濮陽市城區(qū)地面沉降機(jī)理研究

孫建波，張 靜，葛曉東，張連勝

(1.河南省濮陽市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，河南 濮陽 457000;2.河南省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，河南 鄭州 450000)

濮陽市位于河南省東北部，冀、魯、豫三省交界處，1983年9月建市，是中原油田的腹地，新興的是石油化工城市。

濮陽市位于黃河下游沖積平原，地形較為平坦，地勢(shì)總體西高東低。工作區(qū)東南側(cè)自西北向東南一次排列著長垣斷裂、黃河斷裂、聊蘭斷裂，斷裂均屬高角度正斷層，其中長垣斷裂傾向東南，聊蘭斷裂傾向西北。工作區(qū)地表以下15 m范圍內(nèi)的主要巖性是粉土、粉質(zhì)粘土和砂層。根據(jù)地貌形態(tài)和成因，調(diào)查區(qū)共劃分為三個(gè)工程地質(zhì)區(qū)，即Ⅰ區(qū)，黃河故道工程地質(zhì)區(qū);Ⅱ區(qū)，古黃河漫灘工程地質(zhì)區(qū);Ⅲ區(qū)，古黃河泛流平地工程地質(zhì)區(qū)。再依據(jù)不同的場(chǎng)地、粘性土和非粘性土的組合關(guān)系及巖土體結(jié)構(gòu)類型細(xì)分為八個(gè)亞區(qū)。就本區(qū)而言，影響工程地質(zhì)條件的直接因素是松散堆積物的巖性、淺層地下水位埋深以及人類活動(dòng)等。

1 濮陽市地面沉降的現(xiàn)狀

1.1 以往工作情況

工作區(qū)地面沉降是隨著其城市化的進(jìn)程而發(fā)生發(fā)展的。為了監(jiān)測(cè)其發(fā)展變化狀況，1996—2002年進(jìn)行了測(cè)量工作，取得了一系列一手資料。2002——2009年因其他原因中斷了監(jiān)測(cè)工作，又于2010年開始了監(jiān)測(cè)工作，完善了監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并獲取了新的監(jiān)測(cè)資料。

測(cè)區(qū)位于濮陽市城區(qū)，2001年河南省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院對(duì)濮陽市規(guī)劃區(qū)因大量采用地下水而導(dǎo)致城市地面沉降進(jìn)行了測(cè)量，當(dāng)時(shí)選點(diǎn)17個(gè)，由于時(shí)間關(guān)系和近幾年城市過快地發(fā)展導(dǎo)致以前水準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn)丟失和破壞，2010年3月我單位組織人員經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)找點(diǎn)，只有3個(gè)點(diǎn)存在，根據(jù)要求2010年又增加布設(shè)水準(zhǔn)測(cè)量觀測(cè)點(diǎn)23個(gè)，共有水準(zhǔn)點(diǎn)26個(gè)。

本次測(cè)區(qū)位于濮陽市城區(qū)，根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際情況，水準(zhǔn)路線布設(shè)成一條閉合環(huán)，30個(gè)測(cè)段，路線長度為45 km左右。由于測(cè)量工作區(qū)位于城區(qū)較繁華地區(qū)，車多人多，觀測(cè)條件不利，但路基較好，多為水泥或柏油路。為了便于比較觀測(cè)數(shù)據(jù)，本次測(cè)量都與以前的基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，同時(shí)還聯(lián)測(cè)了國家Ⅱ等水準(zhǔn)點(diǎn)1個(gè)，使之與國家高程系統(tǒng)保持一致，通過幾次測(cè)量比較國家Ⅱ等水準(zhǔn)點(diǎn)沉降幅度較大。本次計(jì)算以BM0為基點(diǎn)。

