江蘇海門地區地面沉降成因分析

裴江濤,楊 璐,駱祖江

(1.河海大學地球科學與工程學院,江蘇 南京 211100;2.江蘇省地質工程勘察院,江蘇 南京 211102)

地面沉降,又稱地面下沉或地陷,是由于自然或人類工程經濟活動影響,導致地下松散地層固結壓縮,繼而引起地殼表面高程降低,造成局部下降運動的現象[1-3]。地面沉降是地層垂向變形的宏觀表現形式,土體結構產生垂向變形是深層孔隙水的大規模開采,使深層水位迅速下降,孔隙水壓力減小,有效應力發生變化所致[4]。砂層壓密引起的地面沉降量小,且為彈性釋水壓密,孔隙水壓力恢復時,地面回彈。黏性土層壓密方式為塑性釋水壓密,即使后期地下水位逐漸恢復,黏性土也不能發生回彈,從而造成永久性的地面沉降[5]。

地面沉降的形成因素具有多樣性,區域性地面沉降的形成與地殼運動、海平面上升等有密切關系。城市局部地面沉降與人類工程活動和地下水的過度汲取有關[6]。目前多數研究重點關注地下水開采造成的城市局部地面沉降[7-10],如薛禹群等[11]通過分析蘇南地區地下水水位與地面沉降發展歷程,得出該區地面沉降與地下水開采有關的結論;胡喜梅等[12]認為地下水開采產生了以海門等地區為中心的區域沉降漏斗。近年,海門地區嚴格控制地下水開采量,但地面沉降仍然持續,因此地下水開采可能并非近期地面沉降唯一影響因素。結合區內地層淺部分布有大面積高壓縮性松軟土層,且近幾年城市建筑荷載趨于密集,松散軟弱土層和區域建筑荷載對區內地面沉降的影響也不容忽視,需綜合考慮相關因素對區內地面沉降產生的影響。本文在搜集海門地區相關地質資料基礎上,分析地面沉降發生的原因,為地面沉降防控工作提供合理依據。

1 研究區地質條件

海門地區位于江蘇省東部,地處長江中下游沖積平原,其東部與啟東市接壤,南瀕崇明島,東北部抵臨黃海,市境坐標:31°46′～32°09′N,121°04′～121°32′E,總面積約1 148 km2(圖1)。區內河渠縱橫,水網密布,地勢平坦,地面海拔高程一般為3～5 m,最高海拔5.2 m,最低海拔2.5 m,總體上由西北向東南方向逐漸降低。

圖1 海門地區地理位置圖Fig. 1 Geographical location of Haimen area

1.1 第四紀地層

研究區屬于下揚子地層分區,第四系廣泛覆蓋。自新近紀以來,區內持續下降接受沉積,沉積物主要來自長江。第四紀地層發育齊全,垂向上具多韻律發育特征,中下部以陸相沉積為主,上部為海陸交互相沉積,該區域自新近紀以來發生多次差異升降運動。根據巖性、巖相特征,自下而上劃分為海門組、啟東組、昆山組、滆湖組及如東組(表1)。

表1 研究區第四紀地層簡表[13]Table 1 Brief table of Quaternary strata in the study area[13]

1.2 工程地質條件

研究區第四系從上到下可劃分為9個工程地質層[13](圖2),分別為:

