濮阳市城区地面沉降机理研究

2013-09-04孙建波葛晓东张连胜

地下水 2013年4期

孙建波，张静，葛晓东，张连胜

(1.河南省濮阳市地质环境监测中心，河南濮阳 457000;2.河南省水文地质工程地质勘察院，河南郑州 450000)

濮阳市位于河南省东北部，冀、鲁、豫三省交界处，1983年9月建市，是中原油田的腹地，新兴的是石油化工城市。

濮阳市位于黄河下游冲积平原，地形较为平坦，地势总体西高东低。工作区东南侧自西北向东南一次排列着长垣断裂、黄河断裂、聊兰断裂，断裂均属高角度正断层，其中长垣断裂倾向东南，聊兰断裂倾向西北。工作区地表以下15 m范围内的主要岩性是粉土、粉质粘土和砂层。根据地貌形态和成因，调查区共划分为三个工程地质区，即Ⅰ区，黄河故道工程地质区;Ⅱ区，古黄河漫滩工程地质区;Ⅲ区，古黄河泛流平地工程地质区。再依据不同的场地、粘性土和非粘性土的组合关系及岩土体结构类型细分为八个亚区。就本区而言，影响工程地质条件的直接因素是松散堆积物的岩性、浅层地下水位埋深以及人类活动等。

1 濮阳市地面沉降的现状

1.1 以往工作情况

工作区地面沉降是随着其城市化的进程而发生发展的。为了监测其发展变化状况，1996—2002年进行了测量工作，取得了一系列一手资料。2002——2009年因其他原因中断了监测工作，又于2010年开始了监测工作，完善了监测网络，并获取了新的监测资料。

测区位于濮阳市城区，2001年河南省水文地质工程地质勘察院对濮阳市规划区因大量采用地下水而导致城市地面沉降进行了测量，当时选点17个，由于时间关系和近几年城市过快地发展导致以前水准观测点丢失和破坏，2010年3月我单位组织人员经过现场找点，只有3个点存在，根据要求2010年又增加布设水准测量观测点23个，共有水准点26个。

本次测区位于濮阳市城区，根据测区实际情况，水准路线布设成一条闭合环，30个测段，路线长度为45 km左右。由于测量工作区位于城区较繁华地区，车多人多，观测条件不利，但路基较好，多为水泥或柏油路。为了便于比较观测数据，本次测量都与以前的基准点进行联测，同时还联测了国家Ⅱ等水准点1个，使之与国家高程系统保持一致，通过几次测量比较国家Ⅱ等水准点沉降幅度较大。本次计算以BM0为基点。

1.2 2012年度二等水准测量

由于城市的发展需求，濮阳市城区道路的修建影响并破坏了监测点，到2012年找点时有7个点被破坏，随即又重新建立了7个监测点，其位置有所改变，而其他的19个监测点保存完好，即本次共26个水准监测点。根据测区实际情况，我们将水准路线布设成一条闭合环，分30个测段，路线长度45 km左右。

1.3 二等水准测量

本次测量都与以前的基准点进行联测，同时还联测了国家Ⅱ等水准点1个，使之与国家高程系统保持一致，通过几次测量比较国家Ⅱ等水准点沉降幅度较大。作业参照一九九二年《国家水准测量规范》。

1.4 监测成果分析

濮阳市工作区原为农村，其地层处于长期形成的应力平衡中;80年代，随着中原油田的发现、建设、发展而逐步发展成为濮阳市新市区，这种应力平衡也随之遭到破坏，在寻求新的平衡中，地面沉降作为一种平衡方式并逐步由一种现象向着灾害隐患方向发展。

沉降监测结果(表1)评述:将12年高程和11年对比，此次除了新建点无法做对比之外，其他监测点沉降量较大。结合图1得知，沉降量大于10 mm的监测点几乎都分布于漏斗中心，导致地面沉降的主要原因还是地下水的过量开采。

2 地面沉降的成因及影响因素分析

工作区地处黄河中下游冲积平原的古河道摆动区，在漫长的沉积历史中沉积了较厚的粉土及粘性土层。微观上，粘性土层的压缩性要比砂性土层高，其主要原因在于粘性土层的颗粒组成中以细粒为主，特别是粘粒(小于0.005 mm的颗粒)含量比例较高，孔隙率较高，容易被压缩。因此，工作区研究深度内的厚层粉土及粉质粘土层是地面沉降的发生的前提。

表1 监测点2011—2012年度高差比较

人类工程及经济活动的能力和强度与日俱增，其对地面沉降的影响通常已占主导地位，这类地面沉降现象，目前已成为重点。尤其是近几十年来，人类过度开采地下水直接导致地面沉降。到目前为止，濮阳市城区地下水开采主要以浅层为目地层，深层开采量很少。而且深层含水层的水质的顶板埋深处于本次研究深度以下，因此深层含水层地下水的开采对地面沉降影响不大。由于开采量过大，所以地下水位处于下降的趋势，导致地面沉降的产生。

本区地下水流场形态主要受开采控制，本区浅层地下水流场格局与往年相比基本不变，只是市区漏斗中心向西偏移至王助乡后漳消村一带，形成以王助乡胡聂村为中心、形状较规则的椭圆形漏斗。

