， ， ， ， 堃正

(河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院， 石家莊 050011)

1 研究背景

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，環(huán)境地質(zhì)問題突出，尤其是地面沉降地質(zhì)災(zāi)害影響范圍廣，已經(jīng)嚴(yán)重制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。因此，對(duì)地面沉降地質(zhì)災(zāi)害的研究勢(shì)在必行。

目前，國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者對(duì)地面沉降的機(jī)理和防治進(jìn)行研究。國(guó)家在2012年開展2012—2020年全國(guó)地面沉降防治規(guī)劃[1]，為地面沉降防治指明方向。文獻(xiàn)[2]—文獻(xiàn)[4]分析了我國(guó)地面沉降環(huán)境地質(zhì)問題，提出了防治策略。王國(guó)良[5]、房浩等[6]對(duì)地面沉降進(jìn)行量化分級(jí)，綜合評(píng)價(jià)地面沉降風(fēng)險(xiǎn)性。文獻(xiàn)[7]—文獻(xiàn)[12]利用GPS技術(shù)、InSAR技術(shù)、短基線子集干涉技術(shù)等，達(dá)到了地面沉降監(jiān)測(cè)要求，為地面沉降防治提供技術(shù)支持。田芳等[13]通過分析地面變形和水位變化關(guān)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(gòu)關(guān)系、有效應(yīng)力原理及彈性力學(xué)，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(duì)多井抽水時(shí)沉降-距離進(jìn)行論證，其仍遵循地面沉降值與距井的距離呈對(duì)數(shù)線性關(guān)系。孫自永等[15]、劉勇等[16]、劉瑾等[17]通過分析水文地質(zhì)資料，探討了黏土層厚度和地下水位變化與地面沉降的關(guān)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(zāi)害，并提出防治對(duì)策。張利生等[19]、李紅霞等[18]、李文運(yùn)等[21]、王啟耀等[22]利用數(shù)值模擬方法建立固結(jié)計(jì)算模型，模擬結(jié)果對(duì)地面沉降成因、發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)等達(dá)到防治要求。但是，上述研究是在太沙基一維固結(jié)理論基礎(chǔ)上研究地下水位下降對(duì)地面沉降的影響。本文通過搜集項(xiàng)目區(qū)工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件資料，結(jié)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(cuò)動(dòng)裂縫現(xiàn)象，2014年更為嚴(yán)重。經(jīng)勘查，裂縫是因南北沉降差異引起地面錯(cuò)動(dòng)造成的，呈帶狀分布，走向80°NE，可見長(zhǎng)度約1 500 m，影響寬度20～80 m,地裂縫寬1～4 cm ，地裂縫兩側(cè)地面錯(cuò)動(dòng)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(zhì)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(qiáng)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(guó)成立以來研究區(qū)最大的一場(chǎng)降雨，單月降雨量達(dá)381.6 mm；之后雨量逐年減小，進(jìn)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(zhì)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(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂為主。

2.2.3 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于永定河沖洪積平原水文地質(zhì)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(zhì)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(cè)向徑流補(bǔ)給，主要排泄方式為人工開采消耗和側(cè)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(xì)砂、粉砂、細(xì)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(cè)向徑流補(bǔ)給和越流補(bǔ)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(dāng)時(shí)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(cè)8 km，另外2條分別位于研究區(qū)南北兩側(cè)，其中北側(cè)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(zhì)構(gòu)造活動(dòng)

研究區(qū)位于冀中臺(tái)陷和滄縣臺(tái)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(duì)該區(qū)地面沉降有一定的影響。

2.2.6 人類工程活動(dòng)

研究區(qū)人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈，主要表現(xiàn)為建房、修路、耕種等。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展，人口數(shù)量不斷增長(zhǎng)，人類工程活動(dòng)漸趨加劇，對(duì)工程地質(zhì)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(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響、開采地下液體等，但每個(gè)地區(qū)影響地面沉降的主次因素不同，產(chǎn)生機(jī)理也不同，需要根據(jù)研究區(qū)工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件綜合分析確定。

3.1 工程地質(zhì)條件分析

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

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

3.2 水文地質(zhì)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(cè)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(dòng)范圍為0.6 mm；在2012年7月強(qiáng)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(jìn)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(fù)；至2015年6月，研究區(qū)再次進(jìn)入干旱期(走訪調(diào)查當(dāng)?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(cè)井霸1(研究區(qū)南側(cè)2.0 km)多年水位變化曲線圖可知，2012年6月強(qiáng)降雨之前，水位波動(dòng)較小，波動(dòng)幅度在0.96 m范圍內(nèi)；而2012年6月強(qiáng)降雨之后，水位波動(dòng)較大，尤其是水位下降幅度，從1.72 m下降至3.76 m，降幅達(dá)2.04 m。水位波動(dòng)趨勢(shì)與安1趨勢(shì)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(qiáng)降雨之后恢復(fù)。

