某地區(qū)地面沉降特征及成因分析

陳育斌

（廣東省水文地質(zhì)大隊(duì)，廣東 廣州 510510）

1 研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)地面沉降的相關(guān)研究，主要包括地面沉降的監(jiān)測(cè)方法、時(shí)間序列以及相應(yīng)的形成機(jī)制等方面。隨著廣東經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，由于自然以及人類活動(dòng)之間的影響，形成了一定的環(huán)境地質(zhì)問題。自1990年代以來，廣東某地區(qū)，經(jīng)歷了緩慢的地面沉降。隨著相應(yīng)的工業(yè)化不斷擴(kuò)大，其相應(yīng)的范圍開始不斷擴(kuò)大，其中的地面災(zāi)害加劇，逐漸發(fā)展成更大的地質(zhì)災(zāi)害問題，從而導(dǎo)致相應(yīng)的房屋出現(xiàn)一定的裂縫現(xiàn)象，致使經(jīng)濟(jì)損失逐年增加。例如趙選琴以汕頭市朝陽區(qū)古勞鎮(zhèn)一戶住宅為例進(jìn)行一定的沉降分析，由于過度抽取地下水，使得土層的承載力降低，這是地面沉降的形成原因。對(duì)此分析可以對(duì)本區(qū)地面沉降防治進(jìn)行一定的指導(dǎo)意義。為相對(duì)更加合理有效地防治地面沉降，需要研究地面時(shí)空演變特征及相應(yīng)的成因。因此，本文結(jié)合區(qū)域水力環(huán)境和地質(zhì)背景，研究地面沉降的特征及其相應(yīng)的影響因素，從而能夠制定相對(duì)更加合理的地面沉降預(yù)防。廣東某地區(qū)地區(qū)地面沉降地質(zhì)災(zāi)害研究具有示范意義。

2 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)面積48.87km2，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，其中的氣候相對(duì)溫暖濕潤，并且陽光充足，同時(shí)雨量充沛。

研究區(qū)為沖積洪積平原，其中的地勢(shì)較為平坦開闊，平均地面高程約3m，相對(duì)高差大約為2～8m。該區(qū)地層第四系松散沉積物，厚度大約為60～115m，下伏晚侏羅世侵入巖。第四系地層上部為第四系全新世桂州群（Q4G），下部為第四系上更新統(tǒng)陸豐組（Q3l）。見圖1。

研究區(qū)含水層巖性為中砂和粗砂，保水層主要為粘土、粉質(zhì)粘土和泥質(zhì)土，其中的含水層分層，但巖性復(fù)雜。大體規(guī)律為，含水層顆粒逐漸變細(xì)，地下水深度逐漸變淺，由單層含水層逐漸的開始向多層含水層過渡。研究分析可知，根據(jù)相應(yīng)的地層條件，研究區(qū)平原區(qū)第四系松散層可分為相應(yīng)的兩個(gè)含水層組：潛水承壓含水層組以及深層承壓含水層組。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的研究區(qū)地層相對(duì)較為松軟，同時(shí)存在土質(zhì)不均、土質(zhì)較為松軟、易發(fā)生一定的地面沉降等各類不同的地質(zhì)問題。

3 地面沉降原因分析

3.1 長期過度開發(fā)

地面沉降的主要原因是第四系深部地下水持續(xù)超采。該區(qū)深部地下水開采段地層為第四系厚壤土、粘土、壤砂夾薄層粉質(zhì)細(xì)砂和中砂。地下水在開發(fā)深水之前處于自然平衡狀態(tài)。在大多數(shù)地區(qū)，深層地下水深度不足10m。2015年，漏斗中心區(qū)埋深達(dá)122.89m，平均水位連續(xù)多年下降2.0m/a，漏斗底部越來越開闊、平坦。目前，它已經(jīng)發(fā)展到了整體的深度。水位的不斷下降改變了含水層的水力邊界條件，引起水力梯度和滲透壓的變化。隨著地層中孔隙水壓力的降低，部分承受上部荷載的原始孔隙水轉(zhuǎn)移到土粒上，導(dǎo)致土粒的有效應(yīng)力增大，土體體積減小。對(duì)于含水層砂，如果它們?cè)俅伪凰柡?，大部分變形可以恢?fù)。由于相鄰的阻水層，即粘性土層，隨著水釋放強(qiáng)度的增加，土壤孔隙逐漸壓實(shí)，導(dǎo)致體積減小。粘性土的壓縮變形是不可逆的，從而導(dǎo)致地面沉降。因此，地面沉降的分布格局與水位洼地漏斗的分布格局基本相同。

