廣州南沙新區(qū)地面沉降分布特征及監(jiān)測方法探析

楊少鋒

(廣東省水文地質(zhì)大隊 ，廣東 廣州 510510)

廣州南沙新區(qū)地面沉降分布特征及監(jiān)測方法探析

楊少鋒

(廣東省水文地質(zhì)大隊 ，廣東 廣州 510510)

地面沉降是世界性的難題，也是環(huán)境地質(zhì)研究的主要內(nèi)容之一。經(jīng)濟(jì)發(fā)展對地下水的需求量不斷增加又導(dǎo)致地面沉降制約經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，已經(jīng)成為一對不可調(diào)和的矛盾。在闡述前人的研究成果的基礎(chǔ)上，以南沙濱?；▓@地面沉降、萬頃沙地區(qū)地面沉降、龍穴島地區(qū)地面沉降為研究對象，對南沙新區(qū)典型的地面沉降區(qū)進(jìn)行分析研究，并對地面沉降的防治提出建議措施，對控制地面沉降提供參考。

環(huán)境地質(zhì)；地面沉降；治理

南沙，原是古海灣，海水連天，島丘錯落。經(jīng)海洋平面幾進(jìn)幾退變化，沙泥淤積，漸成洲坦。先民很早就在這片島丘、沙洲上生息、勞作。在南沙街道鹿頸村出土的先秦遺址，揭示距今3000多年前后南沙先民采用農(nóng)耕與漁獵相結(jié)合的生產(chǎn)方式和定居生活方式。在歷史長河中，“沙埠”“沙浦”“南灣”、龍穴洲、黃角鄉(xiāng)、放馬山、大沙、義沙、南沙村、萬頃沙等地名次第出現(xiàn)，行政區(qū)屬也幾經(jīng)更替，逐漸演變和形成南沙區(qū)及其轄境輪廓。

1993年5月12日，國務(wù)院批準(zhǔn)設(shè)立廣州南沙經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)。2005年4月28日，國務(wù)院批準(zhǔn)設(shè)立廣州市南沙區(qū)。2012年9月6日，國務(wù)院正式批復(fù)《廣州南沙新區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，南沙新區(qū)成為繼上海浦東新區(qū)、天津濱海新區(qū)之后，國家在經(jīng)濟(jì)發(fā)展引擎地區(qū)設(shè)立的國家級新區(qū)。2012年12月1日，番禺區(qū)東涌鎮(zhèn)、大崗鎮(zhèn)、欖核鎮(zhèn)正式由南沙區(qū)管理。南沙區(qū)下轄萬頃沙鎮(zhèn)、黃閣鎮(zhèn)、橫瀝鎮(zhèn)、東涌鎮(zhèn)、大崗鎮(zhèn)、欖核鎮(zhèn)、南沙街道、珠 江街道、龍穴街道9個鎮(zhèn)(街道)，行政區(qū)總面積約803 km2。至2013年末，南沙區(qū)常住人口68.61萬人，戶籍人口37.11萬人。

南沙地處珠江三角洲幾何中心，南沙新區(qū)區(qū)位條件優(yōu)越，生態(tài)環(huán)境良好，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)堅實，發(fā)展?jié)摿薮?，輻射帶動范圍廣闊，與港澳合作緊密，戰(zhàn)略地位十分重要?！吨榻侵薜貐^(qū)改革發(fā)展規(guī)劃綱要(2008-2020年)》提出建設(shè)南沙新區(qū)等合作區(qū)域，作為加強(qiáng)與港澳服務(wù)業(yè)、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)等方面合作載體的要求。

