西安市地面沉降机理分析

杨 欢，石 坚

(西北大学 地质学系，陕西 西安 710069)

西安市地面沉降机理分析

杨 欢，石 坚

(西北大学 地质学系，陕西 西安 710069)

西安地区由于过量开采地下水，引起地面急剧沉降。根据多年来的垂直形变资料，系统地研究地面垂直形变的演化特征及其规律，结合地下水活动和地面沉降分层标的监测资料进行分析。结果表明，西安地面沉降是由承压水过量开采及区域构造活动综合影响，从而提出有效防治措施:加强城市地质环境条件与地质灾害成灾机理研究;综合考虑自然与人工作用的复合效应;根据地质环境条件和灾害发展趋势，合理规划城市发展布局，合理利用地下水。

垂直形变;演化;分层标志;成因机制

地面沉降是在自然和人为因素作用下，由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面标高降低的一种环境地质现象，是一种不可补偿的永久性环境和资源损失。地面沉降具有生成缓慢、持续时间长、影响范围广、成因机制复杂和防治难度大等特点，是一种对资源利用、环境保护、经济发展、城市建设和人民生活构成威胁的地质灾害［1－3］。自上世纪七十年代至今，西安地区地裂缝和地面沉降灾害造成的直接经济损失达40亿元。因此研究西安市地面沉降成因及致灾机理具有重要意义。

1 地面沉降概况

西安地面沉降起始于20世纪50年代末，尔后随着城郊区自备承压水井与开采量的增加而不断扩展。到80年代中期，累计沉降量大于50 mm的面积约150 km2，大于500 mm的面积约40 km2;同时形成了辛家庙、胡家庙、南沙坡村、小寨、大雁塔十字、西北工业大学与东八里村等沉降中心，其累计沉降量 900～1 333 mm［4］。到 90年代初承压水井已达530余眼，年开采量1.45×108m3，承压水位累计下降60～100 m，有些地段水位已降至含水层顶板以下，地面沉降的范围有所扩大。截至2000年，累计沉降量超过200 mm的面积150 km2，东南郊一带累计沉降量超过 600 mm，其中超过1 000 mm的面积42.5 km2，所形成的胡家庙、南沙坡村、大雁塔十字、小寨、东八里村等沉降中心累计沉降量超过2 000 mm，其中东八里村一带累计沉降量2 850 mm。

2 地质条件概况

2.1 地质构造概况

西安市地处渭河新生代断陷盆地，大地构造位于华北断块区的西南缘。渭河断陷盆地以北为完整、稳定的鄂尔多斯地块，以南则为强烈抬升的秦岭断块山地，西端与鄂尔多斯地块西南边缘的弧形断裂相连，东与山西右旋剪切拉张带相连［5－7］。

2.2 地层岩性

西安市区沉积有第四系和第三系。第四系松散层岩性以砂砾卵石、砂、粉土、粉质粘土、黄土为主，其底界埋深300～900 m，埋深由东南向西北逐渐加深，为西安市地下水含水层。第三系岩性以泥岩、砂质泥岩与砂砾岩为主，顶板埋深400～4 000 m，地层厚度400～3 000 m，富含地下热水，其中埋深1 000～3 000 m层段为主要地热开采层［8］。

2.3 水文地质特征

按含水介质和埋藏条件，西安地区地下水开采层可分为松散岩类孔隙潜水、浅层承压水、深层承压水［9］。

埋深380 m以内的承压含水层可划为三层，第一承压含水层，埋深100～150 m为冲洪积层;第二层承压含水层埋深150～270 m，为冲洪积层;第三承压含水层埋深270～380 m，主要为冲湖积砂砾石层与粘土层，三个承压含水层之间被分布连续的厚层粉质粘土和粘土分隔。

西安城郊区主要开采埋深100～300 m的浅层承压水。含水层由冲积、湖积砂层与粉质粘土互层不等厚组成，其总体规律是在垂向上，自上而下砂层厚度增大，颗粒变粗;在平面上，城区和东南郊一带砂层总厚度相对较小，粘土层厚度大，而西北郊砂层则相对较大，粘土层较薄。

2.4 地面沉降特征

西安市区地面沉降主要特征如下:

