地面沉降及控沉措施浅析

□ 王吉杰

一、地面沉降产生的原因与机理分析

关于地面沉降产生的机理，说法很多，如新构造运动说、地层压缩说、自然压缩说、地面动静荷载说和区域性海平面上升说等。大量研究证明，引起地面沉降的原因可以分为两种，即自然因素和人为因素。自然因素包括构造活动、软弱土层的自重压密固结、海平面上升等，人为因素包括过量开采地下水、地下热水及油气资源、大规模工程建设等。其中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。可以认为： 沉降是由于过量开采地下水、石油和天然气以及高层建筑物的超量荷载等引起的。

河北沧州区域由于构造活动引起的地面沉降，速率仅2～4mm/a，软弱土层的自重压密固结、海平面上升等引起的地面沉降和本区总沉降相比也是微不足道的。可见，导致沧州地面沉降的主要原因是人为因素，现简要分析如下。

（一）地下水开采引起地面沉降

沧州地区水资源人均、亩均占有量都远远低于全国平均水平，是水资源最为紧缺的地区之一。地下水是本区主要供水水源，深层地下水的开采程度最严重的县市已经达到180～190%。地下水的长期超量开采，导致大面积地下水水位降落漏斗的形成并逐年扩展。

开采地下水会引起松散地层大量释水，使地层压缩、固结而产生沉降。沧州地区沉积有巨厚的松散层，其颗粒较细，结构复杂。主要开采层为第Ⅱ、Ⅲ含水层组承压水，由于大量开采深层地下水，引起孔隙水压力降低和有效应力增大，致使含水层被压缩，颗粒接触面积增大，孔隙度减小并释水，产生弹性变形，其沉降量一般相当粘性土压缩率的15%。当含水层中的水压恢复后，骨架复原，只形成暂时性地面沉降。粘性土层孔隙度大，孔隙微小，主要含结合水，当含水层与粘性土层之间的水头差足以克服水与颗粒之间的结合力时，水便从粘性土层中排出。释水时孔隙压缩，使粘土矿物颗粒接触面积增大，颗粒间发生相对位移，孔隙结构被破坏而发生塑性形变。当含水层中水压恢复后，只能使粘性土层被压缩的孔隙中水压升高，而不能使孔隙度和储容水量恢复到初始状态，形成永久性地面沉降。地面沉降最大的沧州市沉降中心，其粘土累计厚度达214. 42m，亚粘土累计厚度131. 41m，主要开采段200～400m的粘性土累计厚度达179. 01m，为地面沉降的产生创造了物质基础。粘性土在深层地下水开发中的释水压缩是永久性的，它决定了地面沉降的不可逆性。

地面沉降的产生和发展过程与地下水的开采过程基本保持一致或滞后一个时段，沧州市沉降中心沉降量与水位埋深的关系（见表1）、地面沉降与地下水开采过程关系示意图（见图1）均显示：地面沉降量与地下水水位下降幅度呈高度正相关，其分布范围与地下水水位下降漏斗基本一致。地面沉降的产生和发展过程是含水层排水后孔隙水压力发生变化，相邻粘性土层排水固结变形的过程。由于含水层是以砂类土为主，排水固结在短时间内完成，而相邻粘性土层多为欠固结岩层，由于水的顶托压力下降(孔隙水压力减小)，在上覆土层的自重压力下，排水固结是一个相对缓慢的过程，所以地面沉降滞后水位下降一个时段。当开采和补给能够趋向平衡时，开采层和弱透水层水位将先后趋于稳定，粘性土压密释水趋向缓和。在开采层水位先期稳定时，地面沉降仍在继续。但随着时间的推移，地面沉降也将趋缓。

