地面沉降及控沉措施淺析

□ 王吉杰

一、地面沉降產(chǎn)生的原因與機理分析

關于地面沉降產(chǎn)生的機理，說法很多，如新構(gòu)造運動說、地層壓縮說、自然壓縮說、地面動靜荷載說和區(qū)域性海平面上升說等。大量研究證明，引起地面沉降的原因可以分為兩種，即自然因素和人為因素。自然因素包括構(gòu)造活動、軟弱土層的自重壓密固結(jié)、海平面上升等，人為因素包括過量開采地下水、地下熱水及油氣資源、大規(guī)模工程建設等。其中過量開采地下水是地面沉降的外部原因，中等、高壓縮性粘土層和承壓含水層的存在則是地面沉降的內(nèi)因?？梢哉J為： 沉降是由于過量開采地下水、石油和天然氣以及高層建筑物的超量荷載等引起的。

河北滄州區(qū)域由于構(gòu)造活動引起的地面沉降，速率僅2～4mm/a，軟弱土層的自重壓密固結(jié)、海平面上升等引起的地面沉降和本區(qū)總沉降相比也是微不足道的?？梢?，導致滄州地面沉降的主要原因是人為因素，現(xiàn)簡要分析如下。

（一）地下水開采引起地面沉降

滄州地區(qū)水資源人均、畝均占有量都遠遠低于全國平均水平，是水資源最為緊缺的地區(qū)之一。地下水是本區(qū)主要供水水源，深層地下水的開采程度最嚴重的縣市已經(jīng)達到180～190%。地下水的長期超量開采，導致大面積地下水水位降落漏斗的形成并逐年擴展。

開采地下水會引起松散地層大量釋水，使地層壓縮、固結(jié)而產(chǎn)生沉降。滄州地區(qū)沉積有巨厚的松散層，其顆粒較細，結(jié)構(gòu)復雜。主要開采層為第Ⅱ、Ⅲ含水層組承壓水，由于大量開采深層地下水，引起孔隙水壓力降低和有效應力增大，致使含水層被壓縮，顆粒接觸面積增大，孔隙度減小并釋水，產(chǎn)生彈性變形，其沉降量一般相當粘性土壓縮率的15%。當含水層中的水壓恢復后，骨架復原，只形成暫時性地面沉降。粘性土層孔隙度大，孔隙微小，主要含結(jié)合水，當含水層與粘性土層之間的水頭差足以克服水與顆粒之間的結(jié)合力時，水便從粘性土層中排出。釋水時孔隙壓縮，使粘土礦物顆粒接觸面積增大，顆粒間發(fā)生相對位移，孔隙結(jié)構(gòu)被破壞而發(fā)生塑性形變。當含水層中水壓恢復后，只能使粘性土層被壓縮的孔隙中水壓升高，而不能使孔隙度和儲容水量恢復到初始狀態(tài)，形成永久性地面沉降。地面沉降最大的滄州市沉降中心，其粘土累計厚度達214. 42m，亞粘土累計厚度131. 41m，主要開采段200～400m的粘性土累計厚度達179. 01m，為地面沉降的產(chǎn)生創(chuàng)造了物質(zhì)基礎。粘性土在深層地下水開發(fā)中的釋水壓縮是永久性的，它決定了地面沉降的不可逆性。

地面沉降的產(chǎn)生和發(fā)展過程與地下水的開采過程基本保持一致或滯后一個時段，滄州市沉降中心沉降量與水位埋深的關系（見表1）、地面沉降與地下水開采過程關系示意圖（見圖1）均顯示：地面沉降量與地下水水位下降幅度呈高度正相關，其分布范圍與地下水水位下降漏斗基本一致。地面沉降的產(chǎn)生和發(fā)展過程是含水層排水后孔隙水壓力發(fā)生變化，相鄰粘性土層排水固結(jié)變形的過程。由于含水層是以砂類土為主，排水固結(jié)在短時間內(nèi)完成，而相鄰粘性土層多為欠固結(jié)巖層，由于水的頂托壓力下降(孔隙水壓力減小)，在上覆土層的自重壓力下，排水固結(jié)是一個相對緩慢的過程，所以地面沉降滯后水位下降一個時段。當開采和補給能夠趨向平衡時，開采層和弱透水層水位將先后趨于穩(wěn)定，粘性土壓密釋水趨向緩和。在開采層水位先期穩(wěn)定時，地面沉降仍在繼續(xù)。但隨著時間的推移，地面沉降也將趨緩。

