王 雙，嚴(yán)學(xué)新，揭 江，楊天亮，吳建中，王紅珊

(1.廣東省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊(duì)，廣東 湛江 524033；2.國土資源部地面沉降監(jiān)測與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201204)

0 引言

在地面沉降影響因素方面，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究工作。MAHDI[1]提出含水層的滲透系數(shù)和存儲能力等水文地質(zhì)條件的不同會導(dǎo)致地面沉降的速率不同；MHALY在研究中認(rèn)為立體交通網(wǎng)絡(luò)和高密度人口是導(dǎo)致不均勻地面沉降的因素；RUI MA[2]研究了地層差異性對地面沉降分布的影響，發(fā)現(xiàn)在相同抽水速率的條件下多層薄層黏性土層較單層厚度大的黏性土層容易產(chǎn)生地面沉降，且滯后時(shí)間短；傳統(tǒng)的地面沉降與含水層系統(tǒng)壓縮耦合是在垂直一維滲透固結(jié)理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，未考慮土體的水平位移形變，對差異性沉降的研究略感不足，針對此問題，Hibbit提出了有限元法，考慮含水層系統(tǒng)的三維形變，MATIN[3]通過數(shù)值模擬研究了拉斯維加斯地區(qū)斷層控制下抽水誘發(fā)沉降的空間模式，推斷出Eglington斷層為阻水邊界；薛禹群等[4-5]分析了變化水位模式下地面沉降區(qū)域土體的變形特征，并在長江三角洲地區(qū)開展研究工作，認(rèn)為造成地面沉降的成因主要是地下水的長期超量開采和第四紀(jì)以來的活動(dòng)斷裂和構(gòu)造沉降。顯然，地面沉降具有多種起因[6]，在不同地區(qū)其主導(dǎo)因素不同。而從近年來在珠三角平原區(qū)開展的地面沉降調(diào)查與監(jiān)測工作發(fā)現(xiàn)，該區(qū)發(fā)生的地面沉降主要與三個(gè)方面的影響因素相關(guān)。本次研究范圍為珠三角平原區(qū)中南部珠江口西部沿岸，行政區(qū)劃涉及廣州南沙、江門、中山、珠海等地。

1 珠三角平原地面沉降分布

珠三角平原區(qū)地面沉降主要分布于西江、小欖水道、雞鴨水道、洪奇瀝水道、橫門水道、蕉門水道、磨刀門水道、雞啼門水道、平塘海等河流水道流域和坦洲、三灶灣等第四紀(jì)沉積物較厚的三角洲或?yàn)I海平原區(qū)，以及南水、三灶、橫琴等山間谷地?？傮w呈南北兩塊段，北部中山塊段總體呈北西-南東向，南部珠海塊段呈北東-南西走向展布，與區(qū)內(nèi)土分布情況基本一致。地面沉降區(qū)地勢較平坦，人類活動(dòng)頻繁。而基巖丘陵臺地區(qū)沉降量小，地面沉降災(zāi)害基本可以忽略。

按年沉降量<10 mm、10～20 mm、20～30 mm、30～40 mm、40～50 mm、50～60 mm、60～70 mm、70～80 mm、>80 mm劃分，區(qū)內(nèi)地面沉降以年沉降量10～50 mm的區(qū)域?yàn)橹鳌?80 mm的區(qū)域最小(圖1)。區(qū)內(nèi)中山和珠海三角洲平原和濱海平原區(qū)年沉降量普遍在20 mm以上；年沉降量>40 mm的區(qū)域主要呈條帶狀分布于中山市小欖水道中下段-民眾鎮(zhèn)一帶和中山市坦洲鎮(zhèn)往西南方向延伸至高欄港，包括珠海西區(qū)的大部分平原區(qū)，另在東北部萬頃沙、民眾鎮(zhèn)、橫門島、坦洲北部、神灣鎮(zhèn)南部乾務(wù)鎮(zhèn)西南聯(lián)豐圍、三灶鎮(zhèn)東北海華新村等地小面積分布。

圖1 珠三角平原地面沉降分區(qū)圖Fig.1 Zone map of ground settlement in the Pearl River Delta Plain

