珠江口西岸地區(qū)軟土分布規(guī)律與沉降災(zāi)害現(xiàn)狀分析

胡飛躍，鄧成堅(jiān)

(廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510080)

珠江口西岸地區(qū)自晚更新世以來經(jīng)歷了多次海進(jìn)海退沉積旋回，形成了多層軟土，由于獨(dú)特的地質(zhì)、地理成因而形成明顯的區(qū)域性，使得區(qū)內(nèi)的軟土成為全國所報(bào)道過的工程中遇見的“最軟”的軟土[1]，具有承載力低、受荷后變形大、時(shí)間效應(yīng)明顯、與建筑物共同作用能力強(qiáng)等特性。

區(qū)內(nèi)地貌單元以沖積平原及海積平原為主，軟土廣泛分布，加之區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)化程度高，人類工程活動強(qiáng)度大，因此區(qū)內(nèi)軟土地面沉降問題突出，查明軟土的分布規(guī)律、工程地質(zhì)特性，研究地面沉降災(zāi)害分布特征對各類工程建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于珠江口西岸，南臨南海，行政區(qū)劃主體為中山市、珠海市及江門市部分地區(qū)，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，地貌類型以濱海平原及沖積平原為主，其次為丘陵臺地、低山，最高峰為江門市新會區(qū)與臺山市交界處的獅子頭山，海拔標(biāo)高982 m。

2 古地理演化及軟土沉積環(huán)境

2.1 古地理演化過程

軟土的沉積與古地理環(huán)境密切相關(guān)，軟土的分布規(guī)律與古地理環(huán)境的演化過程由直接的關(guān)系，區(qū)域上，本區(qū)第四紀(jì)古地理演化過程主要可以分為7個(gè)階段[2]，主要包括：

2.1.1 晚更新世海侵前期

燕山期花崗巖入侵和后來地殼上升運(yùn)動使本區(qū)成為隆起的山地，由于長期風(fēng)化剝蝕作用形成花崗巖風(fēng)化殼，在距今32 000 a以前，地殼相對下沉，區(qū)域大部分地區(qū)接受沉積，形成一套雜色亞粘土、亞砂土夾砂礫層的陸相沉積。

2.1.2 晚更新世初期

中更新世末至晚更新世初，燕山期花崗巖入侵和后來地殼上升運(yùn)動使本區(qū)成為隆起的山地，由于長期風(fēng)化剝蝕作用形成花崗巖風(fēng)化殼，隨后，進(jìn)入地殼相對穩(wěn)定時(shí)期。

2.1.3 晚更新世中期前段

晚更新中期前段，地殼相對下沉，區(qū)域大部分地區(qū)接受沉積，形成一套雜色亞粘土、亞砂土夾砂礫層的陸相沉積。形成了風(fēng)化剝蝕區(qū)和洪積坡積區(qū)。

2.1.4 晚更新世中期后段

進(jìn)入晚更新世中期后段，全球氣溫的回升和海平面上漲，地貌發(fā)育從原來以沖洪積和洪積坡積作用為主轉(zhuǎn)為海積沖積和沖積。海進(jìn)是這一階段地理環(huán)境演變的主導(dǎo)因素。近河口段受潮流影響成為三角洲環(huán)境。

2.1.5 晚更新世晚期

晚更新世晚期為全球性低海面時(shí)期。隨著海水的退出和侵蝕基準(zhǔn)面的下降，河流作用加強(qiáng)。氣候轉(zhuǎn)冷，機(jī)械作用風(fēng)化作用加劇，大量碎屑物質(zhì)沿谷地和坡麓堆積，由于徑流減少，河谷上游由晚更新世中期后段的沖積變?yōu)闆_洪積。

2.1.6 早、中全新世

隨著冰后期的全球性氣溫回升，全新世初期已開始一個(gè)新的海進(jìn)過程，沉積環(huán)境主要受地形地貌的影響。中全新世氣溫比早全新世高，海平面繼續(xù)上升，海水進(jìn)一步深入。

