□ 王吉杰

一、地面沉降產(chǎn)生的原因與機理分析

關(guān)于地面沉降產(chǎn)生的機理，說法很多，如新構(gòu)造運動說、地層壓縮說、自然壓縮說、地面動靜荷載說和區(qū)域性海平面上升說等。大量研究證明，引起地面沉降的原因可以分為兩種，即自然因素和人為因素。自然因素包括構(gòu)造活動、軟弱土層的自重壓密固結(jié)、海平面上升等，人為因素包括過量開采地下水、地下熱水及油氣資源、大規(guī)模工程建設(shè)等。其中過量開采地下水是地面沉降的外部原因，中等、高壓縮性粘土層和承壓含水層的存在則是地面沉降的內(nèi)因?？梢哉J為： 沉降是由于過量開采地下水、石油和天然氣以及高層建筑物的超量荷載等引起的。

河北滄州區(qū)域由于構(gòu)造活動引起的地面沉降，速率僅2～4mm/a，軟弱土層的自重壓密固結(jié)、海平面上升等引起的地面沉降和本區(qū)總沉降相比也是微不足道的。可見，導(dǎo)致滄州地面沉降的主要原因是人為因素，現(xiàn)簡要分析如下。

（一）地下水開采引起地面沉降

滄州地區(qū)水資源人均、畝均占有量都遠遠低于全國平均水平，是水資源最為緊缺的地區(qū)之一。地下水是本區(qū)主要供水水源，深層地下水的開采程度最嚴重的縣市已經(jīng)達到180～190%。地下水的長期超量開采，導(dǎo)致大面積地下水水位降落漏斗的形成并逐年擴展。

開采地下水會引起松散地層大量釋水，使地層壓縮、固結(jié)而產(chǎn)生沉降。滄州地區(qū)沉積有巨厚的松散層，其顆粒較細，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。主要開采層為第Ⅱ、Ⅲ含水層組承壓水，由于大量開采深層地下水，引起孔隙水壓力降低和有效應(yīng)力增大，致使含水層被壓縮，顆粒接觸面積增大，孔隙度減小并釋水，產(chǎn)生彈性變形，其沉降量一般相當粘性土壓縮率的15%。當含水層中的水壓恢復(fù)后，骨架復(fù)原，只形成暫時性地面沉降。粘性土層孔隙度大，孔隙微小，主要含結(jié)合水，當含水層與粘性土層之間的水頭差足以克服水與顆粒之間的結(jié)合力時，水便從粘性土層中排出。釋水時孔隙壓縮，使粘土礦物顆粒接觸面積增大，顆粒間發(fā)生相對位移，孔隙結(jié)構(gòu)被破壞而發(fā)生塑性形變。當含水層中水壓恢復(fù)后，只能使粘性土層被壓縮的孔隙中水壓升高，而不能使孔隙度和儲容水量恢復(fù)到初始狀態(tài)，形成永久性地面沉降。地面沉降最大的滄州市沉降中心，其粘土累計厚度達214. 42m，亞粘土累計厚度131. 41m，主要開采段200～400m的粘性土累計厚度達179. 01m，為地面沉降的產(chǎn)生創(chuàng)造了物質(zhì)基礎(chǔ)。粘性土在深層地下水開發(fā)中的釋水壓縮是永久性的，它決定了地面沉降的不可逆性。

地面沉降的產(chǎn)生和發(fā)展過程與地下水的開采過程基本保持一致或滯后一個時段，滄州市沉降中心沉降量與水位埋深的關(guān)系（見表1）、地面沉降與地下水開采過程關(guān)系示意圖（見圖1）均顯示：地面沉降量與地下水水位下降幅度呈高度正相關(guān)，其分布范圍與地下水水位下降漏斗基本一致。地面沉降的產(chǎn)生和發(fā)展過程是含水層排水后孔隙水壓力發(fā)生變化，相鄰粘性土層排水固結(jié)變形的過程。由于含水層是以砂類土為主，排水固結(jié)在短時間內(nèi)完成，而相鄰粘性土層多為欠固結(jié)巖層，由于水的頂托壓力下降(孔隙水壓力減小)，在上覆土層的自重壓力下，排水固結(jié)是一個相對緩慢的過程，所以地面沉降滯后水位下降一個時段。當開采和補給能夠趨向平衡時，開采層和弱透水層水位將先后趨于穩(wěn)定，粘性土壓密釋水趨向緩和。在開采層水位先期穩(wěn)定時，地面沉降仍在繼續(xù)。但隨著時間的推移，地面沉降也將趨緩。

（二）開采地?zé)嵋鸬孛娉两?/h3>

滄州地區(qū)蘊藏豐富的地下熱水資源，地下熱水開采量逐年增加，抽取地下熱水引起水位下降，地層內(nèi)孔隙水壓力減少有效應(yīng)力增加，必然引起地層進一步壓實而導(dǎo)致地面沉降。