（二）开采地热引起地面沉降

沧州地区蕴藏丰富的地下热水资源，地下热水开采量逐年增加，抽取地下热水引起水位下降，地层内孔隙水压力减少有效应力增加，必然引起地层进一步压实而导致地面沉降。

（三）开采油气资源引起地面沉降

在油气田区，开采油气资源也会引起地面沉降。根据大港油田的有关资料，2 500m以下普遍出现了欠压密地层，黄骅凹陷中最大异常地层压力系数为1. 552，发现于3 702. 7m处沙河街组地层中。当油气开发后，必将使流体压力降低，固体颗粒有效应力增加，使泥岩进一步固结压密，从而引起地面沉降。因此，石油天然气的开采也是引起油气田区地面沉降的因素之一。

表1 沧州市沉降中心沉降量与水位埋深关系

图1 地面沉降与地下水开采过程关系示意图

（四）地表荷载引起地面沉降

由于城市规模扩大，高大建筑物不断增加，受铁路、桥梁等交通设施及运输荷载的影响，地表荷载加重，加速了地面沉降。

二、地面沉降造成的危害

地面沉降是一种累进性的缓变地质灾害，其发展过程是不可逆的，一旦形成便难以恢复。地面沉降已成为沧州市主要地质灾害之一，造成了一系列的社会环境问题，严重影响当地社会经济发展和人民生命财产安全。地面沉降的危害主要体现在以下几个方面。

（一）地面沉降影响河道输水，城市内涝严重

有地面沉降的城市普遍存在比较严重的滞汛积水问题，这不仅影响城市交通和环境，而且常使地下室和低层建筑物在汛期被水浸没。沧州市南运河是目前引黄济津和南水北调的输水河道，由于地面沉降，市区内河段北起北陈屯村闸北，南至石港公路王希鲁大桥北，全长11.8km，河床段积水深度达0. 3～1. 5m 。经测量，河堤己沉降1. 3m，泄洪标准降低。据测算，因地面沉降造成海河流域行洪能力下降约20 %。上世纪六、七十年代以前，沧州市除部分地带较低洼积水外，大部分降水产生地面径流，自然排出市外，八、九十年代，由于地面沉降，如遇到同样的降水量，区内已大部分积水必须用人工扬水排出区外。九十年代至今，地面沉降加重，城市内涝积水更加严重，市民的生产生活受到很大威胁。2002年7月5日，沧州市降水量97 mm，整个沧州市区汪洋一片，市政设施管理处11个排水泵站33台水泵全部启动，连续48小时才将积水排完。

（二）河床下沉，影响南水北调等引水工程安全

地面沉降造成河床下沉，影响引水工程的正常运行，特别是南水北调工程的安全。南运河从沧州市横穿而过，是引黄入津的通道，也是南水北调东线的经由之路，由于地面沉降，造成河床下沉，其过水能力锐减，已不及原设计能力的一半。2001年11月，由于天津市用水告急，国家有关部门急调黄河水经南运河输往天津市。输水过程中，沧州市区段(全长11. 8km)的部分河段水位已接近漫堤，而在市区以外，河床只有半槽水，其运行水位比原设计降低1. 8m。这给引黄入津和未来的南水北调东线工程带来不利影响。

（三） 建筑物地基下沉，房屋开裂，地下管道受损

由于地面不均匀沉降，可导致深井井管抬升受损、脱裂，甚至倾斜，部分建筑物墙体开裂、建筑被毁；受地面不均匀沉降的影响，地下管道弯曲变形，甚至产生破裂。轻者产生“滴、漏、冒”并影响正常使用，重者则使输送液溢出，污染地下水或无法输送。沧州市26km给水管网，仅2002年就破裂776次。

（四）铁路路基下沉，铁路安全受到威胁

由于地面沉降造成铁路路基下沉，铁路安全受到威胁。据调查，京沪铁路从沧州地面沉降中心穿过，由于地面沉降路基下沉，只好年年垫碎石加高，在沧州市地面沉降中心附近铁轨下的垫石比原来加厚了500mm以上。如果地面继续沉降，垫石逐渐加厚，到一定的程度将失去稳定，不仅造成经济损失而且影响铁路安全运行。地面沉降的发展也给未来高速铁路的建设和运营带来不利影响。

