南京河西地区地面沉降成因分析_刘刚.pdf

第 6 9 卷第 2 期2 0 2 3 年 3 月地质论评GEOLOGICAL EVIEWVol 69No 2March，2 0 2 3注:本文为江苏省地质工程环境智能监控工程研究中心开放基金(编号:2021-ZNJKJJ-013)和江苏省地质矿产勘查局科技创新项目(编号:2021KY02)的成果。收稿日期:2022-04-24;改回日期:2022-07-29;网络首发:2022-08-20;责任编辑:刘志强。Doi:1016509/jgeoreview202208081作者简介:刘刚，男，1986 年生，硕士，高级工程师，主要从事岩土工程研究;Email:452498671 qqcom。通讯作者:骆祖江，男，1964 年生，教授，主要从事水文地质与工程地质专业;Email:luozujiang sinacom。南京河西地区地面沉降成因分析刘刚1)，徐成华1)，施威1)，李兆2)，骆祖江2)1)江苏省地质矿产局第一地质大队，南京，210041;2)河海大学地球科学与工程学院，南京，211100内容提要:为了查明南京河西地区地面沉降的成因，笔者等在系统研究水文地质与工程地质条件的基础上，研究了地面沉降的分布特征和发展规律，以及地面沉降与地下水位、软土分布及建筑荷载之间的关系，进而揭示了南京河西地区地面沉降的成因。研究结果表明:南京河西地区不开采地下水，地面沉降与软土层厚度和建筑荷载分布关系密切，地面沉降主要受建筑工程影响，即建筑荷载和深基坑降水的作用。关键词:地面沉降;有效应力原理;建筑荷载;软土变形地面沉降又称为地面下沉或地陷，是指在自然和人为因素作用下松散地层发生压缩固结，进而导致地壳表面标高降低的一种地质灾害(雷坤超等，2016;孙晓涵等，2016;王慧军等，2019;邢怀学等，2022)，地面沉降会对现有的基础设施如轨道交通、防汛设施、港口码头建设、城市管网等造成严重的安全隐患，给国民经济带来重大损失(Sayyaf et al，2014;Notti et al，2016;骆祖江等，2018;Li Zhao etal，2019;宁迪等，2019)。南京河西地区是受长江和秦淮河淤积演化而成的漫滩地，土体力学性质软弱，基本不开采地下水。杨振和徐佳(2020)利用 Sentinel-1A 数据对南京河西地区进行地面沉降监测，结果显示自 2015 年至2018 年地面沉降速率在 06 mm/a，漏斗中心最大沉降速率达到 30 mm/a;朱邦彦等(2019)应用InSA 监测南京河西地区最大地面沉降速率超过50 mm/a。地面沉降已经成为南京河西地区城市发展中不容忽视的灾害，查明南京河西地区地面沉降的发生发展机制，为地面沉降的防控提供相关科学依据已成为当务之急(Alfaro et al，2017)。笔者等在查明南京河西地区水文地质与工程地质条件的基础上，研究了地面沉降的分布特征和发展规律，以及地面沉降与地下水位、软土分布及建筑荷载之间的关系，进而揭示南京河西地区地面沉降的成因。1研究区概况南京属宁镇扬丘陵地区，以低山缓岗为主，低山占土地总面积的 3.5%，丘陵占 4.3%，岗地占 53%，平原、洼地及河流湖泊占 39.2%。宁镇山脉和江北的老山横亘市域中部，南部有秦淮流域丘陵岗地南界的横山、东庐山。南京平面位置南北长、东西窄，成正南北向;南北直线距离 150 km，中部东西宽 5070 km，南北两端东西宽约 30 km。南面是低山、岗地、河谷平原、滨湖平原和沿江阶地等地形单元构成的地貌综合体。研究区位于南京河西地区，东起秦淮河、宁芜公路，西至长江，北起鼓楼区三汊河，南至秦淮新河，面积约 56 km2，地理位置见图 1。南京河西地区是长江河漫滩地貌单元，地形平坦，地面高程 58 m，近地表广泛分布第四系全新统的淤泥质粉质黏土、粉土、粉细砂等，厚度 3060 m。2研究区地质条件21工程地质条件研究区内第四系广泛分布，为更新世以后的长江和秦淮河沉积，其下伏前第四系均为白垩系上统浦口组，岩性主要为紫红色泥质粉砂岩、泥岩。基底图 1 南京河西地区示意图Fig1 Schematic diagram of Hexi area，Nanjing总体平坦，略有起伏，埋深一般在 3050 m。随着长江河道东西摆动，南京河西地区各种沉积相交替出现，形成较为复杂的粉质黏土、黏土、砂、淤泥的岩性组合，但总体垂向上的地层结构层次分明，上部为湖沼、浅滩相的淤泥、粉质黏土互层，下部为河床相的中细砂层，研究区工程地质剖面图见图 2。根据地层时代细分，其沉积特征简述如下:图 2 南京河西地区工程地质剖面图Fig2 Engineering geological profile in Hexi area，Nanjing(1)全新统(Qh)。