广州市南沙区软土地面沉降特征及城市防灾减灾的建议

陈小月

(广州市地质调查院,广州 510440)

1 前言

南沙区位于广州市最南端，面积803 km2，除南沙街、黄阁镇、大岗镇发育丘陵地貌外，大部分区域属于珠江三角洲冲海积和人工堆积平原，第四系厚度北部薄，南部厚，平均约30余米。区内水系发育，主要有沙湾水道、沙仔沥、小虎沥、蕉门水道、洪奇沥、上横沥、下横沥、虎门水道、凫洲水道及龙穴南水道等。

2011年，南沙区发展被写入国家十二五规划，提出要把南沙区打造成“内地连接港澳的商业服务中心、科技创新中心、教育培训基地、临港产业配套服务合作区”；2012年，国务院批复《广州南沙新区发展规划》，标志着南沙区成为国家级新区，其开发建设上升到了国家战略层面；2015年，中共中央政治局召开会议，审议通过南沙自由贸易试验区总体方案，自此，南沙“双区”格局形成。

中国(广东)自由贸易试验区广州南沙新区片区总规模60 km2，共7个区块，分别为海港区块、明珠湾起步区区块、南沙枢纽区块、庆盛枢纽区块、南沙湾区块、蕉门河中心区块和万顷沙保税港加工制造业区块。除庆盛区块位于南沙区北部外，其余6个区块均位于南沙区中南部，下伏第四系厚度基本在40 m以上，软土厚度基本在20 m以上，为该区域软土最发育的地区。蕉门河中心区块内的南沙街滨海半岛小区建成于2010年， 2011年1月25日至2017年5月15日的监测数据显示，小区内012监测点累计沉降量已达到730.87 mm，沉降速率115.89 mm/a，不均匀沉降造成路面起伏、墙体开裂、房屋悬空、管线扯断。由于软土层在南沙区普遍发育，区内正在开发或即将开发建设的场地如何避免上述地面沉降灾害是需要认真面对的地质环境问题[1-5]。

2 南沙区软土分布范围及特征

南沙区软土为河海相互作用形成，淤泥与粉细中砂交错沉积，形成时间短、埋藏浅、空间分布广，沉积厚度与古地理环境关系密切。整理分析大量钻孔资料得出南沙区软土分布范围及特征如下：

南沙软土厚度超过40 m的区域主要分布在十七涌至二十涌西南部及民立村以南一带，最厚可达55 m；厚度在30～40 m范围内的软土主要零星分布于鱼窝头东、小虎、万洲大桥及以北、庙贝农场、新联二、上八顷、滨海公园、向新以北、较杯山与北围之间的龙穴南水道、沙尾二及民兴村等地；20～30 m厚度软土在南沙区分布面积最广，北起东涌镇南、鱼窝头一带，向南一路延伸至中埠、灵山岛、横沥岛直至龙穴岛、湿地公园，覆盖了一涌至二十涌绝大部分的陆域及水域范围；10～20 m厚度软土主要分布于榄核镇、大坳村、九比-下坭-大简-太石-小乌、石基、东涌镇-鱼窝头城区外围、沙螺湾以北、庙青、冯马-东方红-太阳升、向新-同安泰-平安-年丰-新安-沙尾-红湖-福安-北围一带以及十八罗汉、大山乸及黄山鲁等山体外围；5～10 m软土分布于新涌、牛角、西樵、雁沙、大稳、东岛、新海、沙仔、万州、群结等村落，以及十八罗汉、大山乸、黄山鲁、较杯山等山体周边；1～5 m厚度软土主要散布于榄核镇西北角、上坭、雁沙村东北以及南沙区山体丘陵的山脚地带(图1)。

