天津市地面沉降研究成果

张姣姣 柳玉洁

(天津市地质环境监测总站，天津 300191)

地面沉降是指由于自然因素或人为活动引起松散土层压缩并导致一定区域范围内地面高程降低的地质现象。地面沉降灾害具有形成时间长、影响范围广、防治难度大、难以恢复等特点，已成为影响天津市可持续发展的重要因素之一。

1 地面沉降历史与现状

天津市地面沉降现象最早发现于1923年，到1985年，天津平原区地面沉降灾害已十分严重，中心城区地面沉降量达80 mm/年～100 mm/年，塘沽城区地面沉降量达80 mm/年～150 mm/年，严重危害了城市安全、轨道交通工程安全并加剧了沿海地区风暴潮灾害。为了控制地面沉降，天津市进行了多项调查、监测、研究、防治工作，取得了丰硕的成果，地面沉降防治成效显著。2017年中心城区平均沉降量14 mm，滨海新区平均沉降量16 mm，其中塘沽平均沉降量14 mm，汉沽平均沉降量27 mm，大港平均沉降量14 mm。

2 地面沉降监测工作

地面沉降监测是防治研究的基础，天津市地面沉降监测工作始于20世纪70年代，最早为建设了中心城区大直沽与陈塘庄分层标组。目前，天津市已建成较为完善的水准测量监测、分层标监测、GPS监测、地下水位动态监测的地面沉降监测体系并辅以InSAR监测，对地下水开采、软土变形以及大规模城市建设引起地面沉降的监测提供了技术支撑［1］，见表1。

表1 地面沉降监测设施统计

3 地面沉降主要研究成果

3.1 查明了天津市地面沉降的主要影响因素

影响天津地区地面沉降的因素可分为自然因素和人为因素。

1)自然因素包括构造活动与软土固结。新构造活动是影响天津市构造沉降的主要因素，运用第四纪地质学、历史地貌和历史水准点演化等方法得出天津市由基底构造活动造成的地面沉降的基本速率应为1.3 mm/年～2.0 mm/年，沿海地区沉降速率一般都达到 2.0 mm/年［2］。

软土固结引起的地面沉降主要表现在滨海软土分布区。滨海地区软土主要存在于全新统第一海侵层，一般厚度为2.5 m～5.0 m，局部地区厚度超过10 m，含水量高，呈软塑～流塑状，具高压缩性。此类软土处于欠固结状态，在自重应力下便会发生排水固结，产生地面沉降，此阶段属于软土主固结压缩，多年平均年变形量为1 mm/年，主固结时间一般为数月到一年，长者为3年～5年，软土层完成主固结后将长期处于次固结阶段［3］。

2)人为因素主要表现为超量开采地下水、开采地热水、开采油气以及城市建设等［4，5］，其中超量开采地下水为地面沉降主要影响因素。经过多年研究工作，超量开采地下水引起严重的地面沉降已成为大家的共识，从图1可以看出，地下水位的下降与地面沉降发育趋势具有一致性;1986年控沉计划实施后，大力压缩地下水开采，控沉效果更加明显的反映了地下水超量开采是影响地面沉降的主因。

图1 大港累计沉降量与水位埋深关系曲线

开采地热水引发地面沉降主要表现为开采新近系孔隙型地热水，相关资料显示，塘沽开采明化镇组和馆陶组热储层热水引起的地面沉降量为 5 mm/年 ～6 mm/年［6］。

开采油气资源引起地面沉降局限于油田区，目前大港油田已知欠固结地层深度已超过4 500 m，油气开采必将引起流体压力降低，岩层固体颗粒有效应力增加固结压密而引发地面沉降，但影响程度尚不清楚［7］。

城市建设引发地面沉降主要受建筑物荷载和基坑降水影响。天津地区地下水位埋深浅，基坑开挖必须进行人工降水，水位下降可达几十米，必然形成地面沉降;高大建筑的荷载使下部地基固结压密，引起地面沉降，特别是密集的建筑群，产生的影响将更明显。依据天津中心城区建筑物长观资料，建筑物荷载引起的沉降时间一般仅5年～15年，范围局限在建筑物附近［7］。