2 珠三角平原地面沉降主要影響因素分析

2.1 軟土因素

2.1.1軟土分布情況

區(qū)內(nèi)軟土分布廣泛，除四周基巖丘陵臺地區(qū)外，均有分布。主要位于三角洲平原、河流沖積平原和沿海海積平原區(qū)，除局部地段表層有淤泥質(zhì)黏性土裸露外，大部分埋藏于黏性土和砂土之下，其厚度和埋藏深度各地不一，總厚度一般10～30 m，最厚達(dá)63.8 m[7]，具有近山薄，近海河厚的特點(diǎn)。軟土由淤泥、淤泥質(zhì)土組成，根據(jù)不同時(shí)代劃分為第一、二、三軟土層，總面積約5 969 km2，占全區(qū)(面積11 681 km2)陸地總面積的51.1%[8]。

2.1.2軟土特性

區(qū)內(nèi)軟土為更新世晚期-全新世時(shí)期的海侵期沉積物，巖性以淤泥、淤泥質(zhì)黏性土為主，少量淤泥質(zhì)砂、砂質(zhì)淤泥，多間夾粉細(xì)砂薄層，常見貝殼碎片。區(qū)內(nèi)軟土多呈灰、深灰、灰黑色，飽和-過飽和狀，流塑-軟塑，具有親水性強(qiáng)、天然孔隙比大、含水率高、高壓縮性、觸變形、抗剪強(qiáng)度低、固結(jié)系數(shù)小、固結(jié)時(shí)間長、力學(xué)強(qiáng)度差等特點(diǎn)，一般含水率大于液限；淤泥和淤泥質(zhì)黏性土孔隙比一般大于1；實(shí)測標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)小，一般在1～3擊/30 cm之間；壓縮系數(shù)一般在0.8～2.1 MPa-1。軟土滲透系數(shù)很小，并且縱橫不均勻，一般橫向滲透系數(shù)大于豎向滲透系數(shù)；固結(jié)系數(shù)小，且水平固結(jié)系數(shù)大于垂直固結(jié)系數(shù)；抗剪強(qiáng)度低，原狀土在97.5～13.4 kPa[9]，重塑土在0.6～10.0 kPa，靈敏度高。

軟土中淤泥、淤泥質(zhì)黏性土、淤泥質(zhì)砂的物理力學(xué)性質(zhì)有所不同，由淤泥至淤泥質(zhì)黏性土到淤泥質(zhì)砂，其含水率、孔隙比、孔隙度、飽和度、壓縮系數(shù)呈遞減趨勢，而標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)、抗剪強(qiáng)度逐漸增大；總體上淤泥質(zhì)黏性土與淤泥相比力學(xué)強(qiáng)度稍大，工程地質(zhì)特性略好，淤泥質(zhì)砂力學(xué)強(qiáng)度又比淤泥質(zhì)黏性土略好。此外，同樣的軟土，由于形成時(shí)代、埋深不同，其物理力學(xué)性質(zhì)也不盡相同；根據(jù)同一鉆孔不同時(shí)代軟土物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)情況，隨著鉆孔深度增加，軟土因失水而固結(jié)，其含水率、液性指數(shù)、孔隙比逐漸減小。

2.1.3軟土與地面沉降的關(guān)聯(lián)性分析

根據(jù)區(qū)內(nèi)已有年沉降量等值線和軟土分布情況進(jìn)行疊加的結(jié)果來看(圖2)，北部中山塊段和南部珠海塊段河流平原區(qū)沉降量等值線的分布和展布趨勢與軟土分布總體趨勢是一致的，年沉降量大于35 mm分布范圍與軟土厚度大于15 m的區(qū)域分布范圍也基本一致；說明區(qū)內(nèi)軟土是地面沉降產(chǎn)生的主要影響因素，并且其厚度是影響地面沉降速率的關(guān)鍵因子。經(jīng)分析，軟土厚度與地面沉降速率呈冪函數(shù)型關(guān)系，S=5.37H0.36[9]。

圖2 珠三角軟土厚度與地面沉降速率關(guān)系對比圖Fig.2 Comparison of the relationship between the soft soil thickness of the Pearl River Delta and the land subsidence rate

