關于里下河淺洼平原區地面沉降因素探討

寧道昌 程鵬環

(鹽城工學院，江蘇 鹽城 224051)

關于里下河淺洼平原區地面沉降因素探討

寧道昌 程鵬環

(鹽城工學院，江蘇 鹽城 224051)

根據對鹽城地區里下河淺洼平原區的現場勘察和地面沉降監測情況進行統計分析，探討了各種自然因素和人為因素等對地面沉降的影響機理，總結了該區域地面沉降的發展規律，并提出了相應的防治措施和建議，為解決類似問題積累經驗。

平原，地面沉降，影響因素

鹽城里下河淺洼平原區在地理上位于江蘇省中部，北至蘇北灌溉總渠，南至通揚運河，東至通榆運河西，西達洪澤湖西。本區域大地構造隸屬于揚子準地臺蘇北拗陷帶，華夏系及華夏式構造控制著本區新生代地層發育，造就了里下河淺洼平原的地貌特征，松散沉積物達1 000 m以上，第四系厚度達200 m～300 m，基巖埋深大。受長三角經濟圈輻射作用，本區域人類活動的影響日益強烈，經濟建設速度加快，導致了地面沉降地質災害的發生，對基礎設施、生態環境造成嚴重威脅。

由于地面沉降已成為本地區影響最大、波及范圍最廣的地質災害，查明地面沉降的形成機理和主要影響因素，提出相應對策，防治災害進一步擴大是目前需要迫切解決的問題。

1 鹽城里下河淺洼平原區地面沉降發展狀況

1．1 地面沉降現狀

地面沉降是指在自然因素或人為因素作用下發生的地表高程下降的現象，它是一種緩變型地質災害，發生初期不易察覺，具有隱蔽性，一旦致災則波及面積很大，難以治理。根據鹽城市地震臺及水文站的水準測量資料，本區地面沉降始發于20世紀70年代，1981年城區累計地面沉降量達40 mm，1985年城區中部累計地面沉降量達到120 mm，城區其余部分累計地面沉降量小于100 mm，形成沉降洼地。此后，地面沉降進入加速擴展階段，目前本區累計地面沉降量超過600 mm的區域面積超過了120 km2，主要分布在鹽城城區附近，沿文港路—黃海路—鹽馬路—解放南路形成了四個地面沉降漏斗;本區累計地面沉降量超過200 mm的區域面積超過了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地面高程下降，還造成了較嚴重的危害及經濟損失，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，加劇洪水及風暴潮災害。3)城市公共設施發生坡度改變、開裂，橋梁下沉變形，凈空減小，航運受阻;地下管道破裂失效，交通線路受損;碼頭及其他港口設施下沉、變形，甚至被淹沒;抽水井管上升，井臺開裂，水井報廢。4)誘發次生災害，地面沉降引發海水倒灌，使土層和地下水鹽堿化;引起地裂縫、地面塌陷等不良地質現象。

2 本區地面沉降的自然影響因素分析

2．1 地殼構造運動的影響

本區域從中生代開始發生相對沉降，新生代以來沉降明顯，其間有短期停頓或相對上升，但總體趨勢始終表現為沉降。從第四系各統地層厚度分析，本區的沉降活動在時間上和空間上都是不均一的。本區新構造運動明顯受到北東東與北西西兩個方向構造的控制，時間愈新，北北西方向的控制愈明顯。早更新統厚度受北東東方向構造的控制。中更新統厚度則受北東東與北北西兩個方向構造的控制。晚更新統、全新統的厚度則主要受北北西方向構造的控制。所以區域新構造運動特征主要表現為地殼緩慢的沉降運動。有關資料顯示，構造運動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生熱膨脹效應，這些都導致了全球海平面的相對上升。據有關研究報告，今后40年內全球海平面上升速率的估計值約為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值約為8．0 mm/年～9．5 mm/年。地面高程是地面點到大地水準面(平均海水面)的鉛垂距離，因此海平面的相對上升，也造成了地面高程的損失。

2．3 巖土層結構的影響

由于本區成陸時間不長，河湖相和海陸交互相沉積地層發育。在鹽城市區西部一新建病房樓場地進行現場勘探，由地表到地下劃分為14個工程地質層，然后分層進行地面沉降變形監測，監測成果如表1所示。

表1 各層土體累計沉降變形量

由表1可見，在10個月的監測中各土層都發生了沉降變形，其中第三層淤泥質粉質黏土變形占地面沉降總量的46%，第七層黏質粉土變形占地面沉降總量的18%。而本區廣泛分布了淤泥質粉質黏土，所以本區淺部軟弱土層變形對地面沉降的影響較大。此外，第②，④，⑧，○1瑤層均為黏土，物理性質指標相近，但較深的第○1瑤層黏土變形相對顯著，中間的第⑧層黏土變形微弱。

2．4 土體性狀的影響

對試驗場區各土層進行室內外試驗，取土197組，測得各壓縮土層的壓縮系數均值，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。本區的淤泥質粉質粘土屬于軟弱土，含水量高達 46．5%，孔隙比達 1．281，內聚力為 20．4 kPa(UU)，內摩擦角僅為0．4°(UU)，這說明該層土粘土礦物顆粒間聯結較弱，結構不穩定，因而強度低，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 各土層物理力學指標變化

