薛禹群，張　云

(南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023)

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長江三角洲南部地面沉降與地裂縫*

薛禹群，張云

(南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023)

摘要：過量開采地下水導(dǎo)致長江三角洲南部產(chǎn)生嚴(yán)重的地面沉降和地裂縫，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。地面沉降和地裂縫的發(fā)生和發(fā)展在時空上與地下水開采具有密切聯(lián)系，在地下水開采高峰期，地面沉降速率明顯增加，在地下水位穩(wěn)定期和回升期，地面沉降速率顯著減小，甚至出現(xiàn)少量回彈。平面上，地面沉降分布形態(tài)與主采層地下水位分布形態(tài)具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性；垂向上，地面沉降分布形態(tài)與沉降層、主采層及土層的厚度、壓縮性等有關(guān)，弱透水層和含水層都可能成為主要沉降層。開采地下水條件下土層的變形與其經(jīng)歷的地下水位變化過程有關(guān)，不僅弱透水層存在塑性和粘塑性變形，在一定水位變化條件下含水砂層也存在塑性和粘塑性變形。地面沉降是地表下所有受影響土層的變形之和，為了控制地面沉降和地裂縫的發(fā)展，應(yīng)限制地下水的開采量，尤其是避免出現(xiàn)地下水位低于土層歷史上曾經(jīng)達(dá)到的最低水位。

關(guān)鍵詞：地面沉降；地裂縫；地下水開采；長江三角洲

長江三角洲南部包括江蘇省南部蘇州市、無錫市、常州市，浙江省北部杭州市、嘉興市、湖州市以及上海市。全區(qū)由于地表水體不能滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活需要，地下水被大量開采，造成區(qū)域內(nèi)嚴(yán)重的地面沉降和地裂縫，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)地面高程損失，建筑物開裂，地下管線斷裂，防洪設(shè)施失效，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

地下水開采導(dǎo)致土層中孔隙水壓力減小、有效應(yīng)力增加，土層壓縮變形，引起地面沉降。由于抽取地下水引起水位降深在平面上分布不均，常呈漏斗狀，地層不僅有垂向應(yīng)變，也有水平應(yīng)變。Su等[1]通過現(xiàn)場非承壓含水層中的抽水試驗證明土層既有垂向位移又有水平位移，兩者可達(dá)相同數(shù)量級。Wolff[2]監(jiān)測單井抽水時土層的徑向應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)靠近井的內(nèi)圈徑向應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變，離井較遠(yuǎn)的外圈應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，零應(yīng)變周線與指向抽水井的最大徑向位移周線一致。因此，開采地下水不僅產(chǎn)生地面沉降，還產(chǎn)生地裂縫。與開采地下水有關(guān)的地裂縫的發(fā)生原因主要有兩種觀點(diǎn)：一種認(rèn)為由差異沉降引起[3-4]，另一種認(rèn)為由含水層中水平滲透力導(dǎo)致的水平應(yīng)變引起[5]。

不同地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、土質(zhì)條件、地下水開采情況不同，地面沉降和地裂縫的特點(diǎn)也不同。本文根據(jù)長江三角洲南部多年的水位變化和土層變形監(jiān)測資料，分析該區(qū)地面沉降和地裂縫的特征及其形成機(jī)理，為選擇地下水開采方案和工程建設(shè)規(guī)劃提供依據(jù)。

1地質(zhì)背景

長江三角洲南部的基巖主要為沉積巖和巖漿巖，主干斷裂以北東向和北西向為主，少量東西向(圖1)。以湖蘇斷裂為界，整個區(qū)域分為蘇錫構(gòu)造區(qū)和昆滬杭構(gòu)造區(qū)。蘇錫構(gòu)造區(qū)為由北東向背斜和向斜形成的隆凹相間區(qū)，昆滬杭構(gòu)造區(qū)有侏羅世—早白堊世巖漿巖，隆起山體沿北東向零星分布。受基巖地質(zhì)構(gòu)造和古地貌控制，第四紀(jì)沉積物厚度由西向東逐漸變厚，薄處<100 m，厚處>360 m。

圖1　長江三角洲南部基巖構(gòu)造圖Fig.1　Tectonic map of bed rock in the southern Yangtze River Delta

