廣州市金沙中學(xué)地面沉降成因分析及防治對(duì)策

郭 宇，鄭小戰(zhàn)，黃健民，陳建新，陳小月

(廣州市地質(zhì)調(diào)查院，廣東廣州 510440)

廣州市金沙中學(xué)地面沉降成因分析及防治對(duì)策

郭 宇，鄭小戰(zhàn)，黃健民，陳建新，陳小月

(廣州市地質(zhì)調(diào)查院，廣東廣州 510440)

系統(tǒng)分析了廣州市金沙中學(xué)地面沉降的成因，研究結(jié)果表明，金沙中學(xué)脆弱的地質(zhì)環(huán)境條件是該地區(qū)地面沉降地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的內(nèi)在因素，而武廣客運(yùn)專線金沙洲段隧道施工等人類工程活動(dòng)是誘發(fā)因素。建議今后工程項(xiàng)目選地盡量避免地質(zhì)環(huán)境脆弱帶，并嚴(yán)禁過量抽排地下水。

地面沉降;構(gòu)造斷裂;地下水;防治對(duì)策

0 引言

金沙中學(xué)位于廣州市白云區(qū)金沙洲的中部，西南方向?yàn)槲鳝h(huán)高速的沙貝立交橋，同時(shí)武廣高鐵金沙洲隧道也從其西部地下通過。2007年以來，金沙中學(xué)陸續(xù)發(fā)生了較為嚴(yán)重的地面沉降地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致金沙中學(xué)教學(xué)樓、食堂、體育館和操場(chǎng)等相繼發(fā)生傾斜、變形和開裂(照片1)，嚴(yán)重威脅了師生的人身安全。為了全面查明引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的原因，筆者利用勘探和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料，結(jié)合前人研究成果［1－6］，從金沙中學(xué)地面沉降的各種變形現(xiàn)象著手，深入分析引發(fā)金沙中學(xué)一帶地面沉降的成因機(jī)理，并對(duì)地面沉降提出防治對(duì)策。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 地理位置

金沙中學(xué)位于金沙洲的中部。金沙洲東臨珠江白沙河，與廣州市羅沖圍隔水相望;北部、西部及南部與南海里水、洲村、白沙村等接壤，總面積約8.26 km2。金沙洲地處珠江三角洲北部邊緣地帶，地面標(biāo)高5.2～125.0 m，地貌類型為低丘陵和平原地貌，場(chǎng)地起伏較大，總體上西北高、東南低。

1.2 水文地質(zhì)條件

區(qū)域水文主要受珠江干流控制，局部受流溪河影響;金沙洲地表水系發(fā)育，西部低丘間有成片的山塘，是區(qū)內(nèi)主要蓄水工程;東部有珠江水域，中部有橫沙涌、平樂南涌、泌沖涌多條河涌，總體流向自北西向南東。三條河涌的徑流、排泄條件相對(duì)獨(dú)立，這些河涌不僅是金沙洲西側(cè)主要蓄水山塘的排泄通道，同時(shí)也是區(qū)內(nèi)地下水重要的補(bǔ)給來源。區(qū)內(nèi)的地下水補(bǔ)給來源主要為大氣降雨和地表水體入滲，處于自然環(huán)境狀態(tài)時(shí)，區(qū)內(nèi)西部的地下水從北西低丘向南東平原流動(dòng)，到達(dá)平原中部受到弱透水的測(cè)水組地層條帶阻隔，再順地勢(shì)由高向低，即由北東往南西方向流動(dòng)，最后排泄于珠江。

目前由于工程的影響，研究區(qū)內(nèi)地下水流場(chǎng)改變，從而引起地下水位持續(xù)下降，特別是巖溶裂隙水與上部孔隙水有密切聯(lián)系的覆蓋型巖溶區(qū)，孔隙水壓力減小致使出現(xiàn)程度不同的塑性變形或永久變形。巖溶裂隙水的含水層由灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r組成，地下水呈承壓狀態(tài)，在巖溶發(fā)育地段富水性好，在巖溶弱發(fā)育地段，富水性差，含水層頂板標(biāo)高一般為 －2.02～－12.93 m，水位埋深2.40 ～6.20 m，水位標(biāo)高4.76 ～6.34 m。上部孔隙水以潛水為主，局部分布有弱承壓水，含水層厚度一般為4.2 ～8.3 m，平均為 4.6 m，水位埋深1.3 ～3.77 m，水位標(biāo)高4.27 ～6.98 m，富水性中等。

