天津填海造陸地區地面沉降監測與防治研究

呂瀟文，牛文明，羅立紅，張 鶯，牛 毅

（天津市地質環境監測總站，天津 300191）

天津填海造陸地區地面沉降監測與防治研究

呂瀟文，牛文明，羅立紅，張 鶯，牛 毅

（天津市地質環境監測總站，天津 300191）

地面沉降是天津填海造陸地區最主要的地質問題，具有緩變性、不易察覺的特點，一旦形成，很難恢復。本文介紹了天津填海造陸地區地面沉降監測網建設情況，結合監測成果論述了地面沉降平面及垂向發育特征，在此基礎上分析沉降原因，并針對性地提出填海造陸地區地面沉降防治建議，為該區地面沉降控制管理工作提供了技術依據。

填海造陸；地面沉降；監測；防治

近年來天津沿海地區經濟建設的迅猛發展對土地資源需求量日趨增加，為了解決土地資源的供求矛盾，實現沿海經濟的可持續發展，填海造陸成為沿海地區利用沿海灘涂拓展土地資源的一項重要途徑。目前，臨港工業區、天津港擴建、南港工業區、中心漁港等填海造陸工程陸續建設。這些地區是大型工業集聚基地，匯集世界級化學工業，港航設施及裝備制造業，未來將成為功能多樣化的港灣工業新城，是天津濱海新區新的經濟增長點。

由于填海造陸區地理位置特殊，地質環境條件復雜，在取得經濟效益的同時也面臨著嚴峻的地質災害問題，其中地面沉降災害影響最為突出。地面沉降造成高程損失、不均勻沉降等問題會對區內工業工程、防洪防汛、市政管線道路等設施產生直接影響，也間接威脅區內工程建設及經濟發展的穩定運行。

為了有針對性地采取措施控制地面沉降災害，降低其帶來的損失和風險，天津市自2007年逐步建設以水準、分層標、InSAR為主的監測體系，開展以臨港工業區、南港工業區為重點的填海造陸地區地面沉降監測。本文通過對監測資料的分析，總結該地區地面沉降發育特征并提出相應防治建議。

1　區域地質概況

天津填海造陸區地貌單元主要為海積低平原和海岸潮間帶區，地貌形成年代新，現代動態十分活躍。新生代以來，在河流沖積與海洋沉積交互作用下，歷經滄桑巨變，海岸低緩平直，為典型平原淤泥質海岸，自西向東緩慢降低。潮間帶發育，沿海呈帶狀分布，微向海傾斜。

其所在二級構造單元為華北斷坳，三級構造單元為黃驊坳陷，研究認為黃驊坳陷地區由構造活動引起的年均沉降量為2.0mm/a［1，2］。地層沉積受水動力、構造影響大，沉積旋回性、韻律性明顯，總體為陸相砂與黏土之間的不規則“互層”狀，中、上部有海相或過渡相沉積，局部層位有富炭黏土或泥炭層。

由于地處濱海平原，多次海侵形成廣泛分布的咸水，第Ⅰ含水組全部為咸水，咸水體之下的深層淡水分布廣泛，受沉積環境影響，含水層顆粒和厚度自西向東變細、變薄，富水性變差。深層水（包括Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ含水組）為高水頭承壓淡水，分布廣，厚度大，局部水量較大。為控制地面沉降，天津濱海地區大規模壓采地下水，2014年地下水開采量僅為5323.16萬m3。

2　地面沉降監測方法及成果

2.1監測網布置

目前天津市填海造陸區已建有包括InSAR、水準和分層標的地面沉降監測體系，其作用是從平面和垂向對臨港地區地面沉降發育情況進行監測，對地面沉降防治發揮了積極作用，同時也為地面沉降地質災害預警打下良好基礎。

（1）InSAR監測

又稱合成孔徑雷達差分干涉測量，這種遙感手段具有形變測量精度高、不受天氣制約、自動化程度高和經濟投入少等優點［3，4］。臨港工業區建設初期，區內處于大規模吹填建設中，短時間內地表變形較大，為解決區域內相干目標較少的問題，安裝了9個角反射器（Corner Reflecter）以輔助InSAR監測。通過對比InSAR與水準測量的結果，證明該方法能夠便捷地獲取地面變形的情況，精度可以達到毫米級。

（2）水準監測

目前應用廣泛的地面沉降監測方法，具有測量精度高、成果可靠的特點，是地面沉降發育比較嚴重且監測精度要求較高的地區首選監測方法。臨港工業區、南港工業區建設水準監測網（圖1），測量頻率每年一次，等級為國家二等，已并入天津市地面沉降水準監測網。通過水準測量掌握該地區地面沉降發育總體趨勢，與InSAR監測方法相互驗證。