區(qū)域內(nèi)第四紀(jì)沉積物成因類型為沖積、沖—湖積、沖—海積、湖—沼積等，巖性有黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、砂、礫石等。區(qū)域上看，上海第一、二承壓含水層分別相當(dāng)于蘇錫常地區(qū)第一承壓含水層的上部和下部，第三、四、五承壓含水層分別相當(dāng)于蘇錫常地區(qū)的第二、三、四承壓含水層。為便于敘述，統(tǒng)一將該區(qū)第四紀(jì)沉積物由上到下劃分為一個潛水含水層和四個承壓含水層(圖2)。含水層由砂、礫組成，含水層間由黏土、粉質(zhì)黏土及其與粉土、粉細(xì)砂互層組成的弱透水層。除第四承壓含水層主要分布于上海北部及蘇州東北部外，其它含水層在全區(qū)均有分布。上海位于潛水含水層和第一承壓含水層之間的第一弱透水層由上到下進(jìn)一步劃分為第一軟土層、第二軟土層、第二硬土層，第一承壓含水層上、下部之間的弱透水層又稱第三軟土層。區(qū)域內(nèi)不同地區(qū)各含水層發(fā)育狀況、厚度不同，人們對地下水的需求也不同，地下水的開采層位、開采量也因地而異。

圖2　長江三角洲南部水文地質(zhì)剖面圖Fig.2　Hydrogeological profile in the southern Yangtze River Delta

2地下水開采情況及含水層水位變化特征

上海開采利用地下水始于1860年，大規(guī)模開采于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時80.5%的開采量取自淺部第一、二含水層，上海城區(qū)1958年的年開采量已達(dá)1.39×108m3。1963年上海全市地下水年開采量達(dá)2.03×108m3(圖3)。由此造成1957～1961年地面沉降急劇發(fā)展，年均沉降速率為99.4 mm/a，最大年沉降量達(dá)170 mm。1966年后為減緩地面沉降，上海地下水開采量得到嚴(yán)格控制，1968年年開采量急劇下降到5.9×107m3。1980年后上海對地下水的需求有所增長，為避免20世紀(jì)50年代末、60年代初的情況再次出現(xiàn)，上海將地下水開采層次調(diào)整為深部第三、四承壓含水層，造成這兩層尤其第三承壓含水層、水位持續(xù)下降，地面沉降再次快速發(fā)展。為防止地面沉降加劇，1998年后地下水年開采量再次減少。上海從1966年開始進(jìn)行人工回灌，在隨后的幾年中人工年回灌量少量增加，1983到1989年年人工回灌量基本不變。此后，人工回灌量逐年增加，在2011年首次超過地下水的年開采量(圖4)。

圖3　上海市地下水開采量和人工回灌量Fig.3　Amounts of exploitation and artificial recharge of groundwater in the city of Shanghai

地下水開采量和人工回灌量的變化導(dǎo)致各含水層水位具有不同的變化特征(圖4)。第一、二含水層水位具有類似的變化特征，在1960年初達(dá)歷史水位最低值(超過-30 m)。后水位迅速上升，在1970年初達(dá)最高值(水位回升到-5 m以上)，此后在一定范圍內(nèi)波動，其平均值基本不變。20世紀(jì)80年代中期后受地下水開采量再次增加及下伏第三承壓含水層水位大幅下降影響，上海第一、二承壓含水層水位開始緩慢下降，但遠(yuǎn)高于其在1960年達(dá)到的最低水位。由于開采量減小及回灌量增加，1997年后這兩個含水層的水位逐步上升。

圖4　上海市含水層典型水位變化Fig.4　Typical water level variations of aquifers in the city of Shanghai

第三、四承壓含水層具有相似的水位變化。在1965年前緩慢下降，后迅速上升，1970年后地下水位基本不變。然而由于開采量增加，80年代中期以后這兩個含水層的水位大幅下降，1990年后已低于20世紀(jì)60年代達(dá)到的最低水位。此后，地下水開采量再次大幅減小，1998年后地下水位回升。2004年以來，由于嚴(yán)格限制地下水開采及增加人工回灌量，第三、四含水層水位大幅回升。