(1)地面沉降中心与承压水降落漏斗基本一致:受水文地质条件及井群分布等因素的影响，地面沉降中心与承压水降落漏斗基本对应，二者的平面分布范围总体上呈NE向椭圆形，承压水水位下降大的地区，地面沉降量也相应的较大。

(2)地面沉降速率的年内变化 由于一年内承压水各季度开采量不同，水位下降速率也不相同，因而导致了地面沉降速率年内的变化，一般第三季度沉降量大，可占年内沉降量的30%～50%。

3 地面沉降形变机理分析

3.1 地面沉降形变资料整理分析

1986年前，西安市区形变监测仅是关中地区形变监测网的一小部分。由于点距大，密度小，难以全面反映西安市地面变形的概貌。1986年为监测西安地面沉降和地裂缝活动建立了专用形变网，该网覆盖了西安市地面主要变形区，并根据复测结果不断对其进行扩大和完善，并以南北向横穿地裂缝的测线为骨干，由上百个水准点组成十余个水准环。网布设时不仅考虑了地裂缝的展布，还考虑了地形地貌特征，以往资料反映的沉降中心位置等。

在数据处理方面，采用了动态拟稳平差方法。其特点是把测网中所有的点都看作是动态的。在选择拟稳点时，考虑了以下因素:①距地裂缝较远;②远离地下水漏斗;③拟稳点之间形变差异较小，且尽可能处于同一相对稳定的地貌单元中;④反映的形变场合理，即所反映的形变速率零曲线的位置应成为形变场特征的明显分界线。各期的平差精度见表1。两个时段的年速率中误差在1.66～1.88 mm之间，说明观测资料可靠。

表1 西安水准测量精度表

3.2 南郊小寨地区沉降变化分析

1976年以来至今，西安市地面沉降的累计量已相当可观。以西安市南郊小寨沉降中心垂直变化为例，表2列出小寨沉降中心自1976年4月以来的形变累计量。表2显示，西安市南郊的小寨沉降中心自1976—2002年累计下沉量达2 497 mm。

自1972年以来西安地区一直下沉变化，1996年后变化速率稍有减缓，1998年后明显减缓，2002年沉降速率与1976年前基本一致，这与西安市引进黑河水工程有关。1996年起西安市自备井承压水的开采量减少，1998年严禁开采地下水，因此小寨沉降中心的地面沉降得到控制和逐渐停止。

3.3 地面变形与地下水活动的关系

3.3.1 地面沉降分层监测资料分析

分层标是为了了解土层不同深度之间的动态变化量及各层标与地面之间的动态变化。这些数据为分析地裂缝成因、地下水开采与地面沉降之间的关系及地裂缝南北两侧深部土层垂直变化规律的研究及时提供了较精确的定量数据(表3)。

表2 1976年以来西安市南郊小寨地区形变累计表

从表3可以看出，地面沉降主要是埋深104～367 m承压含水层释水压密造成的，其压密量占地面沉降量的83.55%，而104 m以上367 m以下地层压密量仅占地面沉降量的16.45%。如果面沉降是承压水与潜水和地表水共同作用的结果，假设潜水和地表水作用引起的沉降占100 m以上沉降量的一半(实际上还达不到这个数)，那么由于地下水潜水水位变动或地表积水浸透作用产生的沉降部分在总沉降中所占比例不到10%。因此，西安地面沉降主要是过量抽取承压水所致［10－13］。

地面沉降的沉降量主要在104～187 m之间，其次是187～367 m之间，最后才是104 m以上，其之间的比例约为4:2:1。这与西安抽取地下水的含水层结构相关，西安市抽取地下水主要在100～200 m之间，此含水层抽取的地下水最多，其次是200～300 m间抽水，100 m以上抽取承压水较少。埋深100～300 m承压含水层是西安市承压水开采的主要取水段，由于多年超采，引起承压水位大幅度下降，在强大的附加应力作用下，含水系统释水压密，从而导致地面沉降。

3.3.2 地面沉降与承压水位下降关系

西安地面沉降与承压水位下降在时间上相对应，地面沉降区与深层承压水位降落漏斗范围一致，地面沉降中心也与水位降落中心相吻合。从表3可以看出，一些地区承压水开采井密集，开采强度大，同时是地面沉降显著地段。