1.2 2012年度二等水準(zhǔn)測(cè)量

由于城市的發(fā)展需求，濮陽市城區(qū)道路的修建影響并破壞了監(jiān)測(cè)點(diǎn)，到2012年找點(diǎn)時(shí)有7個(gè)點(diǎn)被破壞，隨即又重新建立了7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其位置有所改變，而其他的19個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)保存完好，即本次共26個(gè)水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際情況，我們將水準(zhǔn)路線布設(shè)成一條閉合環(huán)，分30個(gè)測(cè)段，路線長度45 km左右。

1.3 二等水準(zhǔn)測(cè)量

本次測(cè)量都與以前的基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，同時(shí)還聯(lián)測(cè)了國家Ⅱ等水準(zhǔn)點(diǎn)1個(gè)，使之與國家高程系統(tǒng)保持一致，通過幾次測(cè)量比較國家Ⅱ等水準(zhǔn)點(diǎn)沉降幅度較大。作業(yè)參照一九九二年《國家水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》。

1.4 監(jiān)測(cè)成果分析

濮陽市工作區(qū)原為農(nóng)村，其地層處于長期形成的應(yīng)力平衡中;80年代，隨著中原油田的發(fā)現(xiàn)、建設(shè)、發(fā)展而逐步發(fā)展成為濮陽市新市區(qū)，這種應(yīng)力平衡也隨之遭到破壞，在尋求新的平衡中，地面沉降作為一種平衡方式并逐步由一種現(xiàn)象向著災(zāi)害隱患方向發(fā)展。

沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果(表1)評(píng)述:將12年高程和11年對(duì)比，此次除了新建點(diǎn)無法做對(duì)比之外，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量較大。結(jié)合圖1得知，沉降量大于10 mm的監(jiān)測(cè)點(diǎn)幾乎都分布于漏斗中心，導(dǎo)致地面沉降的主要原因還是地下水的過量開采。

2 地面沉降的成因及影響因素分析

工作區(qū)地處黃河中下游沖積平原的古河道擺動(dòng)區(qū)，在漫長的沉積歷史中沉積了較厚的粉土及粘性土層。微觀上，粘性土層的壓縮性要比砂性土層高，其主要原因在于粘性土層的顆粒組成中以細(xì)粒為主，特別是粘粒(小于0.005 mm的顆粒)含量比例較高，孔隙率較高，容易被壓縮。因此，工作區(qū)研究深度內(nèi)的厚層粉土及粉質(zhì)粘土層是地面沉降的發(fā)生的前提。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)2011—2012年度高差比較

人類工程及經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的能力和強(qiáng)度與日俱增，其對(duì)地面沉降的影響通常已占主導(dǎo)地位，這類地面沉降現(xiàn)象，目前已成為重點(diǎn)。尤其是近幾十年來，人類過度開采地下水直接導(dǎo)致地面沉降。到目前為止，濮陽市城區(qū)地下水開采主要以淺層為目地層，深層開采量很少。而且深層含水層的水質(zhì)的頂板埋深處于本次研究深度以下，因此深層含水層地下水的開采對(duì)地面沉降影響不大。由于開采量過大，所以地下水位處于下降的趨勢(shì)，導(dǎo)致地面沉降的產(chǎn)生。

本區(qū)地下水流場(chǎng)形態(tài)主要受開采控制，本區(qū)淺層地下水流場(chǎng)格局與往年相比基本不變，只是市區(qū)漏斗中心向西偏移至王助鄉(xiāng)后漳消村一帶，形成以王助鄉(xiāng)胡聶村為中心、形狀較規(guī)則的橢圓形漏斗。

根據(jù)2008年至2011年工作區(qū)內(nèi)淺層地下水水位變幅情況及漏斗中心水位變幅情況可知，由濮陽市污水廠挪至北環(huán)路與京開大道附近，向西由化工路擴(kuò)展至后漳消村附近，向北由辛莊挪至許莊附近，向南由前樊家村擴(kuò)展至菜王合南。由此可知漏斗中心進(jìn)一步向西南擴(kuò)展。南里商—西白倉—孔悝城—東白倉一帶的水位恢復(fù)。

