西安市地面沉降機(jī)理分析

楊 歡，石 堅

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

西安市地面沉降機(jī)理分析

楊 歡，石 堅

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

西安地區(qū)由于過量開采地下水，引起地面急劇沉降。根據(jù)多年來的垂直形變資料，系統(tǒng)地研究地面垂直形變的演化特征及其規(guī)律，結(jié)合地下水活動和地面沉降分層標(biāo)的監(jiān)測資料進(jìn)行分析。結(jié)果表明，西安地面沉降是由承壓水過量開采及區(qū)域構(gòu)造活動綜合影響，從而提出有效防治措施:加強(qiáng)城市地質(zhì)環(huán)境條件與地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理研究;綜合考慮自然與人工作用的復(fù)合效應(yīng);根據(jù)地質(zhì)環(huán)境條件和災(zāi)害發(fā)展趨勢，合理規(guī)劃城市發(fā)展布局，合理利用地下水。

垂直形變;演化;分層標(biāo)志;成因機(jī)制

地面沉降是在自然和人為因素作用下，由于地殼表層土體壓縮而導(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，是一種不可補(bǔ)償?shù)挠谰眯原h(huán)境和資源損失。地面沉降具有生成緩慢、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，是一種對資源利用、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市建設(shè)和人民生活構(gòu)成威脅的地質(zhì)災(zāi)害［1－3］。自上世紀(jì)七十年代至今，西安地區(qū)地裂縫和地面沉降災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)40億元。因此研究西安市地面沉降成因及致災(zāi)機(jī)理具有重要意義。

1 地面沉降概況

西安地面沉降起始于20世紀(jì)50年代末，爾后隨著城郊區(qū)自備承壓水井與開采量的增加而不斷擴(kuò)展。到80年代中期，累計沉降量大于50 mm的面積約150 km2，大于500 mm的面積約40 km2;同時形成了辛家廟、胡家廟、南沙坡村、小寨、大雁塔十字、西北工業(yè)大學(xué)與東八里村等沉降中心，其累計沉降量 900～1 333 mm［4］。到 90年代初承壓水井已達(dá)530余眼，年開采量1.45×108m3，承壓水位累計下降60～100 m，有些地段水位已降至含水層頂板以下，地面沉降的范圍有所擴(kuò)大。截至2000年，累計沉降量超過200 mm的面積150 km2，東南郊一帶累計沉降量超過 600 mm，其中超過1 000 mm的面積42.5 km2，所形成的胡家廟、南沙坡村、大雁塔十字、小寨、東八里村等沉降中心累計沉降量超過2 000 mm，其中東八里村一帶累計沉降量2 850 mm。

2 地質(zhì)條件概況

2.1 地質(zhì)構(gòu)造概況

西安市地處渭河新生代斷陷盆地，大地構(gòu)造位于華北斷塊區(qū)的西南緣。渭河斷陷盆地以北為完整、穩(wěn)定的鄂爾多斯地塊，以南則為強(qiáng)烈抬升的秦嶺斷塊山地，西端與鄂爾多斯地塊西南邊緣的弧形斷裂相連，東與山西右旋剪切拉張帶相連［5－7］。

2.2 地層巖性

西安市區(qū)沉積有第四系和第三系。第四系松散層巖性以砂礫卵石、砂、粉土、粉質(zhì)粘土、黃土為主，其底界埋深300～900 m，埋深由東南向西北逐漸加深，為西安市地下水含水層。第三系巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖與砂礫巖為主，頂板埋深400～4 000 m，地層厚度400～3 000 m，富含地下熱水，其中埋深1 000～3 000 m層段為主要地?zé)衢_采層［8］。

2.3 水文地質(zhì)特征

按含水介質(zhì)和埋藏條件，西安地區(qū)地下水開采層可分為松散巖類孔隙潛水、淺層承壓水、深層承壓水［9］。

埋深380 m以內(nèi)的承壓含水層可劃為三層，第一承壓含水層，埋深100～150 m為沖洪積層;第二層承壓含水層埋深150～270 m，為沖洪積層;第三承壓含水層埋深270～380 m，主要為沖湖積砂礫石層與粘土層，三個承壓含水層之間被分布連續(xù)的厚層粉質(zhì)粘土和粘土分隔。