（三）開采油氣資源引起地面沉降

在油氣田區(qū)，開采油氣資源也會引起地面沉降。根據(jù)大港油田的有關(guān)資料，2 500m以下普遍出現(xiàn)了欠壓密地層，黃驊凹陷中最大異常地層壓力系數(shù)為1. 552，發(fā)現(xiàn)于3 702. 7m處沙河街組地層中。當油氣開發(fā)后，必將使流體壓力降低，固體顆粒有效應(yīng)力增加，使泥巖進一步固結(jié)壓密，從而引起地面沉降。因此，石油天然氣的開采也是引起油氣田區(qū)地面沉降的因素之一。

表1 滄州市沉降中心沉降量與水位埋深關(guān)系

圖1 地面沉降與地下水開采過程關(guān)系示意圖

（四）地表荷載引起地面沉降

由于城市規(guī)模擴大，高大建筑物不斷增加，受鐵路、橋梁等交通設(shè)施及運輸荷載的影響，地表荷載加重，加速了地面沉降。

二、地面沉降造成的危害

地面沉降是一種累進性的緩變地質(zhì)災(zāi)害，其發(fā)展過程是不可逆的，一旦形成便難以恢復(fù)。地面沉降已成為滄州市主要地質(zhì)災(zāi)害之一，造成了一系列的社會環(huán)境問題，嚴重影響當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全。地面沉降的危害主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（一）地面沉降影響河道輸水，城市內(nèi)澇嚴重

有地面沉降的城市普遍存在比較嚴重的滯汛積水問題，這不僅影響城市交通和環(huán)境，而且常使地下室和低層建筑物在汛期被水浸沒。滄州市南運河是目前引黃濟津和南水北調(diào)的輸水河道，由于地面沉降，市區(qū)內(nèi)河段北起北陳屯村閘北，南至石港公路王希魯大橋北，全長11.8km，河床段積水深度達0. 3～1. 5m 。經(jīng)測量，河堤己沉降1. 3m，泄洪標準降低。據(jù)測算，因地面沉降造成海河流域行洪能力下降約20 %。上世紀六、七十年代以前，滄州市除部分地帶較低洼積水外，大部分降水產(chǎn)生地面徑流，自然排出市外，八、九十年代，由于地面沉降，如遇到同樣的降水量，區(qū)內(nèi)已大部分積水必須用人工揚水排出區(qū)外。九十年代至今，地面沉降加重，城市內(nèi)澇積水更加嚴重，市民的生產(chǎn)生活受到很大威脅。2002年7月5日，滄州市降水量97 mm，整個滄州市區(qū)汪洋一片，市政設(shè)施管理處11個排水泵站33臺水泵全部啟動，連續(xù)48小時才將積水排完。

（二）河床下沉，影響南水北調(diào)等引水工程安全

地面沉降造成河床下沉，影響引水工程的正常運行，特別是南水北調(diào)工程的安全。南運河從滄州市橫穿而過，是引黃入津的通道，也是南水北調(diào)東線的經(jīng)由之路，由于地面沉降，造成河床下沉，其過水能力銳減，已不及原設(shè)計能力的一半。2001年11月，由于天津市用水告急，國家有關(guān)部門急調(diào)黃河水經(jīng)南運河輸往天津市。輸水過程中，滄州市區(qū)段(全長11. 8km)的部分河段水位已接近漫堤，而在市區(qū)以外，河床只有半槽水，其運行水位比原設(shè)計降低1. 8m。這給引黃入津和未來的南水北調(diào)東線工程帶來不利影響。

（三） 建筑物地基下沉，房屋開裂，地下管道受損

由于地面不均勻沉降，可導(dǎo)致深井井管抬升受損、脫裂，甚至傾斜，部分建筑物墻體開裂、建筑被毀；受地面不均勻沉降的影響，地下管道彎曲變形，甚至產(chǎn)生破裂。輕者產(chǎn)生“滴、漏、冒”并影響正常使用，重者則使輸送液溢出，污染地下水或無法輸送。滄州市26km給水管網(wǎng)，僅2002年就破裂776次。

（四）鐵路路基下沉，鐵路安全受到威脅

由于地面沉降造成鐵路路基下沉，鐵路安全受到威脅。據(jù)調(diào)查，京滬鐵路從滄州地面沉降中心穿過，由于地面沉降路基下沉，只好年年墊碎石加高，在滄州市地面沉降中心附近鐵軌下的墊石比原來加厚了500mm以上。如果地面繼續(xù)沉降，墊石逐漸加厚，到一定的程度將失去穩(wěn)定，不僅造成經(jīng)濟損失而且影響鐵路安全運行。地面沉降的發(fā)展也給未來高速鐵路的建設(shè)和運營帶來不利影響。

