基于古河道變遷的廊坊東沽港地面沉降影響因素研究

， ， ， ， 堃正

(河北省地質環(huán)境監(jiān)測院， 石家莊 050011)

1 研究背景

隨著國民經(jīng)濟發(fā)展，環(huán)境地質問題突出，尤其是地面沉降地質災害影響范圍廣，已經(jīng)嚴重制約社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。因此，對地面沉降地質災害的研究勢在必行。

目前，國內(nèi)外已有許多學者對地面沉降的機理和防治進行研究。國家在2012年開展2012—2020年全國地面沉降防治規(guī)劃[1]，為地面沉降防治指明方向。文獻[2]—文獻[4]分析了我國地面沉降環(huán)境地質問題，提出了防治策略。王國良[5]、房浩等[6]對地面沉降進行量化分級，綜合評價地面沉降風險性。文獻[7]—文獻[12]利用GPS技術、InSAR技術、短基線子集干涉技術等，達到了地面沉降監(jiān)測要求，為地面沉降防治提供技術支持。田芳等[13]通過分析地面變形和水位變化關系，探討了土體受水位變化影響的變形特征。楊建民等[14]根據(jù)線彈性本構關系、有效應力原理及彈性力學，基于單井抽水產(chǎn)生的地面沉降規(guī)律性，采用線性微分方程疊加原理對多井抽水時沉降-距離進行論證，其仍遵循地面沉降值與距井的距離呈對數(shù)線性關系。孫自永等[15]、劉勇等[16]、劉瑾等[17]通過分析水文地質資料，探討了黏土層厚度和地下水位變化與地面沉降的關系。丁文峰等[18]通過分析城市化過程中超采地下水引發(fā)地面沉降，造成城市洪澇災害，并提出防治對策。張利生等[19]、李紅霞等[18]、李文運等[21]、王啟耀等[22]利用數(shù)值模擬方法建立固結計算模型，模擬結果對地面沉降成因、發(fā)展趨勢的預測等達到防治要求。但是，上述研究是在太沙基一維固結理論基礎上研究地下水位下降對地面沉降的影響。本文通過搜集項目區(qū)工程地質條件、水文地質條件資料，結合古河道的影響作用，綜合研究地面沉降影響因素。

2 研究區(qū)概況

2.1 研究區(qū)現(xiàn)狀

2011年，廊坊市東沽港出現(xiàn)房屋下沉、墻體開裂、道路錯動裂縫現(xiàn)象，2014年更為嚴重。經(jīng)勘查，裂縫是因南北沉降差異引起地面錯動造成的，呈帶狀分布，走向80°NE，可見長度約1 500 m，影響寬度20～80 m,地裂縫寬1～4 cm ，地裂縫兩側地面錯動最大約30 cm。房屋不均勻沉降變形和黏性土層裂隙發(fā)育分別見圖1和圖2。

圖1 房屋不均勻沉降變形Fig.1 Uneven settlement deformation of house

圖2 黏性土層裂隙發(fā)育Fig.2 Fracture development in clayey soil

2.2 研究區(qū)地質環(huán)境條件

2.2.1 氣 象

圖3為研究區(qū)2009—2016年降雨量圖，從空間上看，降雨分布不均勻，6—9月份降雨較集中，雨量較大，其他月份降雨量較小。從近年降雨強度看，研究區(qū)降雨量總體上先增后減，尤其是2012年7月，是新中國成立以來研究區(qū)最大的一場降雨，單月降雨量達381.6 mm；之后雨量逐年減小，進入枯水年。

圖3 研究區(qū)降雨量變化Fig.3 Variation of rainfall in the study area

2.2.2 工程地質條件

研究區(qū)第四系厚度較大，約520 m。鉆探揭露地下80.0 m深度范圍內(nèi)，地層為新近沉積層，第四系全新統(tǒng)河湖相沉積—上更新統(tǒng)陸相沉積，巖性以填土、粉土、粉質黏土、粉砂、細砂為主。