（二）開采地熱引起地面沉降

滄州地區(qū)蘊藏豐富的地下熱水資源，地下熱水開采量逐年增加，抽取地下熱水引起水位下降，地層內(nèi)孔隙水壓力減少有效應力增加，必然引起地層進一步壓實而導致地面沉降。

（三）開采油氣資源引起地面沉降

在油氣田區(qū)，開采油氣資源也會引起地面沉降。根據(jù)大港油田的有關資料，2 500m以下普遍出現(xiàn)了欠壓密地層，黃驊凹陷中最大異常地層壓力系數(shù)為1. 552，發(fā)現(xiàn)于3 702. 7m處沙河街組地層中。當油氣開發(fā)后，必將使流體壓力降低，固體顆粒有效應力增加，使泥巖進一步固結(jié)壓密，從而引起地面沉降。因此，石油天然氣的開采也是引起油氣田區(qū)地面沉降的因素之一。

表1 滄州市沉降中心沉降量與水位埋深關系

圖1 地面沉降與地下水開采過程關系示意圖

（四）地表荷載引起地面沉降

由于城市規(guī)模擴大，高大建筑物不斷增加，受鐵路、橋梁等交通設施及運輸荷載的影響，地表荷載加重，加速了地面沉降。

二、地面沉降造成的危害

地面沉降是一種累進性的緩變地質(zhì)災害，其發(fā)展過程是不可逆的，一旦形成便難以恢復。地面沉降已成為滄州市主要地質(zhì)災害之一，造成了一系列的社會環(huán)境問題，嚴重影響當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全。地面沉降的危害主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（一）地面沉降影響河道輸水，城市內(nèi)澇嚴重

有地面沉降的城市普遍存在比較嚴重的滯汛積水問題，這不僅影響城市交通和環(huán)境，而且常使地下室和低層建筑物在汛期被水浸沒。滄州市南運河是目前引黃濟津和南水北調(diào)的輸水河道，由于地面沉降，市區(qū)內(nèi)河段北起北陳屯村閘北，南至石港公路王希魯大橋北，全長11.8km，河床段積水深度達0. 3～1. 5m 。經(jīng)測量，河堤己沉降1. 3m，泄洪標準降低。據(jù)測算，因地面沉降造成海河流域行洪能力下降約20 %。上世紀六、七十年代以前，滄州市除部分地帶較低洼積水外，大部分降水產(chǎn)生地面徑流，自然排出市外，八、九十年代，由于地面沉降，如遇到同樣的降水量，區(qū)內(nèi)已大部分積水必須用人工揚水排出區(qū)外。九十年代至今，地面沉降加重，城市內(nèi)澇積水更加嚴重，市民的生產(chǎn)生活受到很大威脅。2002年7月5日，滄州市降水量97 mm，整個滄州市區(qū)汪洋一片，市政設施管理處11個排水泵站33臺水泵全部啟動，連續(xù)48小時才將積水排完。

（二）河床下沉，影響南水北調(diào)等引水工程安全

地面沉降造成河床下沉，影響引水工程的正常運行，特別是南水北調(diào)工程的安全。南運河從滄州市橫穿而過，是引黃入津的通道，也是南水北調(diào)東線的經(jīng)由之路，由于地面沉降，造成河床下沉，其過水能力銳減，已不及原設計能力的一半。2001年11月，由于天津市用水告急，國家有關部門急調(diào)黃河水經(jīng)南運河輸往天津市。輸水過程中，滄州市區(qū)段(全長11. 8km)的部分河段水位已接近漫堤，而在市區(qū)以外，河床只有半槽水，其運行水位比原設計降低1. 8m。這給引黃入津和未來的南水北調(diào)東線工程帶來不利影響。

（三） 建筑物地基下沉，房屋開裂，地下管道受損

由于地面不均勻沉降，可導致深井井管抬升受損、脫裂，甚至傾斜，部分建筑物墻體開裂、建筑被毀；受地面不均勻沉降的影響，地下管道彎曲變形，甚至產(chǎn)生破裂。輕者產(chǎn)生“滴、漏、冒”并影響正常使用，重者則使輸送液溢出，污染地下水或無法輸送。滄州市26km給水管網(wǎng)，僅2002年就破裂776次。

（四）鐵路路基下沉，鐵路安全受到威脅

由于地面沉降造成鐵路路基下沉，鐵路安全受到威脅。據(jù)調(diào)查，京滬鐵路從滄州地面沉降中心穿過，由于地面沉降路基下沉，只好年年墊碎石加高，在滄州市地面沉降中心附近鐵軌下的墊石比原來加厚了500mm以上。如果地面繼續(xù)沉降，墊石逐漸加厚，到一定的程度將失去穩(wěn)定，不僅造成經(jīng)濟損失而且影響鐵路安全運行。地面沉降的發(fā)展也給未來高速鐵路的建設和運營帶來不利影響。