圖2 研究區地工程地質剖面Fig. 2 Engineering geology profile of the study area

1-1填土:各地均有分布,在局部溝壑中有較厚的填土,可分為雜填土和素填土兩種。

1-2沖填土:以沿江分布為主,以長江砂為主要成分,局部夾有粉土、淤泥質粉質黏土薄層。

2-1粉質黏土夾粉土:淺部地層均有分布,灰黃-灰色,可塑-軟塑,以粉質黏土為主,夾少量粉土。

2-2淤泥質粉質黏土夾粉土:局部分布,灰色,流塑,有明顯的層次感,為不良工程地質層。

3粉砂夾粉土:分布較多,青灰色,局部夾粉土、粉質黏土,飽和,中密,工程地質條件一般。

4粉砂夾粉質黏土:普遍分布,青灰色,粉質黏土局部淤質狀,局部地區互層狀分布,飽和,稍密,工程地質條件較差。

5粉質黏土夾粉土:普遍分布,灰褐色,軟塑,局部粉質黏土呈流塑狀,略有光澤,局部與稍密狀粉土互層狀分布,工程地質條件差。

6粉砂夾粉土:普遍分布,局部地區與粉土互層狀分布,青灰色,飽和,中密,工程地質條件一般。

7粉質黏土夾粉土:局部分布,灰色,可塑-軟塑,夾粉土、粉砂,工程地質條件一般。

8粉砂:均有分布,青灰色、灰色,局部夾灰褐色粉質黏土薄層,工程地質條件好。

9粉細砂:均有分布,青灰色、灰色,局部夾礫石,具有良好的工程地質條件。

1.3 水文地質條件

1.3.1 地下水類型與含水層組劃分

根據賦存條件、含水層巖性、水理性質、水力特點等因素,可將研究區地下水分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水3類[14]。其中,賦存松散巖類孔隙水的含水層由厚240～440 m的第四系松散沉積物和新近系松散沉積物構成,含水層位多,垂向上相互疊置,橫向上延伸穩定,富水性較好,地下水資源儲藏厚實。按含水層的時代成因、埋藏條件和水力聯系等特點,該含水層從上到下依次劃分為潛水含水層、Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ承壓含水層4個含水層組[14]。從區域上分析,各含水層組之間存在不同程度的水力聯系,并構成復雜的地下水流系統。研究區典型水文地質剖面示意圖見圖3,松散巖類孔隙水含水層組特征如下:

圖3 研究區典型水文地質剖面示意圖[14]Fig. 3 Typical hydrogeological profile sketch of the study area[14]

(1)潛水含水層。為第四系全新統,潛水水位埋深為-0.8～3.69 m,單井涌水量一般在300 m3/d以下,地下水礦化度1.0～3.0 g/L,厚度為20～30 m,水質較差。目前區內無規模開采。

(2)第Ⅰ承壓含水層。為第四系上更新統,富水性較好,水質分布不均,單井涌水量3 000～5 000 m3/d,水位埋深1.5～3.6 m,厚度40～70 m。

(3)第Ⅱ承壓含水層。為第四系中更新統,厚度為50～80 m,自西向東漸薄,單井涌水量1 000～2 000 m3/d,承壓水頭埋深3.0～5.0 m。水質復雜,三和鎮以西礦化度不到1.0 g/L,為淡水,向東礦化度逐漸增高,向半咸水、咸水方向演變,至今仍未開采。

(4)第Ⅲ承壓含水層。為第四系下更新統,是海門地區的主要開采層之一,具有分布廣泛、富水性強、水質優的特點。單井涌水量2 000～3 000 m3/d,局部地區超過3 000 m3/d,承壓水頭埋深15～25 m,厚度30～40 m,礦化度0.45～0.91 g/L,為淡水。

1.3.2 地下水水位動態特征

海門地區地下水開采始于20世紀70年代,迄今已有50余年歷史,主要開采第Ⅲ承壓水。20世紀90年代末,由于工業的蓬勃發展,地下水開采量激增,至1999年,地下水年開采總量達到2 243萬m3[14]。2013年后,海門區政府加強了對地下水開采的管理,實行計劃開采,使地下水開采量有所減少,地下水水位逐年下降的趨勢得到了有效的控制。壓采初期地下水位迅速回升,隨著時間推移,第Ⅲ承壓含水層回升速率有所降低。表2為區內承壓含水層歷年開采井數及開采量[14]。

表2 研究區承壓含水層歷年開采量統計[14]Table 2 Statistics of exploitation of confined aquifer in the study area over the years[14]

由2011—2020年第Ⅲ承壓含水層水位等值線圖[14](圖4)可知:2011—2012年海門地區地下水位下降3.3 m,地下水開采量大,且開采井分布均勻。第Ⅲ承壓含水層水位在實施地下水壓采政策后得到迅速恢復,由于上覆第Ⅲ黏性土弱透水層持續釋水補給第Ⅲ承壓含水層,加之黏性土層變形通常具有流變特性,因此在壓采后較長的時間內,仍然呈現出持續壓縮的趨勢;2014年9月—2016年9月地下水水位總體回升值約8.2 m,第Ⅲ承壓含水層發生較大回彈;2016年9月—2018年9月,第Ⅲ承壓含水層水位回升約3.4 m;2018年9月—2020年9月,開采量進一步減小,第Ⅲ承壓含水層水位總體回升約5.5 m。

