天津市地面沉降研究成果

張姣姣 柳玉潔

(天津市地質環(huán)境監(jiān)測總站，天津 300191)

地面沉降是指由于自然因素或人為活動引起松散土層壓縮并導致一定區(qū)域范圍內地面高程降低的地質現(xiàn)象。地面沉降災害具有形成時間長、影響范圍廣、防治難度大、難以恢復等特點，已成為影響天津市可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。

1 地面沉降歷史與現(xiàn)狀

天津市地面沉降現(xiàn)象最早發(fā)現(xiàn)于1923年，到1985年，天津平原區(qū)地面沉降災害已十分嚴重，中心城區(qū)地面沉降量達80 mm/年～100 mm/年，塘沽城區(qū)地面沉降量達80 mm/年～150 mm/年，嚴重危害了城市安全、軌道交通工程安全并加劇了沿海地區(qū)風暴潮災害。為了控制地面沉降，天津市進行了多項調查、監(jiān)測、研究、防治工作，取得了豐碩的成果，地面沉降防治成效顯著。2017年中心城區(qū)平均沉降量14 mm，濱海新區(qū)平均沉降量16 mm，其中塘沽平均沉降量14 mm，漢沽平均沉降量27 mm，大港平均沉降量14 mm。

2 地面沉降監(jiān)測工作

地面沉降監(jiān)測是防治研究的基礎，天津市地面沉降監(jiān)測工作始于20世紀70年代，最早為建設了中心城區(qū)大直沽與陳塘莊分層標組。目前，天津市已建成較為完善的水準測量監(jiān)測、分層標監(jiān)測、GPS監(jiān)測、地下水位動態(tài)監(jiān)測的地面沉降監(jiān)測體系并輔以InSAR監(jiān)測，對地下水開采、軟土變形以及大規(guī)模城市建設引起地面沉降的監(jiān)測提供了技術支撐［1］，見表1。

表1 地面沉降監(jiān)測設施統(tǒng)計

3 地面沉降主要研究成果

3.1 查明了天津市地面沉降的主要影響因素

影響天津地區(qū)地面沉降的因素可分為自然因素和人為因素。

1)自然因素包括構造活動與軟土固結。新構造活動是影響天津市構造沉降的主要因素，運用第四紀地質學、歷史地貌和歷史水準點演化等方法得出天津市由基底構造活動造成的地面沉降的基本速率應為1.3 mm/年～2.0 mm/年，沿海地區(qū)沉降速率一般都達到 2.0 mm/年［2］。

軟土固結引起的地面沉降主要表現(xiàn)在濱海軟土分布區(qū)。濱海地區(qū)軟土主要存在于全新統(tǒng)第一海侵層，一般厚度為2.5 m～5.0 m，局部地區(qū)厚度超過10 m，含水量高，呈軟塑～流塑狀，具高壓縮性。此類軟土處于欠固結狀態(tài)，在自重應力下便會發(fā)生排水固結，產生地面沉降，此階段屬于軟土主固結壓縮，多年平均年變形量為1 mm/年，主固結時間一般為數月到一年，長者為3年～5年，軟土層完成主固結后將長期處于次固結階段［3］。

2)人為因素主要表現(xiàn)為超量開采地下水、開采地熱水、開采油氣以及城市建設等［4，5］，其中超量開采地下水為地面沉降主要影響因素。經過多年研究工作，超量開采地下水引起嚴重的地面沉降已成為大家的共識，從圖1可以看出，地下水位的下降與地面沉降發(fā)育趨勢具有一致性;1986年控沉計劃實施后，大力壓縮地下水開采，控沉效果更加明顯的反映了地下水超量開采是影響地面沉降的主因。

圖1 大港累計沉降量與水位埋深關系曲線

開采地熱水引發(fā)地面沉降主要表現(xiàn)為開采新近系孔隙型地熱水，相關資料顯示，塘沽開采明化鎮(zhèn)組和館陶組熱儲層熱水引起的地面沉降量為 5 mm/年 ～6 mm/年［6］。

開采油氣資源引起地面沉降局限于油田區(qū)，目前大港油田已知欠固結地層深度已超過4 500 m，油氣開采必將引起流體壓力降低，巖層固體顆粒有效應力增加固結壓密而引發(fā)地面沉降，但影響程度尚不清楚［7］。

城市建設引發(fā)地面沉降主要受建筑物荷載和基坑降水影響。天津地區(qū)地下水位埋深淺，基坑開挖必須進行人工降水，水位下降可達幾十米，必然形成地面沉降;高大建筑的荷載使下部地基固結壓密，引起地面沉降，特別是密集的建筑群，產生的影響將更明顯。依據天津中心城區(qū)建筑物長觀資料，建筑物荷載引起的沉降時間一般僅5年～15年，范圍局限在建筑物附近［7］。