（五）淺層地下水水位變淺，引起一系列城市環(huán)境問題

地面沉降造成淺層地下水水位相對變淺，從而引發(fā)一系列城市環(huán)境問題。水位變淺會加快混凝土及金屬管線的腐蝕；造成建筑物地基承載力下降，基礎侵蝕增強；對建筑基坑降水產(chǎn)生不利影響;對柏油路面也產(chǎn)生危害，大大減少使用壽命；對市區(qū)的綠化不利，樹木成活率低，直接影響市容市貌，加大城市建設成本。

（六）河道防洪標準降低，防洪排泄能力降低

城市大多沿河發(fā)展，地面沉降不僅使城市高程進一步降低，而且攔河堤壩等防洪設施因沉降而遭破壞，導致一些城市御洪能力不斷下降，水患威脅嚴重。另外，沉降區(qū)內(nèi)的子牙新河、捷地減河、南排河、漳衛(wèi)新河、宣惠河、大浪淀排水渠、廖家洼排干、滄浪渠等行洪河道，因地面沉降導致堤防防洪標準降低，其危害可想而知。

（七）地裂縫頻發(fā)，危及城鄉(xiāng)建筑安全

最近5年滄州地區(qū)發(fā)現(xiàn)地裂縫30多條，造成河堤、道路、建筑物等的嚴重破壞。究其原因大都與地面不均勻沉降有關。

（八）防潮堤抗風暴潮能力降低，風暴潮頻率、強度增加

滄州沿海是風暴潮災害的多發(fā)區(qū)，近50年來造成大災的風暴潮有5次，給沿海人民的生命財產(chǎn)和經(jīng)濟建設造成重大損失。在濱海地區(qū)，地面沉降活動使陸地地面高程下降，海平面相對上升，導致海水侵襲和風暴潮災害加劇。同時，濱岸防潮堤下沉，發(fā)生局部開裂，造成抗風暴潮能力的降低，風暴潮災害危害程度加大。

（九）油田油水井管上竄，影響油田的正常開發(fā)

由于地面沉降，造成大港、華北油田的油、水井出現(xiàn)套管上竄現(xiàn)象，其中任丘任7斷塊屬古潛山碳酸巖地層，共有油、水井106口，上竄井71口，套管上竄率高達67%，上竄最高達到1.2m，占套管上竄總井數(shù)的40.3%。油水井套管上竄嚴重影響了油水井的壽命和油田的正常開發(fā)。

（十）地面水準點失效，地面高程資料失效

地面水準點對城市建設、管理及防洪防潮調(diào)度至關重要。由于地面沉降導致水準點失穩(wěn)失效，使城市規(guī)劃，工程建設項目失去依據(jù)，需要重新校核。水文站、驗潮站的水位、潮位標高失真，影響防洪防潮決策，需從未發(fā)生地面沉降區(qū)的水準點引測，增大了水準測量的工作量。

地面高程資料是國民經(jīng)濟建設和發(fā)展的重要基礎資料，因地面沉降造成的地面高程資料大范圍失效，導致城市規(guī)劃失真，市政建設基礎數(shù)據(jù)錯誤，給城市埋下了不可預見的隱患和巨大的經(jīng)濟損失。

（十一）加劇農(nóng)業(yè)漬害，使土質(zhì)趨于惡化

地面沉降造成局部農(nóng)田低洼，常年積水使土壤墑情改變，原有漬害治理難度加大，農(nóng)作物產(chǎn)量下降，對農(nóng)業(yè)的潛在威脅十分嚴重。

三、地面沉降發(fā)展趨勢預測

關于滄州市地面沉降發(fā)展趨勢的預測方法很多，本文采用累計沉降量與地下水位降深關系曲線法和深層地下水漏斗中心水位埋深與地面沉降關系曲線法進行預測。

（一）累計沉降量與地下水位降深關系曲線法

以滄州沉降中心為例，依據(jù)累計沉降量與地下水位降深的關系初步分析預測。累計沉降量與地下水位降深的關系曲線，如圖2。

圖2 地面沉降量與地下水位降深的關系曲線

曲線方程為：

式中：S——為某年累計沉降量，mm；

e——土層孔隙比；

X——該年水位降深值，m。

從曲線上各點及曲線的變化態(tài)勢可分三個變化時段進行分析。

1.當水位降深<40m時，曲線處于緩慢上升階段，也就是說隨著降深的增加，累計沉降量緩慢增加。說明水位降深<40m時，超靜孔隙水壓力增加量、土層厚度及上覆壓力變化均較小，土層應力變化后的壓縮量較小。

