成致災體的路徑。