圖1　天津南港工業區水準點位置示意Fig.1　The benchmark location in Nangang Industry area in Tianjin

（3）分層標監測

用水準測量方法監測不同深度地層垂向變形情況，用以分析地下水位變化和土層變形的動態規律，查明地面沉降的主要層位及因素，監測精度可以達到0.01mm。臨港工業區、南港工業區內自2007年陸續建設分層標四組，一組深標位于臨港工業區黃河道，用于監測濱海地區第四系以上地層由于地下水開采引起的沉降和大規模填土、工程施工引起的沉降，最大監測深度425m；其余三組淺標分別位于南港工業區、臨港工業區遼寧路、臨港工業區長江道，用于監測填土、工程施工引起的沉降，最大控制深度100m。目前所有分層標人工測量每月一次，其中1組分層標實現自動化監測，可實時獲取數據。

2.2監測成果分析

（1）區域沉降特征

根據InSAR地面沉降解譯和水準測量結果綜合分析，臨港工業區規劃一期2012、2013年沉降量普遍在20～30mm/a之間，局部地區年沉降量大于40mm/a（圖2）。臨港分層標監測深度425m范圍內，自2008年監測以來沉降量呈總體減小趨勢，年沉降量由30mm/a到2013年減小至10 mm/a（圖3），累計沉降量超過110 mm。

（2）不均勻沉降特征

圖2　2012年天津臨港工業區地面沉降速率Fig.2　Average subsidence rate of Habor Industry Park in Tianjin（2012）

圖3　天津臨港分層標年沉降量變化（0～425m）Fig.3　Average subsidence rate of layerwise mark （0～425m）in Habor Industry Park in Tianjin

2014年水準測量成果表明：南港工業區15個監測點平均沉降值為41.7mm，其中沉降最小的點沉降值為16.2mm/ a，沉降最大的點沉降值達71.2mm/a，沉降最大點與沉降最小點相差55mm/a。

臨港工業區遼河路和長江道兩組分層標監測深度在40m，距離小于1000m，2012～2014年累計沉降量約相差近110mm，其中20m以上地層累計沉降量相差約100mm，不均勻沉降顯著。

（3）垂向沉降特征

臨港分層標淺部地層變形特征：臨港分層標0～100m深度范圍揭露了上更新統以淺地層變形情況［5，6］（圖4）。C0-1為填土層厚度為3.2m，該層2008～2010年處于沉降階段，沉降量逐漸減小，2011年受附近道路開挖施工影響，卸除自重應力，使周圍土體發生應力改變，該層開始回彈，至今累計回彈+4.55mm；C1-2監測深度3.2～17.6m主要為淤泥質軟土，由2008年沉降24mm/a減小到2013年沉降5.61mm/a，后期沉降量逐漸減小；C2-3監測深度17.6～26.5m，黏性土為主，總體表現為回彈；C3-4監測深度26.5～56.8m地層，這段地層砂層累計厚度23.4m，黏性土累計厚度6.5m，年均沉降5～8mm/a，單位變形量為0.264mm/m·a；C4-6監測深度56.8～100m地層，地層砂層累計厚度23.3m，黏性土累計厚度19.9m，自2008年監測起累計沉降4.25mm，單位變形量為0.02mm/m·a。

圖4　天津臨港淺部地層（0～100m）沉降變化曲線Fig.4　Deformation of shallow stratum （0～100m） in Habor Industry Park in Tianjin

臨港分層標深部地層特征：C6-7監測第Ⅱ～Ⅳ含水組（100～425m）地層變化情況，G5為第Ⅳ含水組地下水位動態變化曲線（圖5）。2008～2009年第Ⅳ含水組水位變幅平穩，對應的地層變化很小；自2010年水位直線下降，水位埋深由42.5m至2013年12月最低53.3m，累計降幅近11m，相應地層壓縮，累計沉降量21.37mm，單位變形量0.0255mm/m·a，可見地下水位的下降與地面沉降發育趨勢一致。2014年以來第Ⅳ含水層組水位回升，相應層位由沉降逐漸減小至回彈。

圖5　天津臨港深部地層（100～425m）變形與水位變化關系Fig.5　Relation of deformation and groundwater level of deep stratu（100～425m） in Habor Industry Park in Tianjin