1 珠江三角洲地面沉降地質(zhì)背景

珠江三角洲地區(qū)地面沉降主要與軟土密切相關(guān)。研究表明，珠江三角洲地區(qū)軟土分布廣泛。與第四紀(jì)以來發(fā)生的三次較大海侵相對應(yīng)，珠三角地區(qū)普遍存在三層軟土，其中以第三次海侵(距今約2 500 a)形成的軟土層厚度大，分布廣，處于三角洲前緣地帶的軟土沉積-固結(jié)時間短，超固結(jié)比OCR<1，大多屬欠固結(jié)土，具有厚度大、孔隙比大、壓縮性高、含水量高、透水性弱、易觸變和承載力小等工程地質(zhì)特征，因而珠三角地區(qū)軟土形成的地面沉降災(zāi)害多發(fā)。

珠江三角洲地區(qū)軟土成因以三角洲海相及海陸交互相為主，局部為河流相或湖沼相。珠江三角洲軟土主要是全新世時期至更新世晚期的3次海侵(分別距今2 500 a以來、7 500～5 000年、3.2萬～2.2萬 a)的沉積物，根據(jù)其形成時間和工程地質(zhì)性質(zhì)等差異性，一般自上而下將其稱為第一、第二和第三軟土層。在縱向上，三個軟土層厚度具有下薄上厚、下雜上純且穩(wěn)定等特征。橫向上具有自三角洲頂端至前緣厚度增大，層次增多等特征。

軟土地面沉降對建筑物、地面、橋梁和地下管線等均存在較大的破壞作用，其中對地表建筑物的危害主要表現(xiàn)為建筑物懸空、吊腳、開裂、傾斜或下沉，對地面危害主要表現(xiàn)為地面下沉、地面波狀起伏、開裂，對地下設(shè)施則主要表現(xiàn)為管道折斷、滲漏、中斷等。

2 南沙新區(qū)的地面沉降分析

2.1 軟土分布特征

本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)工作區(qū)存在多層軟土，除普遍認(rèn)可的第一、第二和第三層軟土之外，在晚更新世早期禮樂組石排段地層中，還發(fā)現(xiàn)在萬頃沙一帶零星分布有第四層軟土層。

工作區(qū)內(nèi)軟土分布厚度在平面上表現(xiàn)出越靠近海岸厚度越大的規(guī)律。厚度小于10 m的軟土一般分布在南沙區(qū)靈山、烏洲、大小虎、黃山魯?shù)壬降厍鹆甑闹苓叄豢偤穸冗_(dá)10～20 m的軟土分布在魚窩頭一帶；20～40 m的軟土分布在南沙區(qū)的橫瀝、萬頃沙、南沙港區(qū)；厚度大于40 m的軟土較少見，分布于萬頃沙十七涌以南的局部地區(qū)，最厚處可達(dá)42.6 m。

2.2 地面沉降現(xiàn)狀發(fā)育特征

工作區(qū)地面沉降主要分布于工作區(qū)內(nèi)珠江口各大出海口門的廣大平原區(qū)、河口沉積區(qū)，與區(qū)內(nèi)軟土的分布基本一致，本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)有地面沉降災(zāi)害隱患21 處，呈面狀或條帶狀分布于填土和軟土發(fā)育的南沙區(qū)萬頃沙、龍穴島、填海區(qū)填海時間短的區(qū)域地面沉降相對發(fā)育，但由于新近填海區(qū)地表主要為魚塘、蕉地，為面狀大范圍整體沉降，無較好參照物，沉降現(xiàn)象僅見于水閘、橋頭等處，地面沉降規(guī)模分級標(biāo)準(zhǔn)劃分屬中-小型。工作區(qū)地面沉降的引發(fā)原因及發(fā)育特征。

2.2.1 軟土和填土引發(fā)的地面沉降

地面沉降的原因除與土體特殊類型、土體結(jié)構(gòu)、性質(zhì)(內(nèi)因)有關(guān)外，主要與人類圍海造地、填土建設(shè)等工程活動(外因)密切相關(guān)。淤泥類軟土分布區(qū)，在自重固結(jié)沉降未完成區(qū)域內(nèi)進(jìn)行厚度較大的填土，人為加速了軟土的排水固結(jié)-壓縮沉降進(jìn)程，是大面積地面下沉和工程建筑損壞的根本原因。