垂向上分析，南沙区软土分为4层，其中全新世、晚更新世各两层。第一层软土(全新统上层软土)分布广泛，为全新世晚期海陆交互相沉积，沉积物主要为淤泥、淤泥质土、淤泥质砂土，埋深浅，厚度一般5～35 m，总体上由北向南逐渐增大，三民岛和新垦西南侧厚度最大；第二层软土(全新统下层软土)分布范围有限，零星分布于南沙，沉积厚度普遍较薄，以小于5 m厚度为常见，南部三民岛沉积厚度较大，可达20 m以上，以淤泥及淤泥质土为主，局部夹淤泥质砂土；第三层软土(上更新统上层软土)分布广泛，埋深2.0～57.4 m，总体由北向南递增，最厚在新垦南侧、横沥西侧，可达29.1 m，沉积物以淤泥、淤泥质土为主，局部为淤泥质砂土；第四层软土(上更新统下层软土)零星分布于南沙，厚0.55～17.40 m，以小于5.0 m厚度为常见，厚度最大在亭角达17.40 m，沉积物主要为淤泥质土，部分为松散-稍密的淤泥质砂。

3 研究方法

南沙区监测网与国家水准网联测精度达不到要求，故在南沙区建立了3座基岩标，采用局部的独立高程，作为南沙区监测网相对起算基点，以减少传递误差。3座基岩标分别位于飞沙角山废弃采石场东、西两端以及北部蕉门社区运动场(原废弃采石场)。15个人工水准监测点全部布设于城市建成区，其中，001～005监测点位于滨海花园小区，006～010监测点位于滨海水晶湾小区，011～015监测点位于滨海半岛小区，具体位置见图1。为实时获取地面沉降数据，除人工水准监测点外，另在南沙区布设了17套地面沉降远程自动化监测系统。因安装自动化监测系统时需挖开地表土层，经扰动后的土层沉降速率增加，为获得准确的地面累计沉降量数据，分析数据前需扣除前期扰动土壤压实所产生的沉降量和监测过程中人为干扰所产生的虚假沉降量，并将初始值归零。根据多年监测经验，系统仪器安装后的1个月为调整期，最多不超过4个月。

图1 南沙区软土分布及监测点布置图

4 南沙区地面沉降特征

南沙区地面沉降数据及沉降特征通过人工水准测量和地面沉降远程自动化监测系统获得，人工水准测量监测点全部布置于滨海花园、滨海水晶湾及滨海半岛小区内。3个小区施工期分别为1999～2003年、2004～2009年及2005～2010年，原始地面标高4～6 m，施工前堆填土厚度约1.5～2.5 m，滨海花园小区采用搅拌桩基础，滨海水晶湾和滨海半岛小区采用PHC管桩基础，基础持力层深度均约35～50 m，具体信息见表1。

表1 滨海花园、滨海水晶湾及滨海半岛小区基本信息表

15个地面沉降人工水准监测点中，001～015监测点建成于2011年，自2011年1月18日至2017年5月18日，历时2 302 d(约6.3 a)，共完成19次测量，012、014、011和013点的累积沉降量较大，均在400 mm以上，其中，012监测点的累积沉降量最大，达730.87 mm，沉降速率为115.89 mm/a；其余11点的累积沉降量较小，010监测点累计沉降量最小，仅为22.65 mm，沉降速率为3.59 mm/a(表2，图2)。

图2 南沙区地面沉降人工水准测量曲线图

根据详细勘察资料，滨海水晶湾内120个钻孔揭露的第四系平均厚度为35.47 m，软土(淤泥、砂)平均厚度为24.59 m，其中砂层平均厚度9.60 m；滨海半岛小区内155个钻孔揭露的第四系平均厚度为32.82 m，软土(淤泥、砂)平均厚度为31.00 m，其中砂层平均厚度7.14 m。从南沙区软土分布图亦可以看出，3个小区所在区域的软土厚度相近(见图1)，可见，滨海花园、滨海水晶湾和滨海半岛3个小区所处的区域地质环境条件相似，建设施工前的工程处理措施相似，但位于建成时间最晚的滨海半岛小区内的011～014监测点获取的地面沉降速率最大，而位于滨海半岛小区外、环市大道旁的015监测点和建成时间较早的滨海花园、滨海水晶湾内的001～010监测点获取地面沉降速率较小(表2)。