根据2008年至2011年工作区内浅层地下水水位变幅情况及漏斗中心水位变幅情况可知，由濮阳市污水厂挪至北环路与京开大道附近，向西由化工路扩展至后漳消村附近，向北由辛庄挪至许庄附近，向南由前樊家村扩展至菜王合南。由此可知漏斗中心进一步向西南扩展。南里商—西白仓—孔悝城—东白仓一带的水位恢复。

2008年漏斗中心为花卉公司，埋深30.04 m，2012年漏斗中心由花卉公司向西扩展至绿色庄园，最大水位埋深为28.30 m，漏斗中心向西扩展500 m左右。

根据统调数据及“河南省濮阳市城区地面沉降监测2011－2012年地下水位变幅图”可知地下水位的下降主要在城区西边，而城区中心水位不断的上升。综上所述，漏斗整体向西偏移，漏斗中心由东向西偏移500 m左右，漏斗面积进一步增大。

3 地面沉降模型研究及趋势预测

3.1 数学模型

3.1.1 公式的选择

土体的变形包括两个方面，粉土及粘性土层的变形与砂层(含水层)的变形。

(1)粉土及粘性土层的变形按下式计算

(2)砂层(含水层)的变形按下式计算

(3)总沉降量的计算S总=S1+S2

式中:S总为总的最终沉降量，cm;S1为含水层的最终沉降量，cm;S2为粘性土及粉土的最终沉降量，cm;av为压缩系数，MPa－1;e0为原始孔隙比，无量纲;ΔP为施加于土层的平均荷载变化量，水位以上地层ΔP包括建筑荷载和因水位下降而丧失的浮力两部分;水位一下的为建筑荷载;MPa;H为计算土层的厚度，m;E为砂土的弹性模量、压缩时为Ec，回弹时为 Es，MPa;i、j分别为层序，代表某一土体。

3.2 趋势预测

3.2.1 最终沉降量的估算

选择地面沉降量最大的PS23及处于沉降最严重边缘点即京开大道和站前路交叉口最近的 PS10作为代表点，利用模型对它们现状条件下的最终沉降量进行估算。

表2 PS23、PS10基本情况一览表

3.2.2 计算条件的确定

在孔隙水压力减小的深度内，土体都有可能发生压缩变形，而研究深度内的地下水的开采，孔隙水压力均有变化，研究深度为80 m，计算厚度应包括研究深度内的粉土及粉质粘土层厚度和砂层(含水层)厚度，因此PS23和PS10点的计算厚度均为80 m。

建筑物荷载变化 P1，计算地段原为农业用地，其原有荷载视为零，PS23和PS10所处地段现在均以住宅及办公楼为主，建筑物荷载一般为 120 KPa，荷载均匀分布系数为0.5，因此，P1取120×0.5=60 KPa;土体丧失的浮力 P2，根据公式计算PS23和PS10所处地段分别为60.4 KPa和52 KPa。故它们的总的荷载变化分别为120.4 KPa和112 KPa。

3.2.3 其它计算参数的确定

通过分析，其他计算参数选取如下:

表3 计算参数表

3.2.4 计算成果分析

根据公式计算得知，工作区地面沉降未来将呈两种态势发展:

1)地面沉降将会进一步加大

首先，上述计算结果表明现状条件下，PS23点的最终沉降量为716.2 mm，PS10的最终沉降量为 592.5 mm;而目前它们的沉降量仅为55 mm和18 mm，分别为最终沉降量的7.7%和3.0%。这说明现状条件下仍有较大的发展空间。

其次，浅层地下水的开采是工作区地面沉降的决定性因素，它的均衡情况决定了地面沉降发展趋势。另外，地下水水质情况也决定了未来地下水开采仍将以浅层水为主，上述情况决定了浅层地下水位将继续下降。

2)沉降量的差异(即不均匀性)将会更加明显

在不同地段，产生地面沉降的条件如粉土与粘性土厚度、地下水位降幅、建筑荷载的分部等有所不同，因此，随着地面沉降的发展，其不均匀性也将会更加明显。

4 地面沉降的危害及防治对策

4.1 地面沉降的危害

地面沉降是一个缓慢而长期的过程，短期内难以明显感觉;一旦受到破坏，很难恢复到其原来的质量，即使基本恢复代价也是昂贵的。

濮阳市工作区地面沉降沉降量较大的分布区正是市内的繁华地段，在这些地段上建筑物密布，地下管纵横、供水、供气等管道交错分布，一旦不均匀沉降所产生应力超过这些建筑或管道的所能承受的极限，他们将遭到毁坏。地面沉降若得不到控制，会恶化本地区的工程地质和水文地质环境，对经济建设的可持续发展带来不利影响。

总而言之，地面沉降的进一步加剧将会给濮阳市带来一系列的社会经济问题。

4.2 防治对策

建立全面地面沉降监测网络，开辟新的替代水源，以人工制冷设备代替地下水资源，实行一水多用，充分综合利用地下水，适当调整地下水的开采层和合理支配开采时间，可以有效的控制地面沉降。加强宣传，增强防灾意识:在城市建设和规划中，铺设管网的时候应增加管网的柔韧性，以充分适应地面沉降对管网的挤压。除上述措施外，还应查清地下地质构造，对高层建筑物的地基进行防沉降处理。在已发生区域性地面沉降的地区，为减轻洪涝等灾害损失，还应采取加高固防洪堤以及疏导河道，兴建排涝工程等措施。