珠江三角洲地面沉降災(zāi)害類型特征與成因

任偉燦 廣東省工程勘察院 廣東 廣州 510510

1 引言

珠江三角洲地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一，在我國(guó)區(qū)域城市群建設(shè)與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中占有舉足輕重的作用。改革開放以來(lái)，隨著該區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)、人口迅猛增加、城市化水平日益提高，人類經(jīng)濟(jì)與工程活動(dòng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的作用和影響越來(lái)越大，所引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題對(duì)人類生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的影響也越來(lái)越突出。尤其是作為地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題之一的地面沉降災(zāi)害問(wèn)題已直接給地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重的危害和阻礙?，F(xiàn)結(jié)合本人在地面沉降調(diào)查過(guò)程中的一些經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)，談?wù)勚榻侵薜貐^(qū)地面沉降災(zāi)害的主要類型特征及探討其形成原因。

2 地面沉降災(zāi)害的主要表現(xiàn)類型及分布

珠江三角洲地區(qū)地面沉降災(zāi)害主要包括巖溶地區(qū)的地面塌陷災(zāi)害及軟土分布地區(qū)的地面沉降災(zāi)害兩大類。珠江三角洲巖溶地區(qū)主要分布在三角洲北部，即廣州北部的白云區(qū)、花都區(qū)(稱為廣花盆地)，該地區(qū)為大面積巖溶隱伏區(qū)，其上覆蓋著厚度薄且均勻性差的第四系松散砂土、黏土層等，容易受自然因素及外力作用影響誘發(fā)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害；珠江三角洲軟土地層分布極為廣泛，遍及整個(gè)三角洲沖積平原區(qū)，其分布厚度具有由三角洲頂端往前緣由薄增厚的特點(diǎn)。珠江三角洲中部及南部沿海地區(qū)軟土地層分布厚度大、埋藏淺、沉積形成地質(zhì)年代新，是珠江三角洲地面沉降災(zāi)害發(fā)育最為嚴(yán)重的地區(qū)。

3 地面沉降災(zāi)害類型特征及其形成原因探析

3．1 巖溶地區(qū)地面塌陷沉降災(zāi)害

地面塌陷是指地表巖、土體在自然或人為因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑（洞）的一種動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象。地面塌陷是珠江三角洲北部廣花盆地地區(qū)地面沉降地質(zhì)災(zāi)害的主要類型之一。廣花盆地隱伏巖溶發(fā)育，地區(qū)內(nèi)人類工程建設(shè)活動(dòng)強(qiáng)烈，對(duì)原自然環(huán)境，地形地貌的改變巨大，誘發(fā)地面塌陷因素眾多，且具有較強(qiáng)的隱蔽性和突發(fā)性特點(diǎn)，造成經(jīng)濟(jì)損失巨大，嚴(yán)重威脅到人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

廣花盆地地區(qū)分布的可溶碳酸鹽巖奠定了不良的地質(zhì)環(huán)境基礎(chǔ)，而自然條件（主要為氣候條件）的改變、工程活動(dòng)中的疏干排水以及機(jī)械強(qiáng)烈震動(dòng)等人類經(jīng)濟(jì)與工程活動(dòng)則為主要的誘發(fā)因素。根據(jù)地面塌陷發(fā)育的地質(zhì)條件和作用因素的不同，把珠江三角洲地區(qū)地面塌陷分為自然地面塌陷和工程地面塌陷兩種，以工程地面塌陷損失最嚴(yán)重。

3．1．1 自然塌陷

主要是由于氣候條件的改變，如降水季節(jié)和持續(xù)性強(qiáng)降雨天氣或久旱后的暴雨，或巖土體自重等作用發(fā)生的塌陷引發(fā)的災(zāi)害。其主要特點(diǎn)是形成發(fā)展過(guò)程與人類工程建設(shè)及其他經(jīng)濟(jì)活動(dòng)相關(guān)性弱或無(wú)關(guān)，造成的破壞和經(jīng)濟(jì)損失較低。

3．1．2 工程塌陷

工程塌陷主要是人類工程行為所致，是目前巖溶地區(qū)發(fā)生地面塌陷最為廣泛的形式，其分布最廣、災(zāi)害后果最重。其災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境復(fù)雜，主要致災(zāi)因子包括：排水疏干與突水(突泥)作用、人工加載、人工振動(dòng)、人工開挖樁基、地表滲水、地鐵等地下工程掘進(jìn)等，由于其具有突發(fā)性，因此造成的破壞與經(jīng)濟(jì)損失往往較大。