蘇錫常地區(qū)地下水開采始于1927年，大規(guī)模開采在1983年。第一和第二承壓含水層，特別是第二承壓含水層是蘇錫常地區(qū)的主要開采層。1995年限制開采前，地下水位持續(xù)下降，此后隨地下水開采量急劇減小，尤其2000年江蘇省在蘇錫常地區(qū)實(shí)施地下水禁采后，地下水位迅速回升。1980～2000年，61%的地下水采自第二承壓含水層。2000年采自于第一、二、三含水層的開采量分別占總開采量的27%、67%和6%。不同于上海含水層水位變化，蘇錫常地區(qū)地下水位在限采前一直處于下降階段，此后地下水位持續(xù)上升，多數(shù)水位觀測孔的水位在1994、1995年達(dá)歷史最低值(圖5)。1998年蘇州漏斗中心水位為-62.4 m，無錫西部漏斗中心水位為-83.3 m。隨地下水位上升，2007年蘇州水位埋深均<-30 m，水位降落漏斗消失，無錫漏斗中心水位也上升至-74.9 m。雖第三承壓含水層不是蘇錫常的主采層，但受第二承壓含水層大量開采影響，第三承壓含水層通過越流向第二承壓含水層補(bǔ)給，加上其本身仍有一定的開采量，因此蘇錫常地區(qū)第三承壓含水層的水位經(jīng)歷了與該處第二承壓含水層水位相似的變化過程，只是變化程度稍弱。

圖5　蘇錫常地區(qū)各含水層典型水位變化Fig.5　Typical water level variations of aquifers in Suzhou, Wuxi and Changzhou

杭嘉湖地區(qū)地下水開采始于1914年，主要開采層為第二、三承壓含水層，地下水大規(guī)模開采出現(xiàn)在1980年以后。地下水開采量從1980年的5,580萬m3增加到1990年的12,056萬m3，引起明顯的地面沉降，此后地下水開采量迅速增加的勢頭得到遏制[6]。

3長江三角洲南部地面沉降特征

3.1地面沉降特征

長江三角洲南部地面沉降于1921年出現(xiàn)在上海，1960年后相繼出現(xiàn)于蘇錫常和杭嘉湖平原。上海地面沉降分為兩個發(fā)展時期：沉降快速發(fā)展期(1965年以前)和沉降控制期(1965年以后)，兩個時期分別包含四個和五個階段(表1)。沉降快速發(fā)展期，地下水無限制開采，地面沉降迅速增加，在階段三(1957～1961年)年均地面沉降速率達(dá)最大值。此后，地下水開采量急劇下降，所有含水層內(nèi)水位回升，但地面沉降繼續(xù)緩慢增加，到1966年，地面才出現(xiàn)少量回彈，地面回彈明顯遲后于含水層的水位回升。地面沉降控制期，地下水開采得到有計劃的控制，地面沉降速率較之地面沉降快速發(fā)展期小得多。盡管從1998年開始地下水開采量減小，地下水位開始上升，但地面沉降仍繼續(xù)增加。地面沉降的變化再次遲后于含水層水位?？傮w而言，地面沉降速率在減小，2009～2011年，年均地面沉降量僅為1.3 mm/a(圖6)。2012年，上海中心區(qū)域地面沉降大部分停止，一些地方出現(xiàn)明顯回彈?；貜椬钤?003年出現(xiàn)于分層標(biāo)F027處，到2012年回彈量達(dá)30.59 mm。大部分回彈出現(xiàn)于2008～2011年。如分層標(biāo)F015處地面到2008年均在沉降，后開始回彈，到2012年回彈4mm。在另外幾個分層標(biāo)處地面沉降仍繼續(xù)，但沉降速率減小，2009～2012年最大沉降速率發(fā)生于分層標(biāo)F024處，為6.1 mm/a。與持續(xù)上升的含水層水位比較，地面回彈在一些地方至少遲后10年。