表2 人工水准测量数据表

17个地面沉降远程自动化监测站点的数据采集频率为每天一次，共分3个批次建成，D1、D2号监测点建成于2015年，位于滨海水晶湾和滨海半岛小区内，累计沉降量分别为36.29 mm和110.45 mm，沉降速率分别为14.67 mm/a和51.62 mm/a；D3～D6号监测点建成于2015年底，分别位于大元村委、逸涛半岛、中科院南海海洋研究所基地的东北角和西南角，自2015年底至2017年8月初，4个监测点累计沉降量分别为64.1 mm、20.3 mm、40.8 mm和42.3 mm，沉降速率分别为39.99 mm/a、12.27 mm/a、24.86 mm/a及24.28 mm/a；D7～D17号监测点建成于2016年8月，沉降数据获取至2017年8月初，其中，位于沙螺村委、虎门渡口、南沙游艇会、湿地公园、红海村、红港村、福安村、新安村及同兴村的D7～D9、D12～D17九个监测点累计沉降量相近，均在20.6 mm以下，沉降速率在6.37～26.29 mm/a之间，位于海滨公园的D10、D11号监测点累计沉降量最大，分别为41.3 mm和65.3 mm，沉降速率为42.23 mm/a和66.76 mm/a(图3、4)。

滨海半岛小区内012自动化监测点所在的位置的软土厚度约30 m，万顷沙镇湿地公园的D10自动化监测点所在位置的软土厚度为51 m，而前者沉降速率为51.62 mm/a，后者沉降速率不足20 mm/a，可见，地面累计沉降量与软土层厚度并无绝对、必然的联系。与人工水准监测结果相似，远程自动化监测数据同样显示新建成的滨海公园内的监测点所获取的地面沉降速率较其他自动化监测点大。

图3 D1～D6号地面沉降远程自动化监测数据曲线

图4 D7～D17号地面沉降远程自动化监测数据曲线

5 地面沉降成因分析

南沙区第四纪地层为晚更新世以来沉积形成，经历了两次大海侵和多次小波动，形成1～4层淤泥或淤泥质土，这类软土具有天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、承载力低、渗透性小、灵敏度高等特性，在自重或外部荷载下，很容易发生压缩变形，同时因软土中夹有砂层或砾石，形成良好的排水通道，更有利于土体压缩固结，从而产生软土地面沉降地质灾害[6-14]。借助基于饱和软土液氮真空冷冻制样技术、扫描电镜技术和计算机图像处理技术对滨海花园软土样品进行微结构分析(图5)，横、纵向放大2 000倍后可以发现饱和软土的微结构呈叠片体状，整体结构较为疏松。因此，在天然状态下，欠固结软土会产生自然压密，而当受到振动、外部荷载等扰动时，其结构连接受到破坏，强度迅速降低，极易产生侧向滑动、挤出等现象，产生更大规模的地面沉降量。

图5 滨海花园软土样扫描电镜照片

滨海半岛小区施工前的堆填土时间最晚，为2005～2009年，地面沉降人工水准测量的开始时间为2011年1月，该小区的堆填土和下伏第四纪地层仅经过2 a余的荷载压实，而滨海花园和滨海水晶湾小区建设时间较早，堆填土和下伏第四纪地层历经了5～11 a的荷载压实和自固结沉降过程。因此，滨海半岛内的011～014监测点因新近堆填土施加的外部荷载导致沉降速率较其他沉降监测点明显偏大；015监测点虽属于滨海半岛小区范围，但其靠近市政道路环市大道，推测未经历堆填土的外部荷载压实，沉降速率较011～014监测点明显偏小。