西安城郊區(qū)主要開采埋深100～300 m的淺層承壓水。含水層由沖積、湖積砂層與粉質(zhì)粘土互層不等厚組成，其總體規(guī)律是在垂向上，自上而下砂層厚度增大，顆粒變粗;在平面上，城區(qū)和東南郊一帶砂層總厚度相對較小，粘土層厚度大，而西北郊砂層則相對較大，粘土層較薄。

2.4 地面沉降特征

西安市區(qū)地面沉降主要特征如下:

(1)地面沉降中心與承壓水降落漏斗基本一致:受水文地質(zhì)條件及井群分布等因素的影響，地面沉降中心與承壓水降落漏斗基本對應(yīng)，二者的平面分布范圍總體上呈NE向橢圓形，承壓水水位下降大的地區(qū)，地面沉降量也相應(yīng)的較大。

(2)地面沉降速率的年內(nèi)變化 由于一年內(nèi)承壓水各季度開采量不同，水位下降速率也不相同，因而導(dǎo)致了地面沉降速率年內(nèi)的變化，一般第三季度沉降量大，可占年內(nèi)沉降量的30%～50%。

3 地面沉降形變機(jī)理分析

3.1 地面沉降形變資料整理分析

1986年前，西安市區(qū)形變監(jiān)測僅是關(guān)中地區(qū)形變監(jiān)測網(wǎng)的一小部分。由于點距大，密度小，難以全面反映西安市地面變形的概貌。1986年為監(jiān)測西安地面沉降和地裂縫活動建立了專用形變網(wǎng)，該網(wǎng)覆蓋了西安市地面主要變形區(qū)，并根據(jù)復(fù)測結(jié)果不斷對其進(jìn)行擴(kuò)大和完善，并以南北向橫穿地裂縫的測線為骨干，由上百個水準(zhǔn)點組成十余個水準(zhǔn)環(huán)。網(wǎng)布設(shè)時不僅考慮了地裂縫的展布，還考慮了地形地貌特征，以往資料反映的沉降中心位置等。

在數(shù)據(jù)處理方面，采用了動態(tài)擬穩(wěn)平差方法。其特點是把測網(wǎng)中所有的點都看作是動態(tài)的。在選擇擬穩(wěn)點時，考慮了以下因素:①距地裂縫較遠(yuǎn);②遠(yuǎn)離地下水漏斗;③擬穩(wěn)點之間形變差異較小，且盡可能處于同一相對穩(wěn)定的地貌單元中;④反映的形變場合理，即所反映的形變速率零曲線的位置應(yīng)成為形變場特征的明顯分界線。各期的平差精度見表1。兩個時段的年速率中誤差在1.66～1.88 mm之間，說明觀測資料可靠。

表1 西安水準(zhǔn)測量精度表

3.2 南郊小寨地區(qū)沉降變化分析

1976年以來至今，西安市地面沉降的累計量已相當(dāng)可觀。以西安市南郊小寨沉降中心垂直變化為例，表2列出小寨沉降中心自1976年4月以來的形變累計量。表2顯示，西安市南郊的小寨沉降中心自1976—2002年累計下沉量達(dá)2 497 mm。

自1972年以來西安地區(qū)一直下沉變化，1996年后變化速率稍有減緩，1998年后明顯減緩，2002年沉降速率與1976年前基本一致，這與西安市引進(jìn)黑河水工程有關(guān)。1996年起西安市自備井承壓水的開采量減少，1998年嚴(yán)禁開采地下水，因此小寨沉降中心的地面沉降得到控制和逐漸停止。

3.3 地面變形與地下水活動的關(guān)系

3.3.1 地面沉降分層監(jiān)測資料分析

分層標(biāo)是為了了解土層不同深度之間的動態(tài)變化量及各層標(biāo)與地面之間的動態(tài)變化。這些數(shù)據(jù)為分析地裂縫成因、地下水開采與地面沉降之間的關(guān)系及地裂縫南北兩側(cè)深部土層垂直變化規(guī)律的研究及時提供了較精確的定量數(shù)據(jù)(表3)。

