天津填海造陆地区地面沉降监测与防治研究

吕潇文，牛文明，罗立红，张 莺，牛 毅

（天津市地质环境监测总站，天津 300191）

天津填海造陆地区地面沉降监测与防治研究

吕潇文，牛文明，罗立红，张 莺，牛 毅

（天津市地质环境监测总站，天津 300191）

地面沉降是天津填海造陆地区最主要的地质问题，具有缓变性、不易察觉的特点，一旦形成，很难恢复。本文介绍了天津填海造陆地区地面沉降监测网建设情况，结合监测成果论述了地面沉降平面及垂向发育特征，在此基础上分析沉降原因，并针对性地提出填海造陆地区地面沉降防治建议，为该区地面沉降控制管理工作提供了技术依据。

填海造陆；地面沉降；监测；防治

近年来天津沿海地区经济建设的迅猛发展对土地资源需求量日趋增加，为了解决土地资源的供求矛盾，实现沿海经济的可持续发展，填海造陆成为沿海地区利用沿海滩涂拓展土地资源的一项重要途径。目前，临港工业区、天津港扩建、南港工业区、中心渔港等填海造陆工程陆续建设。这些地区是大型工业集聚基地，汇集世界级化学工业，港航设施及装备制造业，未来将成为功能多样化的港湾工业新城，是天津滨海新区新的经济增长点。

由于填海造陆区地理位置特殊，地质环境条件复杂，在取得经济效益的同时也面临着严峻的地质灾害问题，其中地面沉降灾害影响最为突出。地面沉降造成高程损失、不均匀沉降等问题会对区内工业工程、防洪防汛、市政管线道路等设施产生直接影响，也间接威胁区内工程建设及经济发展的稳定运行。

为了有针对性地采取措施控制地面沉降灾害，降低其带来的损失和风险，天津市自2007年逐步建设以水准、分层标、InSAR为主的监测体系，开展以临港工业区、南港工业区为重点的填海造陆地区地面沉降监测。本文通过对监测资料的分析，总结该地区地面沉降发育特征并提出相应防治建议。

1　区域地质概况

天津填海造陆区地貌单元主要为海积低平原和海岸潮间带区，地貌形成年代新，现代动态十分活跃。新生代以来，在河流冲积与海洋沉积交互作用下，历经沧桑巨变，海岸低缓平直，为典型平原淤泥质海岸，自西向东缓慢降低。潮间带发育，沿海呈带状分布，微向海倾斜。

其所在二级构造单元为华北断坳，三级构造单元为黄骅坳陷，研究认为黄骅坳陷地区由构造活动引起的年均沉降量为2.0mm/a［1，2］。地层沉积受水动力、构造影响大，沉积旋回性、韵律性明显，总体为陆相砂与黏土之间的不规则“互层”状，中、上部有海相或过渡相沉积，局部层位有富炭黏土或泥炭层。

由于地处滨海平原，多次海侵形成广泛分布的咸水，第Ⅰ含水组全部为咸水，咸水体之下的深层淡水分布广泛，受沉积环境影响，含水层颗粒和厚度自西向东变细、变薄，富水性变差。深层水（包括Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ含水组）为高水头承压淡水，分布广，厚度大，局部水量较大。为控制地面沉降，天津滨海地区大规模压采地下水，2014年地下水开采量仅为5323.16万m3。

2　地面沉降监测方法及成果

2.1监测网布置

目前天津市填海造陆区已建有包括InSAR、水准和分层标的地面沉降监测体系，其作用是从平面和垂向对临港地区地面沉降发育情况进行监测，对地面沉降防治发挥了积极作用，同时也为地面沉降地质灾害预警打下良好基础。

（1）InSAR监测

又称合成孔径雷达差分干涉测量，这种遥感手段具有形变测量精度高、不受天气制约、自动化程度高和经济投入少等优点［3，4］。临港工业区建设初期，区内处于大规模吹填建设中，短时间内地表变形较大，为解决区域内相干目标较少的问题，安装了9个角反射器（Corner Reflecter）以辅助InSAR监测。通过对比InSAR与水准测量的结果，证明该方法能够便捷地获取地面变形的情况，精度可以达到毫米级。

（2）水准监测

目前应用广泛的地面沉降监测方法，具有测量精度高、成果可靠的特点，是地面沉降发育比较严重且监测精度要求较高的地区首选监测方法。临港工业区、南港工业区建设水准监测网（图1），测量频率每年一次，等级为国家二等，已并入天津市地面沉降水准监测网。通过水准测量掌握该地区地面沉降发育总体趋势，与InSAR监测方法相互验证。