2.1.4軟土地面沉降的危害

軟土壓縮性大，在外部荷載及自身重力的作用下極易壓縮固結(jié)而形成地面沉降現(xiàn)象，特別是不均勻地面沉降。此外，由于軟土固結(jié)系數(shù)小，固結(jié)時(shí)間長，工程方法也難以短時(shí)間讓其完成固結(jié)，所以軟土引發(fā)的地面沉降具有持續(xù)性、漸變性和長期性。軟土地面沉降給當(dāng)?shù)孛癖妿砹司薮髶p失：首先，地面沉降造成路面、堤壩下沉，使路面由于浸水而道路難行，使堤壩防洪能力降低而造成洪災(zāi)；其次，雖然局部未采用天然基礎(chǔ)而進(jìn)行地基處理的人工構(gòu)筑物相對較穩(wěn)，但是埋設(shè)于地下的管道、線路等設(shè)施卻隨著周圍軟土同時(shí)下沉，與構(gòu)筑物產(chǎn)生相對位移，致使地下管線被拉裂甚至拉斷，地下設(shè)施遭受破壞；再次，地面不均勻沉降造成民房、學(xué)校等建筑物的基礎(chǔ)發(fā)生上下錯(cuò)位而不穩(wěn)定，導(dǎo)致建筑物傾斜或受力不均衡而開裂，嚴(yán)重的成了危房。此外，由于軟土下陷形成凹地，易于大氣降雨、地表溪水等水體聚集，而軟土的天然含水率高、滲透性弱，又使得水體難以滲入地下水中或排泄，長此以往易形成沼澤濕地，從而影響農(nóng)業(yè)耕地的正常使用；農(nóng)田沼澤化易發(fā)生于地勢平坦或低洼、水渠密布等有利于地表水聚集的地段，如馬騮洲水道兩岸、橫琴島中心島溝等地。

2.2 地下水開采因素

2.2.1水文地質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)地下水分為基巖裂隙水和松散巖類孔隙水兩大類?；鶐r裂隙水分布于地形起伏的低山丘陵臺地區(qū)，除珠海市南部南水、三灶小面積分布層狀基巖裂隙水外，其余均為塊狀基巖裂隙水；松散巖類孔隙水主要分布于研究區(qū)北部和南部西江流域等地形平坦的三角洲平原、濱海平原區(qū)，含水層主要為中粗砂，為潛水-微承壓水(圖3)。由于其特殊的地理環(huán)境和形成歷史，區(qū)內(nèi)地下水以咸水-半咸水為主，故區(qū)內(nèi)生活用水均來自地表水，主要為西江水。

圖3 珠三角平原區(qū)第四紀(jì)地質(zhì)剖面圖Fig.3 Quaternary geological profile of the Pearl River Delta plain

2.2.2地下水開采現(xiàn)狀

區(qū)內(nèi)開發(fā)利用的地下水以咸水-半咸水為主，地下咸水開發(fā)僅用于區(qū)內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖中的咸水養(yǎng)殖。根據(jù)野外水文地質(zhì)調(diào)查可知：民井一般為石砌老井，井徑一般60～100 cm，井深一般3～10 m，取水層位較淺；機(jī)井一般為小口徑PVC管，井徑一般9～12 cm，井深一般20～35 m，在珠海地區(qū)少量40～50 m，主要開采深度一般10～30 m，在南部珠海市三角洲平原一帶一般23～35 m，在中北部中山市三角洲平原一帶一般10～20 m，相對來說南部略深，北部較淺。地下水開采時(shí)間主要集中在每年4月和8月兩個(gè)時(shí)段，這時(shí)期為一年兩季對蝦養(yǎng)殖的初期，對地下咸水需求量巨大，其他時(shí)段僅少量開采地下水補(bǔ)給蝦塘。由于地下水開采主要用于水產(chǎn)養(yǎng)殖，特別是蝦養(yǎng)殖，其開采量隨區(qū)內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖面積和養(yǎng)殖種類變化而變化。

2.2.3地下水開發(fā)利用強(qiáng)度

由于區(qū)內(nèi)地下水開采主要為咸水養(yǎng)殖(以養(yǎng)蝦為主，少部分養(yǎng)魚)供水，可依據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖的種類及其養(yǎng)殖面積估算出區(qū)內(nèi)地下水開發(fā)利用強(qiáng)度?？傮w上，蝦塘密集區(qū)域咸水需求量巨大，地下水開發(fā)利用強(qiáng)度高(如紅旗鎮(zhèn)沙脊村-三板村一帶)；蝦塘、魚塘交錯(cuò)分布區(qū)域，地下咸水需求量略減少，地下水開發(fā)利用強(qiáng)度中等；以魚塘為主、少量蝦塘的區(qū)域，或因地下水資源量減少無法滿足開采需求導(dǎo)致開采量小區(qū)域(如中山市坦洲部)，地下水開發(fā)利用強(qiáng)度低；抽取海水供水無需開采地下水區(qū)域及無水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域，地下水開發(fā)利用強(qiáng)度極低或無地下水開發(fā)利用。依據(jù)上述情況，區(qū)內(nèi)地下水開發(fā)利用強(qiáng)度可分高、中等、低、極低等四類，具體強(qiáng)度分區(qū)情況如圖4所示。由圖4可知，區(qū)內(nèi)地下水開發(fā)利用主要位于中南部，分布于廣州市南沙區(qū)萬頃沙、中山市大鰲鎮(zhèn)、橫欄鎮(zhèn)、港口鎮(zhèn)、板芙鎮(zhèn)、坦洲鎮(zhèn)及珠海市金灣區(qū)紅旗鎮(zhèn)、斗門區(qū)白蕉鎮(zhèn)、乾務(wù)鎮(zhèn)、蓮洲鎮(zhèn)等大面積水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)，總體上區(qū)內(nèi)地下水開發(fā)利用強(qiáng)度低。