表2 1976年以來西安市南郊小寨地區(qū)形變累計表

從表3可以看出，地面沉降主要是埋深104～367 m承壓含水層釋水壓密造成的，其壓密量占地面沉降量的83.55%，而104 m以上367 m以下地層壓密量僅占地面沉降量的16.45%。如果面沉降是承壓水與潛水和地表水共同作用的結(jié)果，假設(shè)潛水和地表水作用引起的沉降占100 m以上沉降量的一半(實際上還達(dá)不到這個數(shù))，那么由于地下水潛水水位變動或地表積水浸透作用產(chǎn)生的沉降部分在總沉降中所占比例不到10%。因此，西安地面沉降主要是過量抽取承壓水所致［10－13］。

地面沉降的沉降量主要在104～187 m之間，其次是187～367 m之間，最后才是104 m以上，其之間的比例約為4:2:1。這與西安抽取地下水的含水層結(jié)構(gòu)相關(guān)，西安市抽取地下水主要在100～200 m之間，此含水層抽取的地下水最多，其次是200～300 m間抽水，100 m以上抽取承壓水較少。埋深100～300 m承壓含水層是西安市承壓水開采的主要取水段，由于多年超采，引起承壓水位大幅度下降，在強(qiáng)大的附加應(yīng)力作用下，含水系統(tǒng)釋水壓密，從而導(dǎo)致地面沉降。

3.3.2 地面沉降與承壓水位下降關(guān)系

西安地面沉降與承壓水位下降在時間上相對應(yīng)，地面沉降區(qū)與深層承壓水位降落漏斗范圍一致，地面沉降中心也與水位降落中心相吻合。從表3可以看出，一些地區(qū)承壓水開采井密集，開采強(qiáng)度大，同時是地面沉降顯著地段。

3.4 地面沉降機(jī)理分析

3.4.1 有效應(yīng)力的增加導(dǎo)致沉降

經(jīng)過此次研究，過量開采地下水是地面沉降的外部原因，中等、高壓縮性粘土層和承壓含水層的存在則是地面沉降的內(nèi)因。

在孔隙水承壓含水層中，抽取地下水所引起的承壓水位的降低，必然要使含水層本身及其上、下相對隔水層中的孔隙水壓力隨之而減小。根據(jù)《土力學(xué)》中有效應(yīng)力原理可知，土中由覆蓋層荷載引起的總應(yīng)力是由孔隙中的水和土顆粒骨架共同承擔(dān)的。由水承擔(dān)的部分稱為孔隙水壓力(pw)，它不能引起土層的壓密，故又稱為中性壓力;而由土顆粒骨架承擔(dān)的部分能夠直接造成上層的壓密，故稱為有效應(yīng)力(ps);二者之和等干總應(yīng)力。假定抽水過程中土層內(nèi)部應(yīng)力不變，那么孔隙水壓力的減小必然導(dǎo)致土中有效應(yīng)力等量增大，結(jié)果就會引起孔隙體積減小，從而使土層壓縮。

降雨導(dǎo)致砂層的有效應(yīng)力增加，孔隙度降低，砂層受到壓密，即會引起地面變形。

此外，土層的壓縮量還與砂層的預(yù)固結(jié)應(yīng)力(即先期固結(jié)應(yīng)力)、土層的應(yīng)力—應(yīng)變性狀有關(guān)。由于抽取地下水量不等而表現(xiàn)出來的地下水位變化類型和特點也對土層壓縮產(chǎn)生一定的影響［14］。

表3 西安地質(zhì)技工學(xué)校分層資料(1990.3—2005.12)分析結(jié)果

3.4.2 孔隙度的變化導(dǎo)致沉降

地面沉降主要是抽采地下流體引起土層壓縮而引起的，厚層松散細(xì)粒土層的存在則構(gòu)成了地面沉降的物質(zhì)基礎(chǔ)。在廣大的平原、山間河谷盆地、濱海地區(qū)及河口三角洲等地區(qū)分布有很厚的第四系和上第三系松散或未固結(jié)的沉積物，因此，地面沉降多發(fā)生于這些地區(qū)。如在濱海三角洲平原，第四紀(jì)地層中含有比較厚的淤泥質(zhì)粘土，呈軟塑狀態(tài)或流動狀態(tài)。這此淤泥質(zhì)粘性粘的含水量可高達(dá)60%以上，孔隙比大、強(qiáng)度低、壓縮性強(qiáng)，易于發(fā)生塑性流變。