軟土地面沉降是區(qū)內(nèi)主要的沉降類型之一，主要是由于欠固結(jié)軟土(淤泥、淤泥質(zhì)土)在自重或者加荷載作用下排水固結(jié)而造成的，因此其空間分布與軟土層分布范圍一致。

2.2.2 抽水加劇的地面沉降

地層巖性及結(jié)構(gòu)特征是產(chǎn)生地面沉降的重要地質(zhì)背景，軟土的廣布及厚度是產(chǎn)生地面沉降的主要原因，地下水開采則加劇了地面沉降的速度。在三角洲平原前緣地區(qū)，地下咸水資源較豐富。由于養(yǎng)殖業(yè)開采而導(dǎo)致局域性地面沉降，并且還在不斷地發(fā)生發(fā)展當(dāng)中。本次調(diào)查，調(diào)查點R296因開采地下水而加劇的地面沉降現(xiàn)象最為典型(見圖1)。

表1 地面沉降嚴(yán)重程度劃分表 cm

工作區(qū)因開采地下水加劇的沉降主要分布于中山市民眾及順德一帶咸水養(yǎng)殖區(qū)。災(zāi)害現(xiàn)象往往呈疊加狀態(tài)，即有軟土地基沉降又有抽水沉降，因此加劇了災(zāi)害程度。

2.3 穩(wěn)定狀態(tài)

軟土地面沉降是區(qū)內(nèi)主要的沉降類型之一，主要是由于欠固結(jié)軟土(淤泥、淤泥質(zhì)土)在自重或者加荷載作用下排水固結(jié)而造成的，因此其空間分布與軟土層分布范圍一致。同時人類工程活動強(qiáng)度及頻繁性，也是加速區(qū)內(nèi)地面沉降的外力因素，如廣州南沙區(qū)的一些重點發(fā)展地區(qū)的開發(fā)建設(shè)，包括大面積的填海造地、巖土工程、道路工程以及區(qū)域性動、靜荷載的頻繁增加，都對地質(zhì)環(huán)境造成了強(qiáng)烈的擾動，使得軟土地基沉降災(zāi)害發(fā)育且災(zāi)害顯著。根據(jù)野外現(xiàn)狀調(diào)查，工作區(qū)地面沉降災(zāi)害隱患點穩(wěn)定性較差，目前仍在持續(xù)發(fā)育當(dāng)中。

圖1 地下水開采加劇地面沉降致房屋傾斜

2.4 南沙新區(qū)典型地面沉降區(qū)

南沙區(qū)的萬頃沙地區(qū)和龍穴島均是工作區(qū)軟土的沉積中心。區(qū)內(nèi)軟土分布總體上表現(xiàn)出從北向南、由內(nèi)陸到河口軟土逐漸增厚的趨勢，其中珠江兩岸、番禺-南沙軟土大面積分布。20～40 m的軟土分布在南沙區(qū)的橫瀝、萬頃沙、新墾、三民島、南沙港區(qū)；厚度>40 m的軟土分布面積較小，主要見于南沙區(qū)萬頃沙十七涌以南的局部地區(qū)，最厚處可達(dá)42.6 m；巖性為淤泥、淤泥質(zhì)粘土，少量淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、砂質(zhì)淤泥、泥炭土和軟粘土。南沙萬頃沙、龍穴島區(qū)域為了城市發(fā)展需要進(jìn)行了大規(guī)模的填海造陸施工，填土厚度3～10 m，平均層厚5 m，填海時間短的區(qū)域，地面沉降相對發(fā)育。

近期重點發(fā)展區(qū)興建了大量的工程項目，其中相當(dāng)一部分都遭遇淤泥類軟土地基沉降災(zāi)害，具有代表性的如濱海花園、南沙港物流基地、萬頃沙等。但由于新近填海區(qū)主要表現(xiàn)為橋頭跳車、水閘錯位等。