2008年漏斗中心為花卉公司，埋深30.04 m，2012年漏斗中心由花卉公司向西擴(kuò)展至綠色莊園，最大水位埋深為28.30 m，漏斗中心向西擴(kuò)展500 m左右。

根據(jù)統(tǒng)調(diào)數(shù)據(jù)及“河南省濮陽市城區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)2011－2012年地下水位變幅圖”可知地下水位的下降主要在城區(qū)西邊，而城區(qū)中心水位不斷的上升。綜上所述，漏斗整體向西偏移，漏斗中心由東向西偏移500 m左右，漏斗面積進(jìn)一步增大。

3 地面沉降模型研究及趨勢(shì)預(yù)測(cè)

3.1 數(shù)學(xué)模型

3.1.1 公式的選擇

土體的變形包括兩個(gè)方面，粉土及粘性土層的變形與砂層(含水層)的變形。

(1)粉土及粘性土層的變形按下式計(jì)算

(2)砂層(含水層)的變形按下式計(jì)算

(3)總沉降量的計(jì)算S總=S1+S2

式中:S總為總的最終沉降量，cm;S1為含水層的最終沉降量，cm;S2為粘性土及粉土的最終沉降量，cm;av為壓縮系數(shù)，MPa－1;e0為原始孔隙比，無量綱;ΔP為施加于土層的平均荷載變化量，水位以上地層ΔP包括建筑荷載和因水位下降而喪失的浮力兩部分;水位一下的為建筑荷載;MPa;H為計(jì)算土層的厚度，m;E為砂土的彈性模量、壓縮時(shí)為Ec，回彈時(shí)為 Es，MPa;i、j分別為層序，代表某一土體。

3.2 趨勢(shì)預(yù)測(cè)

3.2.1 最終沉降量的估算

選擇地面沉降量最大的PS23及處于沉降最嚴(yán)重邊緣點(diǎn)即京開大道和站前路交叉口最近的 PS10作為代表點(diǎn)，利用模型對(duì)它們現(xiàn)狀條件下的最終沉降量進(jìn)行估算。

表2 PS23、PS10基本情況一覽表

3.2.2 計(jì)算條件的確定

在孔隙水壓力減小的深度內(nèi)，土體都有可能發(fā)生壓縮變形，而研究深度內(nèi)的地下水的開采，孔隙水壓力均有變化，研究深度為80 m，計(jì)算厚度應(yīng)包括研究深度內(nèi)的粉土及粉質(zhì)粘土層厚度和砂層(含水層)厚度，因此PS23和PS10點(diǎn)的計(jì)算厚度均為80 m。

建筑物荷載變化 P1，計(jì)算地段原為農(nóng)業(yè)用地，其原有荷載視為零，PS23和PS10所處地段現(xiàn)在均以住宅及辦公樓為主，建筑物荷載一般為 120 KPa，荷載均勻分布系數(shù)為0.5，因此，P1取120×0.5=60 KPa;土體喪失的浮力 P2，根據(jù)公式計(jì)算PS23和PS10所處地段分別為60.4 KPa和52 KPa。故它們的總的荷載變化分別為120.4 KPa和112 KPa。

3.2.3 其它計(jì)算參數(shù)的確定

通過分析，其他計(jì)算參數(shù)選取如下:

表3 計(jì)算參數(shù)表

3.2.4 計(jì)算成果分析

根據(jù)公式計(jì)算得知，工作區(qū)地面沉降未來將呈兩種態(tài)勢(shì)發(fā)展:

1)地面沉降將會(huì)進(jìn)一步加大

首先，上述計(jì)算結(jié)果表明現(xiàn)狀條件下，PS23點(diǎn)的最終沉降量為716.2 mm，PS10的最終沉降量為 592.5 mm;而目前它們的沉降量僅為55 mm和18 mm，分別為最終沉降量的7.7%和3.0%。這說明現(xiàn)狀條件下仍有較大的發(fā)展空間。