同样，南沙滨海公园为新近堆筑，内部挖掘大量人工湖、人工渠，且与狮子洋水道联通，土体松散，钻孔揭露第四纪沉积物分别为51 m及41 m，厚度较大，易自固结形成较大的地面沉降量。野外调查亦证实了滨海公园存在较大的地面沉降量，2016年9月29日踏勘时，滨海公园文化博物馆周围草坪地面与建筑物室内原始地面高差已达82 cm(图6)，排污管、水管等附属设施均被拉断，室内地面整体凹陷，地砖破碎，已无法使用。位于农田、乡村的自动化沉降监测点获取的地面沉降速率偏低，主要原因为农田、乡村的地面荷载小，同时受人类工程活动影响小；以逸涛半岛为代表的建成时间较长的小区、公园等范围内，地面土体已经历了较长时间的荷载压实，土体较密实，为地面沉降速率较缓的主要原因。

南沙区软土的高含水量、高孔隙比、高压缩性、低承载力及高灵敏度等特性是地面沉降的先决条件，而地面荷载、压实程度的不同是导致沉降速率出现显著差异的直接原因。

6 对城市防灾减灾的建议

软土地面沉降具有缓变性、不可逆性、区域性、隐蔽性和人为性等特征，可导致建筑物上部结构开裂、构筑物变形、道路路面起伏、地下管线破坏和扯断等(见图6)，在未来十几年甚至几十年的时间内，将给城市发展带来巨大的经济损失，甚至可能导致城市的瘫痪，因此，如何降低或避免地面沉降带来的经济损失是南沙区未来城市建设需要面对的问题[15-17]。

图6 软土地面沉降灾害现象

(1) 合理编制城市规划。除地质条件等自然因素外，城市地面沉降速率主要与城市发展速度、建筑密集程度等情况有关。地面沉降是不可避免、不可逆转的，在编制城市规划时，必须要考虑地质环境条件的承载力，控制好城市发展速度及建设强度，同时要做好地面沉降造成次生灾害的弥补措施，如地面沉降造成防洪能力减弱、桥梁净空减少、地裂缝、建筑地基失稳等。此外，应考虑到地面沉降致使城市测绘资料失真的问题。

(2) 建立地面沉降监测网络。建立覆盖南沙区的地面沉降网络，通过设置基岩标、分层标，地下水动态观测井、地面沉降远程自动化监测仪器，实现对南沙区软土地面沉降的实时监测。其中，直接获取地面沉降数据的地面沉降自动化监测仪器的布设密度应控制在4 km/点，数据获取频率不低于1次/d，两者可根据实际情况进行适当加密或减少，并将年度监测成果及时反馈至政府相关职能部门，为城市发展规划提供地质角度的依据。

(3) 落实具体防治措施。在地面沉降易发区开展工程建设时，必须开展前期论证工作。修建高层建筑物，应采用深桩基础，桩基直接落在基岩上；若修建一般建筑物，可以选用排水固结、置换及拌入、碾压与夯实、垫土垫层、振密挤密等一种或几种工程处理措施改善地基，提高地基承载力。

(4) 加强施工质量监测。对于软土发育区内的工程项目，必须对处理后的地基进行原位十字板剪切试验、现场静力触探、标准贯入试验以及取土进行室内土工试验，检测地基土的含水量、强度、容重、孔隙比、压缩系数及固结压力等指标，以保证施工质量，尽量减少工程结束后地面沉降带来的灾害性影响。

7 结论

地面沉降是在自然和人为因素作用下，地壳表层土体压缩而导致地面标高降低的一种环境地质现象。地面沉降具有生成缓慢、持续时间长、影响范围广、成因机制复杂和防治难度大等特点，是一种对资源利用、环境保护、经济发展、城市建设和人民生活构成威胁的地质灾害。查明软土层的分布特征及其工程特性，预测最终沉降量，以便采取合理有效的处理措施，为今后的工程施工提供科学依据，为城市规划和土地开发利用提供基础性、先导性与科学性方面的支撑，是从根本上解决南沙城市发展面临的地面沉降地质灾害的有效途径。

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