2.4.1 南沙濱?；▓@地面沉降

濱?；▓@位于南沙新區(qū)南沙街道辦環(huán)島西路的南部，瀕臨珠江口，西南面正對珠江出?？诘慕堕T水道，東北面為飛沙角山。該地區(qū)為海相沖沉積平原，軟土分布廣、厚度大，分布有4層第四系全新統(tǒng)海陸交互相淤泥、淤泥質(zhì)土，軟土厚度10～40 m，局部大于40 m。其中三期小區(qū)內(nèi)有五個區(qū)段淤泥或淤泥質(zhì)土大于40 m的沉積中心。

南沙濱?；▓@原地面為農(nóng)田，根據(jù)1997年1:1萬航測地形圖，一期小區(qū)填土前原地面平均標(biāo)高為4.96 m，二期小區(qū)填土前原地面平均標(biāo)高為4.56 m，三期小區(qū)原地面平均標(biāo)高為4.83 m。經(jīng)填土-建設(shè)-自然固結(jié)過程后，到2011年底，一期小區(qū)地面平均標(biāo)高7.53 m，二期小區(qū)地面平均標(biāo)高8.75 m，三期小區(qū)地面平均標(biāo)高8.37 m。

濱海花園現(xiàn)已建成三個小區(qū)，第一期小區(qū)1999年開始建設(shè)，2003年建成，以獨立別墅建筑為主，采用人工攪拌樁復(fù)合基礎(chǔ)，樁長一般十多米，樁端持力層為中、粗砂層。據(jù)廣東省地質(zhì)科學(xué)研究所對濱?；▓@一期別墅群的沉降監(jiān)測資料，2004年11月3日至2005年4月29日，一期別墅群沉降表現(xiàn)為上部結(jié)構(gòu)與軟土地基整體沉降，平均沉降速率為0.23 mm/d，年沉降速率為83.95 mm/a，沉降面積0.48 km2。而高層建筑物、多層建筑區(qū)因主體結(jié)構(gòu)采用樁基礎(chǔ)，以基巖為樁端持力層，建筑物主體結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，地面則出現(xiàn)不均勻沉降。

第二期小區(qū)2004年至2006年填土，2009年建成，以別墅建筑為主，南片有十多幢高層住宅公寓。第三期小區(qū)2005年至2009年填土，2010年建成，以別墅建筑為主，有少數(shù)高層住宅公寓。

2002年以前，一期小區(qū)已完成填土，地面自然沉降時間近10年，二期、三期小區(qū)填土?xí)r問在2005年前后，地面自然沉降時間近6年。據(jù)估算各小區(qū)地面標(biāo)高、人工填土厚度等如表2。

表2 濱?；▓@人工填土厚度表

圖2 濱?；▓@一期區(qū)、二期區(qū)、三期區(qū)

廣州市地質(zhì)調(diào)查院按照《地面沉降監(jiān)測技術(shù)要求》(DD2006-02)規(guī)定，建立了GPS測量網(wǎng)絡(luò)對濱?；▓@一期小區(qū)、二期小區(qū)、三期小區(qū)軟土地基進(jìn)行了沉降測量，沉降測量平均值如表3，地面沉降量與沉降時間曲線如圖2。

2.4.2 萬頃沙地區(qū)地面沉降

主要表現(xiàn)為房屋開裂、地面波狀起伏和橋頭調(diào)車等。如萬頃沙新墾社區(qū)繁榮路(十四涌)129號，因地面沉降導(dǎo)致地面臺階拉裂變形，管道脫出，門檻“增高”等現(xiàn)象。可觀測到沉降約為10 cm(見圖3、圖4)。德澤三巷可見圍墻與主體建筑分離，圍墻傾斜6.5°。

