基于古河道变迁的廊坊东沽港地面沉降影响因素研究

2019-03-18堃正

长江科学院院报 2019年2期

，，，，堃正

(河北省地质环境监测院，石家庄 050011)

1 研究背景

随着国民经济发展，环境地质问题突出，尤其是地面沉降地质灾害影响范围广，已经严重制约社会经济可持续发展。因此，对地面沉降地质灾害的研究势在必行。

目前，国内外已有许多学者对地面沉降的机理和防治进行研究。国家在2012年开展2012—2020年全国地面沉降防治规划[1]，为地面沉降防治指明方向。文献[2]—文献[4]分析了我国地面沉降环境地质问题，提出了防治策略。王国良[5]、房浩等[6]对地面沉降进行量化分级，综合评价地面沉降风险性。文献[7]—文献[12]利用GPS技术、InSAR技术、短基线子集干涉技术等，达到了地面沉降监测要求，为地面沉降防治提供技术支持。田芳等[13]通过分析地面变形和水位变化关系，探讨了土体受水位变化影响的变形特征。杨建民等[14]根据线弹性本构关系、有效应力原理及弹性力学，基于单井抽水产生的地面沉降规律性，采用线性微分方程叠加原理对多井抽水时沉降-距离进行论证，其仍遵循地面沉降值与距井的距离呈对数线性关系。孙自永等[15]、刘勇等[16]、刘瑾等[17]通过分析水文地质资料，探讨了黏土层厚度和地下水位变化与地面沉降的关系。丁文峰等[18]通过分析城市化过程中超采地下水引发地面沉降，造成城市洪涝灾害，并提出防治对策。张利生等[19]、李红霞等[18]、李文运等[21]、王启耀等[22]利用数值模拟方法建立固结计算模型，模拟结果对地面沉降成因、发展趋势的预测等达到防治要求。但是，上述研究是在太沙基一维固结理论基础上研究地下水位下降对地面沉降的影响。本文通过搜集项目区工程地质条件、水文地质条件资料，结合古河道的影响作用，综合研究地面沉降影响因素。

2 研究区概况

2.1 研究区现状

2011年，廊坊市东沽港出现房屋下沉、墙体开裂、道路错动裂缝现象，2014年更为严重。经勘查，裂缝是因南北沉降差异引起地面错动造成的，呈带状分布，走向80°NE，可见长度约1 500 m，影响宽度20～80 m,地裂缝宽1～4 cm ，地裂缝两侧地面错动最大约30 cm。房屋不均匀沉降变形和黏性土层裂隙发育分别见图1和图2。

图1 房屋不均匀沉降变形Fig.1 Uneven settlement deformation of house

图2 黏性土层裂隙发育Fig.2 Fracture development in clayey soil

2.2 研究区地质环境条件

2.2.1 气象

图3为研究区2009—2016年降雨量图，从空间上看，降雨分布不均匀，6—9月份降雨较集中，雨量较大，其他月份降雨量较小。从近年降雨强度看，研究区降雨量总体上先增后减，尤其是2012年7月，是新中国成立以来研究区最大的一场降雨，单月降雨量达381.6 mm；之后雨量逐年减小，进入枯水年。

图3 研究区降雨量变化Fig.3 Variation of rainfall in the study area

2.2.2 工程地质条件

研究区第四系厚度较大，约520 m。钻探揭露地下80.0 m深度范围内，地层为新近沉积层，第四系全新统河湖相沉积—上更新统陆相沉积，岩性以填土、粉土、粉质黏土、粉砂、细砂为主。

2.2.3 水文地质条件

研究区位于永定河冲洪积平原水文地质区，地下水主要赋存于第四系松散堆积物的孔隙之中，属孔隙型水，局部有咸水分布。按开采条件分为浅层地下水和深层地下水。

2.2.3.1 浅层地下水

浅层地下水底板埋深160～180 m，含水层厚度30～50 m。浅层地下水为潜水—微承压水，含水层岩性以裂隙黏土为主，富水性<2.5 m3/(h·m)，水质较差，一般不适宜饮用。地下水接收大气降水和灌溉回归及侧向径流补给，主要排泄方式为人工开采消耗和侧向排泄。

2.2.3.2 深层地下水

深层地下水底板埋深约400 m。含水层岩性以细砂、粉砂、细粉砂为主，局部为中粗砂，厚度26～60 m，局部>60 m，单位涌水量10～15 m3/(h·m)，局部<10 m3/(h·m)。深层地下水主要接受侧向径流补给和越流补给，消耗于人工开采。