图1　天津南港工业区水准点位置示意Fig.1　The benchmark location in Nangang Industry area in Tianjin

（3）分层标监测

用水准测量方法监测不同深度地层垂向变形情况，用以分析地下水位变化和土层变形的动态规律，查明地面沉降的主要层位及因素，监测精度可以达到0.01mm。临港工业区、南港工业区内自2007年陆续建设分层标四组，一组深标位于临港工业区黄河道，用于监测滨海地区第四系以上地层由于地下水开采引起的沉降和大规模填土、工程施工引起的沉降，最大监测深度425m；其余三组浅标分别位于南港工业区、临港工业区辽宁路、临港工业区长江道，用于监测填土、工程施工引起的沉降，最大控制深度100m。目前所有分层标人工测量每月一次，其中1组分层标实现自动化监测，可实时获取数据。

2.2监测成果分析

（1）区域沉降特征

根据InSAR地面沉降解译和水准测量结果综合分析，临港工业区规划一期2012、2013年沉降量普遍在20～30mm/a之间，局部地区年沉降量大于40mm/a（图2）。临港分层标监测深度425m范围内，自2008年监测以来沉降量呈总体减小趋势，年沉降量由30mm/a到2013年减小至10 mm/a（图3），累计沉降量超过110 mm。

（2）不均匀沉降特征

图2　2012年天津临港工业区地面沉降速率Fig.2　Average subsidence rate of Habor Industry Park in Tianjin（2012）

图3　天津临港分层标年沉降量变化（0～425m）Fig.3　Average subsidence rate of layerwise mark （0～425m）in Habor Industry Park in Tianjin

2014年水准测量成果表明：南港工业区15个监测点平均沉降值为41.7mm，其中沉降最小的点沉降值为16.2mm/ a，沉降最大的点沉降值达71.2mm/a，沉降最大点与沉降最小点相差55mm/a。

临港工业区辽河路和长江道两组分层标监测深度在40m，距离小于1000m，2012～2014年累计沉降量约相差近110mm，其中20m以上地层累计沉降量相差约100mm，不均匀沉降显著。

（3）垂向沉降特征

临港分层标浅部地层变形特征：临港分层标0～100m深度范围揭露了上更新统以浅地层变形情况［5，6］（图4）。C0-1为填土层厚度为3.2m，该层2008～2010年处于沉降阶段，沉降量逐渐减小，2011年受附近道路开挖施工影响，卸除自重应力，使周围土体发生应力改变，该层开始回弹，至今累计回弹+4.55mm；C1-2监测深度3.2～17.6m主要为淤泥质软土，由2008年沉降24mm/a减小到2013年沉降5.61mm/a，后期沉降量逐渐减小；C2-3监测深度17.6～26.5m，黏性土为主，总体表现为回弹；C3-4监测深度26.5～56.8m地层，这段地层砂层累计厚度23.4m，黏性土累计厚度6.5m，年均沉降5～8mm/a，单位变形量为0.264mm/m·a；C4-6监测深度56.8～100m地层，地层砂层累计厚度23.3m，黏性土累计厚度19.9m，自2008年监测起累计沉降4.25mm，单位变形量为0.02mm/m·a。

图4　天津临港浅部地层（0～100m）沉降变化曲线Fig.4　Deformation of shallow stratum （0～100m） in Habor Industry Park in Tianjin

临港分层标深部地层特征：C6-7监测第Ⅱ～Ⅳ含水组（100～425m）地层变化情况，G5为第Ⅳ含水组地下水位动态变化曲线（图5）。2008～2009年第Ⅳ含水组水位变幅平稳，对应的地层变化很小；自2010年水位直线下降，水位埋深由42.5m至2013年12月最低53.3m，累计降幅近11m，相应地层压缩，累计沉降量21.37mm，单位变形量0.0255mm/m·a，可见地下水位的下降与地面沉降发育趋势一致。2014年以来第Ⅳ含水层组水位回升，相应层位由沉降逐渐减小至回弹。

图5　天津临港深部地层（100～425m）变形与水位变化关系Fig.5　Relation of deformation and groundwater level of deep stratu（100～425m） in Habor Industry Park in Tianjin