为河流湖沼相沉积，以粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉细砂为主，黄色、灰色，厚 6.255 m。根据其物理力学性质的差异全新统又细分为上、中、下三段:上段以粉质黏土、淤泥质黏土为主，局部粉土，反映全新统晚期湖沼相沉积环境，厚 2.2521.4 m，长江两岸分布，江中缺失。中段为厚层松散稍密状粉细砂，灰色，级配较差，属河床滨河浅滩相，厚 7.619.6 m，分布较稳定，江南较薄，向北厚度较大;下段为厚层稍密中密状粉细砂，灰、绿灰色，属河床滨河浅滩相，内夹透镜体状粉质黏土，厚 020 m，具交错层理，分选性较好，级配较差。(2)上更新统(Qp3)。为厚层稍密中密状粉细砂，灰、青灰色，属河床相，内夹透镜体状粉质黏土，具交错层理，分选性较好，级配较差。厚 5 30m，分布较平稳。(3)中更新统(Qp2)。以粗颗粒的含砾粉细砂、中粗砂、砾砂及卵砾石为主，属河床相，为长江古河道沉积，覆盖于基岩面上，厚度主要受基岩面起伏控制，变化较大，在一些地区缺失，一般不超过 5 m。22水文地质条件依据地下水在含水介质中的赋存条件，研究区的地下水可划分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。其中，松散岩类孔隙水为区内主要地下水类型，根据埋藏条件、水理性质和水力特征，又可划分为孔隙潜水和微承压水。(1)孔隙潜水。在长江漫滩平原区广泛分布发育，含水层由全新统粉质黏土、淤泥质粉质黏土夹粉砂层薄层组成，厚度620 m。因含水层均由细颗粒地层组成，透水性和富水性差，单井出水量一般小于10 m3/d。地下水位埋深 1.01.5 m，水位变化主要受大气降水和长江水位的影响，年水位变幅一般在0.51.0 m。孔隙潜水多属矿化度小于 1 g/L 的HCO3SO4(或 HCO3Cl)Ca(或 CaMg)型水。潜水含水层由于埋藏浅，处于开放环境，易受污染。研究区地处北亚热带季风气候区，雨量充沛，地势平坦，大气降水入渗是其主要补给源。此外，因区内地势平坦，地下水径流比较滞缓，水力坡度较小，蒸发和向长江等地表水体排泄是其主要排泄方式。(2)微承压水。在长江漫滩平原区广泛分布发育。其沉积物多呈二元或多元结构，下粗上细，含水层土性由粉细砂、中细砂、含砾中粗砂组成，砂层厚046地质论评2023 年度一般在 2045 m，透水性和富水性良好，单井涌水量在 10003000 m3/d，在古河床沉积分布区，单井涌水量在 3000 m3/d 以上，而在接近阶地的漫滩边缘及局部含水层较薄地段，水量在 1001000 m3/d。微承压水水位埋深 13 m，多为矿化度小于 1 g/L的 HCO3CaMg 型淡水，但水中含有多量的铁(Fe)、砷(As)离子，其中:铁(总铁)含量 0.68 24.4 mg/L，砷含量从 00.14 mg/L，其含量自上而下呈明显的增高趋势。该含水层中地下水因水质较差，一般不能直接作为饮用水使用。图 3 20072018 年南京河西地区地面沉降各级比例图Fig3 Scale map of land subsidence at all levels in Hexi area，Nanjing from 2007 to 2018该含水层的地下水流场基本保持天然状态，上部孔隙潜水下渗和内陆侧向渗流是其主要补给源，向长江水体侧向渗流及径流是其排泄的主要方式。3地面沉降分布特征31南京河西地区地面沉降分布特征基于南京河西地区水准点监测的地面沉降数据，研究 20072018 年南京河西地区每年的地面沉降平面分布特征。参照天津市滨海地区地面沉降风险评估与区划标准对南京河西地区地面沉降危险性进行分级(胡蓓蓓等，2008)，具体地面沉降危险性等级分级标准见表 1。根据南京河西地区地面沉降各级比例图(图3)，20072018 年期间地面沉降高危险性等级的区域面积总体上逐渐减少，2007 年高危险性等级区域占南京河西地区总面积 12%，面积为 6.54 km2。2009 年，整个南京河西地区约 94.27%的区域属于地面沉降低危险性等级，20162018 年，南京河西地区地面沉降高危险性等级区域占比均不足 1%。20072018 年南京河西地区每年处于中等级及以上危险等级(即年地面沉降量30 mm)的区域面146第 2 期刘刚等:南京河西地区地面沉降成因分析图 4 南京河西地区中等级及以上地面沉降分布面积占比Fig4 Proportion of land subsidence distribution area ofmedium grade and above in Hexi area，Nanjing积占南京河西总面积的占比情况见图 4。从图中可以看出，2007 年南京河西中等级及以上危险等级区域占比最高，占比达到 58.65%，对应区域的面积达32.84 km2，主要分布在北部及中部沿江区域，2013年占比也较高，达 48.66%，对应区域的面积达27.25 km2。