2.1.7 晚全新世

晚全新世初期(距今2 500～2 000 a)海進(jìn)仍未完全停息。晚全新世中期海平面已基本穩(wěn)定，海進(jìn)完全停止。地理環(huán)境已與現(xiàn)今無大差異，珠江河口開始向海發(fā)展，港灣淤積速度加快。氣候與中全新世無大差異，但人口大增。動植物種類因人類活動發(fā)生很大改變，地理環(huán)境演變進(jìn)入一個(gè)人為作用日益重要的嶄新時(shí)期。

2.2 沉積環(huán)境

古氣候變化常常引起沉積環(huán)境的變化。沉降環(huán)境的變化使得形成的沉積物的粒度、巖土性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、密實(shí)程度等性質(zhì)各異，因此可以通過研究沉積物的物理性質(zhì)如粒度等信息探索軟土的沉積環(huán)境。本文選取了三灶圩幅鉆孔SZGCZK02、SZGCZK04、SZGCZK06、SZGCZK08、SZGCZK12等5個(gè)鉆孔100個(gè)粒度分析樣對沉積環(huán)境進(jìn)行分析。

2.2.1 SZGCZK02孔

SZGCZK02孔的沉積物(圖1)以粉砂為主，中值粒徑為細(xì)粉砂，整體變化不大，中值粒徑和砂含量總體較低，表明沉積環(huán)境總體較弱但是穩(wěn)定。12 m以下處中值粒徑和砂含量呈逐漸升高趨勢，可能指示沉積動力變強(qiáng)，沉積環(huán)境由河口灣相變?yōu)槿侵尴啵?2 m以上沉積動力又逐漸減弱，可能指示沉積環(huán)境由三角洲相逐漸變?yōu)槟嗵肯唷?/p>

圖1 SZGCZK02孔的粒度參數(shù)

2.2.2 SZGCZK04孔

SZGCZK04孔的中值粒徑和砂含量在頂部迅速升高(圖2)，砂含量超過50%，中值粒徑達(dá)到70 μm，表明沉積動力很強(qiáng)，可能指示沉積環(huán)境由三角洲相變?yōu)槿侵尴嗷蚝恿飨?；其余層段中值粒徑均?0 μm以下，顯示沉積環(huán)境穩(wěn)定，沉積動力較弱。

圖2 SZGCZK04孔的粒度參數(shù)

2.2.3 SZGCZK06孔

從下往上，SZGCZK06孔的中值粒徑和和砂含量總體呈增大趨勢(圖3)，表明沉積動力逐漸增強(qiáng)，可能由河口灣相逐漸轉(zhuǎn)為三角洲相或河流相。

圖3 SZGCZK06孔的粒度參數(shù)

2.2.4 SZGCZK08孔

SZGCZK08孔的中值粒徑和砂含量總體較低(圖4)，表明沉積動力較弱。從下往上，兩者均呈先減小后增大趨勢，表明中段沉積動力最弱，砂含量幾乎為零?？赡苤甘驹撱@孔下段為河流相沉積，逐漸轉(zhuǎn)為河口灣相沉積，頂部沉積動力又有所增大，為三角洲相沉積，指示沉積環(huán)境發(fā)生改變，水動力增強(qiáng)。

圖4 SZGCZK08孔的粒度參數(shù)

2.2.5 SZGCZK12孔

從下往上，SZGCZK12孔的中值粒徑和砂含量呈波動降低特征(圖5)，表明沉積動力逐漸減弱。中值粒徑總體較低，砂含量很低，指示沉積環(huán)境穩(wěn)定且沉積動力微弱?？赡鼙砻髟撱@孔點(diǎn)沉積環(huán)境由河流相逐漸轉(zhuǎn)為三角洲相，水動力減弱，砂含量逐漸減少。

圖5 SZGCZK12孔的粒度參數(shù)

