天津市控制地面沉降工作办公室 300061
摘要：地面沉降是由综合性因素引起的地面标高损失，分析引起地面沉降的影响因素及沉降发展趋势，能够为区域经济发展与土地开发利用规划提供合理的技术保障和理论依据。本文对引起天津市滨海新区地面沉降的各项因素进行了理论探究，分析了各因素对地面沉降的影响大小。在引起地面沉降的各因素中，地下水开采为主要因素，本研究通过建立累计地面沉降量与累计地下水开采量之间的模型，对天津市滨海新区沉降形势进行了合理的预测。
关键词：天津市滨海新区；地面沉降；沉降影响因素；地下水开采
1 引言
地面沉降是当前天津市最为严重的地质灾害，宝坻城关以南的广大平原区均有不同程度的地面沉降，面积多达9000余平方公里 [1]。近年来随着天津市滨海新区区域定位的不断提高和经济的快速发展，其受地面沉降的制约作用越来越明显。
通过开展天津市滨海新区地面沉降地质灾害的调查与分析，能够合理的评价滨海新区地貌沉降危险性现状、产生沉降的影响因素以及沉降发展趋势，为滨海新区经济发展规划及土地开发利用提供技术保障和理论依据[2]。
2 调查区域及沉降现状
2.1调查区域
天津市滨海新区位于天津东部沿海地区，环渤海经济圈的中心地带，总面积2270平方公里，是中国北方对外开放的门户、高水平的现代制造业和研发转化基地、北方国际航运中心和国际物流中心、宜居生态型新城区，被誉为“中国经济的第三增长极”。
由表1和图2可以看出，近年来滨海新区每年平均沉降量在22mm左右，沉降量较大的地区集中在汉沽东部、塘沽西部以及大港北部，个别地区也存在沉降漏斗现象[4]。整体来说汉沽沉降量较大，塘沽、大港沉降量较小。
3 滨海新区地面沉降影响因素及分析
地面沉降是由综合性因素引起的地面标高损失，目前引起沉降的因素主要分为自然因素和人为因素[5]。自然因素包括构造因素引起的沉降和欠固结软土引起的沉降；人为因素包括地下水开采、地热和油气资源开采、软土的次固结变形以及人类工程活动等。
3.1自然因素
欠固结软土引起的沉降
天津市滨海新区广泛分布有欠固结的软土层。该土层的特点是天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于1.0的细粒土，强度低，渗透性低，高压缩性，即使没有外部荷载，在自重应力作用下仍有固结变形，引起地面沉降。为了研究该土层变形对地面沉降的影响，在塘沽碱厂分层标和汉沽制药厂建立的分层标中，分别埋设了控制监测该层变形的分层标。经过多年来的长期监测，该层的变形量多年平均值约为1mm/a。
构造因素引起的沉降
天津市滨海新区处于华北断块盆地的东北部，从构造分区上属于黄骅凹陷的一大部分，由古近纪以前的沉积岩层和古老的结晶基底，组成了本区的地质构造基础，长期以来缓慢下降，沉积了巨厚的松散沉积物[6]。经过多年的累计观测，滨海新区因构造活动造成的地面沉降速率在1.3-2.0mmm/a左右。
3.2人为因素
（1）地下水开采
地下水开采与沉降量具有良好的相关性，超量开采地下水是引起滨海新区地面沉降的主要原因。地面沉降量随着地下水开采量的增加而变大，又随着开采量的减少而减缓，地下水开采量与沉降量之间关系密切，但由于粘性土层的变形具有滞后效应，因此地面沉降量与当年的地下水开采量之间关系相关性较差[7]。对累计地下水开采量与累计地面沉降量之间进行相关分析，消除了粘性土层滞后变形的影响，发现两者具有良好的线性关系[8]。
1967～1986年间，塘沽地面沉降中心平均沉降速率在50mm/a以上，在1986年采取的控沉措施中主要通过压缩地下水开采来控制地面沉降，此后地面沉降明显减缓， 1986年至今滨海新区的平均沉降速率在17mm/a左右，沉降速率明显减小，限制地下水开采控沉效果明显。也说明地下水的过量开采，是形成地面沉降的主要原因。
（2）地热、油气资源资源开采
滨海新区热储主要是上部以砂砾岩为主的孔隙型热储，与开采地下水相同，开采孔隙型热储层导致水位下降，就会引起地层进一步固结压密，引起地面沉降，分层标和水准监测数据显示，集中开采孔隙型热储层引起沉降平均值为6～8mm/a。
开采孔隙型储油层对沉降影响较大，滨海新区油气资源开采主要集中在大港。自1985年在大港地区开始地面沉降监测以来，至今已积累了三十多年的监测数据，近年来，该地区地面沉降速率均大于25mm/a。
（3）软土的次固结变形
滨海新区软土分布广泛，厚度不均，加荷历时、荷重等级、土的压缩性、欠固结状态、地表填土或其它某些人类工程活动，都有可能引起软土的次固结变形。对该地区第一海相层中淤泥、淤泥质粘土、粉质粘土的次固结进行试验，并结合该地区地面沉降分层标监测资料分析，结果显示：软土层次固结变形量多年平均值为13.3mm/a左右。因此，软土层的压缩变形是滨海新区地面沉降的一个不可忽视的重要因素。
（4）人类工程活动