2.當60>X>40m時，曲線呈現(xiàn)明顯上升趨勢，有明確的拐點，說明40m水位降深應是一個警戒水位降深值，超過這一值，隨降深的不斷增加累計沉降量將加速上升。

3.當X>60m時，曲線是近乎直立上升趨勢；X=95m時，曲線與實測點吻合最好。通過曲線分析，70m降深應該是一個限制降深（禁止開采）值，超過它將產(chǎn)生嚴重的沉降后果。

（二）深層地下水漏斗中心水位埋深與地面沉降關系曲線法

根據(jù)深層地下水漏斗中心水位埋深與地面沉降量，繪制滄州市深層地下水漏斗中心水位埋深與地面沉降關系曲線（見圖3），并得出了如下結(jié)論：

圖3 滄州市深層地下水漏斗中心水位埋深與地面沉降關系

1.當漏斗中心水位埋深為20~60 m時，地面沉降量為160 mm，水位每下降lm，地面相應沉降3. 75 mm。

2.當漏斗中心水位埋深為60~70 m時，水位每下降lm，地面平均沉降量為32 mm?？梢姡宦裆?0 m是地面沉降速度增大的拐點。滄州市區(qū)及其周邊黑龍港和運東區(qū)，若要避免地面沉降造成地質(zhì)災害，其地下水位埋深必須控制在60m以內(nèi)。

3.當漏斗中心水位埋深為70~90 m時，水位每下降lm，地面平均沉降量為62. 5 mm。說明從水位埋深60 m以后，地面沉降隨水位埋深的增大而加快。

總之，運用累計沉降量與地下水位降深關系曲線法得出地下水位限制水位的埋深為60m，運用地下水漏斗中心水位埋深與地面沉降關系曲線法得出地下水漏斗中心控制水位的埋深亦為60m?？梢?，為避免地面沉陷造成地質(zhì)災害 ,其地下水位埋深必須控制在60m以內(nèi)。

四、地面沉降控沉措施

（一）監(jiān)測預測

滄州地面沉降研究起步較晚、程度較低，嚴重滯后于控沉減災需要。因此，首先要建立完善地面沉降動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)，設置分層標、基巖標、孔隙水壓力標、水準點、水動態(tài)監(jiān)測點、海平面觀測點等，定期進行水準測量，進行地下水開采量、地下水位、地下水壓力、地下水水質(zhì)監(jiān)測及回灌監(jiān)測等。加強地面沉降監(jiān)測設施的投入和保護，逐步建立監(jiān)測預警機制，隨時監(jiān)測地面沉降的變化情況,做到早發(fā)現(xiàn)、早治理。查明地面沉降及致災現(xiàn)狀，研究沉降機理，找出沉降規(guī)律，預測地面沉降速度、幅度、范圍及可能危害，為控沉減災提供科學依據(jù)。

（二）提倡開源節(jié)流，充分合理地利用地下水資源

積極開發(fā)地下微咸水資源， 根據(jù)其不同的水量、水質(zhì)、水溫分別開發(fā)利用。大力開展節(jié)約用水宣傳，提高水的重復利用率，逐步調(diào)整水資源結(jié)構(gòu)， 將有限的深層優(yōu)質(zhì)地下水用于人民生活。 調(diào)整開采層次， 壓縮深層開采量， 控制第三、四、五含水組的地下水開采量， 充分利用淺層水資源。

（三）積極開展地下水人工回灌

通過人工回灌地下水，冬灌夏用、夏灌冬用，補充地下水的可開采量，改善地下水徑流條件，控制地下水位大幅度下降， 從而緩和地面沉降。該技術(shù)主要是通過深井或坑洞、古河道等將地表水灌入地下含水層，抬高地下水位，以達到控制地面沉降、修復含水層的目的。

（四）推廣先進節(jié)水技術(shù)

尤其是推廣農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水技術(shù)，變過去大水漫灌為小畦灌溉， 大力發(fā)展地下管道，實現(xiàn)深井地下管道化、淺井地上軟管化，積極采用微灌、滴灌、滲灌節(jié)水技術(shù)， 實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)， 提高水資源利用率。

（五）苦咸水淡化，減少深層地下水開采量

推廣黃驊市先進的苦咸水淡化技術(shù)， 實施海水淡化和淺層苦咸水淡化。