3　地面沉降原因分析

综合分析地面沉降原因，主要分为自然因素和人为因素。由于控沉措施主要围绕人为因素的管理来实施，因此本文主要结合监测及试验成果对人为因素加以分析。

3.1地下水开采

根据有效应力原理，地层只要开采地下流体资源，破坏地层内的应力平衡，引起孔隙水压力降低，有效应力增加，就会导致地层进一步固结压密，引起地面沉降。

有关学者对临港工业区500m地层做了前期固结压力试验［7］，得出浅部第一海相地层均为欠固结的地层，前期固结压力Pc均在地层自重压力线之下，即Pc＜Po。除此之外，整个地层Pc值基本都在Po线两侧分布，Pc≈Po（图6），反映了地层基本处在正常固结的状态，即在现有地层的压力下，地层的主固结已经完成。临港工业区原为滩涂，远离地下水开采区，本区基本无地下水开采，水位降幅不大，深层地下水初始水位埋深大约在30～40m，在这个水位值的影响下，基本上处在原始应力状态，故地层表现为正常固结状态［8，9］。

图6　天津临港工业区地层Pc随深度变化关系Fig.6　The relation of Pc and depth of stratum in Habor Industry Park in Tianjin

因此该地区不存在临界水位，只要开采地下水，引起地下水位下降，便会引起地面沉降，水位下降幅度越大，引起的地面沉降也越严重。通过对比临港分层标第Ⅳ含水组和相应层位监测资料来看，水位下降11m，伴随着地层压缩超过21mm，可见地下水位的下降与地面沉降发育趋势一致。即使此处不开采地下水，周边开采地下水也会波及该地区，引起水位下降，同样会引起地面沉降。因此填海造陆地区要控制地面沉降，必须严格控制地下水的开采。

3.2大面积填土工程

大规模填土工程不仅填土本身要固结压密，同时作为一个大面积的荷载对下部地层造成影响，产生压缩变形。填土工程大多分布在滨海地区，下卧软土地层受其影响会产生压缩变形，引起地面沉降。此外，软弱土层在填土荷载的长期作用下，又有可能产生次固结变形，使地面沉降持续发展。填海造陆区填土地面沉降的危害，主要体现在降低区域高程及不均匀沉降对下覆市政及工业设施的影响。

临港分层标填土厚度为3m，填土时间约为2006年，自2008年监测，图7代表该标组第一海相层变形情况。第一海相层主要为淤泥质软土，主要特征为天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于1.0的细粒土，高压缩性、低强度、低渗透性，欠固结。从多年来的监测数据来看，在没有外部荷载和施工影响条件下，该层的变形量多年平均值不足1mm［10］。在增加上覆填土荷载后加剧了该层沉降发育，该层2008年沉降量为24m/a，单位变形量为1.667mm/m·a，之后沉降量逐渐减小，到2013年沉降5.61mm/a，单位变形量为0.3896mm/m·a。但该层总沉降量持续增加，2008～2013年累计沉降超过60mm。天津滨海地区长期沉降监测成果表明，在填土影响下该层最初5～6年沉降影响最为明显，后期沉降量逐年减小，却持续变形。此外受填垫时间、填土厚度、材料等因素影响，其沉降表现差异较大。

图7　天津临港工业区软土地层变形曲线Fig.7　The deformation of soft soil stratum in Habor Industry Park in Tianjin

4　地面沉降危害

4.1地面高程资源损失

高程对人类及其城市经济活动是一种必不可少的基础性资源。由于地面标高的不断降低，损失了的标高只能用填土的方法来恢复。填海造陆区是在沿海滩涂上填垫而建，地面高程尤为重要，由于地面沉降的影响，为达到统一的标高，须要不断增加填土厚度，将增加建设成本。

4.2对工业建筑及市政设施的危害

填海造陆区工程地质条件较差，各项目所在地填土厚度及材料、建设时期各异，因此不均匀沉降是该区的主要问题。临港工业区内两组浅标同时建成，监测深度为40m左右，位置相距不到1km，累计沉降量相差约110mm。不均匀沉降将改变包括煤水电地下管网、输油管线、长距离精密工业生产设备等线性工程原有的设计高程和坡度，影响工程使用寿命，增加维修成本。此外，从以往灾害调查成果来看，地面沉降还会导致地下管线破坏、雨后积水、地基下沉、房屋开裂、路基下沉等问题。

4.3地面沉降加剧风暴潮灾害

填海造陆区地面沉降所造成的最大危害就是损失地面标高加剧风暴潮灾害。地面的持续下沉使防潮堤的标高不断降低，而随着近年来风暴潮灾害强度和频率增加，天文大潮与台风增水叠加形成的最高潮位超过防潮堤实测标高，导致抗风暴潮的能力大为降低，加剧了风暴潮对滨海地区的威胁［11，12］。