3.2 創(chuàng)建了一套深層土物理力學參數試驗方法

為了獲得更深層土的力學參數，研究地面沉降機理，研制了一套超高壓固結儀，開展了深層土的超高壓力學系列試驗，試驗類型包括前期固結壓力試驗、模擬水位變化的反復加卸荷試驗、模擬0-P0反復加卸荷試驗等［8］。

前期固結壓力試驗，認識了1 200 m深度內地層固結狀態(tài)或受力歷史，為地下水、地熱開采實施水位控制提供了依據;模擬水位變化的反復加卸荷試驗，獲得了土層多級荷載下的壓縮系數、壓縮指數及卸荷時的回彈系數、回彈指數，為地面沉降機理研究和地面沉降預測預報提供了必要的參數;0-P0反復加卸荷試驗，恢復了深層土的原始孔隙比，為合理預測地面沉降提供了更加精確的技術手段。

3.3 建立了準三維水流和一維地層壓縮數值耦合模型

運用美國MODFLOW三維地下水流有限差分數學模型軟件和中英合作開發(fā)的地層壓縮模型IDP程序包(Interbed Drainage Package夾層排水程序包)在天津市中心城區(qū)及其周邊546 km2范圍內，建立了深度550 m準三維地下水流和一維地層壓縮數值耦合模型［9，10］。

模型再現(xiàn)了地下水開采和地面沉降的過程，反映了地下水的開采引發(fā)地面沉降的規(guī)律:隨著地下水的開采，地層產生垂向變形。變形由兩部分組成，一部分是粘性土變形，屬非彈性變形，有滯后現(xiàn)象;另一部分是砂性土變形，屬彈性變形，無滯后影響。當兩種變形疊加在一起時，在每一應力時間段的初期階段，彈性變形占一定的比例，后期以非彈性變形為主。

3.4 提出了“地面沉降臨界水位”概念

前面已經提到，超量開采地下水是引起地面沉降的主要因素，那么何為不超量，是否存在一個地面沉降成災的極限水位。牛修俊先生最早提出了臨界水位的概念，即臨界水位系指不引起或不明顯引起地面沉降的極限水位［11］。

資料表明，只有超固結地層才存在臨界水位，其臨界水位值即為地層的超固結值，通過固結試驗、分層標監(jiān)測地層變形量、水位動態(tài)變化規(guī)律，天津已確定了第Ⅱ，第Ⅲ含水組地層的臨界水位值。1986年控沉計劃采用了第Ⅱ含水組臨界水位值，大力壓采第Ⅱ含水組，水位由50 m～60 m恢復至30 m～40 m，地層不再壓縮。這一理論成果對地面沉降防控工作具有現(xiàn)實的指導意義。

3.5 評估了地面沉降條件下深層地下水開采量組成

依據天津平原地面沉降監(jiān)測結果，以1991年—2003年為均衡期，對地下水開采量(46 102 m3/年)進行了均衡計算。計算結果表明不同含水層組地下水資源組成差異較大，其中淺層對深層地下水的越流補給量占總開采量的39.9%，粘性土壓縮(地面沉降)釋水量占總開采量的42.7%，區(qū)域水位下降含水層彈性釋水量占總開采量的1.0%，側向徑流補給量占總開采量的15.9%［12］。

含水層埋藏越深，地下水開采對地面沉降影響越大。開采第Ⅱ，第Ⅲ含水層組1 m3地下水，引起地面沉降的土方損失量約為0.33 m3;開采第四、五含水層組1 m3地下水，引起地面沉降的土方損失量約為0.68 m3。因此，合理調整地下水開采層位是控制地面沉降的有效措施。

4 成果應用

地面沉降研究的根本是服務于控沉管理。天津市1986年開始三期三年控沉計劃制定，封停井、壓采地下水;對全市劃分地下水禁采區(qū)、限采區(qū)、控采區(qū)，實施地下水人工回灌;編制《天津市地面沉降防治規(guī)劃》等。天津市地面沉降研究成果應用范圍日益廣泛，服務了城市安全管理和政府重大決策。

5 結語

通過多年的調查、研究、監(jiān)測工作，天津對地面沉降災害的掌握已較為全面，取得的成效顯著。在新的歷史時期，隨著經濟的發(fā)展，人民生活水平逐漸提高，對地面沉降研究、防治工作提出了更高的要求。在十九大“加強地質災害防治”的新形勢下，要求我們結合目前地面沉降的發(fā)展形勢，依靠科技進步，探索高新監(jiān)測技術，加強地面沉降災害的信息化建設，以便于科學研究與政府管理。