表1　上海地面沉降階段

垂向上，各土層對地面沉降和回彈的貢獻(xiàn)率在不同階段有所變化。1981～1989年，上海各含水層水位均緩慢下降，地面總沉降量變化不大，地面從前期回彈轉(zhuǎn)向沉降，土層壓縮主要發(fā)生于第一、二軟土層。此后地下水開采量大幅增加且主要來自第三承壓含水層，因此在1990～2003年和 2004～2008年第三承壓含水層成為主要沉降層。土層厚度、性質(zhì)、壓縮性的差別、地下水開采層次的變化、土層經(jīng)歷的地下水位變化等會影響垂向上各土層變形對地面沉降的貢獻(xiàn)。雖在1990～2003年各土層變形均有所增加，但第三承壓含水層變形增加的速率超過淺部土層，其變形量在地面總沉降中所占百分比增加。可見地面沉降的主要沉降層受開采層、土的壓縮性、土層厚度等影響。一定條件下，含水砂層可成為主要沉降層。隨人工回灌量的增加和開采量的減小，各含水層水位大幅回升，在2009～2011年，大部分深部土層產(chǎn)生回彈，即使在沉降速率最大的分層標(biāo)F024處，第二承壓含水層以下的土層也出現(xiàn)回彈，但淺部土層(尤其是壓縮性大、滲透系數(shù)小及蠕變性較強(qiáng)的第一、二軟土層)和第三含水層在一些地方仍持續(xù)壓縮，但其壓縮變形速率明顯較小。由于篇幅所限，表2僅給出2個分層標(biāo)處各土層變形對地面沉降的貢獻(xiàn)，在這兩個分層標(biāo)處淺部土層以及第三承壓含水層繼續(xù)壓縮，其他土層開始回彈。

圖6　上海地面沉降量Fig.6　Total amount of land subsidence in Shanghai

表2　上海各土層對地面沉降的貢獻(xiàn)(正值表示壓縮，負(fù)值表示回彈)

*括號中的數(shù)據(jù)為該階段地面沉降量。

蘇錫常地區(qū)在1960～1985年為地面沉降發(fā)展階段，在1986～1995年為地面沉降急劇發(fā)展階段，最大沉降速率達(dá)109 mm/a，1995年采取限采措施后，沉降速率減緩，但沉降范圍仍擴(kuò)大。垂向上，由于第二承壓含水層是主要開采層，位于其上的弱透水層厚度大且含有較厚的淤泥質(zhì)黏土層，其變形量占總變形量的50%以上，成為這一地區(qū)的主要沉降層(表3)。杭嘉湖平原地面沉降始于1964年前后，地面沉降的發(fā)展經(jīng)歷了緩慢、顯著、急劇和減緩幾個階段：1964～1973年為緩慢沉降期，累計沉降量為79 mm；1974～1983年為顯著沉降期，累計沉降量為303.9 mm；1984～1990年為急劇沉降階段，累計沉降量達(dá)597.2 mm；1991年后，中心平均沉降速率減緩，沉降中心從嘉興城區(qū)轉(zhuǎn)移至嘉興東南部約35 km處的海鹽縣。2005年海鹽的累計沉降量為1097 mm，嘉興城區(qū)的沉降量為882.5 mm[6]。

表3常州各土層變形在地面沉降中所占的百分比(正值表示壓縮，負(fù)值表示回彈)

Table.3Deformation percentages of the soil layers in the city of Changzhou

土層深度(m)1984～2003(%)2004～2007(%)潛水含水層0.00～5.981.2-20.8(第一含水層)5.98～19.003.2-31.3第二弱透水層粉土與粉質(zhì)黏土19.00～39.191.9-30.6粉質(zhì)黏土39.19～71.8417.3-15.5淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土71.84～92.6635.1-2.3第二含水層92.66～109.9911.6-10.2黏土109.99～118.56.53.8第三含水層118.5～144.7818.4-0.8粉質(zhì)黏土144.78～180.004.67.5

