某地区地面沉降特征及成因分析

陈育斌

（广东省水文地质大队，广东 广州 510510）

1 研究现状

目前，国内外学者对地面沉降的相关研究，主要包括地面沉降的监测方法、时间序列以及相应的形成机制等方面。随着广东经济的不断发展，由于自然以及人类活动之间的影响，形成了一定的环境地质问题。自1990年代以来，广东某地区，经历了缓慢的地面沉降。随着相应的工业化不断扩大，其相应的范围开始不断扩大，其中的地面灾害加剧，逐渐发展成更大的地质灾害问题，从而导致相应的房屋出现一定的裂缝现象，致使经济损失逐年增加。例如赵选琴以汕头市朝阳区古劳镇一户住宅为例进行一定的沉降分析，由于过度抽取地下水，使得土层的承载力降低，这是地面沉降的形成原因。对此分析可以对本区地面沉降防治进行一定的指导意义。为相对更加合理有效地防治地面沉降，需要研究地面时空演变特征及相应的成因。因此，本文结合区域水力环境和地质背景，研究地面沉降的特征及其相应的影响因素，从而能够制定相对更加合理的地面沉降预防。广东某地区地区地面沉降地质灾害研究具有示范意义。

2 研究区地质背景

研究区面积48.87km2，属亚热带季风气候区，其中的气候相对温暖湿润，并且阳光充足，同时雨量充沛。

研究区为冲积洪积平原，其中的地势较为平坦开阔，平均地面高程约3m，相对高差大约为2～8m。该区地层第四系松散沉积物，厚度大约为60～115m，下伏晚侏罗世侵入岩。第四系地层上部为第四系全新世桂州群（Q4G），下部为第四系上更新统陆丰组（Q3l）。见图1。

研究区含水层岩性为中砂和粗砂，保水层主要为粘土、粉质粘土和泥质土，其中的含水层分层，但岩性复杂。大体规律为，含水层颗粒逐渐变细，地下水深度逐渐变浅，由单层含水层逐渐的开始向多层含水层过渡。研究分析可知，根据相应的地层条件，研究区平原区第四系松散层可分为相应的两个含水层组：潜水承压含水层组以及深层承压含水层组。通过调查发现相应的研究区地层相对较为松软，同时存在土质不均、土质较为松软、易发生一定的地面沉降等各类不同的地质问题。

3 地面沉降原因分析

3.1 长期过度开发

地面沉降的主要原因是第四系深部地下水持续超采。该区深部地下水开采段地层为第四系厚壤土、粘土、壤砂夹薄层粉质细砂和中砂。地下水在开发深水之前处于自然平衡状态。在大多数地区，深层地下水深度不足10m。2015年，漏斗中心区埋深达122.89m，平均水位连续多年下降2.0m/a，漏斗底部越来越开阔、平坦。目前，它已经发展到了整体的深度。水位的不断下降改变了含水层的水力边界条件，引起水力梯度和渗透压的变化。随着地层中孔隙水压力的降低，部分承受上部荷载的原始孔隙水转移到土粒上，导致土粒的有效应力增大，土体体积减小。对于含水层砂，如果它们再次被水饱和，大部分变形可以恢复。由于相邻的阻水层，即粘性土层，随着水释放强度的增加，土壤孔隙逐渐压实，导致体积减小。粘性土的压缩变形是不可逆的，从而导致地面沉降。因此，地面沉降的分布格局与水位洼地漏斗的分布格局基本相同。

3.2 地下热水开发区地热资源丰富

1990年代开始开采地下热水，开采量逐年增加，形成了多个集中矿区。长期开采地下热水供冬季取暖，地热尾水直接排放，导致地下热水水位不断下降。2015年神州市供暖期静水位埋深达150m，开采动水位超过200m，导致地层孔隙水压力下降，有效应力增加在地层压实和地层下沉中。

3.3 其他影响因素

其他主要的因素包括土层构造活动、地面载荷以及土层固结沉降。同时存在土层一侧上升，一侧下降。由于地面沉降率较小，对地面沉降的影响不容忽视。此外，随着城镇化加快速度，旧城改扩建，高楼林立。建筑物的高度以及相应的密度逐渐增加，持续增加的地面荷载会存在一定的压实以及排水而导致一定的地面沉降。松散覆盖层在相应的自身重力作用下，持续加剧了地面沉降。

4 研究区地面沉降影响因素

相应的城市地面沉降分析往往是一种更加复杂的地质现象。根据调查报告，某地区的地面沉降的主要原因是土质差、建筑基础相对较浅同时存在地下水抽取量过大等问题。

4.1 地面沉降与压缩土层的关系

土体的固结变形往往是地基变形的关键的原因，某地区沉降通常是由粘性土受压导致的。土层在相应的空间上存在分布不均匀，同时其中的砂层与相应的粘性土层存在一定的作用。为了能够更好地分析相应的研究区当中不同土层在其中平面分布的垂直差异，将相同地质年代和沉积环境的压缩土层进行划分。根据相应采集到的钻孔资料，描述当中各层组厚度的空间分布和岩土特征。研究区两个压缩土群的厚度空间分布图和不同深度压缩土群的物理力学特征。第一个压实土组（Q），压实土群（CSF）广泛分布于整个研究区，并由西向东逐渐加厚。CSF 厚度从某村的18m 减少到某村的6m。主要岩性为粘土、粉质粘土和粉质土。粉质土和粉质粘土处于中低压缩性和塑性变形状态，粘土处于高压缩性和流动塑性状态。第二压实土群的厚度由35m减小到12m。主要岩性为粘土和粉质粘土。随着土层深度的逐渐加深，其相应的压缩性由中变低，即以塑性变形为主，第一组的厚度小于第二组，但土的孔隙率、压缩和工程力学性能相对差别较大。