（五）浅层地下水水位变浅，引起一系列城市环境问题

地面沉降造成浅层地下水水位相对变浅，从而引发一系列城市环境问题。水位变浅会加快混凝土及金属管线的腐蚀；造成建筑物地基承载力下降，基础侵蚀增强；对建筑基坑降水产生不利影响;对柏油路面也产生危害，大大减少使用寿命；对市区的绿化不利，树木成活率低，直接影响市容市貌，加大城市建设成本。

（六）河道防洪标准降低，防洪排泄能力降低

城市大多沿河发展，地面沉降不仅使城市高程进一步降低，而且拦河堤坝等防洪设施因沉降而遭破坏，导致一些城市御洪能力不断下降，水患威胁严重。另外，沉降区内的子牙新河、捷地减河、南排河、漳卫新河、宣惠河、大浪淀排水渠、廖家洼排干、沧浪渠等行洪河道，因地面沉降导致堤防防洪标准降低，其危害可想而知。

（七）地裂缝频发，危及城乡建筑安全

最近5年沧州地区发现地裂缝30多条，造成河堤、道路、建筑物等的严重破坏。究其原因大都与地面不均匀沉降有关。

（八）防潮堤抗风暴潮能力降低，风暴潮频率、强度增加

沧州沿海是风暴潮灾害的多发区，近50年来造成大灾的风暴潮有5次，给沿海人民的生命财产和经济建设造成重大损失。在滨海地区，地面沉降活动使陆地地面高程下降，海平面相对上升，导致海水侵袭和风暴潮灾害加剧。同时，滨岸防潮堤下沉，发生局部开裂，造成抗风暴潮能力的降低，风暴潮灾害危害程度加大。

（九）油田油水井管上窜，影响油田的正常开发

由于地面沉降，造成大港、华北油田的油、水井出现套管上窜现象，其中任丘任7断块属古潜山碳酸岩地层，共有油、水井106口，上窜井71口，套管上窜率高达67%，上窜最高达到1.2m，占套管上窜总井数的40.3%。油水井套管上窜严重影响了油水井的寿命和油田的正常开发。

（十）地面水准点失效，地面高程资料失效

地面水准点对城市建设、管理及防洪防潮调度至关重要。由于地面沉降导致水准点失稳失效，使城市规划，工程建设项目失去依据，需要重新校核。水文站、验潮站的水位、潮位标高失真，影响防洪防潮决策，需从未发生地面沉降区的水准点引测，增大了水准测量的工作量。

地面高程资料是国民经济建设和发展的重要基础资料，因地面沉降造成的地面高程资料大范围失效，导致城市规划失真，市政建设基础数据错误，给城市埋下了不可预见的隐患和巨大的经济损失。

（十一）加剧农业渍害，使土质趋于恶化

地面沉降造成局部农田低洼，常年积水使土壤墒情改变，原有渍害治理难度加大，农作物产量下降，对农业的潜在威胁十分严重。

三、地面沉降发展趋势预测

关于沧州市地面沉降发展趋势的预测方法很多，本文采用累计沉降量与地下水位降深关系曲线法和深层地下水漏斗中心水位埋深与地面沉降关系曲线法进行预测。

（一）累计沉降量与地下水位降深关系曲线法

以沧州沉降中心为例，依据累计沉降量与地下水位降深的关系初步分析预测。累计沉降量与地下水位降深的关系曲线，如图2。

图2 地面沉降量与地下水位降深的关系曲线

曲线方程为：

式中：S——为某年累计沉降量，mm；

e——土层孔隙比；

X——该年水位降深值，m。

从曲线上各点及曲线的变化态势可分三个变化时段进行分析。

1.当水位降深<40m时，曲线处于缓慢上升阶段，也就是说随着降深的增加，累计沉降量缓慢增加。说明水位降深<40m时，超静孔隙水压力增加量、土层厚度及上覆压力变化均较小，土层应力变化后的压缩量较小。