3　地面沉降原因分析

綜合分析地面沉降原因，主要分為自然因素和人為因素。由于控沉措施主要圍繞人為因素的管理來實施，因此本文主要結合監測及試驗成果對人為因素加以分析。

3.1地下水開采

根據有效應力原理，地層只要開采地下流體資源，破壞地層內的應力平衡，引起孔隙水壓力降低，有效應力增加，就會導致地層進一步固結壓密，引起地面沉降。

有關學者對臨港工業區500m地層做了前期固結壓力試驗［7］，得出淺部第一海相地層均為欠固結的地層，前期固結壓力Pc均在地層自重壓力線之下，即Pc＜Po。除此之外，整個地層Pc值基本都在Po線兩側分布，Pc≈Po（圖6），反映了地層基本處在正常固結的狀態，即在現有地層的壓力下，地層的主固結已經完成。臨港工業區原為灘涂，遠離地下水開采區，本區基本無地下水開采，水位降幅不大，深層地下水初始水位埋深大約在30～40m，在這個水位值的影響下，基本上處在原始應力狀態，故地層表現為正常固結狀態［8，9］。

圖6　天津臨港工業區地層Pc隨深度變化關系Fig.6　The relation of Pc and depth of stratum in Habor Industry Park in Tianjin

因此該地區不存在臨界水位，只要開采地下水，引起地下水位下降，便會引起地面沉降，水位下降幅度越大，引起的地面沉降也越嚴重。通過對比臨港分層標第Ⅳ含水組和相應層位監測資料來看，水位下降11m，伴隨著地層壓縮超過21mm，可見地下水位的下降與地面沉降發育趨勢一致。即使此處不開采地下水，周邊開采地下水也會波及該地區，引起水位下降，同樣會引起地面沉降。因此填海造陸地區要控制地面沉降，必須嚴格控制地下水的開采。

3.2大面積填土工程

大規模填土工程不僅填土本身要固結壓密，同時作為一個大面積的荷載對下部地層造成影響，產生壓縮變形。填土工程大多分布在濱海地區，下臥軟土地層受其影響會產生壓縮變形，引起地面沉降。此外，軟弱土層在填土荷載的長期作用下，又有可能產生次固結變形，使地面沉降持續發展。填海造陸區填土地面沉降的危害，主要體現在降低區域高程及不均勻沉降對下覆市政及工業設施的影響。

臨港分層標填土厚度為3m，填土時間約為2006年，自2008年監測，圖7代表該標組第一海相層變形情況。第一海相層主要為淤泥質軟土，主要特征為天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于1.0的細粒土，高壓縮性、低強度、低滲透性，欠固結。從多年來的監測數據來看，在沒有外部荷載和施工影響條件下，該層的變形量多年平均值不足1mm［10］。在增加上覆填土荷載后加劇了該層沉降發育，該層2008年沉降量為24m/a，單位變形量為1.667mm/m·a，之后沉降量逐漸減小，到2013年沉降5.61mm/a，單位變形量為0.3896mm/m·a。但該層總沉降量持續增加，2008～2013年累計沉降超過60mm。天津濱海地區長期沉降監測成果表明，在填土影響下該層最初5～6年沉降影響最為明顯，后期沉降量逐年減小，卻持續變形。此外受填墊時間、填土厚度、材料等因素影響，其沉降表現差異較大。

圖7　天津臨港工業區軟土地層變形曲線Fig.7　The deformation of soft soil stratum in Habor Industry Park in Tianjin

4　地面沉降危害

4.1地面高程資源損失

高程對人類及其城市經濟活動是一種必不可少的基礎性資源。由于地面標高的不斷降低，損失了的標高只能用填土的方法來恢復。填海造陸區是在沿海灘涂上填墊而建，地面高程尤為重要，由于地面沉降的影響，為達到統一的標高，須要不斷增加填土厚度，將增加建設成本。

4.2對工業建筑及市政設施的危害

填海造陸區工程地質條件較差，各項目所在地填土厚度及材料、建設時期各異，因此不均勻沉降是該區的主要問題。臨港工業區內兩組淺標同時建成，監測深度為40m左右，位置相距不到1km，累計沉降量相差約110mm。不均勻沉降將改變包括煤水電地下管網、輸油管線、長距離精密工業生產設備等線性工程原有的設計高程和坡度，影響工程使用壽命，增加維修成本。此外，從以往災害調查成果來看，地面沉降還會導致地下管線破壞、雨后積水、地基下沉、房屋開裂、路基下沉等問題。

4.3地面沉降加劇風暴潮災害

填海造陸區地面沉降所造成的最大危害就是損失地面標高加劇風暴潮災害。地面的持續下沉使防潮堤的標高不斷降低，而隨著近年來風暴潮災害強度和頻率增加，天文大潮與臺風增水疊加形成的最高潮位超過防潮堤實測標高，導致抗風暴潮的能力大為降低，加劇了風暴潮對濱海地區的威脅［11，12］。