地面沉降的發(fā)生和發(fā)展在時空上與地下水開采具有密切關(guān)系，在地下水開采高峰期，地面沉降速率明顯增加，在地下水位穩(wěn)定期和回升期，地面沉降速率顯著減小，甚至出現(xiàn)少量回彈。地下水開采初期，出現(xiàn)于集中開采地的地下水位降落漏斗彼此孤立，與其相應(yīng)的地面沉降中心也互不相連。1980年后對地下水需求量增加，開采井?dāng)?shù)量增多，分布范圍增加。不僅在中心城區(qū)開采地下水，外圍縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)也大量開采地下水，造成地下水降落漏斗擴(kuò)大、相互連通，形成區(qū)域性的水位降落漏斗。地面沉降的影響范圍也向外擴(kuò)張，由初期孤立的沉降盆地連成一片，到1990年后整個長江三角洲南部均受地面沉降影響，到1999年累計沉降量為200mm的面積約10,000 km2，約占整個區(qū)域面積的1/3。圖7為1956～1999年地面累計沉降等值線圖。圖8為2000年第二承壓含水層的水位等值線。比較可知，蘇錫常和杭嘉湖的地面沉降中心與漏斗中心基本一致，但上海沉降中心與漏斗中心不一致，這是因為蘇錫常和杭嘉湖的地面沉降主要由第二承壓含水層的水位下降引起，而上海地面沉降除了與第二承壓含水層有關(guān)外，還與深部的第三承壓含水層中的水位下降有關(guān)。此外，地面沉降的大小還與土層的性質(zhì)、壓縮性、厚度、經(jīng)歷的地下水位變化方式有關(guān)。這些均影響地面沉降的分布形態(tài)，使地面沉降在平面上的分布與地下水位漏斗的不完全一致。

圖7　長江三角洲南部1956～1999年地面沉降等值線Fig.7　Land subsidence contour in the southern Yangtze River Delta from 1956 to 1999

圖8　長江三角洲南部2000年第二承壓含水層水位等值線Fig.8　Water level contour of the second confined aquifer in the southern Yangtze River Delta in 2000

3.2地面沉降遲后機(jī)理

現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)實(shí)驗表明在地下水位變化情況下土體的變形不僅與土體本身組成、結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與其經(jīng)歷的地下水位變化模式有關(guān)。在深入研究的基礎(chǔ)上，建立了圖9所示的雙屈服粘彈塑性力學(xué)模型。該模型包含兩個屈服應(yīng)力，當(dāng)有效應(yīng)力小于第一屈服應(yīng)力時，土體具有彈性和粘彈性變形；當(dāng)有效應(yīng)力介于第一和第二屈服應(yīng)力之間時，土體具有彈塑、粘彈性變形；當(dāng)有效應(yīng)力大于第二屈服應(yīng)力時，土體將表現(xiàn)為粘彈塑性變形。當(dāng)有效應(yīng)力減小時，彈性和粘彈性變形可以恢復(fù)，但塑性和粘塑性變形不可恢復(fù)。雙屈服粘彈塑性模型的應(yīng)力—應(yīng)變—時間關(guān)系可表示為

圖9　雙屈服粘彈塑性力學(xué)模型Fig.9　Double yield visco-elastic-plastic mechanic model

(1)

其中，

(2)

(3)

對不同時間t1，其應(yīng)變隨時間的變化如圖10所示。可見土體的壓縮和回彈并非是在加卸載瞬間完成，而是隨時間逐步發(fā)展，且在一個加卸載循環(huán)中，加載時間越長，穩(wěn)定變形越大。

圖10　加卸載循環(huán)時的應(yīng)變Fig.10　Compaction strain for a cycle of loading and unloading

地面沉降是地表下所有含水層和弱透水層壓縮變形之和，當(dāng)所有回彈土層的回彈變形量大于所有壓縮土層的壓縮變形量，地面就出現(xiàn)回彈。雖然含水砂層滲透系數(shù)大，但由于其具有粘彈塑性變形，因此它并非總是隨其中地下水位的下降、上升而同步壓縮和回彈，特別是當(dāng)其中的地下水位低于其歷史上曾經(jīng)歷的最低水位時，含水砂層具有顯著的粘塑性變形，當(dāng)?shù)叵滤簧仙龝r粘塑性變形將繼續(xù)增加，這時含水砂層的回彈變形明顯遲于其中地下水位的上升。另一方面，由于滲透性差，弱透水層中孔隙水壓力的變化遲后于它相鄰采灌含水層水壓力的改變，且由軟黏土構(gòu)成的弱透水層往往具有比含水層更強(qiáng)的粘塑性變形，這些都導(dǎo)致弱透水層的回彈變形遲后于相鄰含水層的水位持續(xù)上升。因此，地面是否出現(xiàn)回彈取決于多因素，如地下水位的變化方式、組成含水系統(tǒng)的土層的變形特征、土體的滲透性、土層厚度等，地面回彈往往遲后于含水層水位的回升。

