江蘇海門地區(qū)地面沉降成因分析

裴江濤,楊 璐,駱祖江

(1.河海大學地球科學與工程學院,江蘇 南京 211100;2.江蘇省地質(zhì)工程勘察院,江蘇 南京 211102)

地面沉降,又稱地面下沉或地陷,是由于自然或人類工程經(jīng)濟活動影響,導致地下松散地層固結(jié)壓縮,繼而引起地殼表面高程降低,造成局部下降運動的現(xiàn)象[1-3]。地面沉降是地層垂向變形的宏觀表現(xiàn)形式,土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生垂向變形是深層孔隙水的大規(guī)模開采,使深層水位迅速下降,孔隙水壓力減小,有效應(yīng)力發(fā)生變化所致[4]。砂層壓密引起的地面沉降量小,且為彈性釋水壓密,孔隙水壓力恢復時,地面回彈。黏性土層壓密方式為塑性釋水壓密,即使后期地下水位逐漸恢復,黏性土也不能發(fā)生回彈,從而造成永久性的地面沉降[5]。

地面沉降的形成因素具有多樣性,區(qū)域性地面沉降的形成與地殼運動、海平面上升等有密切關(guān)系。城市局部地面沉降與人類工程活動和地下水的過度汲取有關(guān)[6]。目前多數(shù)研究重點關(guān)注地下水開采造成的城市局部地面沉降[7-10],如薛禹群等[11]通過分析蘇南地區(qū)地下水水位與地面沉降發(fā)展歷程,得出該區(qū)地面沉降與地下水開采有關(guān)的結(jié)論;胡喜梅等[12]認為地下水開采產(chǎn)生了以海門等地區(qū)為中心的區(qū)域沉降漏斗。近年,海門地區(qū)嚴格控制地下水開采量,但地面沉降仍然持續(xù),因此地下水開采可能并非近期地面沉降唯一影響因素。結(jié)合區(qū)內(nèi)地層淺部分布有大面積高壓縮性松軟土層,且近幾年城市建筑荷載趨于密集,松散軟弱土層和區(qū)域建筑荷載對區(qū)內(nèi)地面沉降的影響也不容忽視,需綜合考慮相關(guān)因素對區(qū)內(nèi)地面沉降產(chǎn)生的影響。本文在搜集海門地區(qū)相關(guān)地質(zhì)資料基礎(chǔ)上,分析地面沉降發(fā)生的原因,為地面沉降防控工作提供合理依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)條件

海門地區(qū)位于江蘇省東部,地處長江中下游沖積平原,其東部與啟東市接壤,南瀕崇明島,東北部抵臨黃海,市境坐標:31°46′～32°09′N,121°04′～121°32′E,總面積約1 148 km2(圖1)。區(qū)內(nèi)河渠縱橫,水網(wǎng)密布,地勢平坦,地面海拔高程一般為3～5 m,最高海拔5.2 m,最低海拔2.5 m,總體上由西北向東南方向逐漸降低。

圖1 海門地區(qū)地理位置圖Fig. 1 Geographical location of Haimen area

1.1 第四紀地層

研究區(qū)屬于下?lián)P子地層分區(qū),第四系廣泛覆蓋。自新近紀以來,區(qū)內(nèi)持續(xù)下降接受沉積,沉積物主要來自長江。第四紀地層發(fā)育齊全,垂向上具多韻律發(fā)育特征,中下部以陸相沉積為主,上部為海陸交互相沉積,該區(qū)域自新近紀以來發(fā)生多次差異升降運動。根據(jù)巖性、巖相特征,自下而上劃分為海門組、啟東組、昆山組、滆湖組及如東組(表1)。

表1 研究區(qū)第四紀地層簡表[13]Table 1 Brief table of Quaternary strata in the study area[13]

1.2 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)第四系從上到下可劃分為9個工程地質(zhì)層[13](圖2),分別為:

圖2 研究區(qū)地工程地質(zhì)剖面Fig. 2 Engineering geology profile of the study area

1-1填土:各地均有分布,在局部溝壑中有較厚的填土,可分為雜填土和素填土兩種。

1-2沖填土:以沿江分布為主,以長江砂為主要成分,局部夾有粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土薄層。