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(dòng)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(duì)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(duì)研究區(qū)及其周邊地區(qū)地下水水位監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，2015年低水位期，研究區(qū)南側(cè)(榆樹園村)深層地下水埋深68.64 m，北側(cè)(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(chǎng)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(cè)安3監(jiān)測(cè)井和南側(cè)霸3監(jiān)測(cè)井的深層地下水位在2011年之后變動(dòng)較小，水位下降不明顯，對(duì)地面的影響也較小。根據(jù)2014年安3監(jiān)測(cè)井水位動(dòng)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(duì)地面影響較小。

圖8 2014年安3監(jiān)測(cè)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(yàn)結(jié)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(jì)算地面累計(jì)沉降量，采用土力學(xué)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(jì)沉降量計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation result of cumulative settlement of clayey soil strata

由計(jì)算結(jié)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(jì)沉降量相差較小，ZK8和ZK9累計(jì)沉降量較大，說明研究區(qū)北側(cè)黏性土厚度較大，累計(jì)沉降量較南部大，證實(shí)了地層沉積結(jié)構(gòu)差異對(duì)地面不均勻沉降影響很大。

圖9 累計(jì)沉降量監(jiān)測(cè)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(dǎo)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(dǎo)致地面沉降現(xiàn)象應(yīng)與擬合曲線近似相同，存在平緩的過渡，與實(shí)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(zhì)主要由粉細(xì)砂組成，孔隙較大、滲透性較強(qiáng)、徑流條件好，具有很強(qiáng)的富水、集水性質(zhì)。結(jié)合古河道變遷情況，河道的沉積、沖蝕、遷移的演化特征隨時(shí)間變遷造成古河道由多個(gè)時(shí)期組成，在剖面形態(tài)上呈現(xiàn)出地層交錯(cuò)、疊加的現(xiàn)象(圖4)。同時(shí)，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(duì)比，導(dǎo)致河道與河床沉積物質(zhì)的差異。

從力學(xué)過程來看，古河道形成的地貌條件對(duì)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(jìn)而牽動(dòng)兩側(cè)區(qū)域向河道中心拉張而形成裂縫，導(dǎo)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(zhì)松散、抗壓性弱、沉陷性大的特點(diǎn)，為欠固結(jié)狀態(tài)。因此，研究區(qū)受2012年7月強(qiáng)降雨影響，北側(cè)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(shí)從而牽動(dòng)兩側(cè)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(jìn)一步加劇古河道壓縮。古河道向中心壓縮的同時(shí)側(cè)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(cuò)動(dòng)裂縫。因此，古河道地下水水位上升和下降都會(huì)加快古河道地層固結(jié)，造成地面沉降，并在古河道與河漫交界處產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)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(yīng)力理論，飽和土中總應(yīng)力σ由孔隙水壓力μ和有效應(yīng)力σ′構(gòu)成。在σ不變的情況下，研究區(qū)砂層中地下水μ減小，勢(shì)必引起σ′的增加，造成砂粒互相壓實(shí)壓密，導(dǎo)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(jié)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(zhǎng)時(shí)間的滲流才能達(dá)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(zhì)條件和水文地質(zhì)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(jié)狀態(tài)。河道作為良好的儲(chǔ)水層，集水狀態(tài)下，受砂層自重影響易造成古河道兩側(cè)出現(xiàn)裂縫；失水狀態(tài)下，砂層趨于密實(shí)，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(jìn)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(cuò)動(dòng)裂隙。

再者，影響地面沉降的還有如下幾個(gè)次要因素：①深層地下水位近年呈下降趨勢(shì)，但變化幅度較小，對(duì)區(qū)域地面沉降有影響；②研究區(qū)構(gòu)造較復(fù)雜，研究區(qū)位于冀中臺(tái)陷和滄縣臺(tái)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(duì)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(shí)便進(jìn)行建房，造成房屋不均勻沉降，出現(xiàn)裂縫。

4 結(jié) 論

通過搜集資料和工程地質(zhì)勘查，基本查明研究區(qū)工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)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(dòng)力因素，地層沉積差異為地面不均勻沉降提供物質(zhì)基礎(chǔ)。次要因素主要有深層地下水位下降、地質(zhì)構(gòu)造、人類工程活動(dòng)等，深層地下水位下降造成區(qū)域地面沉降，地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)和人類工程活動(dòng)在一定程度上引起地面不均勻沉降。