3.2 创建了一套深层土物理力学参数试验方法

为了获得更深层土的力学参数，研究地面沉降机理，研制了一套超高压固结仪，开展了深层土的超高压力学系列试验，试验类型包括前期固结压力试验、模拟水位变化的反复加卸荷试验、模拟0-P0反复加卸荷试验等［8］。

前期固结压力试验，认识了1 200 m深度内地层固结状态或受力历史，为地下水、地热开采实施水位控制提供了依据;模拟水位变化的反复加卸荷试验，获得了土层多级荷载下的压缩系数、压缩指数及卸荷时的回弹系数、回弹指数，为地面沉降机理研究和地面沉降预测预报提供了必要的参数;0-P0反复加卸荷试验，恢复了深层土的原始孔隙比，为合理预测地面沉降提供了更加精确的技术手段。

3.3 建立了准三维水流和一维地层压缩数值耦合模型

运用美国MODFLOW三维地下水流有限差分数学模型软件和中英合作开发的地层压缩模型IDP程序包(Interbed Drainage Package夹层排水程序包)在天津市中心城区及其周边546 km2范围内，建立了深度550 m准三维地下水流和一维地层压缩数值耦合模型［9，10］。

模型再现了地下水开采和地面沉降的过程，反映了地下水的开采引发地面沉降的规律:随着地下水的开采，地层产生垂向变形。变形由两部分组成，一部分是粘性土变形，属非弹性变形，有滞后现象;另一部分是砂性土变形，属弹性变形，无滞后影响。当两种变形叠加在一起时，在每一应力时间段的初期阶段，弹性变形占一定的比例，后期以非弹性变形为主。

3.4 提出了“地面沉降临界水位”概念

前面已经提到，超量开采地下水是引起地面沉降的主要因素，那么何为不超量，是否存在一个地面沉降成灾的极限水位。牛修俊先生最早提出了临界水位的概念，即临界水位系指不引起或不明显引起地面沉降的极限水位［11］。

资料表明，只有超固结地层才存在临界水位，其临界水位值即为地层的超固结值，通过固结试验、分层标监测地层变形量、水位动态变化规律，天津已确定了第Ⅱ，第Ⅲ含水组地层的临界水位值。1986年控沉计划采用了第Ⅱ含水组临界水位值，大力压采第Ⅱ含水组，水位由50 m～60 m恢复至30 m～40 m，地层不再压缩。这一理论成果对地面沉降防控工作具有现实的指导意义。

3.5 评估了地面沉降条件下深层地下水开采量组成

依据天津平原地面沉降监测结果，以1991年—2003年为均衡期，对地下水开采量(46 102 m3/年)进行了均衡计算。计算结果表明不同含水层组地下水资源组成差异较大，其中浅层对深层地下水的越流补给量占总开采量的39.9%，粘性土压缩(地面沉降)释水量占总开采量的42.7%，区域水位下降含水层弹性释水量占总开采量的1.0%，侧向径流补给量占总开采量的15.9%［12］。

含水层埋藏越深，地下水开采对地面沉降影响越大。开采第Ⅱ，第Ⅲ含水层组1 m3地下水，引起地面沉降的土方损失量约为0.33 m3;开采第四、五含水层组1 m3地下水，引起地面沉降的土方损失量约为0.68 m3。因此，合理调整地下水开采层位是控制地面沉降的有效措施。

4 成果应用

地面沉降研究的根本是服务于控沉管理。天津市1986年开始三期三年控沉计划制定，封停井、压采地下水;对全市划分地下水禁采区、限采区、控采区，实施地下水人工回灌;编制《天津市地面沉降防治规划》等。天津市地面沉降研究成果应用范围日益广泛，服务了城市安全管理和政府重大决策。

5 结语

通过多年的调查、研究、监测工作，天津对地面沉降灾害的掌握已较为全面，取得的成效显著。在新的历史时期，随着经济的发展，人民生活水平逐渐提高，对地面沉降研究、防治工作提出了更高的要求。在十九大“加强地质灾害防治”的新形势下，要求我们结合目前地面沉降的发展形势，依靠科技进步，探索高新监测技术，加强地面沉降灾害的信息化建设，以便于科学研究与政府管理。