寧道昌 程鵬環(huán)

(鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

關(guān)于里下河淺洼平原區(qū)地面沉降因素探討

寧道昌 程鵬環(huán)

(鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

根據(jù)對(duì)鹽城地區(qū)里下河淺洼平原區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)勘察和地面沉降監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探討了各種自然因素和人為因素等對(duì)地面沉降的影響機(jī)理，總結(jié)了該區(qū)域地面沉降的發(fā)展規(guī)律，并提出了相應(yīng)的防治措施和建議，為解決類似問題積累經(jīng)驗(yàn)。

平原，地面沉降，影響因素

鹽城里下河淺洼平原區(qū)在地理上位于江蘇省中部，北至蘇北灌溉總渠，南至通揚(yáng)運(yùn)河，東至通榆運(yùn)河西，西達(dá)洪澤湖西。本區(qū)域大地構(gòu)造隸屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)蘇北拗陷帶，華夏系及華夏式構(gòu)造控制著本區(qū)新生代地層發(fā)育，造就了里下河淺洼平原的地貌特征，松散沉積物達(dá)1 000 m以上，第四系厚度達(dá)200 m～300 m，基巖埋深大。受長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)圈輻射作用，本區(qū)域人類活動(dòng)的影響日益強(qiáng)烈，經(jīng)濟(jì)建設(shè)速度加快，導(dǎo)致了地面沉降地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施、生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。

由于地面沉降已成為本地區(qū)影響最大、波及范圍最廣的地質(zhì)災(zāi)害，查明地面沉降的形成機(jī)理和主要影響因素，提出相應(yīng)對(duì)策，防治災(zāi)害進(jìn)一步擴(kuò)大是目前需要迫切解決的問題。

1 鹽城里下河淺洼平原區(qū)地面沉降發(fā)展?fàn)顩r

1．1 地面沉降現(xiàn)狀

地面沉降是指在自然因素或人為因素作用下發(fā)生的地表高程下降的現(xiàn)象，它是一種緩變型地質(zhì)災(zāi)害，發(fā)生初期不易察覺，具有隱蔽性，一旦致災(zāi)則波及面積很大，難以治理。根據(jù)鹽城市地震臺(tái)及水文站的水準(zhǔn)測(cè)量資料，本區(qū)地面沉降始發(fā)于20世紀(jì)70年代，1981年城區(qū)累計(jì)地面沉降量達(dá)40 mm，1985年城區(qū)中部累計(jì)地面沉降量達(dá)到120 mm，城區(qū)其余部分累計(jì)地面沉降量小于100 mm，形成沉降洼地。此后，地面沉降進(jìn)入加速擴(kuò)展階段，目前本區(qū)累計(jì)地面沉降量超過600 mm的區(qū)域面積超過了120 km2，主要分布在鹽城城區(qū)附近，沿文港路—黃海路—鹽馬路—解放南路形成了四個(gè)地面沉降漏斗;本區(qū)累計(jì)地面沉降量超過200 mm的區(qū)域面積超過了2 500 km2。

1．2 地面沉降造成的危害

地面沉降不僅使所在地區(qū)地面高程下降，還造成了較嚴(yán)重的危害及經(jīng)濟(jì)損失，主要包括：1)建筑物地基不均勻沉降，造成房屋變形、墻壁開裂、抗震能力降低，有傾倒破壞的可能性。2)地面高程降低，江河行洪能力下降，海平面相對(duì)上升，堤防、涵閘等工程效用降低，防洪排澇能力和防潮能力減弱，積洪滯澇，加劇洪水及風(fēng)暴潮災(zāi)害。3)城市公共設(shè)施發(fā)生坡度改變、開裂，橋梁下沉變形，凈空減小，航運(yùn)受阻;地下管道破裂失效，交通線路受損;碼頭及其他港口設(shè)施下沉、變形，甚至被淹沒;抽水井管上升，井臺(tái)開裂，水井報(bào)廢。4)誘發(fā)次生災(zāi)害，地面沉降引發(fā)海水倒灌，使土層和地下水鹽堿化;引起地裂縫、地面塌陷等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