2.2.4 古河道分布情况

研究区建于北宋天圣年间，村子坐落于河叉高地。根据《乾隆志新河渠图》记载，当时永定河自北京南、九州镇向南流，经固安县分成3条河流向东南方向流，最北的一条位于研究区北侧8 km，另外2条分别位于研究区南北两侧，其中北侧为主河流。根据图4可知，东沽港村位于古河道变迁带上，主要受全新世和晚更新世河道带影响。

图4 第四系古河道变迁示意图Fig.4 Changes of the quaternary ancient stream channels

2.2.5 地质构造活动

研究区位于冀中台陷和沧县台拱的交界地带，基底厚度差异很大，造成第四系地层厚度不均，对该区地面沉降有一定的影响。

2.2.6 人类工程活动

研究区人类工程活动强烈，主要表现为建房、修路、耕种等。随着经济建设发展，人口数量不断增长，人类工程活动渐趋加剧，对工程地质环境产生了较大的破坏。尤其是村内塘、沟回填后建房，回填厚度不均匀，影响上部房屋稳定性。

3 研究区地面沉降影响因素分析

地面沉降影响因素较多[23- 24]，包括过量开采地下水、受新构造运动影响、开采地下液体等，但每个地区影响地面沉降的主次因素不同，产生机理也不同，需要根据研究区工程地质条件、水文地质条件综合分析确定。

3.1 工程地质条件分析

根据钻探资料，研究区地层较简单，以粉质黏土、粉砂和细砂为主，上部地层变化平缓，40 m以下，细砂层和粉质黏土层变化较大(图5)。从图5可知，裂缝区40 m以下，南侧的细砂层厚约13 m，北侧的砂层厚度约0.5 m，两侧厚度差12.5 m；细砂层上部的粉质黏土南侧厚11.0 m左右，北侧厚18.5 m左右，两侧厚度差7.5 m。结合已有研究，项目区裂缝区下部地层厚度差异大对地面不均匀沉降影响较大。

图5 研究区工程地质剖面图Fig.5 Engineering geological profile of the study area

3.2 水文地质条件分析

3.2.1 浅层地下水变化分析

根据图6(a)，监测井安1(研究区北2.5 km )在2012年6月前水位变化幅度较小，波动范围为0.6 mm；在2012年7月强降雨之后，水位大幅度上升，至2013年上半年地下水水位上升了1.34 m；进入干旱期后，地下水水位下降了1.02 m，至2014年上半年随着降雨量的增加，水位恢复；至2015年6月，研究区再次进入干旱期(走访调查当地村民，2014年6月至2015年6月，降雨量较少，棉花、玉米等农作物因干旱欠收)，水位再次下降。

由图6(b)监测井霸1(研究区南侧2.0 km)多年水位变化曲线图可知，2012年6月强降雨之前，水位波动较小，波动幅度在0.96 m范围内；而2012年6月强降雨之后，水位波动较大，尤其是水位下降幅度，从1.72 m下降至3.76 m，降幅达2.04 m。水位波动趋势与安1趋势相同，受降雨量影响明显，因地表水入渗地下存在滞后性，水位在强降雨之后恢复。

图6 地下水位与降雨量多年变化曲线Fig.6 Curves of groundwater level and rainfall amount over years

图7 近10 a深层地下水位变化曲线Fig.7 Variations of deep groundwater level monitored at different wells over the past decade

综上所述，浅层地下水水位在2012年6月之前波动变化较小；之后，出现过2次明显的水位上升和1次水位下降，幅度在1.0 m左右。地下水水位大幅度的变化对古河道地层压缩以及黏性土不可逆压缩都有影响。

3.2.2 深层地下水位变化分析

研究区深层地下水含水层组顶板埋深约160 m，通过对研究区及其周边地区地下水水位监测发现，2015年低水位期，研究区南侧(榆树园村)深层地下水埋深68.64 m，北侧(牛角村)为61.23 m，深层地下水由北向南流，与区域地下水流场是相同的。

图7为研究区2006—2017年近10 a深层地下水水位变化曲线。由图7可知，研究区北侧安3监测井和南侧霸3监测井的深层地下水位在2011年之后变动较小，水位下降不明显，对地面的影响也较小。根据2014年安3监测井水位动态曲线(图8)，2014年深层地下水变化较小，变化幅度在0.5 m范围内，对地面影响较小。

图8 2014年安3监测井深层地下水水位变化曲线Fig.8 Variation of deep groundwater level at monitoring well An 3# in 2014

3.3 研究区地面沉降影响因素分析

3.3.1 地面沉降定量分析

根据土工试验结果，选择钻孔3(ZK3)、钻孔5(ZK5)、钻孔7(ZK7)、钻孔8(ZK8)和钻孔9(ZK9)计算地面累计沉降量，采用土力学模型分层总和法，定量分析东沽港地面沉降原因(表1)。