4地裂縫

4.1地裂縫的分布

區(qū)域內(nèi)首條地裂縫于1989年出現(xiàn)在常州市東南部約18 km處的武進(jìn)橫林鎮(zhèn)，迄今共出現(xiàn)25條?？臻g上地裂縫集中分布于湖蘇斷裂以西蘇錫構(gòu)造區(qū)內(nèi)地下水開采強(qiáng)烈、地面沉降嚴(yán)重的地區(qū)(圖1)，該處第三、四承壓含水層基本缺失，基巖構(gòu)造復(fù)雜，有背斜、向斜、斷層，起伏不平的基巖面導(dǎo)致第四系厚度變化大。形態(tài)上地裂縫以張性為主，局部出現(xiàn)張扭性，地表上地裂縫兩側(cè)土體表現(xiàn)為垂直差異沉降或水平拉張。地裂縫兩側(cè)地面高差最大可達(dá)50 cm，單個裂縫張開寬度可達(dá)2～6 cm，最大達(dá)10 cm。地裂縫呈帶狀，由一條主裂縫和分布于其兩側(cè)的若干條次級裂縫組成一條地裂縫帶，地裂縫帶寬一般為30～100 m，延長一般為200～2000 m[7]。時間上地裂縫發(fā)育的鼎盛時期是20世紀(jì)90年代，是該地區(qū)強(qiáng)烈開采地下水的時期。區(qū)域內(nèi)近80%的地裂縫形成于1990～1996年間，1995年出現(xiàn)的地裂縫數(shù)量最多，達(dá)六條。2000年后地裂縫的發(fā)展有下降趨勢，2003年后沒有出現(xiàn)新的地裂縫。地裂縫的產(chǎn)生與地下水開采具有明顯的時間相關(guān)性。地裂縫有兩個主要方向，一個是NE67°～45°，另一個是 NE67°～90°(圖11)。大多數(shù)裂縫方向大致平行于基巖褶皺軸方向和基巖斷層走向，但也有一些地裂縫與上述方向斜交。地裂縫主要發(fā)生于地面沉降梯度較大的區(qū)域，但大多數(shù)地裂縫遠(yuǎn)離地面沉降中心。有些地裂縫與地面沉降等值線以較大角度相交，另一些裂縫則與地面沉降等值線大致平行。

圖11　地裂縫玫瑰圖Fig.11　Rose diagram showing numbers of land fissures

4.2地裂縫發(fā)生機(jī)理

長江三角洲南部地裂縫發(fā)育在空間和時間上均與地下水開采有密切關(guān)系。江蘇省地震局采用淺層人工地震、精密磁測、淺鉆及地震地質(zhì)等方法在地裂縫發(fā)育區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)第四紀(jì)斷裂和全新世斷裂，證明地裂縫與新構(gòu)造活動和地震無關(guān)[8]，而是由強(qiáng)烈開采地下水引起的。在地下水開采下，地質(zhì)條件對地裂縫的形成有重要影響。方便起見，根據(jù)蘇錫常地裂縫區(qū)情況將其地質(zhì)條件概化為三種地質(zhì)概念模型(圖12)。第一種為具有基巖隆起的含水系統(tǒng)，隆起的基巖一方面使含水系統(tǒng)的厚度不均，另一方面阻礙地下水流動，加劇了應(yīng)力應(yīng)變的不均勻分布。第二種為具有基巖陡坎的含水系統(tǒng)，在陡坎兩側(cè)，含水系統(tǒng)的厚度不同，從而影響到其應(yīng)力應(yīng)變的分布。第三種為含水層厚度急劇變化的含水系統(tǒng)。應(yīng)力的不均勻變化可導(dǎo)致土體破壞，產(chǎn)生地裂縫。為了更好地了解地裂縫形成機(jī)理，針對三種地質(zhì)模型進(jìn)行開采地下水條件下土層中應(yīng)力應(yīng)變的模擬計算。