（五）淺層地下水水位變淺，引起一系列城市環(huán)境問題

地面沉降造成淺層地下水水位相對變淺，從而引發(fā)一系列城市環(huán)境問題。水位變淺會加快混凝土及金屬管線的腐蝕；造成建筑物地基承載力下降，基礎(chǔ)侵蝕增強；對建筑基坑降水產(chǎn)生不利影響;對柏油路面也產(chǎn)生危害，大大減少使用壽命；對市區(qū)的綠化不利，樹木成活率低，直接影響市容市貌，加大城市建設(shè)成本。

（六）河道防洪標準降低，防洪排泄能力降低

城市大多沿河發(fā)展，地面沉降不僅使城市高程進一步降低，而且攔河堤壩等防洪設(shè)施因沉降而遭破壞，導(dǎo)致一些城市御洪能力不斷下降，水患威脅嚴重。另外，沉降區(qū)內(nèi)的子牙新河、捷地減河、南排河、漳衛(wèi)新河、宣惠河、大浪淀排水渠、廖家洼排干、滄浪渠等行洪河道，因地面沉降導(dǎo)致堤防防洪標準降低，其危害可想而知。

（七）地裂縫頻發(fā)，危及城鄉(xiāng)建筑安全

最近5年滄州地區(qū)發(fā)現(xiàn)地裂縫30多條，造成河堤、道路、建筑物等的嚴重破壞。究其原因大都與地面不均勻沉降有關(guān)。

（八）防潮堤抗風(fēng)暴潮能力降低，風(fēng)暴潮頻率、強度增加

滄州沿海是風(fēng)暴潮災(zāi)害的多發(fā)區(qū)，近50年來造成大災(zāi)的風(fēng)暴潮有5次，給沿海人民的生命財產(chǎn)和經(jīng)濟建設(shè)造成重大損失。在濱海地區(qū)，地面沉降活動使陸地地面高程下降，海平面相對上升，導(dǎo)致海水侵襲和風(fēng)暴潮災(zāi)害加劇。同時，濱岸防潮堤下沉，發(fā)生局部開裂，造成抗風(fēng)暴潮能力的降低，風(fēng)暴潮災(zāi)害危害程度加大。

（九）油田油水井管上竄，影響油田的正常開發(fā)

由于地面沉降，造成大港、華北油田的油、水井出現(xiàn)套管上竄現(xiàn)象，其中任丘任7斷塊屬古潛山碳酸巖地層，共有油、水井106口，上竄井71口，套管上竄率高達67%，上竄最高達到1.2m，占套管上竄總井數(shù)的40.3%。油水井套管上竄嚴重影響了油水井的壽命和油田的正常開發(fā)。

（十）地面水準點失效，地面高程資料失效

地面水準點對城市建設(shè)、管理及防洪防潮調(diào)度至關(guān)重要。由于地面沉降導(dǎo)致水準點失穩(wěn)失效，使城市規(guī)劃，工程建設(shè)項目失去依據(jù)，需要重新校核。水文站、驗潮站的水位、潮位標高失真，影響防洪防潮決策，需從未發(fā)生地面沉降區(qū)的水準點引測，增大了水準測量的工作量。

地面高程資料是國民經(jīng)濟建設(shè)和發(fā)展的重要基礎(chǔ)資料，因地面沉降造成的地面高程資料大范圍失效，導(dǎo)致城市規(guī)劃失真，市政建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錯誤，給城市埋下了不可預(yù)見的隱患和巨大的經(jīng)濟損失。

（十一）加劇農(nóng)業(yè)漬害，使土質(zhì)趨于惡化

地面沉降造成局部農(nóng)田低洼，常年積水使土壤墑情改變，原有漬害治理難度加大，農(nóng)作物產(chǎn)量下降，對農(nóng)業(yè)的潛在威脅十分嚴重。

三、地面沉降發(fā)展趨勢預(yù)測

關(guān)于滄州市地面沉降發(fā)展趨勢的預(yù)測方法很多，本文采用累計沉降量與地下水位降深關(guān)系曲線法和深層地下水漏斗中心水位埋深與地面沉降關(guān)系曲線法進行預(yù)測。

（一）累計沉降量與地下水位降深關(guān)系曲線法

以滄州沉降中心為例，依據(jù)累計沉降量與地下水位降深的關(guān)系初步分析預(yù)測。累計沉降量與地下水位降深的關(guān)系曲線，如圖2。

圖2 地面沉降量與地下水位降深的關(guān)系曲線

曲線方程為：

式中：S——為某年累計沉降量，mm；

e——土層孔隙比；

X——該年水位降深值，m。

從曲線上各點及曲線的變化態(tài)勢可分三個變化時段進行分析。

1.當水位降深<40m時，曲線處于緩慢上升階段，也就是說隨著降深的增加，累計沉降量緩慢增加。說明水位降深<40m時，超靜孔隙水壓力增加量、土層厚度及上覆壓力變化均較小，土層應(yīng)力變化后的壓縮量較小。