表1 黏土层累计沉降量计算结果Table 1 Calculation result of cumulative settlement of clayey soil strata

由计算结果可知，在研究区2013年下半年水位骤然下降1.02 m条件下，ZK3，ZK5，ZK7的累计沉降量相差较小，ZK8和ZK9累计沉降量较大，说明研究区北侧黏性土厚度较大，累计沉降量较南部大，证实了地层沉积结构差异对地面不均匀沉降影响很大。

图9 累计沉降量监测数据与拟合曲线Fig.9 Monitoring data and fitted curve of cumulative settlement

图9为理想情况下黏性土压缩导致地面沉降变化图，但土体为塑性体，土体内部空隙不能完全被排除，黏性土压缩导致地面沉降现象应与拟合曲线近似相同，存在平缓的过渡，与实际相符合。

3.3.2 古河道水位变化分析

通过搜集研究区钻孔资料可知，古河道的沉积物质主要由粉细砂组成，孔隙较大、渗透性较强、径流条件好，具有很强的富水、集水性质。结合古河道变迁情况，河道的沉积、冲蚀、迁移的演化特征随时间变迁造成古河道由多个时期组成，在剖面形态上呈现出地层交错、叠加的现象(图4)。同时，在古河道多次变迁下，地层的沉积作用与河道的加积作用形成对比，导致河道与河床沉积物质的差异。

从力学过程来看，古河道形成的地貌条件对水体的变化具有敏感特征。受降水、径流等因素影响，水体可迅速汇集于河道内并暂存于底部，增加河道内地层含水率和自重力，进而牵动两侧区域向河道中心拉张而形成裂缝，导致上部土层回填裂缝，造成地面不均匀沉降。

综上所述，古河道是第四系沉积形成的，具有物质松散、抗压性弱、沉陷性大的特点，为欠固结状态。因此，研究区受2012年7月强降雨影响，北侧古河道快速集水，土体含自重力增加，在地下水的渗流作用下，砂粒趋于密实从而牵动两侧区域向河道中心压缩(图10)；而2013年、2014年、2015年，均有半年的枯水期，古河道失水，水位下降幅度大，进一步加剧古河道压缩。古河道向中心压缩的同时侧壁与河漫滩形成拉张裂缝，在上部荷载以及地下水下渗、冲蚀作用下，河漫滩不断填充裂缝，最终在古河道与河漫滩交界处出现明显的错动裂缝。因此，古河道地下水水位上升和下降都会加快古河道地层固结，造成地面沉降，并在古河道与河漫交界处产生错动裂缝。

图10 古河道集水与失水引起地面沉降示意图Fig.10 Schematic diagram of land subsidence caused by the old channel catchment and water loss

3.3.3 地面沉降影响因素综合分析

通过综合分析，确定了东沽港地面沉降影响因素。

首先，根据太沙基有效应力理论，饱和土中总应力σ由孔隙水压力μ和有效应力σ′构成。在σ不变的情况下，研究区砂层中地下水μ减小，势必引起σ′的增加，造成砂粒互相压实压密，导致地面下沉，但是该下沉为弹性沉降，待地下水位上升后地面反弹。但是，在抽水过程中砂层主固结基本完成，黏性土层与相邻砂层孔隙水压形成水压差，因黏性土的渗透性小，需长时间的渗流才能达到稳定水头，在此过程中，黏性土层持续不可逆压缩，地面下沉继续发展。因此，综合分析研究区工程地质条件和水文地质条件，浅层地下水水位下降后造成不同厚度黏性土产生沉降差异。

其次，研究区位于全新世和晚更新世古河道变迁区，地层处于欠固结状态。河道作为良好的储水层，集水状态下，受砂层自重影响易造成古河道两侧出现裂缝；失水状态下，砂层趋于密实，造成上面地面下沉。失水后的孔隙水压力与周边河漫滩形成压力差，进一步造成河漫滩产生拉裂缝。裂缝在地下水下渗过程中不断被冲蚀，逐渐形成错动裂隙。

再者，影响地面沉降的还有如下几个次要因素：①深层地下水位近年呈下降趋势，但变化幅度较小，对区域地面沉降有影响；②研究区构造较复杂，研究区位于冀中台陷和沧县台拱的交界地带，基底厚度差异很大，造成的第四系地层厚度不均，对该区地面沉降造成了一定的影响；③研究区水塘、坑等较多，村民回填后未充分夯实便进行建房，造成房屋不均匀沉降，出现裂缝。