2 本區(qū)地面沉降的自然影響因素分析

2．1 地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響

本區(qū)域從中生代開始發(fā)生相對(duì)沉降，新生代以來沉降明顯，其間有短期停頓或相對(duì)上升，但總體趨勢(shì)始終表現(xiàn)為沉降。從第四系各統(tǒng)地層厚度分析，本區(qū)的沉降活動(dòng)在時(shí)間上和空間上都是不均一的。本區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)明顯受到北東東與北西西兩個(gè)方向構(gòu)造的控制，時(shí)間愈新，北北西方向的控制愈明顯。早更新統(tǒng)厚度受北東東方向構(gòu)造的控制。中更新統(tǒng)厚度則受北東東與北北西兩個(gè)方向構(gòu)造的控制。晚更新統(tǒng)、全新統(tǒng)的厚度則主要受北北西方向構(gòu)造的控制。所以區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征主要表現(xiàn)為地殼緩慢的沉降運(yùn)動(dòng)。有關(guān)資料顯示，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的地面沉降速率約為 0．4 mm/年 ～1．2 mm/年。

2．2 海平面上升的影響

由于溫室氣體的大量排放，全球氣候變暖，山岳冰川和極地冰川不斷融化，地球表面溫度升高，海洋表面與深部的溫度差異造成海水產(chǎn)生熱膨脹效應(yīng)，這些都導(dǎo)致了全球海平面的相對(duì)上升。據(jù)有關(guān)研究報(bào)告，今后40年內(nèi)全球海平面上升速率的估計(jì)值約為4．5 mm/年～6．5 mm/年，而江蘇附近海域的海平面上升速率估計(jì)值約為8．0 mm/年～9．5 mm/年。地面高程是地面點(diǎn)到大地水準(zhǔn)面(平均海水面)的鉛垂距離，因此海平面的相對(duì)上升，也造成了地面高程的損失。

2．3 巖土層結(jié)構(gòu)的影響

由于本區(qū)成陸時(shí)間不長(zhǎng)，河湖相和海陸交互相沉積地層發(fā)育。在鹽城市區(qū)西部一新建病房樓場(chǎng)地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘探，由地表到地下劃分為14個(gè)工程地質(zhì)層，然后分層進(jìn)行地面沉降變形監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)成果如表1所示。

表1 各層土體累計(jì)沉降變形量

由表1可見，在10個(gè)月的監(jiān)測(cè)中各土層都發(fā)生了沉降變形，其中第三層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土變形占地面沉降總量的46%，第七層黏質(zhì)粉土變形占地面沉降總量的18%。而本區(qū)廣泛分布了淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，所以本區(qū)淺部軟弱土層變形對(duì)地面沉降的影響較大。此外，第②，④，⑧，○1瑤層均為黏土，物理性質(zhì)指標(biāo)相近，但較深的第○1瑤層黏土變形相對(duì)顯著，中間的第⑧層黏土變形微弱。

2．4 土體性狀的影響

對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)各土層進(jìn)行室內(nèi)外試驗(yàn)，取土197組，測(cè)得各壓縮土層的壓縮系數(shù)均值，算得各土層地基承載力特征值，其隨埋深的變化如圖1所示。本區(qū)的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土屬于軟弱土，含水量高達(dá) 46．5%，孔隙比達(dá) 1．281，內(nèi)聚力為 20．4 kPa(UU)，內(nèi)摩擦角僅為0．4°(UU)，這說明該層土粘土礦物顆粒間聯(lián)結(jié)較弱，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，因而強(qiáng)度低，地基承載力特征值僅為60 kPa;壓縮性很大，具有流變特性。