圖4 研究區第Ⅲ承壓含水層水位等值線圖[14]Fig. 4 Water level contour map of the III confined aquifer in the study area[14]

2 研究區近年地面沉降特征

海門地區第Ⅲ承壓含水層由于早期超采地下水,水位明顯低于上覆含水層,因此在水力梯度的作用下,上覆含水層釋水補給第Ⅲ承壓含水層,產生一定沉降。建筑荷載引起的地面沉降主要發生于淺部地層,沉降漏斗以建筑荷載為中心,在研究區內通常呈點狀分布。

由區內地面沉降監測資料(2010—2020年)[15]可知,全區年平均沉降量<5 mm,下沉區累計變化值為-6～-33 mm,其中三廠街道東南角部分地區目前地面累計沉降已達119 mm。沉降量大的區域主要位于江心沙農場、海門經濟技術開發區沿長江一帶。

2010年9月—2011年9月,海門地區整體呈沉降趨勢(圖5(a)),沉降量由西南向東北方向逐漸增大,最大沉降量為常樂鎮及包場鎮北部區域,沉降量為8 mm。地面沉降現象在2011年9月—2012年9月持續發生(圖5(b)),沉降主要集中在江心沙農場、海門街道和悅來鎮東部地區,其中最大沉降量為18 mm。2014年9月—2016年9月,海門地區地下水位回彈量大于上覆土層釋水壓縮量(圖5(c)),呈現出整體回彈現象,其中三星鎮、江心沙農場和包場鎮北部地區回彈量較小,區內最大回彈量為12 mm。2016年9月—2018年9月,研究區內整體重回大范圍沉降現象(圖6(a)),這是由于上覆弱透水層的壓縮量大于第Ⅲ承壓含水層的回彈量,區內由南向北沉降現象漸為嚴重,其中江心沙農場沉降量最大時達到20 mm。2018年9月—2020年9月,研究區再次出現大范圍回彈現象(圖6(b)),一方面是由于水位回升幅度大導致該層回彈量增加,另一方面隨著第Ⅲ承壓含水層水位回升,與上覆黏性土層間水力梯度減小,釋水量也相應減少,且流變效應隨時間遞減,因此回彈量大于壓縮量,總體上呈現出地面回彈趨勢。其中中部及東南部地區回彈最為明顯,最大回彈量為20 mm,全區僅江心沙農場北部出現地面沉降現象,沉降量為4 mm。

圖5 2010年9月—2016年9月研究區地面沉降等值線圖[15]Fig. 5 Contour map of land subsidence from September 2010 to September 2016 in the study area[15]

圖6 2016年9月—2020年9月研究區各監測點地面沉降監測情況[15]Fig. 6 Land subsidence monitoring at each monitoring point from September 2016 to September 2020 in the study area[15]

3 研究區地面沉降成因分析

3.1 軟土

軟土是呈軟塑—流塑狀態的一種土體的總稱,以天然含水率高、孔隙比大、壓縮性高、透水性差等為主要特征[16]。在工程建設中,軟土由于受到上部建筑荷載的作用,易發生壓密,壓密作用的宏觀外在表現形式為地面沉降,若不提前對軟土地層進行預處理,會給工程帶來極大的危害,如地基沉降、路面開裂和建筑物破裂等。

海門地區分布大面積的高壓縮性松軟土層,以淤泥質粉質黏土夾粉土為主,層頂埋深17.9～29.7 m,層厚2.0～21.1 m,含水率31.6%～48.8%,孔隙比一般為0.950～1.423,液性指數一般為0.90～1.42,壓縮模量一般為2.53～5.37 MPa,有機質含量1.12%～1.47%,為不良工程地質層[13]。區內軟土分布極不均勻(圖7),中部和北部分布較少,江心沙農場南部、三廠街道、包場鎮和四甲鎮均無軟土分布,而三星鎮、濱江街道和東南部等地區的軟土厚度可達15 m以上,且埋深均>20 m[13]。

1.厚度>15 m;2.厚度10～15 m;3.厚度5～10 m;4.厚度<5 m;5.缺失區;6.埋深等值線/m圖7 研究區軟土分布情況圖[13]Fig. 7 The contour map of soft soil distribution in the study area[13]

