天津港北疆、南疆、东疆三大港区地面沉降分析

2019-07-23袁晨晨

水道港口 2019年3期

刘亮，袁晨晨

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456；2.天津水运工程勘察设计院天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津 300456；3.长江南京航道工程局，南京 210011)

地面沉降又称为地面下沉或地陷[1-2]。它是在地壳运动以及人类工程经济活动影响下，由于地下松散地层固结压缩，导致地壳表面标高降低的一种局部的地面高程下降现象。近些年，为发展经济，天津港北疆港区、南疆港区和东疆港区投入大量人力物力进行吹填造陆、基础建设和工业建设，而工程建设给天津港的地质结构带来不可逆变化，造成工程性地面沉降，并成为该地区地面沉降的主要因素[3-5]。但此前的研究主要是针对港区新建道路、临港工业区等局部区域，缺乏对天津港全区域进行系统性沉降分析。文章基于2002～2016年14 a间天津港基础控制网复测资料进行沉降分析，可弥补天津港全区域系统性沉降研究空白，同时丰富天津港区地理信息，为天津港地质灾害防治以及今后的整体规划发展和工程建设提供参考。

1 天津港吹填造陆建设历程

影响天津港工程性地面沉降主要因素是港区吹填造陆，天津港的吹填造陆历史大致分为以下几个阶段[6]：

第一阶段：1939年7月开始第一次在海河入海口吹填造陆，当时是通过在入海口浅水区口抛石围海以扩建天津港区。到1945年6 a间，天津港的面积增加了1.76 km2。

第二阶段：1951年8月开始新港第一期恢复性建设工程，同时开挖港池淤泥，将其排于港北浅滩上，此后在原有围埝以北修建新围埝，并以此为基础开始第二次吹填造陆，使得天津港北疆港区最宽地区向北推进了1.5 km。

第三阶段：该阶段的吹填造陆工程依然是在北疆港区进行的，始于1972年，终于1979年。该阶段工程共修建围埝23 km，围海面积达到5.34 km2。

第四阶段：从1980～1986年先后进行了北疆东突堤及南疆一、二期为主体的造陆工程。其中东突堤围埝造陆从1980年下半年开始，于1982年建成。为了加快南疆的造陆速度，在1989年7月开始了大规模实质性的“北泥南调”工程，到1990年年底南疆一至三期造陆总面积达4.18 km2。

第五阶段：该阶段主要是东疆港区和南疆港区的吹填造陆。该阶段始于2000年前后，直至2016年。在1998年，随着经济的发展、在天津港船舶吞吐量日益增大以及之前吹填造陆带来的成功的影响因素下，南疆港区的吹填造陆工程逐渐展开，至今日，其陆域面积已达到约10 km2。相比较而言，东疆保税港区的吹填造陆过程更加快速，在2002年以前，东疆港区所在区域还是一片汪洋大海，而从2000年开始，经过利用疏浚土人工吹填造陆，东疆港区达到了南北长约10 km，东西宽3 km，总面积约30 km2的规模。东疆港区和南疆港区吹填造陆过程如图1所示。

1-a 1996年1-b 2000年1-c 2004年

1-d 2008年1-e 2012年1-f 2016年图1 天津港1996～2016年卫星影像图Fig.1 Satellite image of Tianjin Port from 1996 to 2016

图1是从1996～2016年这20 a内，遥感卫星对天津港东疆港区、南疆港区以及北疆港区进行拍摄得到的卫星影像图。从上图可以看出：北疆港区在这20 a间基本没有进行吹填造陆工程，故其陆域面积没有太大变化，只是由于经济发展，房屋和码头等建筑物数量极大增加；2004年及以前，东疆港区均为海域，南疆港区无明显扩张；从2005年开始，东疆港区开始兴建围埝准备进行吹填造陆，南疆港区东部和南部范围也逐年增加；2008～2012年，东疆港区和南疆港区集中进行了大规模吹填造陆，港区陆域面积显著增加；2012～2016年，东疆港区和南疆港区主要进行兴建陆地上的工业设施和码头的建设，而基本没有继续开展吹填造陆工程。

2 监测数据介绍与选取

图2 监测点分布情况Fig.2 Distribution of monitoring points

监测数据来自2002～2016年14 a间天津港基础控制网复测成果，该成果由国家测绘局第一大地测量队每隔2 a按三等水准测量施测所得，满足三大港区地面沉降分析数据精度要求[7-10]。

根据控制点观测连续性和分布均匀性，共筛选86个三等水准点，其中北疆港区33个，南疆港区24个，东疆港区29个，监测点分布情况如图2。从图中可以看出，水准控制点均匀分布在天津港，可以对天津港北疆、南疆、东疆三大港区进行完整且全面的地面沉降监测。

3 监测结果统计

把经过筛选的监测点数据按每2 a进行地面沉降量以及累计沉降量统计，其中有部分监测点由于工程施工或其他原因造成破坏，导致没有连续的实测数据，故未对各港区各监测点的平均累计沉降量进行统计和比对。

3.1 北疆港区

北疆港区2 a最大平均沉降量为2010～2012年118.5 mm，2 a最小平均沉降量为2004～2006年10 mm，相差近110 mm，其余年份沉降量为40～70 mm，2004～2006年和2010～2012年出现了严重的不平衡沉降。经统计，2 a最大沉降量点位为G006，在2010～2012年下沉224 mm；北疆港区2002～2016年整体年平均沉降速率为27.9 mm/a。