圖1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)變化

3 本區(qū)地面沉降的人為影響因素分析

3．1 長(zhǎng)期過量開采地下水的影響

按含水層埋藏條件和水力特征，區(qū)內(nèi)松散巖土孔隙水可分為五個(gè)含水層組，各含水層組特征如下：1)潛水含水層組。該含水層時(shí)代相當(dāng)于第四紀(jì)全新世，含水層厚度約為10 m～15 m，水量較貧，水質(zhì)較差。2)Ⅰ承壓含水層組。該含水層時(shí)代相當(dāng)于第四紀(jì)晚更新世，含水層厚度約為10 m～25 m，該層地下水礦化度一般不小于3 g/L，為半咸水，不宜供水飲用。3)Ⅱ承壓含水層組。該含水層時(shí)代相當(dāng)于第四紀(jì)中更新世，含水層厚度約為15 m～85 m，單井涌水量可達(dá)1 000 m3/d～2 000 m3/d，水質(zhì)較好。20世紀(jì)90年代前因無(wú)序開采，大量超采，承壓水位一度下降了64．33 m，1990年禁采本層地下水后水位逐漸恢復(fù)(如圖2所示)，水位降落漏斗趨于穩(wěn)定(如圖3所示)。目前最大水位埋深為34．76 m，水位降落漏斗面積約為202．4 km2，沉降中心在龍岡、鞍湖附近。4)Ⅲ承壓含水層組。該含水層時(shí)代相當(dāng)于第四紀(jì)早更新世，含水層厚度約為15 m～45 m，單井涌水量可達(dá)300 m3/d～800 m3/d，水質(zhì)良好。原始承壓水位高于地面0．7 m～1．4 m，從1966年開始開采，成為本區(qū)主要開采層位。1977年水位埋深為5．43 m，到1984年水位埋深達(dá)46．4 m，20世紀(jì)90年代后水位下降趨勢(shì)得到控制。如圖3所示，2005年后本層地下水位又開始小幅下降，水位降落漏斗大幅度向外擴(kuò)展。目前最大水位埋深為40．89 m，水位降落漏斗面積約為1 583．7 km2，沉降中心在秦南、永豐、施莊一帶。5)Ⅳ承壓含水層組。第Ⅳ承壓含水層組時(shí)代相當(dāng)于第三紀(jì)漸新世晚期河湖相沉積，含水層厚度大于40 m，本含水層水質(zhì)好，平均單井涌水量約為1 030．2 m3/d。20世紀(jì)70年代末開始開采，水位埋深為1．27 m，由于在市區(qū)開采強(qiáng)烈，到2006年本層水位最大埋深達(dá)到50．97 m，限制開采后水位有所恢復(fù)(如圖3所示)，但水位降落漏斗邊緣仍未穩(wěn)定，不斷向外擴(kuò)展。目前最大水位埋深為45．45 m，水位降落漏斗面積約為1 792．6 km2，沉降中心在市區(qū)北部新悅建材有限公司附近。

根據(jù)有效應(yīng)力原理，上部土層壓力由土體中的水(孔隙水壓力)和土體顆粒骨架(有效應(yīng)力)共同承擔(dān)，處于相對(duì)平衡狀態(tài)。當(dāng)潛水位下降后，潛水位變動(dòng)帶的孔隙水被疏干，上部土層壓力完全由固體骨架承擔(dān)，土體孔隙壓縮，造成地面沉降。對(duì)于承壓含水層而言，承壓水位的下降是承壓含水層彈性釋水引起的，因而不影響含水層本身的結(jié)構(gòu)，但含水層上下的相對(duì)弱透水層中有效應(yīng)力增加，固結(jié)壓縮，甚至產(chǎn)生垂向越流補(bǔ)給現(xiàn)象，從而造成地面沉降。圖4反映了Ⅲ承壓水位變動(dòng)與地面沉降之間具有正相關(guān)關(guān)系。而圖5則反映出兩方面的問題：1)地面沉降相對(duì)于深層地下水具有明顯的滯后效應(yīng);2)在以Ⅳ含水層為主開采層的區(qū)段所發(fā)生的地面沉降主導(dǎo)誘因不僅僅是地下水位變動(dòng)，還與城市建設(shè)密切相關(guān)。

圖2 Ⅱ承壓水位最大埋深與開采量關(guān)系

圖3 各層地下水位最大埋深與降落漏斗面積變化

圖4 Ⅲ水位埋深與地面沉降關(guān)系

圖5 水位埋深與地面沉降關(guān)系Ⅳ

3．2 城市建設(shè)的影響

1)施工作用。如前所述，本區(qū)軟土普遍發(fā)育，城市建設(shè)中廣泛采用樁基礎(chǔ)，樁基施工時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力荷載作用，可使砂土層產(chǎn)生擠密效應(yīng)，引起周圍地面沉降?；奂暗叵鹿こ涕_挖，則直接擾動(dòng)土體，卸荷造成地面變形。井點(diǎn)降水往往是短期集中過量開采地下水，局部疏干淺層地下水，如2012年鹽城市世紀(jì)大道某小區(qū)施工抽水12 d，造成基坑塌陷，周圍地面不均勻沉降，最大沉降量達(dá)137 mm，使鄰近的兩棟居民樓發(fā)生傾斜和墻壁裂縫。