2.2.3 水文地質條件

研究區(qū)位于永定河沖洪積平原水文地質區(qū)，地下水主要賦存于第四系松散堆積物的孔隙之中，屬孔隙型水，局部有咸水分布。按開采條件分為淺層地下水和深層地下水。

2.2.3.1 淺層地下水

淺層地下水底板埋深160～180 m，含水層厚度30～50 m。淺層地下水為潛水—微承壓水，含水層巖性以裂隙黏土為主，富水性<2.5 m3/(h·m)，水質較差，一般不適宜飲用。地下水接收大氣降水和灌溉回歸及側向徑流補給，主要排泄方式為人工開采消耗和側向排泄。

2.2.3.2 深層地下水

深層地下水底板埋深約400 m。含水層巖性以細砂、粉砂、細粉砂為主，局部為中粗砂，厚度26～60 m，局部>60 m，單位涌水量10～15 m3/(h·m)，局部<10 m3/(h·m)。深層地下水主要接受側向徑流補給和越流補給，消耗于人工開采。

2.2.4 古河道分布情況

研究區(qū)建于北宋天圣年間，村子坐落于河叉高地。根據(jù)《乾隆志新河渠圖》記載，當時永定河自北京南、九州鎮(zhèn)向南流，經(jīng)固安縣分成3條河流向東南方向流，最北的一條位于研究區(qū)北側8 km，另外2條分別位于研究區(qū)南北兩側，其中北側為主河流。根據(jù)圖4可知，東沽港村位于古河道變遷帶上，主要受全新世和晚更新世河道帶影響。

圖4 第四系古河道變遷示意圖Fig.4 Changes of the quaternary ancient stream channels

2.2.5 地質構造活動

研究區(qū)位于冀中臺陷和滄縣臺拱的交界地帶，基底厚度差異很大，造成第四系地層厚度不均，對該區(qū)地面沉降有一定的影響。

2.2.6 人類工程活動

研究區(qū)人類工程活動強烈，主要表現(xiàn)為建房、修路、耕種等。隨著經(jīng)濟建設發(fā)展，人口數(shù)量不斷增長，人類工程活動漸趨加劇，對工程地質環(huán)境產(chǎn)生了較大的破壞。尤其是村內(nèi)塘、溝回填后建房，回填厚度不均勻，影響上部房屋穩(wěn)定性。

3 研究區(qū)地面沉降影響因素分析

地面沉降影響因素較多[23- 24]，包括過量開采地下水、受新構造運動影響、開采地下液體等，但每個地區(qū)影響地面沉降的主次因素不同，產(chǎn)生機理也不同，需要根據(jù)研究區(qū)工程地質條件、水文地質條件綜合分析確定。

3.1 工程地質條件分析

根據(jù)鉆探資料，研究區(qū)地層較簡單，以粉質黏土、粉砂和細砂為主，上部地層變化平緩，40 m以下，細砂層和粉質黏土層變化較大(圖5)。從圖5可知，裂縫區(qū)40 m以下，南側的細砂層厚約13 m，北側的砂層厚度約0.5 m，兩側厚度差12.5 m；細砂層上部的粉質黏土南側厚11.0 m左右，北側厚18.5 m左右，兩側厚度差7.5 m。結合已有研究，項目區(qū)裂縫區(qū)下部地層厚度差異大對地面不均勻沉降影響較大。

圖5 研究區(qū)工程地質剖面圖Fig.5 Engineering geological profile of the study area

3.2 水文地質條件分析

3.2.1 淺層地下水變化分析

根據(jù)圖6(a)，監(jiān)測井安1(研究區(qū)北2.5 km )在2012年6月前水位變化幅度較小，波動范圍為0.6 mm；在2012年7月強降雨之后，水位大幅度上升，至2013年上半年地下水水位上升了1.34 m；進入干旱期后，地下水水位下降了1.02 m，至2014年上半年隨著降雨量的增加，水位恢復；至2015年6月，研究區(qū)再次進入干旱期(走訪調(diào)查當?shù)卮迕瘢?014年6月至2015年6月，降雨量較少，棉花、玉米等農(nóng)作物因干旱欠收)，水位再次下降。