⑴ 過(guò)量抽取地下巖溶水引發(fā)的地面塌陷

隱伏巖溶區(qū)過(guò)量抽吸地下水，是引起地面塌陷的動(dòng)力。抽汲地下水降低了地下水位，使上覆土層浮托力減小，水力坡度和流速增大，潛蝕作用加強(qiáng)。此外，抽汲地下水還使地下水紊動(dòng)并帶出大量泥沙，掏蝕上覆土層，形成土洞，土洞擴(kuò)展到一定程度使土體失去平衡，引致地表下沉開裂，形成巖溶地面塌陷。這種地面塌陷會(huì)導(dǎo)致地面開裂和房屋出現(xiàn)寬窄不同的裂縫。

在石灰?guī)r資源豐富，采礦場(chǎng)較多的地區(qū)，一般以露天地下大規(guī)模開采為主，這種負(fù)地形開采方式需大量疏干排水，破壞了地下水的動(dòng)態(tài)平衡，形成地下水位漏斗，導(dǎo)致較大的區(qū)域副效應(yīng)，影響半徑范圍逐漸擴(kuò)大，該地區(qū)地面塌陷會(huì)成群出現(xiàn)，并向外側(cè)擴(kuò)展，造成周邊環(huán)境惡化，人類無(wú)法居住。

⑵ 人類工程建設(shè)活動(dòng)引發(fā)的地面塌陷

隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，城市擴(kuò)張，農(nóng)村城鎮(zhèn)化，人類工程建設(shè)活動(dòng)越發(fā)強(qiáng)烈。這一階段城市大面積的地下空間開發(fā)、地鐵隧道施工、城際鐵路鋪展以及城鎮(zhèn)多層、高建筑群開發(fā)的基礎(chǔ)工程施工等線、面狀工程全面展開，都形成了誘發(fā)地面塌陷的人為因素。地下室開挖、地下鐵路隧道等地下工程施工過(guò)程中大量抽排地下水、深基礎(chǔ)施工、機(jī)械強(qiáng)烈震動(dòng)以及建筑物基礎(chǔ)施工或鉆探施工中戳穿了原有的地下土洞或溶洞等工程活動(dòng)，嚴(yán)重干擾或打破了施工區(qū)地質(zhì)環(huán)境的自然平衡，誘發(fā)了較為嚴(yán)重的地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害。

圖1 某村莊地面塌陷形成建筑物下沉傾斜

另外，在歷史上的舊煤窯采空區(qū)，因?yàn)榍捌谠竺娣e采過(guò)煤，且小煤窯居多，采煤點(diǎn)雜亂不規(guī)則，致使該地區(qū)地下不均勻的分布著大大小小的巖洞或空洞，留下了致災(zāi)隱患。

3．2 軟土地區(qū)地面沉降災(zāi)害

珠江三角洲是西江、北江及東江出?？诘膹?fù)合沖積平原。珠江三角洲地區(qū)分布著范圍廣、厚度大的淤泥類軟土層，主要為淤泥、松散狀的粉細(xì)砂、粉沙質(zhì)淤泥、軟可塑狀的黏土及其混合土層，沉積厚度由三角洲頂端往前緣逐漸增大。軟土具有天然含水量大（一般60%～80%）、天然孔隙比高（一般＞1），且具有高壓縮性、次固結(jié)量大、抗剪強(qiáng)度和透水性較低、易觸變流動(dòng)、承載力低的特性，是誘發(fā)地面沉降的內(nèi)在因素。

一般而言，軟土地帶地面沉降量的高低與軟土沉積時(shí)代、軟土層厚度、埋藏情況及其上覆的填土厚度大小等密切相關(guān)。軟土沉積時(shí)代越老、埋藏越大、軟土與填土層厚度越小的區(qū)段，地面形變量越小，對(duì)工程的影響越?。欢练e時(shí)代越新、埋藏越淺、軟土與填土層厚度越大的區(qū)段，地面沉降的變形量就越大，對(duì)工程的影響越大。

軟土分布地區(qū)或厚填土地區(qū)地面沉降現(xiàn)象發(fā)育，地面沉降除與原生地質(zhì)環(huán)境有關(guān)外，還與人類經(jīng)濟(jì)及工程活動(dòng)密切相關(guān)。珠江三角洲地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，已發(fā)展成為區(qū)域性的城市群。在市鎮(zhèn)密集區(qū)、城鎮(zhèn)化進(jìn)程較快、人類工程活動(dòng)較劇烈的區(qū)域，往往是地面、地基沉降多發(fā)和危害嚴(yán)重的區(qū)域。因而本區(qū)地面、地基沉降地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象較為普遍且影響較大，尤以三角洲前緣地區(qū)的江門、中山、珠海地區(qū)受影響最為強(qiáng)烈。