2-1粉質(zhì)黏土夾粉土:淺部地層均有分布,灰黃-灰色,可塑-軟塑,以粉質(zhì)黏土為主,夾少量粉土。

2-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土:局部分布,灰色,流塑,有明顯的層次感,為不良工程地質(zhì)層。

3粉砂夾粉土:分布較多,青灰色,局部夾粉土、粉質(zhì)黏土,飽和,中密,工程地質(zhì)條件一般。

4粉砂夾粉質(zhì)黏土:普遍分布,青灰色,粉質(zhì)黏土局部淤質(zhì)狀,局部地區(qū)互層狀分布,飽和,稍密,工程地質(zhì)條件較差。

5粉質(zhì)黏土夾粉土:普遍分布,灰褐色,軟塑,局部粉質(zhì)黏土呈流塑狀,略有光澤,局部與稍密狀粉土互層狀分布,工程地質(zhì)條件差。

6粉砂夾粉土:普遍分布,局部地區(qū)與粉土互層狀分布,青灰色,飽和,中密,工程地質(zhì)條件一般。

7粉質(zhì)黏土夾粉土:局部分布,灰色,可塑-軟塑,夾粉土、粉砂,工程地質(zhì)條件一般。

8粉砂:均有分布,青灰色、灰色,局部夾灰褐色粉質(zhì)黏土薄層,工程地質(zhì)條件好。

9粉細砂:均有分布,青灰色、灰色,局部夾礫石,具有良好的工程地質(zhì)條件。

1.3 水文地質(zhì)條件

1.3.1 地下水類型與含水層組劃分

根據(jù)賦存條件、含水層巖性、水理性質(zhì)、水力特點等因素,可將研究區(qū)地下水分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水3類[14]。其中,賦存松散巖類孔隙水的含水層由厚240～440 m的第四系松散沉積物和新近系松散沉積物構(gòu)成,含水層位多,垂向上相互疊置,橫向上延伸穩(wěn)定,富水性較好,地下水資源儲藏厚實。按含水層的時代成因、埋藏條件和水力聯(lián)系等特點,該含水層從上到下依次劃分為潛水含水層、Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ承壓含水層4個含水層組[14]。從區(qū)域上分析,各含水層組之間存在不同程度的水力聯(lián)系,并構(gòu)成復雜的地下水流系統(tǒng)。研究區(qū)典型水文地質(zhì)剖面示意圖見圖3,松散巖類孔隙水含水層組特征如下:

圖3 研究區(qū)典型水文地質(zhì)剖面示意圖[14]Fig. 3 Typical hydrogeological profile sketch of the study area[14]

(1)潛水含水層。為第四系全新統(tǒng),潛水水位埋深為-0.8～3.69 m,單井涌水量一般在300 m3/d以下,地下水礦化度1.0～3.0 g/L,厚度為20～30 m,水質(zhì)較差。目前區(qū)內(nèi)無規(guī)模開采。

(2)第Ⅰ承壓含水層。為第四系上更新統(tǒng),富水性較好,水質(zhì)分布不均,單井涌水量3 000～5 000 m3/d,水位埋深1.5～3.6 m,厚度40～70 m。

(3)第Ⅱ承壓含水層。為第四系中更新統(tǒng),厚度為50～80 m,自西向東漸薄,單井涌水量1 000～2 000 m3/d,承壓水頭埋深3.0～5.0 m。水質(zhì)復雜,三和鎮(zhèn)以西礦化度不到1.0 g/L,為淡水,向東礦化度逐漸增高,向半咸水、咸水方向演變,至今仍未開采。

(4)第Ⅲ承壓含水層。為第四系下更新統(tǒng),是海門地區(qū)的主要開采層之一,具有分布廣泛、富水性強、水質(zhì)優(yōu)的特點。單井涌水量2 000～3 000 m3/d,局部地區(qū)超過3 000 m3/d,承壓水頭埋深15～25 m,厚度30～40 m,礦化度0.45～0.91 g/L,為淡水。