5　地面沉降防治建议

5.1加强地面沉降控制管理

根据《天津市地面沉降防治规划（2013～2020年）》，规定滨海新区属于地面沉降一级重点控制区，其近期（2013～2015年）规划目标为：地面沉降速率控制在25mm/a内，因此需要采取有效措施提高控沉工作管理效果。

首先提高管理部门对地面沉降灾害的重视，将控沉成效作为考核重要指标，落实《天津市地面沉降防治规划（2013～2020年）》和《天津市控制地面沉降管理办法》。其次填海造陆地区须在规划阶段，考虑由于大规模填土引发的沉降特别是不均匀沉降对区内基础设施的影响，优化产业布局，预防地面沉降造成的损失。

5.2完善地面沉降监测，建立预警系统

（1）补充完善地面沉降监测网

目前填海造陆区已建有包括水准、InSAR和分层标监测的地面沉降监测网，但监测点大多集中在前期建设的工程区内，随着工程建设推进，为了使地面沉降区监测实现100%覆盖，需在新建地区布设监测设施，以及时掌握地面沉降发育情况，有针对性地进行控制区内标高损失程度。

（2）开展专项工程地面沉降监测

填海造陆地区工程地质条件较差，各项目所在地填土厚度及材料、建设时期各异，不均匀沉降是该区的主要问题。因此需要对受不均匀沉降敏感的线性工程包括煤水电地下管网、输油管线、长距离精密工业生产设备开展专项监测，包括沉降监测、地下水位动态监测、分层监测等，以保证这些工程设施的安全运行。

（3）建设地面沉降预警系统

填海造陆地区面临的最主要隐患是风暴潮的侵袭，建立和完善区域地面沉降灾害预警体系，加强防潮波堤高程的监测更是尤为重要。尽早建立防潮堤沉降的监测预警系统，使预警预测模型与防潮堤实时监测数据结合，实现监测、研究、防治并举，以起到削减风暴潮灾害的作用，为保障滨海地区社会经济安全保驾护航。

5.3加强工程建设引发的地面沉降研究

随着填海造陆区建设的加快，大型建筑越来越多，有些工程需要进行基坑降水，将对周围浅部地层地质环境产生影响；此外建筑物的荷载也会加剧地面沉降灾害发育。从近年开发区监测资料表明，在控制地下水开采条件下，该区沉降量有所增加，这与城市大规模建设息息相关。因此，开展工程建设对地面沉降影响的监测和机理研究对保护工程施工顺利进行，减轻工程建设对填海造陆地区地质环境影响具有重要意义。

6　结语

（1）通过分析监测成果，掌握了填海造陆区平面和不同深度地层垂向的变形特征，总体表现为随着填土时间的增加沉降情况逐年递减，但总量持续增加；在平面上不均匀沉降明显，部分地区沉降差异大；从影响沉降层位来看，该区第一海相层是影响地面沉降的主要层位。

（2）天津填海造陆地区地面沉降的影响因素较复杂，因此要控制地面沉降，首先严格控制地下水的开采；其次受大面积填土荷载影响，沉降将长期存在，因此要提前做好区内工业工程设施的规划，在设计中提前考虑预留标高，对于已建工程要关注沉降监测情况，及时采取措施规避风险。

（3）在分析地面沉降原因基础上，从管理和技术方面提出建议包括加强填海造陆地区地面沉降控制管理、完善监测预警体系、重视工程建设引发的沉降研究等，为该地区地面沉降防治工作提供了技术依据。

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Researchon monitoring and control of land subsidence in a sea reclamation region of Tianjin

LÜ Xiao-Wen, NIU Wen-Ming, LUO Li-Hong, ZHANG Ying, NIU Yi
（Tianjin Central Station of Geo-Environment Monitoring， Tianjin 300191， China）

Land subsidence is the main geological hazard affecting the sea reclamation region of Tianjin. It is unpredictable and difficult to remedy once it occurs. This article describes the land subsidence monitoring system of the sea reclamation area in Tianjin. It analyzes the characteristics of the land subsidence， and relates these to the monitoring results. Based on the reasons for the settlement ， this article offers suggestions for land subsidence disaster control in the sea reclamation region. It provides a technical basis for management decisions.

sea reclamation region； land subsidence； monitoring； control

P642.26

A

2095-1329（2016）03-0055-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2016.03.013

2016-07-29

2016-08-18

吕潇文（1983-），女，硕士，工程师，主要从事地面沉降监测与研究.

电子邮箱: pauline1983@126.com

联系电话: 022-23682576

国土资源部公益性行业科研专项经费项目（201311045）；中国地质调查局地质调查项目（水［2014］02-031-011）；天津市国土资源和房屋管理局科研项目（国土房任［2015］1号）