3．2．1 軟土固結(jié)收縮引發(fā)的地面沉降災(zāi)害

⑴ 自重固結(jié)作用引發(fā)地面沉降

三角洲前緣及海河口地區(qū)的軟土厚度大、埋藏淺，沉積形成于第四系全新統(tǒng)，形成年代相對(duì)不長(zhǎng)，在形成地質(zhì)年代過(guò)程中并未完成自身的固結(jié)作用，目前還處于緩慢的排水固結(jié)發(fā)展過(guò)程中，由于排水，體積收縮而誘發(fā)形成地面下沉。這一類型的地面沉降主要表現(xiàn)為緩慢的垂向沉降，沉降幅度不明顯。這是一個(gè)極為緩慢的過(guò)程，表現(xiàn)為區(qū)域性工程建筑與地面同步下沉，采用樁基的工程建筑基礎(chǔ)與地面分離(吊腳現(xiàn)象)，采用天然基礎(chǔ)的房屋傾斜或與相鄰建筑形成“握手樓”等現(xiàn)象。

⑵ 加荷固結(jié)沉降

主要由人類大規(guī)模工程建設(shè)、興修高等級(jí)公路和進(jìn)行地下空間開發(fā)等工程活動(dòng)引起，在外加荷載的影響下，軟土受外力作用，破壞了原先的應(yīng)力平衡狀態(tài)，人為的加速了軟土的排水固結(jié)～壓縮沉降過(guò)程。本類型的地面沉降過(guò)程一般要經(jīng)歷初期大幅沉降～降幅減小～趨于穩(wěn)定三個(gè)階段。形成的災(zāi)害表現(xiàn)形式主要有建筑物“吊腳樓”、地面地板下陷、路面波狀起伏、地面開裂、地裂縫，接觸錯(cuò)位等現(xiàn)象，其形成破壞程度往往較嚴(yán)重。

圖2 地面沉降地區(qū)街面商鋪建筑地面沉降現(xiàn)狀

地面沉降的原因除與土體特殊類型、土體結(jié)構(gòu)、性質(zhì)（內(nèi)因）有關(guān)外，還與沿海地帶的填海造地工程活動(dòng)誘發(fā)（外因）密切相關(guān)。目前，填海造陸已成為沿海城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的主要形式之一，沿海地區(qū)新近厚填土是加荷沉降的普遍表現(xiàn)形式。其沉降量大小直接取決于軟土厚度和上覆荷載壓力，是軟土地帶出現(xiàn)大面積地面沉降的主要原因之一。地面沉降幅度較大的地區(qū)主要分布于沿海城鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)區(qū)，一般是填海～圍墾區(qū)或近年促淤成陸地帶，其建設(shè)期往往與經(jīng)濟(jì)效益掛釣，地面填土抬高與建筑物建設(shè)期非常短，完工后形成了大面積的地面沉降現(xiàn)象。

下圖3為1994年竣工的珠海大道，通過(guò)2003年與1994年測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)10年來(lái)珠海大道累計(jì)平均沉降量為0．37m，最大沉降量可達(dá)0．73m。

3．2．2 超量抽吸地下水加劇地面沉降災(zāi)害

地層巖土性及結(jié)構(gòu)特征是產(chǎn)生地面沉降的重要地質(zhì)背景，軟土的廣布及厚度是產(chǎn)生地面沉降的主要原因，地下水的超量抽吸則加劇了地面沉降的速度。由于長(zhǎng)期超量無(wú)序開采地下水，使得承壓含水層水頭降低，上部高壓縮軟土層中孔隙壓力下降，土體內(nèi)有效應(yīng)力增加，從而產(chǎn)生壓密固結(jié)效應(yīng)，是水和土相互作用的、內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化的外在表現(xiàn)。

珠江三角洲地區(qū)工業(yè)發(fā)展迅速，工業(yè)作坊用水，如洗染、造紙行業(yè)大規(guī)模抽采地下水以及沿海河口地區(qū)養(yǎng)殖業(yè)濫采地下水進(jìn)行養(yǎng)殖挽水都是誘發(fā)抽水地面沉降的主要因素。由于大量集中式的成井與不科學(xué)的抽吸濫用地下水的行為嚴(yán)重加劇了周圍地面沉降的發(fā)展，使抽吸水源周圍由于抽取地下水而形成大面積的漏斗，以致有的塊段地下含水層被疏干，軟土層失水收縮后引發(fā)大面積的地面下沉，嚴(yán)重時(shí)形成地面地表水淹沒(méi)路面，河水漫過(guò)河堤浸淹道路和民房等地表水位上升的假象。遇強(qiáng)降雨時(shí)易造成洪澇內(nèi)災(zāi)，沿海河口地區(qū)引發(fā)“海水倒灌”，地下咸水大面積侵入等影響城市用水的嚴(yán)重性災(zāi)害。