2)工程荷載作用。前述鹽城市城區(qū)的四個(gè)地面沉降漏斗之形成與城市建設(shè)進(jìn)程極為吻合，這些地區(qū)原來是以低層、多層建筑為主，容積率小;現(xiàn)在以密集的高層建筑為主，容積率大。工程荷載的增加在地基土中引起附加應(yīng)力，產(chǎn)生超靜孔隙水壓力。一般超靜孔隙水壓力隨工程荷載的增加而增加，隨深度變大。隨著土體滲流作用超靜孔隙水壓力逐漸消散，土體固結(jié)沉降。

對(duì)前述研究區(qū)內(nèi)的新建病房樓進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)，成果如圖6所示，在工程荷載及自重應(yīng)力作用下地基土壓縮固結(jié)，累計(jì)地面沉降量隨時(shí)間逐漸增大，沉降速率呈逐漸變小趨勢(shì)，地面沉降表現(xiàn)出時(shí)間效應(yīng)。土建安裝施工階段工程荷載施加快，地面沉降速率大;裝飾施工階段沉降速率變小。

圖6 新建病房樓附近地面沉降觀測(cè)曲線

4 本區(qū)地面沉降的防治措施

1)本區(qū)深層地下水屬于半消耗型水源，需避免長(zhǎng)期大量開采，但由于目前地表水污染、地表水供水設(shè)施不足等原因，深層地下水仍是一種不可或缺的水資源，特別是在廣大鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)。因而水資源管理部門應(yīng)盡快建立起基于地理信息系統(tǒng)的地下水動(dòng)態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以便科學(xué)確定并不斷修正安全開采量，合理限采，保證地下水可持續(xù)開發(fā)。2)本區(qū)同時(shí)是軟土地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)區(qū)，應(yīng)加強(qiáng)地面變形監(jiān)測(cè)工作，通過增設(shè)基巖標(biāo)、分層標(biāo)，提高地面沉降監(jiān)測(cè)的精度。3)利用GPS RTK，InSAR等現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)手段，提高地面變形監(jiān)測(cè)的效率和覆蓋面。4)地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)統(tǒng)一管理，按一定程序定期發(fā)布使用。5)在城市建設(shè)規(guī)模較大的地區(qū)應(yīng)開展專項(xiàng)研究，查明工程加載、工程施工、建筑物密度等與地面沉降之間的定量關(guān)系。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)里下河淺洼平原區(qū)現(xiàn)場(chǎng)勘察及地面沉降監(jiān)測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)分析，確定出本區(qū)地面沉降的主要影響因素是地下水的超采、土層結(jié)構(gòu)與形狀及工程施工加載，次要影響因素是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及海平面上升，闡述了本區(qū)地面沉降形成機(jī)制和防治措施。但從地面沉降中心的遷移來看，在人類活動(dòng)影響下，不同時(shí)期不同地段地面沉降的主導(dǎo)誘因是不同的，如何確定各影響因素所占比重是亟待解決的問題。

［1］編制工作組．鹽城市水資源公報(bào)［R］．2009．

［2］張阿根，楊天亮．國(guó)際地面沉降研究最新進(jìn)展綜述［J］．上海地質(zhì)，2010，4(31)：57-63．

［3］季國(guó)興．鹽城市主要環(huán)境水文地質(zhì)問題［J］．江蘇地質(zhì)，1993，17(1)：36-38．

On exploration for surface subsidence factors of shallow plane areas of Lixia River

NING Dao-changCHENG Peng-huan

(Yancheng Institute of Technology，Yancheng 224051，China)

According to the site survey and surface subsidence inspection at shallow plane areas of Lixia River，the paper undertakes the statistical analysis，explores the influential mechanism of all kinds of natural factors and human factors on the surface subsidence，sums up the development law for the surface subsidence in the area，and points out the respective prevention measures and suggestions，so as to accumulate experience for similar problems．

plane，surface settlement，influential factor

TU478

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.007

1009-6825(2013)10-0094-03

2013-01-29

寧道昌(1991-)，男，在讀本科生; 程鵬環(huán)(1972-)，女，講師