2.2.4開采地下水與地面沉降的關(guān)聯(lián)性分析

把區(qū)內(nèi)已有地面沉降量等值線與地下水開發(fā)利用情況進(jìn)行對比，明顯看出在地下水開發(fā)利用強(qiáng)度高的地區(qū)年地面沉降量大增，如紅旗鎮(zhèn)廣發(fā)村-三板村、燈籠沙-白蕉、坦洲群聯(lián)村及周邊等地，地面沉降量與周邊地區(qū)相比明顯大增；特別是中山市坦洲鎮(zhèn)群聯(lián)村及周邊一帶，以軟土、填土為主的軟弱類土厚度一般在8～15 m，相對厚度不大，但由于地下水開采程度強(qiáng)烈，附近形成了最大半年沉降量為38.53 mm的沉降區(qū)域，反映了地下水開采對地面沉降的促進(jìn)作用。

(1)建立回歸方程

通過收集地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測孔水位降深與相應(yīng)的沉降速率數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，為使統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有代表性，在收集統(tǒng)計(jì)資料時(shí)注意了一下幾個(gè)方面：一是覆蓋了以開發(fā)利用地下咸水養(yǎng)殖區(qū)域，包括廣州南沙、中山、珠海等地，且為地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測孔；二是資料的可靠程度較高，所收集的資料由廣東省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊(duì)編制，地面沉降測量結(jié)果由廣東省地質(zhì)測繪院提供[2]，符合數(shù)理統(tǒng)計(jì)對樣本數(shù)的要求，收集數(shù)據(jù)詳見表1。

圖4 珠三角平原地面沉降及地下水開采強(qiáng)度對比圖Fig.4 Comparison of ground settlement and groundwater mining strength in the Pearl River Delta Plain

表1 地下水水位降深及沉降速率一覽表

通過非線性關(guān)系、線性關(guān)系計(jì)算對比(表2)，發(fā)現(xiàn)S-s關(guān)系曲線以對數(shù)函數(shù)型緊密程度最高(圖5)，因此，假設(shè)S—s為對數(shù)函數(shù)關(guān)系，則有

S=a+blns(b>0)

(1)

式中：S——沉降速率；

s——地下水水位降深；

a、b——常數(shù)。

由最小二乘法原理求出：a=27.043，b=17.792，代入(1)式得

S=27.043+17.792lns

(2)

表2 地下水水位降深及沉降速率相關(guān)性分析成果表

圖5 地下水水位降深與沉降速率相關(guān)關(guān)系圖Fig.5 The relationship between groundwater level drawdown and subsidence rate

(2)回歸效果顯著性檢驗(yàn)

采用r檢驗(yàn)法，相關(guān)系數(shù)r計(jì)算式如下：

(3)

其中：

(4)

(5)

計(jì)算結(jié)果：r=0.650，查相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表[10]：r0.05(11)=0.553，因?yàn)閞>r0.05(11)，所以回歸方程顯著程度高。通過r檢驗(yàn)法驗(yàn)算表明，地下水水位降深與地面沉降速率為對數(shù)函數(shù)型非線性關(guān)系的顯著度高。

總體上，區(qū)內(nèi)超采地下水加速地面沉降的影響區(qū)主要位于南部珠海地區(qū)，北部中山地區(qū)由于近年來嚴(yán)格管控地下水開發(fā)利用，對地面沉降影響較小。

