地质灾害与环境保护
JOURNAL OF GEOLOGICAL HAZRDS AND ENVIRONMENT PRESERVATION
1999年 第10卷 第3期 vol.10 No.3 1999



苏南地区地面沉降概述
张云
摘　要：　从苏南地区的地层结构特点出发，指出具中等压缩的粘土和砂土互层的地层结构是地面沉降的内因，而抽取地下水及地面荷载的增长是地面沉降的外因。分析几个地面沉降的力学机理，并从岩土工程角度出发，阐述沉降机理、数学模型等当前地面沉降中亟需研究的问题。
关键词：　地面沉降；地层结构；地下水
中图分类号：　P642.26；TU478　　文献标识码：　A
ON GROUND SUBSIDENCE IN SOUTHERN JIANGSU PROVINCE
Zhang　Yun
(Department of Earth Science,Nanjing University,Nanjing　210093)
Abstract：　Based on the seratigraphic structure in southern Jiangsu, it is regarded that the moderately compressible interbedded soil and sand are the internal factors,and the withdrawal of groundwater and the additional surface loading are the external factors,causing ground subsidence.The mechanical mechanism of ground subsidence is analysised,and the effect of mechanism and mathmatic model of ground subsidence are elucidated from the point of geotechnical engineering.It is pointed that we can only take some inactive measurements to control the ground subsidence in southern Jiangsu at present stage. 
Key words：　ground subsidence;stratigraphic structure;groundwater 
1　 引言
　　苏南地区是我国经济发展程度较高的地区之一，随着城市化进程的加快、工农业生产的发展和人民生活水平的不断提高，对地下水的需求量日益增长。80年代中期，仅常州市的日开采量已达30×104 t。随着对地下水需求量的不断增加，特别是80年代后期乡镇企业的迅猛发展，随之出现的环境问题已引起人们的重视。无锡、常州等地由于地下水开采量大、井群集中，自1957年以来地下水区域水位下降，降落漏斗不断扩大，至1975年，静水位已降至地面下40～60 m；到80年代初期，水位已降至地面下60～70 m。苏州市在80年代初，地下水位的年下降幅度达2～5 m，形成了完整的降落漏斗。到90年代初，苏(州)、锡(无锡)、常(州)三市的平均日开采量已达41.5×104 t，最大水位埋深达83 m，三市的降落漏斗边界持续向外发展，联为一体，形成特大型区域地下水位降落漏斗，1993年漏斗面积大于5 500 km2。由于地下水位下降、降落漏斗扩展导致苏南地区产生地面沉降，据文献［3］记载，至1995年苏锡常的累计沉降量分别为1 450，1 140和1 100 mm。在80年代末和90年代初的开采高峰期，地面沉降速率曾达到10.9 cm/a。从1995年开始，由于加强了对地下水开采的管理，地下水位持续下降的势头得以遏制，地下水位缓慢回升，地面沉降速率大幅下降。目前，苏州和无锡的地面沉降速率为2.1 mm/a，常州的地面沉降速率为3.0 mm/a。


图1　苏南地区典型地层结构示意图
Fig.1　Schematic diagram of the typical stratigraphic structure in South area of Jiangsu
2　苏南地区的工程地质及水文地质特征
　　(1) 工程地质特征：　苏南地区地处长江下游，属长江三角洲南部，第四纪覆盖层较厚，厚度达70～335 m。由于中更新世以来的四次海水入浸，在第四系松散层中堆积了海陆交替相地层，形成从上游的两次到下游的三次较大的沉积旋回，表现在地层上为粘土层与砂土层相间出现。粘土层中的粘土矿物以伊利石为主，含少量的蒙脱石和高岭石；粘土层的压缩性为中等，透水性较差，渗透系数多在10-7～10-9 cm/s之间。典型的地层结构如图1所示，土层的主要物理力学性质见表1。
表1　粘土层的主要物理力学性质
Table 1　The physical and mechanical properties 
of cohesive soil

土层容重
（g/cm3）含水量
（%）初始空隙比压缩系数
（cm2/kg）
① 1.8930.00.890.036
②1.8531.00.960.036
③ 1.8232.40.890.027
④1.9722.00.670.021