本文从不同沉降区的各个深度取样并进行一定的研究中，分析相应的孔隙比与压力的各项相关性，反映不同压力对土壤压缩性的各项影响。本文选取该区域两组有一定的代表性的土样进行压缩试验分析。样品取三个不同深度，包括4～5m范围内的淤泥、9～25m范围内的粘土以及20-40m范围内的粘土。

经过分析得出研究区浅层土壤的其中的压缩性相对较大，而相应的深层土壤的其压缩性相对较小。经分析可知中心区浅层土壤高于边缘浅层土壤。而其中的深层土的压缩性在不同位置基本相同且相对较小，说明在其中的相同压力条件下，其中的地面沉降中心区的沉降量较大。

4.2 土地沉降与建筑荷载关系分析

随着城市建设，建筑物对地面沉降的影响逐渐变大。建筑荷载的变化逐渐发展成为其中城市地面沉降的关键因素。经过一定的数据分析表明，城市建筑群密集分布。通过对建筑用地空间分布与地面累计沉降的叠加分析，发现密集建筑对土地沉降具有一定的影响。其中的主要沉降区发生了30mm左右的沉降；68%的建筑物发生超过60mm 的沉降，但120mm 的沉降几乎未有。因此，相应的建筑荷载往往是引起相应的研究区地面沉降的关键的因素，但不是造成严重地面沉降的主要原因。

4.3 地面沉降与地下水开采关系分析

研究区地面沉降最为严重，与地下水开采密切相关。广东某地有2000 多家纺织洗染厂。其中，洗染厂数量最多，有400 多家，主要分布在主要地面沉降中心附近。这些纺织印染厂的主要水源是地下水开采，其中孔隙水是地下水资源的主要来源之一。由于大规模开采地下水，破坏了相应的地下水资源的自然分布，导致相应的地下水位发生急剧下降，成为城镇地面沉降的重要诱发因素。通过对研究区总沉降量的叠加分析，发现研究区地下水位受人类活动和非自然条件下的分布。第一承压含水层组（Ⅰ）位于溪美、新厝村，研究区的空间位置与严重地面沉降区的空间位置一致。深层承压含水层组（Ⅱ）不存在地下水位下降漏斗，但对应研究区东部严重地面沉降区的低地下水位区。

4.4 防灾减灾建议

未来十年甚至几十年，沉降在整个城市的发展过程中会带来一定的经济损失。土层表面沉降具有渐变性、不可逆性、区域性、隐蔽性等特点，导致相应的上层建筑存在一定的变形、沉降、路面起伏、地下管线损坏等。因此，如何减少或避免土层沉降造成的经济损失，这同时也是城镇建设需要面临的问题。

（1）合理的城市规划。地面沉降往往是不可避免和不可逆转的。除了地质条件等自然因素外，城市土地沉降率主要与城市发展速度和建筑密度有关。城市规划应考虑地质环境条件的承载能力，此外，还应考虑城市测绘数据失真引起的地面沉降，进行合理的城市规划，控制整个城市不断发展建设的速度，同时应当对地面沉降引起的次生灾害采取一定的规划或者应急措施。

（2）落实具体防控措施。在易发生沉降的区域，开展前期论证工作。高层建筑施工宜采用深桩基础，直接落于基岩上。建造一般建筑物时，可采用排水固结、位移拌合、碾压、垫层、振动、压实等一种或多种工程处理措施，改善地基，提高地基承载力。

（3）建立地面沉降监测网络。为实现软地沉降实时监测，通过设置基岩标记、分层标记、地下水动态观测井和远程自动监测仪器，建立了覆盖南沙地区的地面沉降网络。其中，可直接获取地面沉降数据的地面沉降自动监测仪的密度控制在4km/点，数据采集频率不低于1 次/d。年度监测结果应及时反馈政府有关部门，为城市发展规划提供地质依据。

（4）加强施工质量监测。确保相应的工程质量，同时应当加强相应的施工质量监测，尽量减少工程竣工后地面沉降。

5 结论与建议

目前广东省典型地区地面沉降的研究还处于初级阶段。研究表明发现研究区地面沉降往往受相应的自然因素以及人为因素进行共同影响。研究区地面沉降的物质条件为松散土壤和不平整土壤。研究区第四系地层主要垂直分为两层压缩土。虽然第一层压缩土的厚度小于第二层压缩土的厚度，但其影响不容忽视。建筑荷载是引起研究区地面沉降的重要因素，但不是研究区地面沉降严重的主要原因。大量地下水开采是研究区地面沉降的主要原因。工程组和1I组地下水等高线下降漏斗的空间位置与严重的地面沉降一致。建议加强相应的地面沉降监测，从而开展相关机理研究并进行一定的模拟预测，同时制定更加合理的地面沉降地质灾害防治方案。