1.3 地質(zhì)災(zāi)害特征

區(qū)內(nèi)地面沉降雖未造成人員傷亡，但導(dǎo)致建筑物不同程度開裂、變形和沉降，道路及學(xué)校操場(chǎng)等公共設(shè)施嚴(yán)重變形或損壞，如金沙中學(xué)操場(chǎng)下沉嚴(yán)重，地面呈波浪狀，嚴(yán)重影響使用功能，部分教學(xué)樓嚴(yán)重開裂、變形(照片1)，師生被迫撤離。

1.4 地層巖性及構(gòu)造條件

照片1 金沙中學(xué)地面沉降現(xiàn)狀Photo 1 Status quo of land subsidence in Jinsha high school

金沙洲一帶的地層由老至新有石炭系、白堊系和第四系，并有小面積侵入脈巖分布(圖1)。其中石炭系由老到新又分為大賽壩組、石蹬子組、測(cè)水組和壺天群;大賽壩組砂礫巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖分布于金沙洲西部殘丘一帶，面積約2.68 km2;石磴子組灰?guī)r分布于榮基里—新社區(qū)—金沙洲北部一線及富力地塊—金域藍(lán)灣一帶，被第四系松散土體所覆蓋，屬覆蓋型巖溶區(qū)，面積約3.0 km2，地面沉降地質(zhì)災(zāi)害主要分布在石蹬子組灰?guī)r分布區(qū)(圖2);石磴子組與上覆測(cè)水組呈整合接觸，與大賽壩組呈斷層接觸，與東南部的白堊系呈不整合接觸;測(cè)水組大致呈北東向條帶狀展布于金沙洲北部的橫沙村、沙貝村及沙鳳村鳳岡，除橫沙村剝蝕殘丘的削坡地帶見露頭外，其余地段均隱伏于第四系之下，面積約0.92 km2;壺天群灰?guī)r分布于金沙洲環(huán)洲一路、金沙洲公園、源林花園、向南街2－238號(hào)小區(qū)一帶，隱伏于第四系之下，面積約0.466 km2;大塱山組巖層在金沙洲南部小面積分布，向南延伸至佛山南海黃岐，超覆于石炭系之上，隱伏于第四系之下，金沙洲區(qū)內(nèi)分布面積約0.565 km2。

受區(qū)域構(gòu)造影響，區(qū)內(nèi)小型褶皺及北東向斷裂構(gòu)造發(fā)育。主要發(fā)育5條北東向斷裂(F1－F5)及2條北西向斷裂(F6－F7)，其中 F3、F4和 F5屬分支復(fù)合張性斷裂，切割平原地帶石蹬子組和壺天群灰?guī)r;北西向斷裂F6和F7規(guī)模較小，均分布在低丘陵地帶(圖1)。金沙中學(xué)被F3隱伏斷裂穿過，屬沉崗斷裂的次級(jí)斷裂，該斷裂在金沙洲北端與沉崗斷裂交匯。F3斷裂穿越金沙洲中部，展布于潯峰圩—路南輔道—金沙中學(xué)一線，已經(jīng)鉆孔和前期工程驗(yàn)證。斷裂走向約50°，傾向北西，傾角約60°，屬逆斷層，隱伏于第四系之下，斷裂經(jīng)過的基巖層主要有下石炭統(tǒng)石磴子組灰?guī)r。