由圖6(b)監(jiān)測井霸1(研究區(qū)南側2.0 km)多年水位變化曲線圖可知，2012年6月強降雨之前，水位波動較小，波動幅度在0.96 m范圍內(nèi)；而2012年6月強降雨之后，水位波動較大，尤其是水位下降幅度，從1.72 m下降至3.76 m，降幅達2.04 m。水位波動趨勢與安1趨勢相同，受降雨量影響明顯，因地表水入滲地下存在滯后性，水位在強降雨之后恢復。

圖6 地下水位與降雨量多年變化曲線Fig.6 Curves of groundwater level and rainfall amount over years

圖7 近10 a深層地下水位變化曲線Fig.7 Variations of deep groundwater level monitored at different wells over the past decade

綜上所述，淺層地下水水位在2012年6月之前波動變化較??；之后，出現(xiàn)過2次明顯的水位上升和1次水位下降，幅度在1.0 m左右。地下水水位大幅度的變化對古河道地層壓縮以及黏性土不可逆壓縮都有影響。

3.2.2 深層地下水位變化分析

研究區(qū)深層地下水含水層組頂板埋深約160 m，通過對研究區(qū)及其周邊地區(qū)地下水水位監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，2015年低水位期，研究區(qū)南側(榆樹園村)深層地下水埋深68.64 m，北側(牛角村)為61.23 m，深層地下水由北向南流，與區(qū)域地下水流場是相同的。

圖7為研究區(qū)2006—2017年近10 a深層地下水水位變化曲線。由圖7可知，研究區(qū)北側安3監(jiān)測井和南側霸3監(jiān)測井的深層地下水位在2011年之后變動較小，水位下降不明顯，對地面的影響也較小。根據(jù)2014年安3監(jiān)測井水位動態(tài)曲線(圖8)，2014年深層地下水變化較小，變化幅度在0.5 m范圍內(nèi)，對地面影響較小。

圖8 2014年安3監(jiān)測井深層地下水水位變化曲線Fig.8 Variation of deep groundwater level at monitoring well An 3# in 2014

3.3 研究區(qū)地面沉降影響因素分析

3.3.1 地面沉降定量分析

根據(jù)土工試驗結果，選擇鉆孔3(ZK3)、鉆孔5(ZK5)、鉆孔7(ZK7)、鉆孔8(ZK8)和鉆孔9(ZK9)計算地面累計沉降量，采用土力學模型分層總和法，定量分析東沽港地面沉降原因(表1)。

表1 黏土層累計沉降量計算結果Table 1 Calculation result of cumulative settlement of clayey soil strata

由計算結果可知，在研究區(qū)2013年下半年水位驟然下降1.02 m條件下，ZK3，ZK5，ZK7的累計沉降量相差較小，ZK8和ZK9累計沉降量較大，說明研究區(qū)北側黏性土厚度較大，累計沉降量較南部大，證實了地層沉積結構差異對地面不均勻沉降影響很大。

圖9 累計沉降量監(jiān)測數(shù)據(jù)與擬合曲線Fig.9 Monitoring data and fitted curve of cumulative settlement

圖9為理想情況下黏性土壓縮導致地面沉降變化圖，但土體為塑性體，土體內(nèi)部空隙不能完全被排除，黏性土壓縮導致地面沉降現(xiàn)象應與擬合曲線近似相同，存在平緩的過渡，與實際相符合。

3.3.2 古河道水位變化分析

通過搜集研究區(qū)鉆孔資料可知，古河道的沉積物質主要由粉細砂組成，孔隙較大、滲透性較強、徑流條件好，具有很強的富水、集水性質。結合古河道變遷情況，河道的沉積、沖蝕、遷移的演化特征隨時間變遷造成古河道由多個時期組成，在剖面形態(tài)上呈現(xiàn)出地層交錯、疊加的現(xiàn)象(圖4)。同時，在古河道多次變遷下，地層的沉積作用與河道的加積作用形成對比，導致河道與河床沉積物質的差異。