表 1 南京河西地区地面沉降危险性等级分级表Table 1 isk classification of land subsidencein Hexi，Nanjing年地面沉降量(mm)危险性分级预警等级15低级五级预警1530较低级四级预警3040中等级三级预警4050较高级二级预警50高级一级预警32近 5 年累计地面沉降量分布特征根据南京河西地区 20162020 年累计地面沉降量(图 5)，近 5 年南京河西地区地面沉降集中发生于北部。地面沉降量较大的区域主要包含西北部临江区域、吉庆家园观测点附近区域、中部滨江公园区域、南部友谊路观测点附近及龙王大街南观测点附近区域。其中，西北部临江区域是地面沉降最大的区域，最大累计地面沉降量达 267.3 mm，最大地面沉降速率为 53.46 mm/a。中部奥体东元通地铁站康苑新村一带、南部临江区域以及油坊桥地铁站汪家村一带近 5 年地面沉降量较小，累计地面沉降不足 20 mm。4地面沉降成因分析松散地层作为一种多孔介质是由固体颗粒、孔隙水两部分组成的，外荷载在土体中产生的应力通过颗粒间的接触点来传递，颗粒间的应力能使土颗粒产生位移，引起土体变形，称之为有效应力(李广图 5 20162020 年南京河西地区累计地面沉降量(mm)Fig5 Cumulative land subsidence in Hexi area，Nanjingfrom 2016 to 2020(mm)信，2011;杜修力等，2018)。土层孔隙水压在静止状态时服从静水压力分布规律，作用于每个土颗粒周围，不会使土颗粒移动导致孔隙体积发生变化，它除了使土颗粒受到浮力作用外，只能使土颗粒本身受到静水压力而产生压缩(土颗粒本身的压缩可以忽略不计)(路德春等，2013)。因此，孔隙水压力不能直接引起土体变形和强度变化。在外荷载作用下，土体中各点产生的应力增量称为总应力。在土体中，任一点的总应力由颗粒骨架的有效应力和孔隙水压力共同承担，三者之间满足以下关系:=+p(1)式中:为总应力;为有效应力;p 为孔隙水压力。式 1 说明在总应力不变的条件下，水位变化(孔隙水压力变化)会引起有效应力的变化;而孔隙水压力不变的条件下，外部施加的荷载(附加应力)也会直接导致有效应力的变化。有效应力的变化导致土体结构发生侧向和垂向变形，其垂向变形的宏观外在表现形式就是地面沉降。41地下水位动态变化与地面沉降关系松散地层的自然固结压缩过程十分漫长，天然状态下，土层中各点的静水压力均已达到平衡，土体的固结压缩作用很小，而人为的造成地下水位下降，246地质论评2023 年图 6 南京河西地区地下水位下降较大区域典型观测点动态曲线Fig6 Dynamic curve of typical observation points in areas with large groundwater level drop in Hexi area，Nanjing砂层中的孔隙水压力将降低，砂层的有效应力随之增加，砂层产生压缩变形。与此同时，含水砂层与上覆黏性土层间的孔隙水压力平衡也被打破，两者间产生水压力差，黏性土层中的孔隙水在压力差的作用下向含水层缓慢移动，导致黏性土层中静水压力降低，土体也随之发生压缩变形，这就是抽汲地下水引起地面沉降的机理(潘云等，2004;薛禹群等，2008;陶虹等，2014)。根据研究区地下水水位监测数据(图 6)，南京河西地区地下水位呈现出随季节变化的特征，在每年的 5 月到 7 月，地下水位整体呈上升趋势，8 月至次年 4 月，地下水位呈下降趋势，与南京地区降雨量之间的关系密切。另外，从图中可以看到，除海峡城水观测点地下水位在 2018 年 9 月到 2020 年 11 月下降了 2 m。其他地区地下水位整体较为平稳。但仍需要注意的是，在建筑基坑工程施工过程中为了控制地下水位，需短期疏排地下水，会引发地面沉降。根据绿博园、奥体中心、月光广场和积善广场 4 处地下水位和地面沉降监测数据(图 7 图10)，结果显示地面沉降量与地下水位值成反比关系，随着地下水位的降低，地面沉降量逐渐增大，但是地面沉降存在滞后效应，如绿博园观测点在 2016年 11 月2017 年 6 月地下水位上升，但是地面未同步发生回弹。42软土厚度与地面沉降关系软土地层地基承载力低，压缩性高，呈软塑至流塑状态，在自然状态和没有工程活动的情况下，软土不具危险性，但在工程活动作用且无有效软土地基处理措施的条件下，软土受到垂向外荷载作用而发生压缩，进而引起地面沉降，对路基、建筑物等造成危害。特别是当软土在基础下厚度、埋深不同，受外荷载作用下排水条件各向不同，以及各部位的荷载不同，常引起建筑物基础不均匀沉降。