廣州南沙區(qū)軟土分布和地面沉降特征分析

陳運(yùn)坤, 高 磊, 屈尚俠

(廣州市地質(zhì)調(diào)查院,廣東 廣州 510440)

1 研究區(qū)概況

廣州南沙區(qū)位于廣州市沙灣水道以南,地處珠江出海口和珠江三角洲地理幾何中心,是連接珠江口岸城市群的樞紐。目前南沙區(qū)已定位為廣州市副中心,粵港澳全面合作示范區(qū),區(qū)內(nèi)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)堅實(shí),汽車、船舶、重大裝備等先進(jìn)制造業(yè)和航運(yùn)物流、科技創(chuàng)新、跨境電商等現(xiàn)代服務(wù)業(yè)快速發(fā)展。人類工程活動對環(huán)境地質(zhì)的影響程度越來越顯著,軟土地面沉降是區(qū)內(nèi)主要地質(zhì)災(zāi)害之一。

南沙區(qū)除了南沙街、黃閣鎮(zhèn)、大崗鎮(zhèn)發(fā)育丘陵地貌外,大部分區(qū)域以沖積海積平原為主,沉積了深厚的海陸交互相軟土。受人類工程活動及天然固結(jié)等作用的影響,地區(qū)內(nèi)已出現(xiàn)了不同程度的地面沉降災(zāi)害,導(dǎo)致建構(gòu)筑物發(fā)生傾斜、開裂破壞,道路扭曲變形,路面開裂,而且影響水利工程(包括堤圍工程)、地下供電、排水管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的正常使用。地面沉降對人們的生產(chǎn)、生活、交通等影響極大,已成為一種嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)問題,影響和制約著經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1]。

2 軟土分布特征

南沙區(qū)軟土主要是淤泥、淤泥質(zhì)土,屬晚更新世晚期至全新世的三角洲相沉積層。由于河流及濱海的復(fù)雜交替作用,軟土層呈內(nèi)疊式、交錯式或超覆式接觸。在剖面上,層厚變化較快,有“砂包泥”現(xiàn)象,產(chǎn)出層次不一,大部分地區(qū)為單層,局部為雙層及多層。顏色多為灰色,接近飽和狀態(tài),呈軟塑-流塑狀,微層理發(fā)育,含有貝殼碎片,有腐殖質(zhì),結(jié)構(gòu)疏松,具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強(qiáng)度低、滲透性低等特征,工程性質(zhì)極差[2]。

南沙區(qū)軟土分布面積約718.1 km2,除十八羅漢山、黃山魯?shù)壬贁?shù)低丘地帶外,基本全區(qū)覆蓋軟土層。軟土總厚度一般在5～40 m之間,平均厚度15.8 m,最厚可達(dá)55 m,層底埋深2.5～48.5 m。分布厚度呈由西北向東南逐漸加大的趨勢,厚度小于10 m的軟土一般分布在欖核鎮(zhèn)、靈山、烏洲村、黃閣鎮(zhèn)、南沙街道;厚度10～20 m的軟土主要分布在欖核鎮(zhèn)中部、東涌鎮(zhèn)、大崗鎮(zhèn)、橫瀝鎮(zhèn)大部分區(qū)域、龍穴島等;20～40 m的軟土分布在東涌鎮(zhèn)官坦村—魚窩頭村—萬洲村一帶、橫瀝、萬頃沙、三民島、南沙港區(qū);厚度大于40 m的軟土較少見,主要分布在萬頃沙十六—二十一涌局部地區(qū),三民島南部民立村等[3](如圖1)。

圖1 南沙區(qū)軟土厚度分布圖

3 地面沉降特性與機(jī)理

地面沉降是由于地表松軟土體壓縮而導(dǎo)致區(qū)域性地面標(biāo)高降低的一種環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象,是軟土地區(qū)城市化建設(shè)過程中出現(xiàn)的主要地質(zhì)災(zāi)害之一,具有持續(xù)時間長、影響范圍廣、成因機(jī)制復(fù)雜和防治難度大等特點(diǎn)。地面沉降作為一種緩變性、持久性、不可逆性的災(zāi)害,其影響范圍和程度隨時間的推移越發(fā)明顯。地面沉降的發(fā)生、發(fā)展和停止都是緩慢進(jìn)行的,初期人們往往不易察覺,沒有明顯的表征,但是災(zāi)害一旦發(fā)生,持續(xù)時間長,后果較嚴(yán)重。黏性土層的壓縮變形是不可逆的,地面沉降一旦發(fā)生就不可復(fù)原,并且在較長時間內(nèi)仍然將持續(xù)沉降。