2 地面沉降成因分析

根據(jù)金沙洲區(qū)內(nèi)地面沉降的實(shí)際情況，金沙洲地面沉降的成因機(jī)理主要為抽水—地面沉降機(jī)理。一方面，由于武廣客運(yùn)專線金沙洲隧道施工過量抽排巖溶地下水，使得區(qū)內(nèi)地下水位持續(xù)下降，孔隙水壓力減小，但土體承受的總壓力不變，因而有效應(yīng)力增大，導(dǎo)致軟弱土層呈現(xiàn)出被壓縮的狀態(tài);另一方面，含水層頂板軟弱土層內(nèi)的結(jié)合水產(chǎn)生向含水層的滲流，導(dǎo)致軟弱土層固結(jié)，出現(xiàn)程度不同的塑性變形或永久變形。

圖1 金沙洲地區(qū)基巖地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of bedrock in Jinshazhou area

圖2 金沙洲地面沉降等值線圖Fig.2 Contour map of land subsidence in Jinshazhou

2.1 內(nèi)在因素

金沙中學(xué)地面沉降勘察資料表明，在F3斷裂通過的影響下金沙中學(xué)基底巖石局部地段異常破碎，其中鉆探揭露土洞5個(gè)，溶洞18個(gè)。從巖體破碎情況及巖溶發(fā)育程度分析，石磴子組和壺天群的碳酸鹽巖裂隙、溶洞發(fā)育，巖溶作用強(qiáng)烈，大賽壩組和測(cè)水組泥質(zhì)灰?guī)r裂隙發(fā)育程度相對(duì)較弱，巖溶發(fā)育程度相對(duì)較差;就區(qū)域構(gòu)造特征而言，金沙洲一帶斷裂發(fā)育，灰?guī)r易破碎、開裂，為巖溶發(fā)育提供了良好的地下水運(yùn)移通道。金沙洲區(qū)內(nèi)五條北東向的斷裂和兩條北西向的斷層構(gòu)成巖溶發(fā)育的大型裂隙網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)，基巖地下水經(jīng)這些裂隙介質(zhì)總體上自北向南滲流，主要在斷層破碎帶及其影響范圍內(nèi)形成地下水的強(qiáng)徑流帶，長(zhǎng)期的地下水強(qiáng)徑流循環(huán)作用，造成斷層破碎帶大裂隙分布地段巖溶發(fā)育程度高。

2.2 誘發(fā)因素

金沙洲區(qū)內(nèi)的地下水排泄方式主要為蒸發(fā)排泄、人工開采和徑流排泄等三種。天然狀態(tài)下地下水開采方式為民井開采，開采量較小，故排泄方式以徑流排泄為主，地下水最終排泄于珠江水系;根據(jù)廣州市地質(zhì)調(diào)查院的調(diào)查和地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料，2006年8月武廣客專金沙洲段隧道開工以來，受隧道施工抽排地下水的影響，次年便發(fā)生了明顯的地面沉降。自2007年4月以來，金沙洲區(qū)內(nèi)地下水流場(chǎng)發(fā)生明顯的改變，地下水形成以ZK1002監(jiān)測(cè)孔及金沙洲隧道2#豎井(位于1#豎井正南約800 m處)為中心的兩個(gè)降落漏斗(圖3)，其中西部水文地質(zhì)單元的地下水主要向ZK1002監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近的隧道涌水點(diǎn)排泄，部分地下水仍由北東向南西排泄于珠江;東部水文地質(zhì)單元的地下水主要向金沙洲2#豎井附近的隧道涌水點(diǎn)排泄，部分地下水仍由北西向南東方向流動(dòng)，最終排入珠江。

圖3 金沙洲地下水位等高線圖Fig.3 Contour line of groundwater level in Jinshazhou

金沙洲地下水流場(chǎng)的改變受金沙洲發(fā)育的北東向張性斷裂影響明顯，斷裂與巖溶裂隙相連通形成強(qiáng)徑流帶;強(qiáng)徑流帶具有飽水、高透水性的特征，且方向性強(qiáng)，形成明顯的地下水流通道;地下水沿?cái)嗔哑扑閹搅魍〞?，斷裂直接影響著地下水的補(bǔ)、徑、排條件。結(jié)合地面沉降等值線圖(圖2)分析不難看出，在地下水坡降較大的斷裂帶或斷裂交匯部位，沉降量也較大。這也是因?yàn)閿嗔淹ㄟ^地帶可溶性巖石破碎、巖溶裂隙發(fā)育，在地下水劇烈波動(dòng)時(shí)，并且第四系松散巖類孔隙水含水層與巖溶水含水層之間發(fā)生連通，兩者發(fā)生水力聯(lián)系時(shí)，地下水水力坡降大，特別是在巖溶洞隙相對(duì)發(fā)育處如斷裂交匯部位，成為該沉降區(qū)地下水降落漏斗中心，地下水水力坡降達(dá)到最大，由此表現(xiàn)出地面沉降中心與地下水降落漏斗中心具有一致性的特點(diǎn)。