圖12　蘇錫常地裂縫地質(zhì)概念模型Fig.12　Geological conceptual model of land fissure in Suzhou,Wuxi and Changzhou

根據(jù)Biot理論建立方程

(4)

其中，u為位移矢量，m；p為孔隙水壓力，kPa；K為滲透系數(shù)，m/s；γw為水的重度，kN/m3；t為時間，s；λ和G為拉梅常數(shù)。

采用有限單元方法求解方程組(4)，其結(jié)果如圖13和圖14所示。圖13是水平有效正應(yīng)力的等值線，抽水井附近水平應(yīng)力發(fā)生明顯增加，而地表附近水平應(yīng)力也產(chǎn)生變化。由于地表附近初始應(yīng)力較小，因此抽水引起的應(yīng)力減小可導(dǎo)致地表附近出現(xiàn)拉力，當(dāng)拉力達(dá)到土體的抗拉強(qiáng)度時，土體就會開裂，形成地裂縫。由于右邊界水平方向是固定的，這一區(qū)域易于出現(xiàn)拉應(yīng)力。在第一種地質(zhì)模型中，拉張區(qū)還出現(xiàn)在基巖隆起上方的地面處。在第二、三種地質(zhì)模型中拉張區(qū)還出現(xiàn)在含水層厚度突變及基巖陡坎上方的地表處。初始裂縫形成后可進(jìn)一步向下發(fā)展。圖14是不同地質(zhì)模型對應(yīng)的剪應(yīng)力等值線。在基巖隆起、基巖陡坎、含水層厚度突變的附近剪應(yīng)力明顯增加，對應(yīng)于三種地質(zhì)模型的最大剪應(yīng)力分別為16、85、14kPa，當(dāng)滿足Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則時土體將發(fā)生剪切破壞。當(dāng)然實(shí)際土層分布及抽水情況要復(fù)雜得多，因此實(shí)際地裂縫可能是拉裂破壞和剪切破壞綜合引起的。

圖13　水平有效正應(yīng)力等值線Fig.13　Isolines of horizontal effective normal stress

圖14　不同地質(zhì)模型對應(yīng)的剪應(yīng)力等值線Fig.14　Shearing stress isolines of different geological models

地裂縫是否形成一方面與土層中應(yīng)力有關(guān)，在垂直方向差異沉降大以及水平位移變化大的近地表處，拉應(yīng)力也大。造成差異沉降的原因有：地層結(jié)構(gòu)的差異、土體壓縮性的差異、地下水位變化的差異以及沉降速率的差異等，因此地裂縫常出現(xiàn)于基巖隆起處、斷崖處，已有斷層處以及沉降盆地的邊緣。另一方面，與土體的強(qiáng)度有關(guān)，張性裂縫與抗拉強(qiáng)度有關(guān)，扭性裂縫與抗剪強(qiáng)度有關(guān)。影響土體抗拉強(qiáng)度的因素有土性、含水量、粒間聯(lián)結(jié)等。通常土體的抗拉強(qiáng)度比抗剪強(qiáng)度小得多，因此，地裂縫多呈張性。

蘇錫構(gòu)造區(qū)內(nèi)基巖構(gòu)造復(fù)雜，褶皺發(fā)育，有些地方還有斷層崖，因此基巖面起伏強(qiáng)烈，第四紀(jì)沉積物厚度變化大，且第二承壓含水層開采強(qiáng)度和水力坡度也大，地面差異沉降明顯，由此造成該區(qū)域出現(xiàn)多條地裂縫。上海和蘇州的基巖面埋深大、起伏小，淺部廣泛分布淤泥和淤泥質(zhì)黏土構(gòu)成的第一弱透水層，雖地面總沉降量較大，但差異沉降較小，第二、三承壓含水層的水力坡度均不大，該區(qū)未發(fā)現(xiàn)地裂縫。杭嘉湖地區(qū)總的地面沉降小，基巖面起伏不大，到目前為止也未出現(xiàn)地裂縫，但如果繼續(xù)大量開采地下水，隨著地面沉降的進(jìn)一步發(fā)展，也可能出現(xiàn)地裂縫。