從力學過程來看，古河道形成的地貌條件對水體的變化具有敏感特征。受降水、徑流等因素影響，水體可迅速匯集于河道內(nèi)并暫存于底部，增加河道內(nèi)地層含水率和自重力，進而牽動兩側區(qū)域向河道中心拉張而形成裂縫，導致上部土層回填裂縫，造成地面不均勻沉降。

綜上所述，古河道是第四系沉積形成的，具有物質松散、抗壓性弱、沉陷性大的特點，為欠固結狀態(tài)。因此，研究區(qū)受2012年7月強降雨影響，北側古河道快速集水，土體含自重力增加，在地下水的滲流作用下，砂粒趨于密實從而牽動兩側區(qū)域向河道中心壓縮(圖10)；而2013年、2014年、2015年，均有半年的枯水期，古河道失水，水位下降幅度大，進一步加劇古河道壓縮。古河道向中心壓縮的同時側壁與河漫灘形成拉張裂縫，在上部荷載以及地下水下滲、沖蝕作用下，河漫灘不斷填充裂縫，最終在古河道與河漫灘交界處出現(xiàn)明顯的錯動裂縫。因此，古河道地下水水位上升和下降都會加快古河道地層固結，造成地面沉降，并在古河道與河漫交界處產(chǎn)生錯動裂縫。

圖10 古河道集水與失水引起地面沉降示意圖Fig.10 Schematic diagram of land subsidence caused by the old channel catchment and water loss

3.3.3 地面沉降影響因素綜合分析

通過綜合分析，確定了東沽港地面沉降影響因素。

首先，根據(jù)太沙基有效應力理論，飽和土中總應力σ由孔隙水壓力μ和有效應力σ′構成。在σ不變的情況下，研究區(qū)砂層中地下水μ減小，勢必引起σ′的增加，造成砂?；ハ鄩簩崏好?，導致地面下沉，但是該下沉為彈性沉降，待地下水位上升后地面反彈。但是，在抽水過程中砂層主固結基本完成，黏性土層與相鄰砂層孔隙水壓形成水壓差，因黏性土的滲透性小，需長時間的滲流才能達到穩(wěn)定水頭，在此過程中，黏性土層持續(xù)不可逆壓縮，地面下沉繼續(xù)發(fā)展。因此，綜合分析研究區(qū)工程地質條件和水文地質條件，淺層地下水水位下降后造成不同厚度黏性土產(chǎn)生沉降差異。

其次，研究區(qū)位于全新世和晚更新世古河道變遷區(qū)，地層處于欠固結狀態(tài)。河道作為良好的儲水層，集水狀態(tài)下，受砂層自重影響易造成古河道兩側出現(xiàn)裂縫；失水狀態(tài)下，砂層趨于密實，造成上面地面下沉。失水后的孔隙水壓力與周邊河漫灘形成壓力差，進一步造成河漫灘產(chǎn)生拉裂縫。裂縫在地下水下滲過程中不斷被沖蝕，逐漸形成錯動裂隙。

再者，影響地面沉降的還有如下幾個次要因素：①深層地下水位近年呈下降趨勢，但變化幅度較小，對區(qū)域地面沉降有影響；②研究區(qū)構造較復雜，研究區(qū)位于冀中臺陷和滄縣臺拱的交界地帶，基底厚度差異很大，造成的第四系地層厚度不均，對該區(qū)地面沉降造成了一定的影響；③研究區(qū)水塘、坑等較多，村民回填后未充分夯實便進行建房，造成房屋不均勻沉降，出現(xiàn)裂縫。

4 結 論

通過搜集資料和工程地質勘查，基本查明研究區(qū)工程地質條件和水文地質條件，掌握了研究區(qū)古河道分布情況，綜合分析地面沉降影響因素。

主要因素是淺層地下水位下降和地層沉積差異，淺層地下水水位下降是引起東沽港地面不均勻沉降的動力因素，地層沉積差異為地面不均勻沉降提供物質基礎。次要因素主要有深層地下水位下降、地質構造、人類工程活動等，深層地下水位下降造成區(qū)域地面沉降，地質構造活動和人類工程活動在一定程度上引起地面不均勻沉降。