當(dāng)易于發(fā)生地面沉降的地質(zhì)結(jié)構(gòu)為砂層、粘土層互層的松散土層結(jié)構(gòu)。隨著抽取地下水，承壓水位降低，含水層本身及其土、下相對隔水層中孔隙水壓力減小，地層壓縮導(dǎo)致池面發(fā)生沉降。

在過量開采承壓水的情況下，不僅使含水砂層被擠壓，減少孔隙度，排出含水層中的部分水量而產(chǎn)生壓密;同時，承壓水位的大幅度下降，也使砂層和粘性土層原有的水力平衡被破壞，粘性土層中的孔隙水壓力逐漸降低，隨著孔隙水的排出，一部分原來由孔隙水承擔(dān)的上覆載荷轉(zhuǎn)移到粘土顆粒的骨架上，粘土骨架承受的有效應(yīng)力增加，使土層原有的結(jié)構(gòu)被破壞，并重新組合排列造成土層壓密。這種粘性土層的釋水壓密特征與含水砂層的釋水壓密特征不同，是不可逆變形，它是產(chǎn)生地面沉降的最主要原因。

3.4.3 區(qū)域構(gòu)造活動導(dǎo)致沉降

西安市區(qū)位于西安凹陷的東部邊緣，長期以來一直處于下沉狀態(tài)，位于西安凹陷東南邊界的長安—臨潼斷裂進(jìn)行著南升北降的活動，同時位于西安斷陷北側(cè)邊界的渭河北岸斷裂進(jìn)行著北升南降的活動，這兩個斷層的活動對西安地區(qū)的地面沉降有一定影響。從表3可以得出，367 m以下的分層標(biāo)年速率為2.8 mm/a，這與臨潼－長安斷裂和渭河斷裂構(gòu)造活動的速率基本一致。說明深部土層的地面沉降是由于區(qū)域構(gòu)造活動所致。從表有資料表明，由于構(gòu)造活動造成的區(qū)域沉降量，占總沉降量的 3% 左右［15－16］。

4 結(jié)語

根據(jù)所搜集的資料分析得出:西安市區(qū)地面沉降主要是過量開采承壓水引起水位大幅度下降導(dǎo)致開采層段地層失水壓密造成的，其次是區(qū)域構(gòu)造活動引起的沉降。地面沉降在西安市南郊、東郊及西南郊顯著，在市區(qū)及西北郊不甚明顯，這與地下水的開采情況及地質(zhì)結(jié)構(gòu)狀況有關(guān)。

根據(jù)所分析的地面沉降機(jī)制可以得出一些有效的防治對策:

(1)加強(qiáng)城市地質(zhì)環(huán)境條件與地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理研究;

(2)綜合考慮自然與人工作用的復(fù)合效應(yīng);

(3)根據(jù)地質(zhì)環(huán)境條件和災(zāi)害發(fā)展趨勢，合理規(guī)劃城市發(fā)展布局，合理利用地下水。

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Study on Mechanism of Land Subsidence in Xi’an

YANG Huan，SHIJian
(Department of Geology，Northwestern University，Xi’an 710069，Shaanxi)

By nalyzing evolution principles and features of lands’deformation in vertical direction and a monitoring data about underground water and layerwise marks，mechanism of land subsidence in Xi’an is studied in this paper. As confined water over－exploitation and tectonic activity are the main cause of land subsidence，the paper puts forward four precautionary measures——strengthen research development on urban geology and mechanism of geological disasters，pay attention to the comprehensive effects of nature and mankind，make city development plan with the consideration of local geology and development of disaster，and finally take proper utilization of groundwater.

Deformation in vertical direction;evolution;layerwise mark and mechanism

P642.26

A

1004－1184(2013)04－0060－03

2013－03－14

楊歡(1989－)，女，山西朔州人，在讀碩士研究生，主攻方向:石油地質(zhì)。