3 本區地面沉降的人為影響因素分析

3．1 長期過量開采地下水的影響

按含水層埋藏條件和水力特征，區內松散巖土孔隙水可分為五個含水層組，各含水層組特征如下：1)潛水含水層組。該含水層時代相當于第四紀全新世，含水層厚度約為10 m～15 m，水量較貧，水質較差。2)Ⅰ承壓含水層組。該含水層時代相當于第四紀晚更新世，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。該含水層時代相當于第四紀中更新世，含水層厚度約為15 m～85 m，單井涌水量可達1 000 m3/d～2 000 m3/d，水質較好。20世紀90年代前因無序開采，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(如圖2所示)，水位降落漏斗趨于穩定(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。該含水層時代相當于第四紀早更新世，含水層厚度約為15 m～45 m，單井涌水量可達300 m3/d～800 m3/d，水質良好。原始承壓水位高于地面0．7 m～1．4 m，從1966年開始開采，成為本區主要開采層位。1977年水位埋深為5．43 m，到1984年水位埋深達46．4 m，20世紀90年代后水位下降趨勢得到控制。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承壓含水層組時代相當于第三紀漸新世晚期河湖相沉積，含水層厚度大于40 m，本含水層水質好，平均單井涌水量約為1 030．2 m3/d。20世紀70年代末開始開采，水位埋深為1．27 m，由于在市區開采強烈，到2006年本層水位最大埋深達到50．97 m，限制開采后水位有所恢復(如圖3所示)，但水位降落漏斗邊緣仍未穩定，不斷向外擴展。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，沉降中心在市區北部新悅建材有限公司附近。

根據有效應力原理，上部土層壓力由土體中的水(孔隙水壓力)和土體顆粒骨架(有效應力)共同承擔，處于相對平衡狀態。當潛水位下降后，潛水位變動帶的孔隙水被疏干，上部土層壓力完全由固體骨架承擔，土體孔隙壓縮，造成地面沉降。對于承壓含水層而言，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構，但含水層上下的相對弱透水層中有效應力增加，固結壓縮，甚至產生垂向越流補給現象，從而造成地面沉降。圖4反映了Ⅲ承壓水位變動與地面沉降之間具有正相關關系。而圖5則反映出兩方面的問題：1)地面沉降相對于深層地下水具有明顯的滯后效應;2)在以Ⅳ含水層為主開采層的區段所發生的地面沉降主導誘因不僅僅是地下水位變動，還與城市建設密切相關。

圖2 Ⅱ承壓水位最大埋深與開采量關系

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系

圖5 水位埋深與地面沉降關系Ⅳ

3．2 城市建設的影響

1)施工作用。如前所述，本區軟土普遍發育，城市建設中廣泛采用樁基礎，樁基施工時產生的動力荷載作用，可使砂土層產生擠密效應，引起周圍地面沉降。基槽及地下工程開挖，則直接擾動土體，卸荷造成地面變形。井點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年鹽城市世紀大道某小區施工抽水12 d，造成基坑塌陷，周圍地面不均勻沉降，最大沉降量達137 mm，使鄰近的兩棟居民樓發生傾斜和墻壁裂縫。

2)工程荷載作用。前述鹽城市城區的四個地面沉降漏斗之形成與城市建設進程極為吻合，這些地區原來是以低層、多層建筑為主，容積率小;現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力，產生超靜孔隙水壓力。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，土體固結沉降。

對前述研究區內的新建病房樓進行地面沉降監測，成果如圖6所示，在工程荷載及自重應力作用下地基土壓縮固結，累計地面沉降量隨時間逐漸增大，沉降速率呈逐漸變小趨勢，地面沉降表現出時間效應。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曲線

4 本區地面沉降的防治措施

1)本區深層地下水屬于半消耗型水源，需避免長期大量開采，但由于目前地表水污染、地表水供水設施不足等原因，深層地下水仍是一種不可或缺的水資源，特別是在廣大鄉鎮地區。因而水資源管理部門應盡快建立起基于地理信息系統的地下水動態自動監測系統，以便科學確定并不斷修正安全開采量，合理限采，保證地下水可持續開發。2)本區同時是軟土地質災害的易發區，應加強地面變形監測工作，通過增設基巖標、分層標，提高地面沉降監測的精度。3)利用GPS RTK，InSAR等現代測繪技術手段，提高地面變形監測的效率和覆蓋面。4)地面沉降監測數據應統一管理，按一定程序定期發布使用。5)在城市建設規模較大的地區應開展專項研究，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系。

5 結語

通過對里下河淺洼平原區現場勘察及地面沉降監測資料的統計分析，確定出本區地面沉降的主要影響因素是地下水的超采、土層結構與形狀及工程施工加載，次要影響因素是構造運動及海平面上升，闡述了本區地面沉降形成機制和防治措施。但從地面沉降中心的遷移來看，在人類活動影響下，不同時期不同地段地面沉降的主導誘因是不同的，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［R］．2009．

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

［3］季國興．鹽城市主要環境水文地質問題［J］．江蘇地質，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(1972-)，女，講師