软土中的淤泥类软土在外荷载作用下，还常因压缩变形发展为塑性变形引起地基土体滑动或挤出，淤泥类软土产生的地面沉降量较大，导致建筑物变形破坏(刘传正等，2020;唐鑫等，2022)。图 7 南京河西地区绿博园观测点地下水位与地面沉降量变化图Fig7 Variation of groundwater level and landsubsidence at Green Expo Park in Hexi area，Nanjing根据 2019 年 1 月至 2020 年 10 月南京河西地区的地面沉降和岩土工程钻探成果(图 11)，大部分区域软土厚度大于 10 m，总体上呈南部软土厚度小于北部，这一特征与区域地面沉降分布规律基本一致，中部和北部软土厚度一般大于 20 m，南部海峡城一带软土厚度小于 10 m，南京新城科技园南京346第 2 期刘刚等:南京河西地区地面沉降成因分析图 8 南京河西地区奥体中心观测点地下水位与地面沉降量变化图Fig8 Variation of groundwater level and land subsidenceat Olympic Sports Center in Hexi area，Nanjing图 9 南京河西地区月光广场观测点地下水位与地面沉降量变化图Fig9 Variation of underground water level and landsubsidence at Moonlight square in Hexi area，Nanjing世界贸易中心仁恒江湾城沿线以北软土厚度大于20 m。累计地面沉降量大于 20 mm 的地区的软土厚度一般大于 20 m。43建筑分布与地面沉降关系根据河西地区 2019 年 1 月至 2020 年 10 月地面沉降监测数据，在河西北部选取 5 个地面沉降典型区域、河西中部选取 4 个地面沉降典型区域、河西南部选取 3 个地面沉降典型区域统计区域内建筑物密度，再分区进行加权平均估算河西北部、中部、南部建筑物密度。其中，河西北部选取宝苑新寓、江苏省生态环境厅、金浦国际广场、美高美大厦以及台园为中心的 5 个圆形区域为统计区;中部选择天正滨江、金陵中学河西分校、华新城璟园以及万科金域缇图 10 南京河西地区积善广场观测点地下水位与地面沉降量变化图Fig10 Variation of groundwater level and landsubsidence at Jishan square in Hexi area，Nanjing图 11 南京河西地区软土层等厚线分布图Fig11 The distribution map of soft soil layerin Hexi area，Nanjing香为中心的 4 个圆形区域为统计区;南部选择尚诚华府、天保街地铁站以及清风园为中心的 3 个圆形区域作为统计区(图 12)。经统计，北 1、北 2、北 3、北 4、北 5 区域内的建446地质论评2023 年图 12 南京河西地区建筑物分布示意图Fig12 Distribution of buildings in Hexi area，Nanjing筑物密度分别为 283 栋/km2、311 栋/km2、115 栋/km2、384 栋/km2、326 栋/km2，北部建筑物密度为290 栋/km2;中 1、中 2、中 3、中 4 区域内的建筑物密度分别为 95 栋/km2、70 栋/km2、48 栋/km2、73 栋/km2，中部建筑物密度为 71 栋/km2;南 1、南 2、南 3区域内的建筑物密度为 36 栋/km2、94 栋/km2、45栋/km2，南部建筑物密度为 58 栋/km2。根据各区域平均地面沉降量与建筑物密度之间的线性回归分析结果(图 13)，北部地区建筑物的密度远大于中部和南部，建筑物密度与地面沉降速率整体趋势一致。44结果分析近 5 年南京河西地区地面沉降集中发生于北部临江区域，最大累计地面沉降量达 267.3 mm，最大地面沉降速率为 53.46 mm/a。地下水位较为平稳，总体上呈季节性变化，这与南京河西地区不开采地下水条件相吻合，南京河西地区地面沉降不受地下水开采影响。地面沉降同时与软土层厚度和建筑物密度关系密切，一方面，建筑物密度越大，土体有效应力增加越大，产生较大的地面沉降;另一方面，建筑荷载通图 13 南京河西地区建筑物密度与地面沉降量线性回归分析图Fig13 Linear regression analysis of building densityand land subsidence of Hexi area，Nanjing常采用桩基础，土层在摩阻力的作用下发生压缩固结，由于软土层力学强度低于砂土，软土层厚的区域地面沉降相对较大。另外需要说明，为了保证建筑基坑工程安全施工，通常需要降低地下水位以确保基坑满足抗浮和抗突涌要求，工程降水也是引发地面沉降的主要原因。