2.當60>X>40m時，曲線呈現(xiàn)明顯上升趨勢，有明確的拐點，說明40m水位降深應(yīng)是一個警戒水位降深值，超過這一值，隨降深的不斷增加累計沉降量將加速上升。

3.當X>60m時，曲線是近乎直立上升趨勢；X=95m時，曲線與實測點吻合最好。通過曲線分析，70m降深應(yīng)該是一個限制降深（禁止開采）值，超過它將產(chǎn)生嚴重的沉降后果。

（二）深層地下水漏斗中心水位埋深與地面沉降關(guān)系曲線法

根據(jù)深層地下水漏斗中心水位埋深與地面沉降量，繪制滄州市深層地下水漏斗中心水位埋深與地面沉降關(guān)系曲線（見圖3），并得出了如下結(jié)論：

圖3 滄州市深層地下水漏斗中心水位埋深與地面沉降關(guān)系

1.當漏斗中心水位埋深為20~60 m時，地面沉降量為160 mm，水位每下降lm，地面相應(yīng)沉降3. 75 mm。

2.當漏斗中心水位埋深為60~70 m時，水位每下降lm，地面平均沉降量為32 mm?？梢?，水位埋深60 m是地面沉降速度增大的拐點。滄州市區(qū)及其周邊黑龍港和運東區(qū)，若要避免地面沉降造成地質(zhì)災(zāi)害，其地下水位埋深必須控制在60m以內(nèi)。

3.當漏斗中心水位埋深為70~90 m時，水位每下降lm，地面平均沉降量為62. 5 mm。說明從水位埋深60 m以后，地面沉降隨水位埋深的增大而加快。

總之，運用累計沉降量與地下水位降深關(guān)系曲線法得出地下水位限制水位的埋深為60m，運用地下水漏斗中心水位埋深與地面沉降關(guān)系曲線法得出地下水漏斗中心控制水位的埋深亦為60m。可見，為避免地面沉陷造成地質(zhì)災(zāi)害 ,其地下水位埋深必須控制在60m以內(nèi)。

四、地面沉降控沉措施

（一）監(jiān)測預(yù)測

滄州地面沉降研究起步較晚、程度較低，嚴重滯后于控沉減災(zāi)需要。因此，首先要建立完善地面沉降動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)，設(shè)置分層標、基巖標、孔隙水壓力標、水準點、水動態(tài)監(jiān)測點、海平面觀測點等，定期進行水準測量，進行地下水開采量、地下水位、地下水壓力、地下水水質(zhì)監(jiān)測及回灌監(jiān)測等。加強地面沉降監(jiān)測設(shè)施的投入和保護，逐步建立監(jiān)測預(yù)警機制，隨時監(jiān)測地面沉降的變化情況,做到早發(fā)現(xiàn)、早治理。查明地面沉降及致災(zāi)現(xiàn)狀，研究沉降機理，找出沉降規(guī)律，預(yù)測地面沉降速度、幅度、范圍及可能危害，為控沉減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

（二）提倡開源節(jié)流，充分合理地利用地下水資源

積極開發(fā)地下微咸水資源， 根據(jù)其不同的水量、水質(zhì)、水溫分別開發(fā)利用。大力開展節(jié)約用水宣傳，提高水的重復(fù)利用率，逐步調(diào)整水資源結(jié)構(gòu)， 將有限的深層優(yōu)質(zhì)地下水用于人民生活。 調(diào)整開采層次， 壓縮深層開采量， 控制第三、四、五含水組的地下水開采量， 充分利用淺層水資源。

（三）積極開展地下水人工回灌

通過人工回灌地下水，冬灌夏用、夏灌冬用，補充地下水的可開采量，改善地下水徑流條件，控制地下水位大幅度下降， 從而緩和地面沉降。該技術(shù)主要是通過深井或坑洞、古河道等將地表水灌入地下含水層，抬高地下水位，以達到控制地面沉降、修復(fù)含水層的目的。

（四）推廣先進節(jié)水技術(shù)

尤其是推廣農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水技術(shù)，變過去大水漫灌為小畦灌溉， 大力發(fā)展地下管道，實現(xiàn)深井地下管道化、淺井地上軟管化，積極采用微灌、滴灌、滲灌節(jié)水技術(shù)， 實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)， 提高水資源利用率。

（五）苦咸水淡化，減少深層地下水開采量

推廣黃驊市先進的苦咸水淡化技術(shù)， 實施海水淡化和淺層苦咸水淡化。