广州南沙区软土分布和地面沉降特征分析

陈运坤, 高 磊, 屈尚侠

(广州市地质调查院,广东 广州 510440)

1 研究区概况

广州南沙区位于广州市沙湾水道以南,地处珠江出海口和珠江三角洲地理几何中心,是连接珠江口岸城市群的枢纽。目前南沙区已定位为广州市副中心,粤港澳全面合作示范区,区内产业基础坚实,汽车、船舶、重大装备等先进制造业和航运物流、科技创新、跨境电商等现代服务业快速发展。人类工程活动对环境地质的影响程度越来越显著,软土地面沉降是区内主要地质灾害之一。

南沙区除了南沙街、黄阁镇、大岗镇发育丘陵地貌外,大部分区域以冲积海积平原为主,沉积了深厚的海陆交互相软土。受人类工程活动及天然固结等作用的影响,地区内已出现了不同程度的地面沉降灾害,导致建构筑物发生倾斜、开裂破坏,道路扭曲变形,路面开裂,而且影响水利工程(包括堤围工程)、地下供电、排水管网等基础设施的正常使用。地面沉降对人们的生产、生活、交通等影响极大,已成为一种严重的环境地质问题,影响和制约着经济的可持续发展[1]。

2 软土分布特征

南沙区软土主要是淤泥、淤泥质土,属晚更新世晚期至全新世的三角洲相沉积层。由于河流及滨海的复杂交替作用,软土层呈内叠式、交错式或超覆式接触。在剖面上,层厚变化较快,有“砂包泥”现象,产出层次不一,大部分地区为单层,局部为双层及多层。颜色多为灰色,接近饱和状态,呈软塑-流塑状,微层理发育,含有贝壳碎片,有腐殖质,结构疏松,具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低、渗透性低等特征,工程性质极差[2]。

南沙区软土分布面积约718.1 km2,除十八罗汉山、黄山鲁等少数低丘地带外,基本全区覆盖软土层。软土总厚度一般在5～40 m之间,平均厚度15.8 m,最厚可达55 m,层底埋深2.5～48.5 m。分布厚度呈由西北向东南逐渐加大的趋势,厚度小于10 m的软土一般分布在榄核镇、灵山、乌洲村、黄阁镇、南沙街道;厚度10～20 m的软土主要分布在榄核镇中部、东涌镇、大岗镇、横沥镇大部分区域、龙穴岛等;20～40 m的软土分布在东涌镇官坦村—鱼窝头村—万洲村一带、横沥、万顷沙、三民岛、南沙港区;厚度大于40 m的软土较少见,主要分布在万顷沙十六—二十一涌局部地区,三民岛南部民立村等[3](如图1)。

图1 南沙区软土厚度分布图

3 地面沉降特性与机理

地面沉降是由于地表松软土体压缩而导致区域性地面标高降低的一种环境地质现象,是软土地区城市化建设过程中出现的主要地质灾害之一,具有持续时间长、影响范围广、成因机制复杂和防治难度大等特点。地面沉降作为一种缓变性、持久性、不可逆性的灾害,其影响范围和程度随时间的推移越发明显。地面沉降的发生、发展和停止都是缓慢进行的,初期人们往往不易察觉,没有明显的表征,但是灾害一旦发生,持续时间长,后果较严重。黏性土层的压缩变形是不可逆的,地面沉降一旦发生就不可复原,并且在较长时间内仍然将持续沉降。

广州南沙地区软土厚度大,形成时间短,是地面沉降灾害防治的重点区段。地面沉降灾害损失的大小与软土厚度、软土工程性质、后期工程堆载和地基处理等防范措施的实施密切相关。研究表明引起软土地面沉降的主要因素为:地下水位变动、附加荷载的作用、欠固结软土自然压实等[4]。

3.1 地下水位变动引起地面沉降

一方面,南沙区内河流纵横交错,河网密布,地下水位动态呈现季节性周期变化。枯水期地下水向地表水体泄流,含水层释放部分水量,地下水位下降,土层中的有效应力增大,土层颗粒间发生压缩变形,同时黏性土在排水过程中被压缩具有不可逆性,形成地下水变动引起的地面沉降。另一方面,工程建设中的基坑降水和基坑排水都会造成水位的大幅度下降。尤其是长时间大降深的基坑降水,是近些年来城市地面沉降的主要诱因。

3.2 附加荷载引起地面沉降

软土区地面沉降的附加荷载主要为建筑物的自重应力、路基荷载及车辆动荷载。在附加荷载的影响下,软土受外力作用,破坏了原先的应力平衡状态,有效应力和孔隙水压力相互转化,人为加速了软土的排水固结-压缩沉降过程。一般情况下,应力集中的地方沉降量自然就大。地质灾害调查中出现沉降的位置主要在墙体、台阶、路基、桥墩与路基之间。