5　地面沉降防治建議

5.1加強地面沉降控制管理

根據《天津市地面沉降防治規劃（2013～2020年）》，規定濱海新區屬于地面沉降一級重點控制區，其近期（2013～2015年）規劃目標為：地面沉降速率控制在25mm/a內，因此需要采取有效措施提高控沉工作管理效果。

首先提高管理部門對地面沉降災害的重視，將控沉成效作為考核重要指標，落實《天津市地面沉降防治規劃（2013～2020年）》和《天津市控制地面沉降管理辦法》。其次填海造陸地區須在規劃階段，考慮由于大規模填土引發的沉降特別是不均勻沉降對區內基礎設施的影響，優化產業布局，預防地面沉降造成的損失。

5.2完善地面沉降監測，建立預警系統

（1）補充完善地面沉降監測網

目前填海造陸區已建有包括水準、InSAR和分層標監測的地面沉降監測網，但監測點大多集中在前期建設的工程區內，隨著工程建設推進，為了使地面沉降區監測實現100%覆蓋，需在新建地區布設監測設施，以及時掌握地面沉降發育情況，有針對性地進行控制區內標高損失程度。

（2）開展專項工程地面沉降監測

填海造陸地區工程地質條件較差，各項目所在地填土厚度及材料、建設時期各異，不均勻沉降是該區的主要問題。因此需要對受不均勻沉降敏感的線性工程包括煤水電地下管網、輸油管線、長距離精密工業生產設備開展專項監測，包括沉降監測、地下水位動態監測、分層監測等，以保證這些工程設施的安全運行。

（3）建設地面沉降預警系統

填海造陸地區面臨的最主要隱患是風暴潮的侵襲，建立和完善區域地面沉降災害預警體系，加強防潮波堤高程的監測更是尤為重要。盡早建立防潮堤沉降的監測預警系統，使預警預測模型與防潮堤實時監測數據結合，實現監測、研究、防治并舉，以起到削減風暴潮災害的作用，為保障濱海地區社會經濟安全保駕護航。

5.3加強工程建設引發的地面沉降研究

隨著填海造陸區建設的加快，大型建筑越來越多，有些工程需要進行基坑降水，將對周圍淺部地層地質環境產生影響；此外建筑物的荷載也會加劇地面沉降災害發育。從近年開發區監測資料表明，在控制地下水開采條件下，該區沉降量有所增加，這與城市大規模建設息息相關。因此，開展工程建設對地面沉降影響的監測和機理研究對保護工程施工順利進行，減輕工程建設對填海造陸地區地質環境影響具有重要意義。

6　結語

（1）通過分析監測成果，掌握了填海造陸區平面和不同深度地層垂向的變形特征，總體表現為隨著填土時間的增加沉降情況逐年遞減，但總量持續增加；在平面上不均勻沉降明顯，部分地區沉降差異大；從影響沉降層位來看，該區第一海相層是影響地面沉降的主要層位。

（2）天津填海造陸地區地面沉降的影響因素較復雜，因此要控制地面沉降，首先嚴格控制地下水的開采；其次受大面積填土荷載影響，沉降將長期存在，因此要提前做好區內工業工程設施的規劃，在設計中提前考慮預留標高，對于已建工程要關注沉降監測情況，及時采取措施規避風險。

（3）在分析地面沉降原因基礎上，從管理和技術方面提出建議包括加強填海造陸地區地面沉降控制管理、完善監測預警體系、重視工程建設引發的沉降研究等，為該地區地面沉降防治工作提供了技術依據。

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Researchon monitoring and control of land subsidence in a sea reclamation region of Tianjin

Lü Xiao-Wen, NIU Wen-Ming, LUO Li-Hong, ZHANG Ying, NIU Yi
（Tianjin Central Station of Geo-Environment Monitoring， Tianjin 300191， China）

Land subsidence is the main geological hazard affecting the sea reclamation region of Tianjin. It is unpredictable and difficult to remedy once it occurs. This article describes the land subsidence monitoring system of the sea reclamation area in Tianjin. It analyzes the characteristics of the land subsidence， and relates these to the monitoring results. Based on the reasons for the settlement ， this article offers suggestions for land subsidence disaster control in the sea reclamation region. It provides a technical basis for management decisions.

sea reclamation region； land subsidence； monitoring； control

P642.26

A

2095-1329（2016）03-0055-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2016.03.013

2016-07-29

2016-08-18

呂瀟文（1983-），女，碩士，工程師，主要從事地面沉降監測與研究.

電子郵箱: pauline1983@126.com

聯系電話: 022-23682576

國土資源部公益性行業科研專項經費項目（201311045）；中國地質調查局地質調查項目（水［2014］02-031-011）；天津市國土資源和房屋管理局科研項目（國土房任［2015］1號）