3.2 南疆港区

南疆港区在吹填造陆前后存在明显不同的地面沉降规律，以2008年为界线，2002～2004年，南疆港区平均下沉了58.6 mm，2006～2008年，还出现了地面反弹上升趋势，可能由起算点数据未及时更新、起算点沉降量大于港区所致，具体原因有待进一步研究证实；2008～2014年，南疆港区东部开展吹填造陆工程，期间年平均地面沉降量基本都超过了80 mm，而到2014～2016年，由于吹填造陆工程基本结束，且新建陆域已投入使用多年，造陆土层被逐渐压实，导致其地面沉降量减少。经统计，南疆港区2 a最大平均沉降量为2008～2010年88.8 mm；2 a最大沉降量点位为JM17，在2010～2012年下沉135 mm；南疆港区2002～2016年整体年平均沉降速率为23.2 mm/a。

3.3 东疆港区

吹填造陆后的东疆港区存在严重的地面沉降，累计地面沉降量基本都超过200 mm， DJG8的累计地面沉降甚至超过500 mm。2008～2012年，东疆港区年平均地面沉降量基本都超过了75 mm，到2014年，东疆港区的吹填造陆工程基本结束，且新建陆域已投入使用多年，造陆土层被逐渐压实，其地面沉降量逐渐减少。经统计，东疆港区2 a最大平均沉降量为2008～2010年156.1 mm；2 a最大沉降量点位为DJG7，在2008～2010年下沉341.2 mm；东疆港区2008～2016年整体年平均沉降速率为52.5 mm/a，且整体沉降量相对来说逐年趋缓，但2014～2016年又有加速沉降趋势。

3.4 天津港三大港区

表1 天津港年平均沉降量统计表(两年沉降量：S0)Tab.1 Average annual settlements of Tianjin Port (two years settlements: S0) mm

从表1中，可以看出：在2010～2012年，天津港两年平均沉降量最大最不稳定，为120.6 mm；2004～2006年，两年平均沉降量最小，为2.6 mm；2012～2016年整体沉降速率趋于稳定；天津港2002～2016年整体年平均沉降速率为28.4 mm/a。

4 沉降分析

4.1 地面沉降结果分析

图3 三大港区年平均沉降速率图Fig.3 Annual average settlement rate of the three major port

根据以上沉降统计数据，对比分析各港区沉降关系。

从图3中可以明显看出，相较于其他年份，北疆港区在2004～2006年和2010～2012年出现了较大失衡的沉降，2004～2006年沉降明显小于其他年份，2010～2012年沉降明显大于其他年份。北疆港区是天津港的老港区，除2004～2006年和2010～2012年外，相对沉降稳定，每年沉降约20～30 mm。南疆港区在2004～2008年出现了小幅上升，并且在2008年开始吹填造陆，沉降出现明显加速；吹填造陆区沉降速率要大于非吹填造陆区，并呈现逐年接近非吹填造陆区沉降速率，差距越来越小，这符合实际情况，吹填造陆完毕后，随着地基处理和水分蒸发引起的自然沉降的完成，两者的沉降属性将越来越一致。东疆港区在吹填造陆后的整体沉降趋势，从2008～2012年前5 a间，年平均沉降速率非常大，达到了近80 mm/a，通过5 a左右的自然沉降，后面沉降开始变缓，年平均沉降速率降至30 mm/a左右。

通过对比北疆、南疆、东疆港区的年平均沉降速率，南北疆港区整体沉降趋势和沉降速率相差不大，东疆港区由于是全新吹填造陆的港区，其沉降规律和速率呈现不一样的特点，且已慢慢趋于稳定。

图4 天津港2002～2016年等沉速率曲线分布图Fig.4 Distribution of sinking rate curves of Tianjin Port from 2002 to 2016

4.2 不均匀沉降分析

由于各监测点的观测起始时间不一致，故不能用累计沉降量来分析不均匀沉降，故用年平均沉降速率代替累计沉降量进行不均匀沉降分析。根据年平均沉降速率绘制等沉速率曲线图，如图4。统计结果显示，港区沉降最快的点为DJG7，该点在2008～2012年年均沉降135.5 mm，但在2012年后该点遭到破坏，未能进行后续监测。除DJG7外，沉降速率最大的为DJG14，该点在2010～2016年年均沉降79.8 mm。

对港区各监测点进行年均沉降速率区段统计，得到表2。从表中可以看到最小沉降速率区段0～10 mm/a的点数为3个，全为南疆港区，最大沉降速率区段70 mm/a及以上的点数为2个，全为东疆港区；港区66%的点沉降速率分布在20～50 mm/a区间，其中北疆港区76%的点沉降速率分布在20～50 mm/a区间，南疆港区71%的点沉降速率分布在10～40 mm/a区间，东疆港区76%的点沉降速率分布在40～70 mm/a区间；沉降速率分布在0～20 mm/a的点数共计12个，从点位分布来看，均位于码头前沿，由此可见，港区最稳定的区域是码头，这是因为港区的码头一般都是深桩混凝土结构。港区内如果需进行建构筑物和其他码头的精密沉降观测工作，基准点可以优先选用这些相对来说最稳定的点位，以获得较为准确的监测数据。

从天津港2002～2016年等沉速率曲线图，可以看到，东疆港区的整体沉降速率明显大于北疆港区和南疆港区；东疆港区中部区域沉降大于四周，局部出现漏斗沉降；北疆港区北部区域沉降明显大于南部老码头区，中部出现漏斗沉降；南疆港区的沉降速率整体由北向南逐渐增大，南部和东部吹填造陆区沉降明显大于北部老码头区，中部道路堆场沉降均匀。