根據收集到的海門地區軟土分布情況,結合區內地面沉降資料,可知軟土總體呈現為東北部厚度小于西南部,厚度由20 m到軟土層缺失,這一分布特征與區內地面沉降特征大致相符,其中軟土層最厚的三星鎮、濱江街道及江心沙農場北部等地區,不同程度上產生了嚴重的地面沉降現象。

3.2 建筑荷載

為準確掌握海門地區建筑荷載分布情況,本次研究進行了建筑荷載調查,共調查得到荷載點382個(圖8)。建筑荷載主要分布在城鎮地區,其中海門街道、濱江街道最為密集,緊隨其后的為正余鎮、包場鎮、三星鎮、江心沙農場、三廠街道以及臨江街道(表3)。新建的高層建筑物主要分布于正余鎮、濱江街道、海門街道和江心沙農場西南部的造船廠。正余鎮荷載值大但建筑密度較小,因此引起局部的沉降。海門街道以及濱江街道荷載值大、密度大,引起大面積的沉降;江心沙農場西南部的荷載值大,根據往年地面沉降監測資料,后續可能持續產生沉降。

表3 海門地區建筑荷載主要分布區域Table 3 The main distribution area of building load in Haimen area

圖8 海門地區建筑荷載分布Fig. 8 Building load distribution of Haimen area

根據監測資料與建筑荷載調查結果,海門地區局部地面沉降與區內建筑荷載分布相關性較大。如2011年9月—2012年9月,海門街道沉降較為嚴重,部分區域沉降量達到10 mm,而海門街道內的建筑荷載分布較為密集;2014—2016年,全區域呈現出地面回彈的趨勢,江心沙農場、三星鎮、包場鎮回彈量分別為6 mm、4 mm、6 mm,其回彈量明顯小于周邊無建筑荷載的地區。其中江心沙農場西南部自2011年起由于建筑荷載大而持續產生沉降,僅在2014—2016年全區普遍發生大量回彈的情況下產生較小的回彈量(6 mm)。

3.3 討論

海門地區的地面沉降發展與建筑荷載密切相關,也與地下水的動態有很大的關系,當水位下降或回升幅度小時產生沉降,而當水位回升幅度大時則產生回彈。

實行地下水壓采前,海門地區主要開采的是地下水位變幅較大的第Ⅲ承壓含水層,整體的地面沉降主要與第Ⅲ承壓含水層水位動態有關。由于建筑荷載為局部分布,且附加應力在平面上影響范圍有限,由此引發的地面沉降也較有限。

實行地下水壓采后,地下水過度開采導致的地面沉降得到有效控制,但地面沉降仍在發生。對比區內沉降程度,建筑荷載分布密集的地區明顯要嚴重于僅有軟土分布的地區,如荷載值大的江心沙農場西南部的沉降值要比同時期軟土分布地區的沉降值大,即使在區內出現大范圍回彈的2019年,其回彈量(3 mm)也遠小于悅來鎮等軟土廣泛分布地區的回彈量(15 mm),這是由于其上覆建筑荷載持續施加垂向壓力,使該地區第Ⅲ承壓含水層的回彈量相對較小,總體呈現出輕微回彈[15]。隨著近期城市建設加快,區內建筑荷載趨于密集,加之軟土層分布廣泛、埋深淺、厚度大,使得建筑荷載成為當前引起海門地區地面沉降的首要原因。

4 結論

(1)軟土分布與地面沉降關系密切。海門地區軟土主要為淤泥質粉質黏土夾粉土,分布特征與地面沉降分布規律大致吻合,即軟土較厚的地區,地面沉降量相對較大。

(2)地下水超采是海門地區早期地面沉降的主要因素。地下水過度開采導致區域整體地面沉降,主壓縮層是第Ⅲ承壓含水層及上覆弱透水層,上覆弱透水層的沉降發生具有明顯的滯后性。后期(2013年以后)由于實行壓采政策,由地下水超采引發的地面沉降得到有效治理。

(3)建筑荷載是造成當前海門地區地面沉降的主要原因之一。由建筑荷載引起的淺部土層壓縮沉降,主壓縮層是潛水含水層、第Ⅰ黏性土弱透水層以及第Ⅰ承壓含水層,受建筑荷載影響較大的地區為正余鎮、三星鎮、江心沙農場、濱江街道和海門街道。