廣州南沙地區(qū)軟土厚度大,形成時間短,是地面沉降災(zāi)害防治的重點(diǎn)區(qū)段。地面沉降災(zāi)害損失的大小與軟土厚度、軟土工程性質(zhì)、后期工程堆載和地基處理等防范措施的實(shí)施密切相關(guān)。研究表明引起軟土地面沉降的主要因素為:地下水位變動、附加荷載的作用、欠固結(jié)軟土自然壓實(shí)等[4]。

3.1 地下水位變動引起地面沉降

一方面,南沙區(qū)內(nèi)河流縱橫交錯,河網(wǎng)密布,地下水位動態(tài)呈現(xiàn)季節(jié)性周期變化。枯水期地下水向地表水體泄流,含水層釋放部分水量,地下水位下降,土層中的有效應(yīng)力增大,土層顆粒間發(fā)生壓縮變形,同時黏性土在排水過程中被壓縮具有不可逆性,形成地下水變動引起的地面沉降。另一方面,工程建設(shè)中的基坑降水和基坑排水都會造成水位的大幅度下降。尤其是長時間大降深的基坑降水,是近些年來城市地面沉降的主要誘因。

3.2 附加荷載引起地面沉降

軟土區(qū)地面沉降的附加荷載主要為建筑物的自重應(yīng)力、路基荷載及車輛動荷載。在附加荷載的影響下,軟土受外力作用,破壞了原先的應(yīng)力平衡狀態(tài),有效應(yīng)力和孔隙水壓力相互轉(zhuǎn)化,人為加速了軟土的排水固結(jié)-壓縮沉降過程。一般情況下,應(yīng)力集中的地方沉降量自然就大。地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中出現(xiàn)沉降的位置主要在墻體、臺階、路基、橋墩與路基之間。

3.3 軟土固結(jié)引起地面沉降

軟土屬欠固結(jié)土,形成年代不長,自重應(yīng)力作用下的固結(jié)尚未完成,所以即使沒有任何附加荷載,在自重應(yīng)力作用下,也會產(chǎn)生壓密變形,引發(fā)地面沉降。軟土壓縮沉降包括三個階段:瞬時沉降、固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降。瞬時沉降是由加載期間地基土產(chǎn)生的瞬時附加應(yīng)力所致,由于孔隙水來不及消散,土體體積也沒有變化,瞬時沉降一般在施工過程中也已基本完成。固結(jié)沉降是指軟土排水固結(jié)沉降,隨著孔隙水壓力的消散,有效應(yīng)力增大,孔隙比減小,土體出現(xiàn)壓縮變形。次固結(jié)沉降是軟土在附加應(yīng)力作用下,土體中的超孔隙水壓力已完全消散,由于土體長時間緩慢蠕變所產(chǎn)生的沉降。沿海地區(qū)淺層軟土微結(jié)構(gòu)類型以絮凝結(jié)構(gòu)為主,其特點(diǎn)是顆粒接觸不緊密,孔隙小且連通性差,孔隙水不易排出,因此固結(jié)速率慢,這也是沿海淺層軟土持續(xù)微沉的主要內(nèi)因。