4 主要的防治措施

地面沉降是地質(zhì)原因(內(nèi)因)與人為因素(外因)相結(jié)合的結(jié)果，其造成的災(zāi)害結(jié)果日趨嚴(yán)重，嚴(yán)重阻礙當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。其造成的后果不具有恢復(fù)、還原性，以預(yù)防為主，其防治措施主要包括以下方面：

⑴地方政府主管部門應(yīng)加強(qiáng)規(guī)章制度建設(shè)，健全法制，合理進(jìn)行土地規(guī)劃開發(fā)，加強(qiáng)管理和規(guī)范地下水的開采活動(dòng)，實(shí)行地下水合理合法開發(fā)利用；加強(qiáng)工程地質(zhì)勘察與水文地質(zhì)勘查研究等基礎(chǔ)性地質(zhì)工作；

圖3 珠海大道地面沉降與工程地質(zhì)剖面示意圖 (摘自《廣東省地質(zhì)災(zāi)害及防治》)

⑵建立珠江三角洲地區(qū)的地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)地下水動(dòng)態(tài)和地面沉降監(jiān)測(cè)工作；擴(kuò)大基礎(chǔ)理論研究，探索地面沉降類型的綜合形成條件與發(fā)展趨勢(shì)及防治對(duì)策；

⑶根據(jù)當(dāng)?shù)氐孛娉两档奶卣黝愋图罢T發(fā)因素，實(shí)施有針對(duì)性的預(yù)防治理措施。如在大范圍軟土區(qū)開發(fā)建設(shè)，進(jìn)行軟土排水固結(jié)預(yù)處理，預(yù)加荷載排水壓縮等地基軟土處理；對(duì)大面積厚填土地區(qū)，進(jìn)行夯實(shí)填土等措施；對(duì)由于盲目過(guò)量抽吸地下水地區(qū)，嚴(yán)格控制地下水資源的盲目開發(fā)；調(diào)整地下水開采布局，實(shí)行地下水開采總量控制，計(jì)劃開采和目標(biāo)管理等；

⑷在超量抽吸地下水地區(qū)，有必要時(shí)按地下水開采層位進(jìn)行人工回灌。如上海市自1966年采用了“冬灌夏用”為輔，大量人工補(bǔ)給地下水，水位大幅度回升，常年沉降轉(zhuǎn)為“冬升夏沉；

⑸在軟土發(fā)育地區(qū)，盡可能采用樁基礎(chǔ)，以減少由于地面沉降帶來(lái)的對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的破壞；

⑹在已發(fā)生區(qū)域性地面沉降的地區(qū)，為減輕海水倒罐和洪澇等災(zāi)害損失，還應(yīng)采取加高加固防洪堤，防潮提以及疏導(dǎo)河道，興建排澇工程等措施；

⑺加強(qiáng)宣傳，增強(qiáng)防災(zāi)意識(shí)，不斷提高全民的防災(zāi)減災(zāi)知識(shí)。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，珠江三角洲地區(qū)地面沉降的研究與防治尚局限于小范圍的點(diǎn)面內(nèi)，區(qū)域性的面狀形成機(jī)理研究尚處在起步之中。引發(fā)地面沉降的因素具有多樣性和復(fù)雜性，進(jìn)一步探討地面沉降的形成、誘發(fā)原因，分布規(guī)律，逐步建立包括地面、空中、地下的地面沉降立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，是科學(xué)進(jìn)行區(qū)域經(jīng)濟(jì)規(guī)劃與建設(shè)、地質(zhì)災(zāi)害防治、地下水資源合理利用、地質(zhì)環(huán)境保護(hù)，實(shí)現(xiàn)人口、資源與環(huán)境協(xié)調(diào)，經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)地質(zhì)背景，是一項(xiàng)迫在眉睫的工作。

[1] 廣東省地質(zhì)局． 珠江三角洲及周邊地區(qū)地面沉降地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)可行性研究報(bào)告[R]． 2009．

[2] 廣東省地質(zhì)局水文工程地質(zhì)二大隊(duì)． 珠江三角洲（1：20萬(wàn)）水文地質(zhì)工程地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)報(bào)告[R]． 1986．

[3] 易順民、梁池生． 廣東省地質(zhì)災(zāi)害及防治[R]． 科學(xué)出版社． 2010．