張海濤 （江漢大學(xué)數(shù)字建造與爆破工程學(xué)院，湖北 武漢 430056）

0 前言

1988年聯(lián)合國成立了“國際減輕自然災(zāi)害十年”指導(dǎo)委員會，其特設(shè)的國際專家組將人類所要應(yīng)對的各類災(zāi)害定義為“災(zāi)害是指自然發(fā)生或人為產(chǎn)生的，對人類和人類社會具有危害后果的事件與現(xiàn)象”?？梢姡瑸?zāi)害應(yīng)該具有四個明顯特征：一是社會性，即災(zāi)害的人類社會范圍；二是危害性,即災(zāi)害對人類社會產(chǎn)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(fā)性，災(zāi)害本身有突發(fā)災(zāi)害和緩發(fā)災(zāi)害之分，但緩發(fā)災(zāi)害由于演變發(fā)展周期長，并且一般具有統(tǒng)計意義上的可預(yù)報性，人類社會對緩發(fā)災(zāi)害能夠防止或延緩其發(fā)生或降低其產(chǎn)生的損失，因此本文討論的災(zāi)害限于突發(fā)性災(zāi)害；四是反復(fù)性，即各類災(zāi)害都是按照確定和不確定的規(guī)律反復(fù)發(fā)生的。

我國是世界上自然災(zāi)害最嚴重的少數(shù)國家之一，災(zāi)害種類多、發(fā)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(zāi)害造成的經(jīng)濟損失呈明顯上升趨勢，已經(jīng)成為影響經(jīng)濟發(fā)展和社會安定的重要因素[1]。1988年，僅長江流域和東北地區(qū)的洪澇造成的損失就高達2500億元人民幣，約占當(dāng)年我國GDP的3%。

防災(zāi)減災(zāi)工程是一項綜合性的系統(tǒng)工程，其內(nèi)容涉及多個學(xué)科的相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域，目前，我國將其列為一級學(xué)科“土木工程”下設(shè)的一個二級學(xué)科。在許多自然災(zāi)害和人為災(zāi)害中，土木工程既是主要的承災(zāi)體，其失效又會演變?yōu)橹匾闹聻?zāi)體[2]。土木工程失效經(jīng)常是導(dǎo)致人員傷亡和財產(chǎn)損失的主要原因。因此，本文從土木工程角度出發(fā)，淺析防災(zāi)減災(zāi)。

1 土木工程的防災(zāi)減災(zāi)

災(zāi)害造成的危害，主要是由于土木工程建筑物、構(gòu)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(chǎn)生的次生災(zāi)害所造成的。1976年7月28日凌晨發(fā)生的7.8級唐山地震將唐山市區(qū)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(shù)/房屋倒塌面積達到0.38人/100m2。唐山市直接經(jīng)濟損失9.27億元、間接經(jīng)濟損失20.83億元[4]。

1.1 土木工程與抗災(zāi)、減災(zāi)的關(guān)系

土木工程與抗災(zāi)、減災(zāi)的關(guān)系如圖[5]所示,其相互關(guān)系表明:①幾乎所有災(zāi)害甚至人為災(zāi)害(如戰(zhàn)爭、核泄露)都與土木工程有關(guān)；②土木工程幾乎對抵抗、減輕所有災(zāi)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(zāi)、減災(zāi)的關(guān)系圖

1.2 土木工程災(zāi)害的分類

從災(zāi)害形成的原因分析，土木工程災(zāi)害可歸屬于兩大類，即自然災(zāi)害和人為災(zāi)害。自然災(zāi)害是由于自然界中物質(zhì)變化、運動而產(chǎn)生并表現(xiàn)為自然態(tài)的災(zāi)害,如地震、洪水、氣象災(zāi)害等。人為災(zāi)害是由人為的技術(shù)事故、行為過失和某些喪失理性的失控行為導(dǎo)致的工程災(zāi)害。不論是與自然環(huán)境相關(guān)還是與人為因素相關(guān)的土木工程災(zāi)害，其成因總是土木工程自身抗災(zāi)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(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)

土木工程防災(zāi)減災(zāi)主要由數(shù)據(jù)監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)報、防災(zāi)抗災(zāi)工程措施以及災(zāi)后恢復(fù)重建等組成的一套多環(huán)節(jié)的系統(tǒng)工程。

1.3.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測

數(shù)據(jù)監(jiān)測用以取得災(zāi)害因子的變化數(shù)據(jù)，如對地面沉降的監(jiān)測可通過設(shè)置分層標、基巖標、孔隙水壓力標、地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)等方法取得數(shù)據(jù)。

1.3.2 災(zāi)害預(yù)報

可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對災(zāi)害的發(fā)生可能性及其發(fā)展規(guī)律作出估計或判斷。應(yīng)當(dāng)指出的是，目前自然災(zāi)害的預(yù)報水平還比較低，如對地震、地面沉降的精確預(yù)報尚未有可靠的方法。