4 南沙區(qū)地面沉降特征

近年來南沙重點(diǎn)發(fā)展區(qū)興建了大量的工程項目,其中相當(dāng)一部分都遭遇淤泥類軟土地基沉降災(zāi)害,具有代表性的如濱海花園、南沙港物流基地、萬頃沙等[5]。軟土地面沉降地質(zhì)災(zāi)害一般呈片區(qū)狀分布。廣州自2011年以來逐步開展地面沉降監(jiān)測工作,目前在南沙區(qū)已陸續(xù)布設(shè)了90多個自動化沉降監(jiān)測點(diǎn)。本文收集了南沙區(qū)2016—2020年來監(jiān)測點(diǎn)的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù),對軟土地面沉降的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行分析。對沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),南沙區(qū)整體呈下降趨勢,存在東涌鎮(zhèn)—魚窩頭、橫瀝—珠江街—萬頃沙的沉降帶,區(qū)域年均沉降速率為1.2～58.0 mm/a,整體的沉降量較大,其中30多處沉降監(jiān)測點(diǎn)年均沉降速率大于20 mm/a。從分布上來看,沉降速率較大的區(qū)域主要集中在軟土比較發(fā)育以及人類活動密集的區(qū)域,如麒麟新城、濱海半島、珠江街道、萬頃沙鎮(zhèn)等區(qū)域(如圖2所示)。其沉降特征主要如下:

圖2 南沙區(qū)地面沉降速率分區(qū)圖(2016—2020年)

(1)年均沉降速率小于10 mm/a的區(qū)域主要有欖核鎮(zhèn)—大崗鎮(zhèn)大部分地區(qū)、三沙村—慶盛—烏洲村、石基村—小烏村—馬克村—新沙村、長沙村、三民島、龍穴村、南沙街道低丘區(qū)域等。

(2)年均沉降速率為10～20 mm/a的區(qū)域主要有新涌村—八沙村、上坭村—坳尾村、廟貝沙—廟南村—明珠灣一帶、馮馬村—群結(jié)村—新安村—福安村。

(3)年均沉降速率為20～30 mm/a的區(qū)域集中在南涌口村—麒麟新城、東涌村、保利半島、濱海水晶灣等。

(4)年均沉降速率為30～40 mm/a的區(qū)域集中在珠江工業(yè)區(qū)一帶、七涌—沙尾一村—南沙保稅港、紅海村—百萬葵園、龍穴島雞抱沙北路一帶、濱海路一帶、萬洲村、欖核鎮(zhèn)上坭村等。

(5)年均沉降速率大于40 mm/a的區(qū)域主要集中在東涌鎮(zhèn)南涌村、南沙體育中心—濱海半島、海濱公園、萬頃沙紅港村—十七涌等。

由圖1、圖2可知,地面沉降空間分布與南沙區(qū)軟土厚度分布范圍基本吻合。整體上南沙區(qū)年均沉降速率大小與軟土厚度值的大小呈正相關(guān),軟土厚度較大的區(qū)域沉降速率也大,如東涌、橫瀝、珠江街、萬頃沙等軟土厚度較大的區(qū)域?qū)?yīng)其年均沉降速率也大。但有些區(qū)域并非如此,如濕地公園至十九涌一帶,軟土厚度較大,但是沉降速率相對較小,原因是該處主要為魚塘和濕地,人類工程活動較少。因此南沙區(qū)地面沉降不僅與地質(zhì)環(huán)境有關(guān),還與工程建設(shè)活動等密切相關(guān)。

5 結(jié)論

廣州南沙地區(qū)軟土厚度大,形成時間短,工程特性極差,是地面沉降災(zāi)害防治的重點(diǎn)區(qū)段。引起地面沉降的主要影響因素有:地下水位變動、附加荷載的作用、欠固結(jié)軟土自然壓實(shí)等。綜合分析南沙區(qū)歷年沉降監(jiān)測數(shù)據(jù),南沙區(qū)整體呈下降趨勢,年均沉降速率呈北小南大的規(guī)律,存在東涌鎮(zhèn)—魚窩頭,橫瀝—珠江街—萬頃沙的沉降帶。整體上區(qū)域沉降速率大小與軟土厚度大小成正相關(guān),軟土厚度較大的區(qū)域沉降速率也大。局部一些軟土厚度大的區(qū)域,但沉降速率較小,主要因為該區(qū)以魚塘和濕地為主,人類工程活動較少。因此南沙區(qū)地面沉降不僅與地質(zhì)環(huán)境有關(guān),還與工程建設(shè)活動等密切相關(guān)。