1.3.2 地下水水位動態(tài)特征

海門地區(qū)地下水開采始于20世紀70年代,迄今已有50余年歷史,主要開采第Ⅲ承壓水。20世紀90年代末,由于工業(yè)的蓬勃發(fā)展,地下水開采量激增,至1999年,地下水年開采總量達到2 243萬m3[14]。2013年后,海門區(qū)政府加強了對地下水開采的管理,實行計劃開采,使地下水開采量有所減少,地下水水位逐年下降的趨勢得到了有效的控制。壓采初期地下水位迅速回升,隨著時間推移,第Ⅲ承壓含水層回升速率有所降低。表2為區(qū)內(nèi)承壓含水層歷年開采井數(shù)及開采量[14]。

表2 研究區(qū)承壓含水層歷年開采量統(tǒng)計[14]Table 2 Statistics of exploitation of confined aquifer in the study area over the years[14]

由2011—2020年第Ⅲ承壓含水層水位等值線圖[14](圖4)可知:2011—2012年海門地區(qū)地下水位下降3.3 m,地下水開采量大,且開采井分布均勻。第Ⅲ承壓含水層水位在實施地下水壓采政策后得到迅速恢復,由于上覆第Ⅲ黏性土弱透水層持續(xù)釋水補給第Ⅲ承壓含水層,加之黏性土層變形通常具有流變特性,因此在壓采后較長的時間內(nèi),仍然呈現(xiàn)出持續(xù)壓縮的趨勢;2014年9月—2016年9月地下水水位總體回升值約8.2 m,第Ⅲ承壓含水層發(fā)生較大回彈;2016年9月—2018年9月,第Ⅲ承壓含水層水位回升約3.4 m;2018年9月—2020年9月,開采量進一步減小,第Ⅲ承壓含水層水位總體回升約5.5 m。

圖4 研究區(qū)第Ⅲ承壓含水層水位等值線圖[14]Fig. 4 Water level contour map of the III confined aquifer in the study area[14]

2 研究區(qū)近年地面沉降特征

海門地區(qū)第Ⅲ承壓含水層由于早期超采地下水,水位明顯低于上覆含水層,因此在水力梯度的作用下,上覆含水層釋水補給第Ⅲ承壓含水層,產(chǎn)生一定沉降。建筑荷載引起的地面沉降主要發(fā)生于淺部地層,沉降漏斗以建筑荷載為中心,在研究區(qū)內(nèi)通常呈點狀分布。

由區(qū)內(nèi)地面沉降監(jiān)測資料(2010—2020年)[15]可知,全區(qū)年平均沉降量<5 mm,下沉區(qū)累計變化值為-6～-33 mm,其中三廠街道東南角部分地區(qū)目前地面累計沉降已達119 mm。沉降量大的區(qū)域主要位于江心沙農(nóng)場、海門經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)沿長江一帶。

2010年9月—2011年9月,海門地區(qū)整體呈沉降趨勢(圖5(a)),沉降量由西南向東北方向逐漸增大,最大沉降量為常樂鎮(zhèn)及包場鎮(zhèn)北部區(qū)域,沉降量為8 mm。地面沉降現(xiàn)象在2011年9月—2012年9月持續(xù)發(fā)生(圖5(b)),沉降主要集中在江心沙農(nóng)場、海門街道和悅來鎮(zhèn)東部地區(qū),其中最大沉降量為18 mm。2014年9月—2016年9月,海門地區(qū)地下水位回彈量大于上覆土層釋水壓縮量(圖5(c)),呈現(xiàn)出整體回彈現(xiàn)象,其中三星鎮(zhèn)、江心沙農(nóng)場和包場鎮(zhèn)北部地區(qū)回彈量較小,區(qū)內(nèi)最大回彈量為12 mm。2016年9月—2018年9月,研究區(qū)內(nèi)整體重回大范圍沉降現(xiàn)象(圖6(a)),這是由于上覆弱透水層的壓縮量大于第Ⅲ承壓含水層的回彈量,區(qū)內(nèi)由南向北沉降現(xiàn)象漸為嚴重,其中江心沙農(nóng)場沉降量最大時達到20 mm。2018年9月—2020年9月,研究區(qū)再次出現(xiàn)大范圍回彈現(xiàn)象(圖6(b)),一方面是由于水位回升幅度大導致該層回彈量增加,另一方面隨著第Ⅲ承壓含水層水位回升,與上覆黏性土層間水力梯度減小,釋水量也相應(yīng)減少,且流變效應(yīng)隨時間遞減,因此回彈量大于壓縮量,總體上呈現(xiàn)出地面回彈趨勢。其中中部及東南部地區(qū)回彈最為明顯,最大回彈量為20 mm,全區(qū)僅江心沙農(nóng)場北部出現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象,沉降量為4 mm。