2.3 上部荷載因素

區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)大量工程建設(shè)，建筑物林立和大面積人工填土使地層承受的上部靜荷載大增，地層受到的壓力增加，加速地層壓密固結(jié)。這類作用類型主要由上部建筑物荷載和大面積人工填土荷載組成，主要位于城鎮(zhèn)、工業(yè)園、鄉(xiāng)村等建筑區(qū)和公路、橋梁、堤壩等線性工程周邊。此外，區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)活躍，交通發(fā)達(dá)，車輛往來十分頻繁，機(jī)械動(dòng)荷載巨增，加之工程建設(shè)、大型機(jī)械車輛等運(yùn)行產(chǎn)生振動(dòng)等因素持續(xù)作用下，土體的蠕變也可引起地面的緩慢變形，加速地面沉降。受動(dòng)荷載影響巨大的區(qū)域主要為交通要道沿線和工業(yè)園區(qū)等車輛流量大且重型機(jī)械較多的地區(qū)。

把區(qū)內(nèi)已有年沉降量等值線和工程建設(shè)密度、道路等荷載分布情況進(jìn)行對比(圖6)。由圖6可看到在軟弱類土厚度相似的區(qū)域，上部建筑物密度較大區(qū)域年沉降量略大。如中山市板芙鎮(zhèn)白坦新村、珠海市金灣區(qū)紅旗鎮(zhèn)至小林聯(lián)港工業(yè)園一帶、三灶鎮(zhèn)東北部海華新村等地建筑物眾多，區(qū)內(nèi)人工填土厚度一般2.0～4.4 m，最大8.6 m，大面積略厚的填土大大增加地層荷載，加快土體固結(jié)壓縮，加速區(qū)內(nèi)地面沉降。

圖6 珠三角平原年地面沉降量與上部荷載分布情況對比圖Fig.6 Comparison of annual land settlement and upper load distribution in the Pearl River Delta Plain

車流量大或大型車輛往來頻繁交通線路沿線地區(qū)年沉降量也呈增加趨勢，如評價(jià)區(qū)北部中山市黃圃鎮(zhèn)烏珠村東側(cè)垃圾綜合處理基地占地6.67 ha，擁有較多大型機(jī)械設(shè)備，大型垃圾車往來頻繁，區(qū)內(nèi)年沉降量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于周圍地區(qū)；中山市坦洲鎮(zhèn)北側(cè)廣澳高速路口周邊新開發(fā)了大量的房地產(chǎn)，大量建筑工地的施工加速了附近地面沉降，年沉降量最大211.72 mm；珠海市平沙鎮(zhèn)東南側(cè)平樂大道一帶、珠海大道沿線及小林村西側(cè)聯(lián)港工業(yè)園區(qū)、乾務(wù)鎮(zhèn)新青工業(yè)園等沉降區(qū)，車輛往來頻繁，車輛動(dòng)荷載及重型車輛產(chǎn)生的震動(dòng)促進(jìn)區(qū)內(nèi)軟弱類土固結(jié)，加速地面沉降發(fā)生，是區(qū)內(nèi)地面沉降嚴(yán)重區(qū)。

由圖1～圖6也可明顯看出，區(qū)內(nèi)地面沉降現(xiàn)象由多因素共同作用影響而產(chǎn)生，只是不同區(qū)域其各種影響因素之間的比重不同而已，故沉降量等值線與其影響單因素一般呈現(xiàn)分布趨勢一致性，又難以完全吻合，僅局部地段以某類影響因素為主，出現(xiàn)高度吻合。

圖7顯示出，區(qū)內(nèi)地面沉降一般由多個(gè)因素共同作用形成，局部地段以單一因素為主。

圖7 珠三角平原地面沉降綜合影響因素分布圖Fig.7 Distribution of comprehensive factors affecting land settlement in the Plain of Pearl River Delta

3 結(jié)論

(1)整體上，影響區(qū)內(nèi)地面沉降的首要因素為軟土，軟土分布范圍及其厚度決定了地面沉降的分布區(qū)域和發(fā)展趨勢。

(2)其次，上部荷載也是主要影響因素之一，以大面積堆填、圍海造地、道路沿線路基等靜荷載和車流等動(dòng)荷載為主。由于近年來建設(shè)的房屋普遍采用樁基礎(chǔ)，故以上部荷載為主要影響因素的地面沉降集中于房屋周邊地坪和道路沿線。

(3)此外，在沿海水產(chǎn)養(yǎng)殖等局部地段，地面沉降受地下水開發(fā)利用強(qiáng)度影響較大，地下水水位降深與地面沉降速率呈對數(shù)函數(shù)型非線性關(guān)系。