其次，淺層地下水的開采是工作區(qū)地面沉降的決定性因素，它的均衡情況決定了地面沉降發(fā)展趨勢(shì)。另外，地下水水質(zhì)情況也決定了未來地下水開采仍將以淺層水為主，上述情況決定了淺層地下水位將繼續(xù)下降。

2)沉降量的差異(即不均勻性)將會(huì)更加明顯

在不同地段，產(chǎn)生地面沉降的條件如粉土與粘性土厚度、地下水位降幅、建筑荷載的分部等有所不同，因此，隨著地面沉降的發(fā)展，其不均勻性也將會(huì)更加明顯。

4 地面沉降的危害及防治對(duì)策

4.1 地面沉降的危害

地面沉降是一個(gè)緩慢而長期的過程，短期內(nèi)難以明顯感覺;一旦受到破壞，很難恢復(fù)到其原來的質(zhì)量，即使基本恢復(fù)代價(jià)也是昂貴的。

濮陽市工作區(qū)地面沉降沉降量較大的分布區(qū)正是市內(nèi)的繁華地段，在這些地段上建筑物密布，地下管縱橫、供水、供氣等管道交錯(cuò)分布，一旦不均勻沉降所產(chǎn)生應(yīng)力超過這些建筑或管道的所能承受的極限，他們將遭到毀壞。地面沉降若得不到控制，會(huì)惡化本地區(qū)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)環(huán)境，對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展帶來不利影響 。

總而言之，地面沉降的進(jìn)一步加劇將會(huì)給濮陽市帶來一系列的社會(huì)經(jīng)濟(jì)問題。

4.2 防治對(duì)策

建立全面地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，開辟新的替代水源，以人工制冷設(shè)備代替地下水資源，實(shí)行一水多用，充分綜合利用地下水，適當(dāng)調(diào)整地下水的開采層和合理支配開采時(shí)間，可以有效的控制地面沉降。加強(qiáng)宣傳，增強(qiáng)防災(zāi)意識(shí):在城市建設(shè)和規(guī)劃中，鋪設(shè)管網(wǎng)的時(shí)候應(yīng)增加管網(wǎng)的柔韌性，以充分適應(yīng)地面沉降對(duì)管網(wǎng)的擠壓。除上述措施外，還應(yīng)查清地下地質(zhì)構(gòu)造，對(duì)高層建筑物的地基進(jìn)行防沉降處理。在已發(fā)生區(qū)域性地面沉降的地區(qū)，為減輕洪澇等災(zāi)害損失，還應(yīng)采取加高固防洪堤以及疏導(dǎo)河道，興建排澇工程等措施。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

工作區(qū)內(nèi)存在的的粉土及粉質(zhì)粘土層，是工作區(qū)產(chǎn)生地面沉降的前提;地下水的不合理開采、城市建設(shè)等人類活動(dòng)，是引發(fā)的地面沉降的主要因素;其中地下水的長期不合理開采而形成的地下水位降落漏斗的長期存在是地面沉降的主要誘因;城市建設(shè)中形成的上部荷載的大幅度增加也是地面沉降的重要因素。

5.2 工作建議

對(duì)地面沉降工作進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，不能間斷，以保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，為地面沉降的防治提供可靠依據(jù);進(jìn)行回灌可行性研究和地面荷載與地面沉降的定量關(guān)系研究。

［1］河南省地勘局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì).河南省濮陽市規(guī)劃區(qū)地面沉降勘察報(bào)告.2002.

［2］濮陽市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站.濮陽市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)報(bào)告.2012.

［3］河南省新鄉(xiāng)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院.河南省濮陽市地質(zhì)礦產(chǎn)局.河南省濮陽市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)報(bào)告.1997.

［4］濮陽市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站.濮陽市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作五年總結(jié).1991－1995.

［5］河南省地礦廳第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì).河南省濮陽縣及市區(qū)區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查報(bào)告.1997.

［6］河南省地礦局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì).濮陽市供水水文地質(zhì)勘察報(bào)告.1985.