根據(jù)粒度分析樣品的測試結(jié)果及綜合前人資料，本文對本區(qū)軟土的沉積環(huán)境取得以下認(rèn)識：(1)中更新世海平面變化不能以現(xiàn)今的出露高度來反推當(dāng)時(shí)的海平面高度。由現(xiàn)在年代測定和化石硅藻分析推知，56萬 a前海平面較低，33萬 a前達(dá)到最高高度，32萬 a前開始下降，31萬 a下降較為顯著，28.7萬 a前又有所回升，21.8萬 a前后則已明顯下降。(2)晚更新世海進(jìn)主要發(fā)生在距今3.3萬～1.9萬 a的晚更新世中期后段，該時(shí)期海平面比現(xiàn)今低10～20 m，距今2.5萬 a前后是海進(jìn)盛期，海平面也較高，距今1.9萬 a以后，海平面下降，海水逐漸地區(qū)退出，區(qū)內(nèi)的第二層軟土多在這個(gè)時(shí)期沉積形成。(3)全新世海平面呈逐漸上升趨勢，早期(距今5 000 a以前)海平面上升較快，晚期(距今5 000～2 500 a)海平面上升速度較慢，晚全新世海平面已基本穩(wěn)定，該時(shí)期也是區(qū)內(nèi)軟土的主要沉積時(shí)期。

3 軟土分布特征

3.1 軟土平面分布特征

本區(qū)厚度超過40.0 m的軟土集中分布于中山市民眾鎮(zhèn)—廣州市南沙區(qū)新墾鎮(zhèn)南部、珠海市斗門區(qū)白蕉鎮(zhèn)、金灣區(qū)紅旗鎮(zhèn)一帶；厚度在30.0～40.0 m之間的軟土主要分布于中山市民眾鎮(zhèn)、南沙區(qū)新墾鎮(zhèn)、斗門區(qū)—金灣區(qū)—橫琴新區(qū)一線；厚度在20.0～30.0 m之間的軟土主要分布于廣州市南沙新區(qū)新墾鎮(zhèn)中部、中山市民眾鎮(zhèn)南部、珠海市金灣區(qū)中西部；厚度在10.0～20.0 m之間的軟土分布主要分布于廣州市南沙區(qū)新墾鎮(zhèn)、中山市橫門鎮(zhèn)、斗門區(qū)平沙鎮(zhèn)與六鄉(xiāng)鎮(zhèn)；厚度在5.0～10.0 m之間的軟土集中分布的地段主要有中山市的古鎮(zhèn)鎮(zhèn)、東升鎮(zhèn)、三鄉(xiāng)鎮(zhèn)；厚度小于5.0 m的軟土主要沿丘陵、臺地邊緣分布。從三角洲腹地到沿海、從丘陵、臺地到平原，軟土厚度總體呈增大趨勢(圖6)。

圖6 珠江口西岸地區(qū)軟土厚度分區(qū)圖

3.2 軟土縱向成層規(guī)律

根據(jù)古地理演化及沉積環(huán)境特征，本區(qū)軟土主要為更新世-全新世時(shí)期的多次海侵的沉積物，結(jié)合工程地質(zhì)性質(zhì)相近性特征，垂向上大體分為兩層軟土，全新世一層、更新世一層，而兩個(gè)大層中又根據(jù)巖性的不同(淤泥、淤泥質(zhì)土)可分為多個(gè)亞層，各亞層分布連續(xù)、交互成層，透鏡體較多。兩層軟土的厚度差異較大，一般而言，全新世軟土厚度較大，而更新世軟土厚度較小，從空間分布上看，全新世軟土在濱海平原區(qū)廣泛分布，而更新世軟土分布僅在局部有分布。

本次調(diào)查揭露的江門市新會區(qū)崖門鎮(zhèn)—珠海市斗門區(qū)乾務(wù)鎮(zhèn)、珠海市斗門區(qū)乾務(wù)鎮(zhèn)—珠海市高欄港經(jīng)濟(jì)區(qū)南水鎮(zhèn)鉆孔工程地質(zhì)剖面(圖7和圖8)顯示，在黃茅海西岸的濱海平原區(qū)廣泛分布軟土層，但是垂向上分布不連續(xù)，黃茅海北部的沖積平原區(qū)僅分布一層軟土，而中南部沖積平原區(qū)分布兩層軟土，這與古地理環(huán)境、沉積環(huán)境等條件密切相關(guān)。

圖7 江門市新會區(qū)崖門鎮(zhèn)—珠海市斗門區(qū)乾務(wù)鎮(zhèn)工程地質(zhì)剖面

圖8 珠海市斗門區(qū)乾務(wù)鎮(zhèn)—珠海市高欄港經(jīng)濟(jì)區(qū)南水鎮(zhèn)剖面

3.3 軟土三維分布形態(tài)