5結(jié)論

(1)地面沉降在時間和空間上均與地下水開采密切相關(guān)。平面上的分布形態(tài)與主采層地下水位的分布形態(tài)有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，垂向上的主要沉降層與主采層、土層厚度、壓縮性等有關(guān)，弱透水層和含水層均可能成為主要沉降層。1990年以前上海的主要沉降層是第一弱透水層，1990年后是第三承壓含水砂層，2009年后深部土層大多開始回彈，淺部土層雖繼續(xù)壓縮，但其變形速率已很小。常州地區(qū)的主要沉降層是第二弱透水層。

(2)抽水條件下土層的變形特征復(fù)雜，其變形特征與土層經(jīng)歷的地下水位的變化過程有關(guān)。不僅弱透水層存在塑性和粘塑性變形，在一定的水位變化條件下含水砂層也存在塑性和粘塑性變形。地面沉降是地表下所有受影響土層的變形之和，各土層由于經(jīng)歷了不同的地下水位變化具有不同的變形特征。有些土層壓縮，另一些土層可能回彈，當(dāng)所有回彈土層的回彈量大于所有壓縮土層的壓縮量時，地面回彈，否則地面下沉。地面回彈總是遲后于含水層水位的持續(xù)上升，原因在于弱透水層的粘塑性變形和固結(jié)變形以及含水層的粘塑性變形。

(3)地裂縫的成因主要與抽取地下水有關(guān)，地質(zhì)條件對地裂縫的形成和分布起著重要作用，不均勻的地質(zhì)條件使得近地表一些區(qū)域的水平有效應(yīng)力減小為負(fù)值，出現(xiàn)拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到土體的抗拉強(qiáng)度時土體產(chǎn)生拉裂破壞；不均勻的地質(zhì)條件也使得土體中剪應(yīng)力大幅增加，一旦達(dá)到Mohr-Coulomb條件，土體將產(chǎn)生剪切破壞。地裂縫主要發(fā)生在基巖面起伏強(qiáng)烈、含水層厚度劇烈變化的地方。

(4)人工回灌和減小地下水開采量是控制地面沉降的有效措施，目前大部分地區(qū)地面沉降已停止，有些地方地面開始回彈。為了控制地面沉降和地裂縫的發(fā)展，應(yīng)限制地下水開采量，尤其是避免出現(xiàn)地下水位低于土層歷史上曾經(jīng)達(dá)到的最低水位。

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DOI:10.16788/j.hddz.32-1865/P.2016.01.001

* 收稿日期：2016-01-15改回日期：2016-02-24責(zé)任編輯：譚桂麗

第一作者簡介：薛禹群，1931年生，男，中國科學(xué)院院士，教授，博導(dǎo)，水文地質(zhì)專業(yè)，擅長地下水?dāng)?shù)值模擬研究。

中圖分類號：P642.26

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-1871(2016)01-001-09

Land subsidence and land fissures in the southern Yangtze River Delta

XUE Yu-qun, ZHANG Yun

(SchoolofEarthSciencesandEngineering,NanjingUniversity,Nanjing210023,China)

Abstract：Excessive exploitation for groundwater can cause serious land subsidence and land fissures in the southern Yangtze River Delta, resulting in huge economic losses. The occurrence and development of land subsidence and land fissures are closely related to the exploitation of groundwater in time and space, with the rate of land subsidence increasing obviously at the peak of groundwater exploitation and reducing significantly and even rebounding slightly during the stable or recovery periods of groundwater. Horizontally, the distribution pattern of land subsidence has strong correlation with that of groundwater level in the main mining layers; vertically, to the thickness of the main mining layers, soil layers and compression property. Both aquitard and aquifer can be main subsidence layers. The deformation of soil layers, triggered by exploitation for underground water, is closely related to the change process of groundwater level; plastic and visco plastic deformation occurs not only in aquitard but in water-bearing sand layers even under the condition of certain water level change. Land subsidence is accumulative effect of deformation of various subsurface layers. In order to control the development of land subsidence and land fissures, it is suggested in this study that exploitation amount of groundwater should be restricted, especially avoid the water level from reaching the lowest level occurring in the history of the soil layers.

Key words:Land subsidence; land fissure；mining of groundwater；the Yangtze River Delta