圖5 2010年9月—2016年9月研究區(qū)地面沉降等值線圖[15]Fig. 5 Contour map of land subsidence from September 2010 to September 2016 in the study area[15]

圖6 2016年9月—2020年9月研究區(qū)各監(jiān)測點地面沉降監(jiān)測情況[15]Fig. 6 Land subsidence monitoring at each monitoring point from September 2016 to September 2020 in the study area[15]

3 研究區(qū)地面沉降成因分析

3.1 軟土

軟土是呈軟塑—流塑狀態(tài)的一種土體的總稱,以天然含水率高、孔隙比大、壓縮性高、透水性差等為主要特征[16]。在工程建設(shè)中,軟土由于受到上部建筑荷載的作用,易發(fā)生壓密,壓密作用的宏觀外在表現(xiàn)形式為地面沉降,若不提前對軟土地層進行預(yù)處理,會給工程帶來極大的危害,如地基沉降、路面開裂和建筑物破裂等。

海門地區(qū)分布大面積的高壓縮性松軟土層,以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土為主,層頂埋深17.9～29.7 m,層厚2.0～21.1 m,含水率31.6%～48.8%,孔隙比一般為0.950～1.423,液性指數(shù)一般為0.90～1.42,壓縮模量一般為2.53～5.37 MPa,有機質(zhì)含量1.12%～1.47%,為不良工程地質(zhì)層[13]。區(qū)內(nèi)軟土分布極不均勻(圖7),中部和北部分布較少,江心沙農(nóng)場南部、三廠街道、包場鎮(zhèn)和四甲鎮(zhèn)均無軟土分布,而三星鎮(zhèn)、濱江街道和東南部等地區(qū)的軟土厚度可達15 m以上,且埋深均>20 m[13]。

1.厚度>15 m;2.厚度10～15 m;3.厚度5～10 m;4.厚度<5 m;5.缺失區(qū);6.埋深等值線/m圖7 研究區(qū)軟土分布情況圖[13]Fig. 7 The contour map of soft soil distribution in the study area[13]

根據(jù)收集到的海門地區(qū)軟土分布情況,結(jié)合區(qū)內(nèi)地面沉降資料,可知軟土總體呈現(xiàn)為東北部厚度小于西南部,厚度由20 m到軟土層缺失,這一分布特征與區(qū)內(nèi)地面沉降特征大致相符,其中軟土層最厚的三星鎮(zhèn)、濱江街道及江心沙農(nóng)場北部等地區(qū),不同程度上產(chǎn)生了嚴重的地面沉降現(xiàn)象。

3.2 建筑荷載

為準確掌握海門地區(qū)建筑荷載分布情況,本次研究進行了建筑荷載調(diào)查,共調(diào)查得到荷載點382個(圖8)。建筑荷載主要分布在城鎮(zhèn)地區(qū),其中海門街道、濱江街道最為密集,緊隨其后的為正余鎮(zhèn)、包場鎮(zhèn)、三星鎮(zhèn)、江心沙農(nóng)場、三廠街道以及臨江街道(表3)。新建的高層建筑物主要分布于正余鎮(zhèn)、濱江街道、海門街道和江心沙農(nóng)場西南部的造船廠。正余鎮(zhèn)荷載值大但建筑密度較小,因此引起局部的沉降。海門街道以及濱江街道荷載值大、密度大,引起大面積的沉降;江心沙農(nóng)場西南部的荷載值大,根據(jù)往年地面沉降監(jiān)測資料,后續(xù)可能持續(xù)產(chǎn)生沉降。