3.2 地下熱水開發(fā)區(qū)地?zé)豳Y源豐富

1990年代開始開采地下熱水，開采量逐年增加，形成了多個(gè)集中礦區(qū)。長期開采地下熱水供冬季取暖，地?zé)嵛菜苯优欧?，?dǎo)致地下熱水水位不斷下降。2015年神州市供暖期靜水位埋深達(dá)150m，開采動(dòng)水位超過200m，導(dǎo)致地層孔隙水壓力下降，有效應(yīng)力增加在地層壓實(shí)和地層下沉中。

3.3 其他影響因素

其他主要的因素包括土層構(gòu)造活動(dòng)、地面載荷以及土層固結(jié)沉降。同時(shí)存在土層一側(cè)上升，一側(cè)下降。由于地面沉降率較小，對(duì)地面沉降的影響不容忽視。此外，隨著城鎮(zhèn)化加快速度，舊城改擴(kuò)建，高樓林立。建筑物的高度以及相應(yīng)的密度逐漸增加，持續(xù)增加的地面荷載會(huì)存在一定的壓實(shí)以及排水而導(dǎo)致一定的地面沉降。松散覆蓋層在相應(yīng)的自身重力作用下，持續(xù)加劇了地面沉降。

4 研究區(qū)地面沉降影響因素

相應(yīng)的城市地面沉降分析往往是一種更加復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象。根據(jù)調(diào)查報(bào)告，某地區(qū)的地面沉降的主要原因是土質(zhì)差、建筑基礎(chǔ)相對(duì)較淺同時(shí)存在地下水抽取量過大等問題。

4.1 地面沉降與壓縮土層的關(guān)系

土體的固結(jié)變形往往是地基變形的關(guān)鍵的原因，某地區(qū)沉降通常是由粘性土受壓導(dǎo)致的。土層在相應(yīng)的空間上存在分布不均勻，同時(shí)其中的砂層與相應(yīng)的粘性土層存在一定的作用。為了能夠更好地分析相應(yīng)的研究區(qū)當(dāng)中不同土層在其中平面分布的垂直差異，將相同地質(zhì)年代和沉積環(huán)境的壓縮土層進(jìn)行劃分。根據(jù)相應(yīng)采集到的鉆孔資料，描述當(dāng)中各層組厚度的空間分布和巖土特征。研究區(qū)兩個(gè)壓縮土群的厚度空間分布圖和不同深度壓縮土群的物理力學(xué)特征。第一個(gè)壓實(shí)土組（Q），壓實(shí)土群（CSF）廣泛分布于整個(gè)研究區(qū)，并由西向東逐漸加厚。CSF 厚度從某村的18m 減少到某村的6m。主要巖性為粘土、粉質(zhì)粘土和粉質(zhì)土。粉質(zhì)土和粉質(zhì)粘土處于中低壓縮性和塑性變形狀態(tài)，粘土處于高壓縮性和流動(dòng)塑性狀態(tài)。第二壓實(shí)土群的厚度由35m減小到12m。主要巖性為粘土和粉質(zhì)粘土。隨著土層深度的逐漸加深，其相應(yīng)的壓縮性由中變低，即以塑性變形為主，第一組的厚度小于第二組，但土的孔隙率、壓縮和工程力學(xué)性能相對(duì)差別較大。

本文從不同沉降區(qū)的各個(gè)深度取樣并進(jìn)行一定的研究中，分析相應(yīng)的孔隙比與壓力的各項(xiàng)相關(guān)性，反映不同壓力對(duì)土壤壓縮性的各項(xiàng)影響。本文選取該區(qū)域兩組有一定的代表性的土樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)分析。樣品取三個(gè)不同深度，包括4～5m范圍內(nèi)的淤泥、9～25m范圍內(nèi)的粘土以及20-40m范圍內(nèi)的粘土。

經(jīng)過分析得出研究區(qū)淺層土壤的其中的壓縮性相對(duì)較大，而相應(yīng)的深層土壤的其壓縮性相對(duì)較小。經(jīng)分析可知中心區(qū)淺層土壤高于邊緣淺層土壤。而其中的深層土的壓縮性在不同位置基本相同且相對(duì)較小，說明在其中的相同壓力條件下，其中的地面沉降中心區(qū)的沉降量較大。

4.2 土地沉降與建筑荷載關(guān)系分析

隨著城市建設(shè)，建筑物對(duì)地面沉降的影響逐漸變大。建筑荷載的變化逐漸發(fā)展成為其中城市地面沉降的關(guān)鍵因素。經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)分析表明，城市建筑群密集分布。通過對(duì)建筑用地空間分布與地面累計(jì)沉降的疊加分析，發(fā)現(xiàn)密集建筑對(duì)土地沉降具有一定的影響。其中的主要沉降區(qū)發(fā)生了30mm左右的沉降；68%的建筑物發(fā)生超過60mm 的沉降，但120mm 的沉降幾乎未有。因此，相應(yīng)的建筑荷載往往是引起相應(yīng)的研究區(qū)地面沉降的關(guān)鍵的因素，但不是造成嚴(yán)重地面沉降的主要原因。