表3 濱?；▓@一期、二期、三期等3個小區(qū)軟土地基沉降測量平均值

圖3 萬頃沙繁榮路129號臺階拉裂

2.4.3 龍穴島地區(qū)地面沉降

龍穴島為新近填海區(qū)域，地面建筑較少，地面沉降主要反映在水閘、橋頭等。如鳧洲大橋南橋頭，可見沉降13 cm，橋面與橋臺拉裂1～3 cm；龍穴島三涌水閘，受地面沉降影響，兩端可觀測到下沉達(dá)36 cm，拉開9 cm；龍穴大道四涌橋，橋頭有明顯的沉降和修補(bǔ)痕跡，路沿砌塊拱起變形；龍穴島四涌水閘，也可見下沉量達(dá)33 cm，拉開達(dá)29 cm，且發(fā)生左右偏移，偏移量為24 cm之多。(見圖4～圖7)。

圖4 萬頃沙繁榮路地面沉降 圖5 德澤三巷地面沉降致圍墻傾斜、分離

圖6 龍穴島三涌水閘沉降拉裂 圖7 龍穴大道橋頭邊緣砌塊拉裂拱起變形

3 地面沉降監(jiān)測方法

地面沉降的監(jiān)測是對地面沉降的定量研究。它主要是監(jiān)測地面點的下沉和變形，由此分析計算地面沉降情況。主要方法有以下幾種：1傳統(tǒng)測量方法，也即平面水準(zhǔn)控制測量；2GPS衛(wèi) 星定位測量；3星載合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)InSAR。

下面來比較一下GPS和InSAR各自的優(yōu)缺點：(1)GPS定位精度高，空間分辨率低；InSAR具有連續(xù)覆蓋特性；(2)GPS具有高精度的平面絕對定位能力，高程定位精度較低；InSAR確定相對位置，對高程信息特別敏感，精度可達(dá)到亞厘米級；(3)GPS可以長時間連續(xù)觀測，數(shù)據(jù)的時間分辨率很高；In- SAR為瞬時測量，周期比較長，時間分辨率低。 鑒于兩者互有長短，所以許多學(xué)者提出了要把GPS和In-SAR數(shù)據(jù)融合， 這樣可以發(fā)揮兩者的長處，互相取長補(bǔ)短。

GPS和InSAR數(shù)據(jù)融合的優(yōu)勢在于既可以改正InSAR數(shù)據(jù)本身難以消除的誤差，又可以實現(xiàn)GPS技術(shù)高時間分辨率和高水平位置精度與InSAR技術(shù)高空間分辨率和高高程變形精度有效統(tǒng)一。

4 結(jié)語

地面沉降受控于兩個主要因素：軟土層的分布和開采量。區(qū)內(nèi)軟土層的分布、厚度、性質(zhì)是地面沉降產(chǎn)生的地質(zhì)因素，根據(jù)對以往城市地面沉降的研究，最主要的沉降量主要來自于含水砂層和具有高壓縮性的軟土的壓密釋水。還有前面提及的工程性沉降，也是由于高層建筑物的自重荷載對軟土層的壓密作用。所以調(diào)查軟土層的分布對控制地面沉降具有重要意義。在充分調(diào)查軟土層分布的情況下，合理選擇井位以及開采層，從而控制開采量，對控制地面沉降有著積極意義。

[1]陳崇希，裴順平.地下水開采-地面沉降數(shù)值模擬機(jī)防治對策研究——以江蘇省蘇州市為例[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社.2001，81-82.

[2]張云，薛禹群.抽水地面沉降數(shù)學(xué)模型的研究現(xiàn)狀與展望[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報.2002.13(2)：2-5.

[3]獨知行，陽凡林，劉國林.GPS與InSAR數(shù)據(jù)融合的研究現(xiàn)狀與展望[J].山東科技大學(xué)學(xué)報.2005.24(3).

2016-11-30

楊少鋒(1971-)，男，廣東河源人，工程師，主要從事水文地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)方面工作。

P642.26

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1004-1184(2017)04-0213-03