表3 海門地區(qū)建筑荷載主要分布區(qū)域Table 3 The main distribution area of building load in Haimen area

圖8 海門地區(qū)建筑荷載分布Fig. 8 Building load distribution of Haimen area

根據(jù)監(jiān)測資料與建筑荷載調(diào)查結(jié)果,海門地區(qū)局部地面沉降與區(qū)內(nèi)建筑荷載分布相關(guān)性較大。如2011年9月—2012年9月,海門街道沉降較為嚴重,部分區(qū)域沉降量達到10 mm,而海門街道內(nèi)的建筑荷載分布較為密集;2014—2016年,全區(qū)域呈現(xiàn)出地面回彈的趨勢,江心沙農(nóng)場、三星鎮(zhèn)、包場鎮(zhèn)回彈量分別為6 mm、4 mm、6 mm,其回彈量明顯小于周邊無建筑荷載的地區(qū)。其中江心沙農(nóng)場西南部自2011年起由于建筑荷載大而持續(xù)產(chǎn)生沉降,僅在2014—2016年全區(qū)普遍發(fā)生大量回彈的情況下產(chǎn)生較小的回彈量(6 mm)。

3.3 討論

海門地區(qū)的地面沉降發(fā)展與建筑荷載密切相關(guān),也與地下水的動態(tài)有很大的關(guān)系,當水位下降或回升幅度小時產(chǎn)生沉降,而當水位回升幅度大時則產(chǎn)生回彈。

實行地下水壓采前,海門地區(qū)主要開采的是地下水位變幅較大的第Ⅲ承壓含水層,整體的地面沉降主要與第Ⅲ承壓含水層水位動態(tài)有關(guān)。由于建筑荷載為局部分布,且附加應(yīng)力在平面上影響范圍有限,由此引發(fā)的地面沉降也較有限。

實行地下水壓采后,地下水過度開采導致的地面沉降得到有效控制,但地面沉降仍在發(fā)生。對比區(qū)內(nèi)沉降程度,建筑荷載分布密集的地區(qū)明顯要嚴重于僅有軟土分布的地區(qū),如荷載值大的江心沙農(nóng)場西南部的沉降值要比同時期軟土分布地區(qū)的沉降值大,即使在區(qū)內(nèi)出現(xiàn)大范圍回彈的2019年,其回彈量(3 mm)也遠小于悅來鎮(zhèn)等軟土廣泛分布地區(qū)的回彈量(15 mm),這是由于其上覆建筑荷載持續(xù)施加垂向壓力,使該地區(qū)第Ⅲ承壓含水層的回彈量相對較小,總體呈現(xiàn)出輕微回彈[15]。隨著近期城市建設(shè)加快,區(qū)內(nèi)建筑荷載趨于密集,加之軟土層分布廣泛、埋深淺、厚度大,使得建筑荷載成為當前引起海門地區(qū)地面沉降的首要原因。

4 結(jié)論

(1)軟土分布與地面沉降關(guān)系密切。海門地區(qū)軟土主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土,分布特征與地面沉降分布規(guī)律大致吻合,即軟土較厚的地區(qū),地面沉降量相對較大。

(2)地下水超采是海門地區(qū)早期地面沉降的主要因素。地下水過度開采導致區(qū)域整體地面沉降,主壓縮層是第Ⅲ承壓含水層及上覆弱透水層,上覆弱透水層的沉降發(fā)生具有明顯的滯后性。后期(2013年以后)由于實行壓采政策,由地下水超采引發(fā)的地面沉降得到有效治理。

(3)建筑荷載是造成當前海門地區(qū)地面沉降的主要原因之一。由建筑荷載引起的淺部土層壓縮沉降,主壓縮層是潛水含水層、第Ⅰ黏性土弱透水層以及第Ⅰ承壓含水層,受建筑荷載影響較大的地區(qū)為正余鎮(zhèn)、三星鎮(zhèn)、江心沙農(nóng)場、濱江街道和海門街道。