3 防治建議及結(jié)論

3.1 防治對(duì)策

金沙中學(xué)地面沉降的形成主要受地層、巖溶發(fā)育程度、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、人類工程活動(dòng)等因素控制與影響。其中地下水最易受人類工程活動(dòng)而發(fā)生改變，軟弱土體在地下水波動(dòng)的誘發(fā)下，容易失水固結(jié)或產(chǎn)生“流土”現(xiàn)象，從而誘發(fā)地面沉降。金沙中學(xué)的地質(zhì)災(zāi)害具有累進(jìn)性、隱蔽性，形成機(jī)理復(fù)雜和突發(fā)性的特點(diǎn)。為有效防治地質(zhì)災(zāi)害，避免與降低地質(zhì)災(zāi)害帶來的損失，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)目的，根據(jù)金沙中學(xué)一帶覆蓋型巖溶發(fā)育特點(diǎn)，從地面沉降的累進(jìn)性特點(diǎn)和長(zhǎng)遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度出發(fā)，金沙中學(xué)的地質(zhì)災(zāi)害防治應(yīng)堅(jiān)持“預(yù)防為主，治理為輔，防治結(jié)合”的原則，其中重點(diǎn)是預(yù)防為主，強(qiáng)調(diào)在沉降發(fā)生前采取切實(shí)可行的措施降低抽排地下水等人類工程活動(dòng)對(duì)其的影響，防止沉降的發(fā)生。

3.2 結(jié)論

金沙中學(xué)脆弱的地質(zhì)環(huán)境條件是該地區(qū)地面沉降地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的內(nèi)在因素，而武廣客運(yùn)專線金沙洲段隧道施工排水，引起地下水位急劇下降等人類工程活動(dòng)是外在直接誘發(fā)因素。為了防止此類地質(zhì)災(zāi)害再次發(fā)生，今后工程項(xiàng)目選址應(yīng)當(dāng)盡量避開地質(zhì)環(huán)境脆弱地帶，同時(shí)在建設(shè)過程中嚴(yán)禁過量抽排地下水。政府管理部門應(yīng)加強(qiáng)管理，監(jiān)督到位，正確引導(dǎo)，大力宣傳，爭(zhēng)取將地質(zhì)災(zāi)害所帶來的損失降到最低。

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(責(zé)任編輯:陳文寶)

Analysis of Land Subsidence and Prevention Countermeasures in Jinsha High School，Baiyun District of Guangzhou City

GUO Yu，ZHENG Xiaozhan，HUANG Jianmin，CHEN Jianxin，CHEN Xiaoyue
(Geological Survey of Guangzhou，Guangzhou，Guangdong 510440)

Systematic analysis of the causes of ground subsidence in Jinsha high school was studied based on the field survey.Results showed that fragile geological environmental conditions in Jinsha high school is the internal factor results to ground subsidence and human engineering activities of the Wuhan-Guangzhou high-speed rail tunnel excessive pumping of groundwater is a predisposing factor.Finally，the corresponding countermeasures and suggestions were discussed for prevention and control of geological hazard.

land subsidence;structural faults;groundwater;control countermeasures

P642.26

B

1671－1211(2013)06－0786－04

2013－01－24;改回日期:2013－08－16

廣州市白云區(qū)金沙洲巖溶地面塌陷、地面沉降地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查探測(cè)與監(jiān)測(cè) (ZX2012411007008)。

郭宇 (1984－)，男，工程師，博士，水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè)，研究方向?yàn)榄h(huán)境地質(zhì)。E－mail:174563241@qq.com