2.当60>X>40m时，曲线呈现明显上升趋势，有明确的拐点，说明40m水位降深应是一个警戒水位降深值，超过这一值，随降深的不断增加累计沉降量将加速上升。

3.当X>60m时，曲线是近乎直立上升趋势；X=95m时，曲线与实测点吻合最好。通过曲线分析，70m降深应该是一个限制降深（禁止开采）值，超过它将产生严重的沉降后果。

（二）深层地下水漏斗中心水位埋深与地面沉降关系曲线法

根据深层地下水漏斗中心水位埋深与地面沉降量，绘制沧州市深层地下水漏斗中心水位埋深与地面沉降关系曲线（见图3），并得出了如下结论：

图3 沧州市深层地下水漏斗中心水位埋深与地面沉降关系

1.当漏斗中心水位埋深为20~60 m时，地面沉降量为160 mm，水位每下降lm，地面相应沉降3. 75 mm。

2.当漏斗中心水位埋深为60~70 m时，水位每下降lm，地面平均沉降量为32 mm。可见，水位埋深60 m是地面沉降速度增大的拐点。沧州市区及其周边黑龙港和运东区，若要避免地面沉降造成地质灾害，其地下水位埋深必须控制在60m以内。

3.当漏斗中心水位埋深为70~90 m时，水位每下降lm，地面平均沉降量为62. 5 mm。说明从水位埋深60 m以后，地面沉降随水位埋深的增大而加快。

总之，运用累计沉降量与地下水位降深关系曲线法得出地下水位限制水位的埋深为60m，运用地下水漏斗中心水位埋深与地面沉降关系曲线法得出地下水漏斗中心控制水位的埋深亦为60m。可见，为避免地面沉陷造成地质灾害 ,其地下水位埋深必须控制在60m以内。

四、地面沉降控沉措施

（一）监测预测

沧州地面沉降研究起步较晚、程度较低，严重滞后于控沉减灾需要。因此，首先要建立完善地面沉降动态监测网，设置分层标、基岩标、孔隙水压力标、水准点、水动态监测点、海平面观测点等，定期进行水准测量，进行地下水开采量、地下水位、地下水压力、地下水水质监测及回灌监测等。加强地面沉降监测设施的投入和保护，逐步建立监测预警机制，随时监测地面沉降的变化情况,做到早发现、早治理。查明地面沉降及致灾现状，研究沉降机理，找出沉降规律，预测地面沉降速度、幅度、范围及可能危害，为控沉减灾提供科学依据。

（二）提倡开源节流，充分合理地利用地下水资源

积极开发地下微咸水资源， 根据其不同的水量、水质、水温分别开发利用。大力开展节约用水宣传，提高水的重复利用率，逐步调整水资源结构， 将有限的深层优质地下水用于人民生活。 调整开采层次， 压缩深层开采量， 控制第三、四、五含水组的地下水开采量， 充分利用浅层水资源。

（三）积极开展地下水人工回灌

通过人工回灌地下水，冬灌夏用、夏灌冬用，补充地下水的可开采量，改善地下水径流条件，控制地下水位大幅度下降， 从而缓和地面沉降。该技术主要是通过深井或坑洞、古河道等将地表水灌入地下含水层，抬高地下水位，以达到控制地面沉降、修复含水层的目的。

（四）推广先进节水技术

尤其是推广农业灌溉节水技术，变过去大水漫灌为小畦灌溉， 大力发展地下管道，实现深井地下管道化、浅井地上软管化，积极采用微灌、滴灌、渗灌节水技术， 实现农业节水增产， 提高水资源利用率。

（五）苦咸水淡化，减少深层地下水开采量

推广黄骅市先进的苦咸水淡化技术， 实施海水淡化和浅层苦咸水淡化。