受限于鉆孔資料及計(jì)算機(jī)性能，大范圍、大區(qū)域、大面積三維地質(zhì)難以實(shí)現(xiàn)，本文以中山市板芙鎮(zhèn)河西片區(qū)為研究對象，對該區(qū)域的第四系地層進(jìn)行三維可視化建模。以Arcgis和GMS軟件為平臺，利用已有的鉆孔資料，對中山市板芙鎮(zhèn)河西片區(qū)約137.7 km2建立第四系三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，重點(diǎn)揭露軟土層的分布特征，實(shí)現(xiàn)地層分布可視化 (圖9)。本區(qū)軟土在三維上的分布特征表現(xiàn)為：全新世軟土在空間上具有連續(xù)性，大部分地區(qū)兩層軟土在垂向上不具備連續(xù)性，一般由砂層或者粘土層隔開；更新世軟土與基巖面不直接接觸，但是在局部地區(qū)全新世軟土與基巖面直接接觸。

圖9 中山市板芙鎮(zhèn)河西片區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

4 軟土地面沉降災(zāi)害現(xiàn)狀

4.1 INSAR地面沉降速率反演

傳統(tǒng)的地面沉降監(jiān)測調(diào)查方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且通常以“點(diǎn)”的形式對沉降進(jìn)行描述，因此調(diào)查的結(jié)果不具備全面性。衛(wèi)星雷達(dá)遙感技術(shù)具有獨(dú)特的“面”狀表述能力，并且具有快速、準(zhǔn)確、準(zhǔn)確、宏觀性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以長期有效果的地面沉降進(jìn)行檢測。本文利用2016.09～2017.03半年以來的14期歐空局的sentinel-1A雷達(dá)影像對本區(qū)進(jìn)行周期性的地面沉降監(jiān)測，獲取地面沉降的空間分布特征。

在反演方法選擇上，本文選擇短基線集法(SBAS)，SBAS方法的思想是通過采用短基線干涉圖組合，限制空間、時(shí)間基線去相干的影像，并基于形變速率的最小范數(shù)準(zhǔn)則獲取高相干目標(biāo)的形變信息。SBAS的優(yōu)勢在于無需固定主影像，對影像數(shù)量要求較小，其次讓盡可能多的影像參與運(yùn)算，通過奇異值分解，增加了影像對時(shí)間的采樣頻率，從而達(dá)到利用較少的影像得到更精確的結(jié)果，SBAS法技術(shù)流程如圖10。

圖10 SBAS技術(shù)流程圖

板芙鎮(zhèn)金鐘村工業(yè)大道北側(cè)毗鄰石岐河的工業(yè)園區(qū)為沉降嚴(yán)重發(fā)育的區(qū)域，沿石岐河呈環(huán)狀空間分布特征，約靠近石岐河，沉降速率越大(圖11)，可達(dá)40 mm/y，經(jīng)野外驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，工業(yè)園區(qū)內(nèi)沉降特征明顯，主要表現(xiàn)為：房屋傾斜，中山市污水處理有限公司內(nèi)門衛(wèi)室房屋傾斜約8°，累計(jì)沉降量達(dá)到了30 cm；房屋裂縫，多數(shù)廠房有裂縫發(fā)育，寬0.5～1.5 cm不等；房屋與地面之間產(chǎn)生裂縫，尤其在錦繡路西側(cè)的居民自建樓，裂縫寬可達(dá)12 cm。該區(qū)沉降原因處軟土自重固結(jié)、荷載固結(jié)外，還可能與工程建設(shè)有關(guān)。

圖11 板芙工業(yè)大道北側(cè)工業(yè)園區(qū)地面沉

板芙鎮(zhèn)銀華花園小區(qū)內(nèi)，沉降特征表現(xiàn)明顯，地面相對樓體建筑下層8～10 cm不等，樓體與地面間產(chǎn)生約2～4 cm左右的裂隙，小區(qū)內(nèi)部路面地磚多見破碎等跡象，給業(yè)主的出行帶來一定的安全隱患。在反演上，該處地面沉降速率達(dá)到了20～30 mm/a(圖12)。