3.4 地面沉降机理分析

3.4.1 有效应力的增加导致沉降

经过此次研究，过量开采地下水是地面沉降的外部原因，中等、高压缩性粘土层和承压含水层的存在则是地面沉降的内因。

在孔隙水承压含水层中，抽取地下水所引起的承压水位的降低，必然要使含水层本身及其上、下相对隔水层中的孔隙水压力随之而减小。根据《土力学》中有效应力原理可知，土中由覆盖层荷载引起的总应力是由孔隙中的水和土颗粒骨架共同承担的。由水承担的部分称为孔隙水压力(pw)，它不能引起土层的压密，故又称为中性压力;而由土颗粒骨架承担的部分能够直接造成上层的压密，故称为有效应力(ps);二者之和等干总应力。假定抽水过程中土层内部应力不变，那么孔隙水压力的减小必然导致土中有效应力等量增大，结果就会引起孔隙体积减小，从而使土层压缩。

降雨导致砂层的有效应力增加，孔隙度降低，砂层受到压密，即会引起地面变形。

此外，土层的压缩量还与砂层的预固结应力(即先期固结应力)、土层的应力—应变性状有关。由于抽取地下水量不等而表现出来的地下水位变化类型和特点也对土层压缩产生一定的影响［14］。

表3 西安地质技工学校分层资料(1990.3—2005.12)分析结果

3.4.2 孔隙度的变化导致沉降

地面沉降主要是抽采地下流体引起土层压缩而引起的，厚层松散细粒土层的存在则构成了地面沉降的物质基础。在广大的平原、山间河谷盆地、滨海地区及河口三角洲等地区分布有很厚的第四系和上第三系松散或未固结的沉积物，因此，地面沉降多发生于这些地区。如在滨海三角洲平原，第四纪地层中含有比较厚的淤泥质粘土，呈软塑状态或流动状态。这此淤泥质粘性粘的含水量可高达60%以上，孔隙比大、强度低、压缩性强，易于发生塑性流变。

当易于发生地面沉降的地质结构为砂层、粘土层互层的松散土层结构。随着抽取地下水，承压水位降低，含水层本身及其土、下相对隔水层中孔隙水压力减小，地层压缩导致池面发生沉降。

在过量开采承压水的情况下，不仅使含水砂层被挤压，减少孔隙度，排出含水层中的部分水量而产生压密;同时，承压水位的大幅度下降，也使砂层和粘性土层原有的水力平衡被破坏，粘性土层中的孔隙水压力逐渐降低，随着孔隙水的排出，一部分原来由孔隙水承担的上覆载荷转移到粘土颗粒的骨架上，粘土骨架承受的有效应力增加，使土层原有的结构被破坏，并重新组合排列造成土层压密。这种粘性土层的释水压密特征与含水砂层的释水压密特征不同，是不可逆变形，它是产生地面沉降的最主要原因。

3.4.3 区域构造活动导致沉降

西安市区位于西安凹陷的东部边缘，长期以来一直处于下沉状态，位于西安凹陷东南边界的长安—临潼断裂进行着南升北降的活动，同时位于西安断陷北侧边界的渭河北岸断裂进行着北升南降的活动，这两个断层的活动对西安地区的地面沉降有一定影响。从表3可以得出，367 m以下的分层标年速率为2.8 mm/a，这与临潼－长安断裂和渭河断裂构造活动的速率基本一致。说明深部土层的地面沉降是由于区域构造活动所致。从表有资料表明，由于构造活动造成的区域沉降量，占总沉降量的 3% 左右［15－16］。

4 结语

根据所搜集的资料分析得出:西安市区地面沉降主要是过量开采承压水引起水位大幅度下降导致开采层段地层失水压密造成的，其次是区域构造活动引起的沉降。地面沉降在西安市南郊、东郊及西南郊显著，在市区及西北郊不甚明显，这与地下水的开采情况及地质结构状况有关。

根据所分析的地面沉降机制可以得出一些有效的防治对策:

(1)加强城市地质环境条件与地质灾害成灾机理研究;

(2)综合考虑自然与人工作用的复合效应;

(3)根据地质环境条件和灾害发展趋势，合理规划城市发展布局，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

杨欢(1989－)，女，山西朔州人，在读硕士研究生，主攻方向:石油地质。