4.3 地面沉降與地下水開采關(guān)系分析

研究區(qū)地面沉降最為嚴(yán)重，與地下水開采密切相關(guān)。廣東某地有2000 多家紡織洗染廠。其中，洗染廠數(shù)量最多，有400 多家，主要分布在主要地面沉降中心附近。這些紡織印染廠的主要水源是地下水開采，其中孔隙水是地下水資源的主要來源之一。由于大規(guī)模開采地下水，破壞了相應(yīng)的地下水資源的自然分布，導(dǎo)致相應(yīng)的地下水位發(fā)生急劇下降，成為城鎮(zhèn)地面沉降的重要誘發(fā)因素。通過對(duì)研究區(qū)總沉降量的疊加分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)地下水位受人類活動(dòng)和非自然條件下的分布。第一承壓含水層組（Ⅰ）位于溪美、新厝村，研究區(qū)的空間位置與嚴(yán)重地面沉降區(qū)的空間位置一致。深層承壓含水層組（Ⅱ）不存在地下水位下降漏斗，但對(duì)應(yīng)研究區(qū)東部嚴(yán)重地面沉降區(qū)的低地下水位區(qū)。

4.4 防災(zāi)減災(zāi)建議

未來十年甚至幾十年，沉降在整個(gè)城市的發(fā)展過程中會(huì)帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失。土層表面沉降具有漸變性、不可逆性、區(qū)域性、隱蔽性等特點(diǎn)，導(dǎo)致相應(yīng)的上層建筑存在一定的變形、沉降、路面起伏、地下管線損壞等。因此，如何減少或避免土層沉降造成的經(jīng)濟(jì)損失，這同時(shí)也是城鎮(zhèn)建設(shè)需要面臨的問題。

（1）合理的城市規(guī)劃。地面沉降往往是不可避免和不可逆轉(zhuǎn)的。除了地質(zhì)條件等自然因素外，城市土地沉降率主要與城市發(fā)展速度和建筑密度有關(guān)。城市規(guī)劃應(yīng)考慮地質(zhì)環(huán)境條件的承載能力，此外，還應(yīng)考慮城市測(cè)繪數(shù)據(jù)失真引起的地面沉降，進(jìn)行合理的城市規(guī)劃，控制整個(gè)城市不斷發(fā)展建設(shè)的速度，同時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)地面沉降引起的次生災(zāi)害采取一定的規(guī)劃或者應(yīng)急措施。

（2）落實(shí)具體防控措施。在易發(fā)生沉降的區(qū)域，開展前期論證工作。高層建筑施工宜采用深樁基礎(chǔ)，直接落于基巖上。建造一般建筑物時(shí)，可采用排水固結(jié)、位移拌合、碾壓、墊層、振動(dòng)、壓實(shí)等一種或多種工程處理措施，改善地基，提高地基承載力。

（3）建立地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。為實(shí)現(xiàn)軟地沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過設(shè)置基巖標(biāo)記、分層標(biāo)記、地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)井和遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器，建立了覆蓋南沙地區(qū)的地面沉降網(wǎng)絡(luò)。其中，可直接獲取地面沉降數(shù)據(jù)的地面沉降自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的密度控制在4km/點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集頻率不低于1 次/d。年度監(jiān)測(cè)結(jié)果應(yīng)及時(shí)反饋政府有關(guān)部門，為城市發(fā)展規(guī)劃提供地質(zhì)依據(jù)。

（4）加強(qiáng)施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)。確保相應(yīng)的工程質(zhì)量，同時(shí)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)相應(yīng)的施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)，盡量減少工程竣工后地面沉降。

5 結(jié)論與建議

目前廣東省典型地區(qū)地面沉降的研究還處于初級(jí)階段。研究表明發(fā)現(xiàn)研究區(qū)地面沉降往往受相應(yīng)的自然因素以及人為因素進(jìn)行共同影響。研究區(qū)地面沉降的物質(zhì)條件為松散土壤和不平整土壤。研究區(qū)第四系地層主要垂直分為兩層壓縮土。雖然第一層壓縮土的厚度小于第二層壓縮土的厚度，但其影響不容忽視。建筑荷載是引起研究區(qū)地面沉降的重要因素，但不是研究區(qū)地面沉降嚴(yán)重的主要原因。大量地下水開采是研究區(qū)地面沉降的主要原因。工程組和1I組地下水等高線下降漏斗的空間位置與嚴(yán)重的地面沉降一致。建議加強(qiáng)相應(yīng)的地面沉降監(jiān)測(cè)，從而開展相關(guān)機(jī)理研究并進(jìn)行一定的模擬預(yù)測(cè)，同時(shí)制定更加合理的地面沉降地質(zhì)災(zāi)害防治方案。