5结论以南京河西地区为对象，在系统调查了水文地质与工程地质条件的基础上，分析了地面沉降监测数据与建筑分布、软土分布及地下水位之间的关系，研究了南京河西地区地面沉降成因，取得的主要成果如下:(1)软土的分布对研究区地面沉降的发生发展有较大的影响。研究区软土主要为淤泥质粉质黏土和粉质黏土，总体上呈南部软土厚度小于北部，这一特征与地面沉降分布规律基本一致，即在研究区软土厚度大的区域，地面沉降量也相对较大。(2)南京河西地区不开采地下水，地面沉降主要受建筑工程活动影响。近 5 年，西北部临江区域是南京河西地区地面沉降最大的区域，最大地面沉降速率为 53.46 mm/a。北部地区建筑物的密度远大于中部和南部，地面沉降速率与建筑物密度相关546第 2 期刘刚等:南京河西地区地面沉降成因分析性高，即受到建筑荷载和深基坑降水作用影响。参考文献/eferences(The literature whose publishing year followed by a“”is in Chinesewith English abstract;The literature whose publishing year followed by a“#”is in Chinese without English abstract)杜修力，张佩，许成顺，路德春 2018 论有效应力原理与有效应力岩土工程学报，40(3):486494胡蓓蓓，姜衍祥，周俊，王军，许世远 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Earth Sciences and Engineering，Hohai University，Nanjing，211100Objectives:There is not groundwater exploitation in Hexi area，Nanjing But land subsidence continues todevelop In order to explore the cause of land subsidence in Hexi area，NanjingMethods:Based on the systematic study of hydrogeological and engineering geological conditions Thedistribution characteristics and development law of land subsidence，as well as the relationship between landsubsidence and groundwater level，soft soil distribution and building load are studied Furthermore，the causes ofland subsidence in Hexi，Nanjing are revealedesults:The groundwater level in Hexi，Nanjing has been relatively stable in recent 5 years This is consistentwith the condition that groundwater is not exploited The land subsidence is not affected by groundwater exploitationLand subsidence is closely related to the thickness of soft soil layer and the density of buildings On the one hand，the greater the building density，the greater the increase of effective stress of soil mass，resulting in greater landsubsidence On the other hand，pile foundation is usually used for the load of high-rise buildings And the soil layeris compressed and consolidated under the action of friction Because the mechanical strength of soft soil layer islower than that of sandy soil，the land settlement in the area with thick s