工程建设的加载和基坑开挖，破坏了地表应力平衡，使工程设施本身产生沉降和位移，同时对设施周围一定区域内的地层产生影响。工程建设引起的沉降具有局部性和时间性，其在一定时间、一定范围内对地面沉降有一定的影响。以往的研究表明：由基坑降水和大规模堆载引起的沉降一般在3～5年内完成主固结。
引起滨海新区沉降的各个因素重要程度及沉降量如表2所示。
注：“☆☆”表示主要影响因素，“☆”表示次要影响因素
3.3沉降因素分析
由表2可以看出：天津市滨海新区地面沉降因素主要受自然因素和人为因素影响。自然因素产生的原因主要由地质构造活动和欠固结地层自然压密组成，其对沉降影响的数值相对固定，每年由自然因素引起的沉降值在2.5-3.0mm左右。人为因素为滨海新区沉降的主要因素，其中地下水开采由于其分布范围广，个别地区存在地下水超采等问题，为目前引起天津市滨海新区地面沉降的主要因素；软土次固结变形对地面沉降影响同样重要，已成为引起滨海新区个别地区地面沉降的主要原因；油气资源开采造成的地面沉降主要分布在大港；集中开采孔隙型热储层和大规模工程活动也对地面沉降造成一定影响，其引起的沉降具有局部性和时效性。
3.4地下水开采对沉降的影响
过量开采地下水是引起滨海新区地面沉降的主要原因，分析地下水开采与地面沉降之间的关系，对滨海新区地面沉降的控制具有重要意义。
一般情况下，地面年沉降量与地下水年开采量之间相关性较差，但逐年累计沉降量与地下水逐年累计开采量之间具有很好的相关性[8]。两者之间关系可用下式来表示：
∑S=a+b∑Q
其中：∑S—逐年累计沉降量；∑Q—逐年累计地下水开采量；a—常数项；b—回归系数。
该相关性可以预测在地下水开采量一定的条件下，引起的地面沉降量。在不具备建立数学模型条件但积累了长期地面沉降和地下水开采监测资料的地区，利用该回归方程对沉降趋势进行预测，可以获得较好的预测结果。
天津市滨海新区地面沉降资料和地下水开采资料都比较完善，可以对其进行定量研究，根据滨海新区汉沽、塘沽、大港各地区累计沉降量与累计地下水开采量数值，得到相关系数如表3所示。
由表4可以看出，2015年滨海新区各地区沉降预测值与实测值之间相差很小，具有很好的一致性，表明该关系式对地面沉降具有很好的预测作用，滨海新区地面累计沉降量与地下水累计开采量之间具有良好的线性关系，也从侧面反映出滨海新区地面沉降主要受地下水开采的影响。
4 结论
本文通过对天津市滨海新区地面沉降影响因素进行探究，分析各影响因素对地面沉降的影响，得到了沉降预测模型，为滨海新区今后的经济发展及土地开发利用规划提供了技术保障和理论依据，主要结论如下：
（1）天津市滨海新区沉降因素主要分为自然因素和人为因素，自然因素包括构造因素引起的沉降和欠固结软土引起的沉降，其对沉降影响的数值相对固定，每年由自然因素引起的沉降值在2.5-3.0mm左右；人为因素包括地下水开采、地热和油气资源开采、软土的次固结变形以及人类工程活动等，地下水开采为滨海新区沉降的主要因素，软土次固结变形在个别地区已成为引起滨海新区地面沉降的主要原因，油气资源开采造成的地面沉降主要分布在大港，地热开采和大规模工程活动引起的沉降具有局部性和时效性。
（2）同一年内地面沉降量与地下水开采量之间相关性较差，但累计地面沉降量与累计地下水开采量之间具有很好的线性关系。本文通过建立累计地面沉降量与累计地下水开采量之间的模型对2015年滨海新区的地面沉降进行了预测，沉降预测结果与实测结果之间具有很好的一致性。利用模型通过收集的累计地下水开采资料可以很好的预测滨海新区地面沉降的趋势，也从侧面反映出滨海新区地面沉降主要受地下水开采的影响。
参考文献
[1]徐佳,王巍,韦劲松,等.天津市区地面沉降多因素分析[J].地下水,2012(4):205-207.
[2]罗立红,白晋娬,吕潇文,等.基于长期监测的天津市地面沉降影响分析[J].上海国土资源, 2017,38(2):18-21.
[3]张云霞.天津市滨海新区地面沉降防治对策研究[D].天津:天津大学,2004.
[4]王淼,陆阳,易长荣.天津市地面沉降防治区划的研究[J].山西建筑,2015,41(11):56-57.
[5]朱庆川,王巍,时绍玮,等.天津市地面沉降影响因素定量分析[J].中国水运:下半月,2014,14(3):360-363.
[6]郑玉萍,韩晔,王巍,等.自然因素对天津市地面沉降影响分析[J].中国煤炭地质,2014,26(4):36-40.
[7]董克刚,于强,王威,等.天津市地面沉降区地下水开采指标综合评定方法研究[J].城市地质,2007,2(1):27-32.
[8]马锋,杨发俊,陈润桥,等.天津市地下水开采对地面沉降影响的多元回归分析[J].中国地质灾害与防治学报,2008,19(2):63-66.
论文作者:刘杰
论文发表刊物:《基层建设》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/15
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