1.3.3 防災(zāi)抗災(zāi)工程措施

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

1.3.4 災(zāi)后恢復(fù)重建

汶川地震后,國務(wù)院迅速公布實施了《汶川地震災(zāi)后恢復(fù)重建條例》,其中的主要工作內(nèi)容包括城鄉(xiāng)住房建設(shè)、農(nóng)村建設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等等,可見,災(zāi)后的土木工程重建是主導(dǎo)性工作,是災(zāi)后恢復(fù)重建工作有力、有序、有效的保障。

2 地面沉降的防災(zāi)減災(zāi)

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(jié)壓縮而導(dǎo)致局部性地面標高降低的一種工程地質(zhì)現(xiàn)象,也是城市化建設(shè)過程中出現(xiàn)的主要地質(zhì)災(zāi)害之一。地面沉降具有影響范圍廣、成因復(fù)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(fā)的或誘發(fā)的一定范圍內(nèi)對已有建筑物或構(gòu)筑物破壞嚴重、危及人民生命和財產(chǎn)安全、惡化城市建筑環(huán)境的地面沉降。對地面的沉降發(fā)生和發(fā)展關(guān)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(chǎn)生動荷載、基坑或邊坡不適當(dāng)?shù)拈_挖等，均可能產(chǎn)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(dāng)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(yīng)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(chǎn)生粘土顆粒重新排列并向側(cè)向移動發(fā)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(jiān)測與預(yù)測

為了實現(xiàn)對地面沉降的有效控制，需要在沉降監(jiān)測、預(yù)測模型建立的基礎(chǔ)上構(gòu)建地面沉降信息系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由地面沉降基礎(chǔ)數(shù)據(jù)系統(tǒng)、地面沉降監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)和地面沉降圖形信息系統(tǒng)等組成。

目前，地面沉降監(jiān)測技術(shù)依據(jù)監(jiān)測范圍主要分為兩類：一是基于地面的小范圍監(jiān)測技術(shù)，包括水準測量、鉆孔引伸計等；二是基于空間的大范圍監(jiān)測技術(shù)，包括InSAR、GPS等。從地面沉降預(yù)測方面來看，預(yù)測方法主要分為兩種：一種是基于有效應(yīng)力和固結(jié)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(shè)或經(jīng)驗結(jié)論設(shè)置參數(shù)，可能會出現(xiàn)預(yù)測失效的現(xiàn)象；另一種是基于機器學(xué)習(xí)算法，通過離散時間序列建立數(shù)學(xué)統(tǒng)計模型，常見模型主要有回歸模型、灰色模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。相比于物理模型，數(shù)學(xué)統(tǒng)計模型具有數(shù)據(jù)采集容易、計算方便及參數(shù)定義簡單的優(yōu)點，具有更廣的應(yīng)用范圍[6]。對比兩種方法，第一種基于沉降機理的預(yù)測方法需要在取得可靠的水文地質(zhì)特征參數(shù)情況下，通過構(gòu)建相應(yīng)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(yù)測，但常存在由于參數(shù)和物理模型的不可靠導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果不可靠的問題。第二種單純基于數(shù)學(xué)模型的預(yù)測方法，從監(jiān)測數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)系及發(fā)展規(guī)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(yù)測模型不適于推廣應(yīng)用的問題。

2.2 地面沉降控制與治理措施

作為一種復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象，地面沉降通常包含多種成因，因此要分析針對不同誘發(fā)因素采取對應(yīng)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(chǎn)生的沉降現(xiàn)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(chǎn)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(jié)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(diào)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(nèi)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(fù)或保持在初始平衡狀態(tài)，回灌的關(guān)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(jié)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?；毓啻胧┖头忾]式降水施工方法對減小基坑周邊環(huán)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(qū)域的地面沉降問題,可采用間歇性降水、設(shè)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(nèi)灌注法等）等工程措施進行處理。

3 結(jié)語

災(zāi)害以土木工程作為特殊的承災(zāi)體，是我國城鎮(zhèn)化建設(shè)中不可避免且必須解決的問題。由于災(zāi)害系統(tǒng)的復(fù)雜性，決定了防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)也具備復(fù)雜性、綜合性和交叉性[8]。防災(zāi)減災(zāi)研究涉及自然科學(xué)、工程科學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、社會學(xué)等多個領(lǐng)域，但正如文獻[2]所述，土木工程既是主要的承災(zāi)體，其失效又會演變?yōu)橹匾闹聻?zāi)體。因此，土木工程對防災(zāi)減災(zāi)負有巨大的責(zé)任，受災(zāi)后土木工程失穩(wěn)、失效是導(dǎo)致人員傷亡和財產(chǎn)損失的主要原因，而經(jīng)常并非是災(zāi)害本身。

從土木工程角度考慮防災(zāi)減災(zāi)，強調(diào)建立一個包括數(shù)據(jù)監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)報、防災(zāi)抗災(zāi)工程措施以及災(zāi)后恢復(fù)重建的系統(tǒng)是不可或缺的，并且由于地震、洪水、風(fēng)災(zāi)以及多種地質(zhì)災(zāi)害等尚不能精準預(yù)測預(yù)報，因此防災(zāi)抗災(zāi)土木工程措施研究顯得尤為重要，科學(xué)合理的措施能有效地阻斷土木工程演變成致災(zāi)體的路徑。