圖12 板芙鎮(zhèn)銀華花園小區(qū)地面沉降

此外大涌鎮(zhèn)中新路南側(cè)的工業(yè)園區(qū)也是地面沉降發(fā)育的地區(qū)(圖13)，沉降速率達(dá)到了30～40 mm/a，主要表現(xiàn)為地面下沉約10～15 cm，廠房圍墻開裂、房屋地臺破壞等，沉降原因與軟土荷載固結(jié)相關(guān)，此外工廠機(jī)械振動、工程建設(shè)致使土層物理性質(zhì)變化也可能是導(dǎo)致沉降的原因之一。

圖13 大涌鎮(zhèn)中新路工業(yè)園區(qū)沉降PS點(diǎn)分布

4.2 地面沉降野外調(diào)查狀況

在全區(qū)范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)302個(gè)沉降點(diǎn)(地段)，收集地面沉降點(diǎn)(地段)148個(gè)，共計(jì)450個(gè)，具體包括商住樓、辦公、學(xué)校、醫(yī)院、酒店等用途的樓房，古碉樓，平房，圍墻，廣場，廠房，倉庫，橋梁，收費(fèi)站，加油站，港口、碼頭、水閘及公路路面(圖14)。

圖14 珠江口西岸地區(qū)地面軟土沉降分布圖

地面沉降在全區(qū)范圍內(nèi)廣泛存在，但是由于建筑物的基礎(chǔ)持力層不同，因此沉降的變現(xiàn)各異，其中淺基礎(chǔ)的居民樓、廠房、廣場等為地面沉降易發(fā)性區(qū)域，主要表現(xiàn)為樓房與地面同時(shí)下沉，總體上樓房的沉降量與沉降速率較大，導(dǎo)致樓房墻體開裂，甚至形成“握手樓”；深基礎(chǔ)的建筑物不受地面沉降的影響，而周邊的地面緩慢下沉，導(dǎo)致建筑物與地面之間產(chǎn)生較大的縫隙，破壞樓體地臺、臺階等附屬建筑(圖15)。

圖15 區(qū)內(nèi)房屋建筑沉降典型現(xiàn)狀圖

圖16 區(qū)內(nèi)一般性道路沉降典型現(xiàn)狀圖

本區(qū)內(nèi)道路多處于沉降狀態(tài)，一般性道路由于基礎(chǔ)處理較差，基礎(chǔ)多因沉降不均而與水泥路面之間形成空洞，導(dǎo)致水泥水陸無法承受大量的荷載而容易發(fā)生破壞(圖16)。重要公路由于基礎(chǔ)處理較好，水泥路面隨地基均勻下沉，因而從表面上看沉降特征不明顯，但是通過水準(zhǔn)測量等手段，仍可以發(fā)現(xiàn)道路處于沉降狀態(tài)(圖17)。

圖17 1994-2003年珠海大道(大浪灣—東七圍段)水準(zhǔn)測量沉降曲線及工程地質(zhì)剖面

5 結(jié)語

(1)從三角洲腹地到沿海、從丘陵、臺地到平原，軟土厚度總體呈增大趨勢。垂向上本區(qū)大體分為兩層軟土，全新世一層、更新世一層，而兩個(gè)大層中又根據(jù)巖性的不同可分為多個(gè)亞層，各亞層分布連續(xù)、交互成層，透鏡體較多。兩層軟土的厚度差異較大，全新世軟土厚度較大，而更新世軟土厚度較小，全新世軟土在空間上連續(xù)性要強(qiáng)于全新世軟土。通過INSAR反演，從宏觀上把握了本區(qū)軟土地面沉降災(zāi)害特征，成果與野外調(diào)查結(jié)果基本一致，并在某些無法開展地面調(diào)查工作的區(qū)域發(fā)現(xiàn)了較為嚴(yán)重的沉降災(zāi)害。

(2)軟土的結(jié)構(gòu)與工程地質(zhì)性質(zhì)、軟土沉積時(shí)代、厚度與埋藏情況是地面沉降形成的內(nèi)因，而這些特征都與區(qū)域古地理演化及沉積環(huán)境密切相關(guān)，本文以沉積環(huán)境及古地理的角度為起點(diǎn)，配合鉆探、InSAR、地面調(diào)查等手段揭露軟土的分布規(guī)律及災(zāi)害現(xiàn)狀，為軟土地面沉降災(zāi)害調(diào)查提供了一種新的技術(shù)方案。