3.3 软土固结引起地面沉降

软土属欠固结土,形成年代不长,自重应力作用下的固结尚未完成,所以即使没有任何附加荷载,在自重应力作用下,也会产生压密变形,引发地面沉降。软土压缩沉降包括三个阶段:瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降。瞬时沉降是由加载期间地基土产生的瞬时附加应力所致,由于孔隙水来不及消散,土体体积也没有变化,瞬时沉降一般在施工过程中也已基本完成。固结沉降是指软土排水固结沉降,随着孔隙水压力的消散,有效应力增大,孔隙比减小,土体出现压缩变形。次固结沉降是软土在附加应力作用下,土体中的超孔隙水压力已完全消散,由于土体长时间缓慢蠕变所产生的沉降。沿海地区浅层软土微结构类型以絮凝结构为主,其特点是颗粒接触不紧密,孔隙小且连通性差,孔隙水不易排出,因此固结速率慢,这也是沿海浅层软土持续微沉的主要内因。

4 南沙区地面沉降特征

近年来南沙重点发展区兴建了大量的工程项目,其中相当一部分都遭遇淤泥类软土地基沉降灾害,具有代表性的如滨海花园、南沙港物流基地、万顷沙等[5]。软土地面沉降地质灾害一般呈片区状分布。广州自2011年以来逐步开展地面沉降监测工作,目前在南沙区已陆续布设了90多个自动化沉降监测点。本文收集了南沙区2016—2020年来监测点的沉降监测数据,对软土地面沉降的发展规律进行分析。对沉降数据进行统计发现,南沙区整体呈下降趋势,存在东涌镇—鱼窝头、横沥—珠江街—万顷沙的沉降带,区域年均沉降速率为1.2～58.0 mm/a,整体的沉降量较大,其中30多处沉降监测点年均沉降速率大于20 mm/a。从分布上来看,沉降速率较大的区域主要集中在软土比较发育以及人类活动密集的区域,如麒麟新城、滨海半岛、珠江街道、万顷沙镇等区域(如图2所示)。其沉降特征主要如下:

图2 南沙区地面沉降速率分区图(2016—2020年)

(1)年均沉降速率小于10 mm/a的区域主要有榄核镇—大岗镇大部分地区、三沙村—庆盛—乌洲村、石基村—小乌村—马克村—新沙村、长沙村、三民岛、龙穴村、南沙街道低丘区域等。

(2)年均沉降速率为10～20 mm/a的区域主要有新涌村—八沙村、上坭村—坳尾村、庙贝沙—庙南村—明珠湾一带、冯马村—群结村—新安村—福安村。

(3)年均沉降速率为20～30 mm/a的区域集中在南涌口村—麒麟新城、东涌村、保利半岛、滨海水晶湾等。

(4)年均沉降速率为30～40 mm/a的区域集中在珠江工业区一带、七涌—沙尾一村—南沙保税港、红海村—百万葵园、龙穴岛鸡抱沙北路一带、滨海路一带、万洲村、榄核镇上坭村等。

(5)年均沉降速率大于40 mm/a的区域主要集中在东涌镇南涌村、南沙体育中心—滨海半岛、海滨公园、万顷沙红港村—十七涌等。

由图1、图2可知,地面沉降空间分布与南沙区软土厚度分布范围基本吻合。整体上南沙区年均沉降速率大小与软土厚度值的大小呈正相关,软土厚度较大的区域沉降速率也大,如东涌、横沥、珠江街、万顷沙等软土厚度较大的区域对应其年均沉降速率也大。但有些区域并非如此,如湿地公园至十九涌一带,软土厚度较大,但是沉降速率相对较小,原因是该处主要为鱼塘和湿地,人类工程活动较少。因此南沙区地面沉降不仅与地质环境有关,还与工程建设活动等密切相关。

5 结论

广州南沙地区软土厚度大,形成时间短,工程特性极差,是地面沉降灾害防治的重点区段。引起地面沉降的主要影响因素有:地下水位变动、附加荷载的作用、欠固结软土自然压实等。综合分析南沙区历年沉降监测数据,南沙区整体呈下降趋势,年均沉降速率呈北小南大的规律,存在东涌镇—鱼窝头,横沥—珠江街—万顷沙的沉降带。整体上区域沉降速率大小与软土厚度大小成正相关,软土厚度较大的区域沉降速率也大。局部一些软土厚度大的区域,但沉降速率较小,主要因为该区以鱼塘和湿地为主,人类工程活动较少。因此南沙区地面沉降不仅与地质环境有关,还与工程建设活动等密切相关。