　　(2) 水文地质特征：　苏南地区地下水资源丰富，含水层发育，根据其成因和埋藏条件，可将含水系划分为一个潜水含水层和三个承压含水层：① 潜水含水层，岩性为棕黄色亚粘土、亚砂土，水位埋深0.5～2.0 m，补给来源是大气降水和附近的地表水体，水量受季节影响较大。② 第一承压含水层，顶板埋深10～100 m，岩性以灰黄色粉砂为主，厚度变化较大，平均厚度10～20 m。③ 第二承压含水层，顶板埋深80～140 m，岩性主要为灰色中、细砂，局部分布有砂砾石层，厚度大，分布稳定，最大厚度达25～50 m，透水性好，渗透系数(1.2～2.9)×10-2 cm/s。此层的顶底板连续性好，延伸长，分布稳定，厚度变化不大，粘土间的结合水膜较厚，粒间结合强度较弱。氚同位素测定结果表明，此含水层主要由长江江水和下层承压水越流及粘土层释水补给。此层为苏南地区集中开采的主要含水层。④ 第三承压含水层，顶板埋深130～170 m，岩性为灰白色粗砂、砾石层，厚10～20 m，分布不稳定，有的地方缺失，此层开采井不多，主要靠越流和侧向渗流补给， 渗透系数2.5×10-3 cm/s。
3　地面沉降的力学机理
　　苏南地区从60年代初期发现地面沉降以来，地面沉降量一直在持续增加，探究其原因，至少有以下两方面：
　　(1) 地面荷载增加：　随着城市化进程的加快，人口向城市集中，城市的建筑物密度不断增加，高层建筑层出不穷，能源、通讯、交通等市政基础设施也相应增加，使城市地面的动、静荷载大幅度增加，且在土层中的较大范围内形成附加应力场，使松散地层压密，地面标高降低。
　　(2) 地下水开采：　在苏南地区，由于农田灌溉、城市生活及工矿企业用水等需求量剧增，使水量丰富、水质优良的第二承压含水层被作为主要的开采层。随着抽水量的不断增加，地下水位持续下降，地面沉降不断发展。从苏南地区现有资料［3］可以看出，地下水的开采量、地下水位和地面沉降量在时间上具有显著的相关关系，地面沉降速率和地下水年开采量之间也具有显著的关系，如图2和图3所示。由于含水层的水头下降，孔隙水压力减小，粒间有效应力增加，使含水层压缩；同时，由于第二承压含水层的水头下降，使相邻的第一和第二承压含水层中的承压水通过粘土层产生渗流，形成越流。随着抽水量的增加，粘土层中的水头也相应下降，孔隙水压力减小，有效应力增加，粘土层产生压缩沉降。由于粘土骨架的粘弹性性质，变形随时间而增加，因此，粘土层的压缩沉降较之水头的下降具有明显的滞后效应，相应于土质条件的差异，一般有两到三年的滞后期。而苏南地区的第二承压含水层上、下的粘土层具有中等的压缩性、且厚度也大，沉降量在总的地面沉降中占有很大的比例。


图2　开采量、地下水位和地面沉降量在时间上的关系
Fig.2　Relationship of the quantity of water withdrawal groundwater table and ground settlement with time


图3　沉降速率与开采量随时间的变化
Fig.3　The rate of settlement versas the annual average withdrawal
　　比较上述两种不同原因产生的沉降可知：前者引起的沉降常常是局部的、浅层的，影响范围较小，可通过地基加固等措施减小；而后者引起的沉降则是区域性的、深层的，影响范围大，后果严重，目前除控制地下水位外，还没有其他更好的办法来控制其沉降。
4　地面沉降的危害
　　城市地面沉降不仅给人民的生产与生活造成极大的危害，而且严重地制约着当地经济建设的发展。就苏南地区而言，其危害具体表现在以下几方面：
　　(1) 泄洪排涝能力降低：　苏南地区的地面标高仅4～6 m，由于地面下沉，地面标高进一步降低，而海平面及江、河地表水位常年变化又不大。当地面和地表水处于同一高程时，下水道污水难于排出，甚至出现倒灌。因此，地面沉降降低了城市的泄洪排涝能力，使防洪排水设施不能正常发挥作用。
　　(2) 导致地面建筑设施破坏：　由开采地下水引起的地面沉降的沉降曲面形状，一般是以抽水井为中心的碟形，因此，地面沉降在空间上的分布是不均匀的。这种不均匀的地面沉降会导致地表的建（构）筑物开裂、损坏地下管线。目前沪宁高速公路、高速铁路均从此地区经过，处于沉降影响范围内，它们对沉降均有严格的限制。但现有的结构设计中，在验算地层的沉降时，一般只考虑结构荷载引起的沉降，而对于开采地下水引起的沉降因难于预测，在设计阶段通常不作考虑，因此，这部分沉降对地面结构的潜在危害性更大。
　　(3) 引起地下水污染：　深层地下水位的持续下降，必然激发浅层受工业污染的地下水向深层补给，最终使深层地下水遭受污染，失去开采使用价值。
　　(4) 影响地区经济建设的持续发展：　开采地下水引起的地面沉降若得不到控制，会恶化本地区的工程地质和水文地质环境，对本地区经济建设的持续发展带来不利影响，甚至影响投资者的投资信心。
5　地面沉降的研究方向
　　苏南地区的地面沉降问题，从60年代出现以来就引起了人们的关注，但由于开始时对这一问题的严重性认识不足，加之当时的抽水量较小，因此在地下水的管理、开采井位的布置及规划方面都未给予足够的重视，直到80年代末90年代初，沉降速率和累计沉降量剧增时，人们才意识到问题的严重性。就苏南地区而言，对地面沉降有以下一些问题亟待研究：
　　(1) 沉降机理：　苏南地区的地面沉降，是第四纪松散层中各层压缩量的总和。目前对各层沉降量的计算方法尚不统一，有的只计粘土层的沉降，不计含水层的沉降，而且在涉及沉降原因时，多笼统归咎于过量开采地下水。实际上根据太沙基的有效应力原理，只要抽水引起地下水的水位下降，孔隙水压力减小，土层中的有效应力增加，就会使土层产生压缩，因此，过量开采地下水只是加剧了沉降的发展，但不是沉降产生的必要条件。另外，在开采地下水引起的地层变形中，由于剪应力的存在，地面各点的沉降不仅与该点下的孔隙水压力的变化有关，而且与相邻点下的孔隙水压力变化有关，也就是说：地面沉降不是局部变形而是共同变形的结果。地面沉降量的大小既与孔隙水压力变化的大小有关，也与土体的变形性质有关，因此，在研究一个特定地区的地面沉降时，需结合具体的地层结构和地下水开采情况，找出主要沉降层，次要沉降层，并按其厚度、压缩性大小、水位降幅、土体的回弹等与沉降有关的因素进行工程地质分区。
　　(2) 数学模型：　苏南地区的地面沉降，是内因与外因共同作用的结果：内因是本地区的地层结构，外因主要是抽取地下水，对此目前已基本达成共识。目前苏南地区的地面沉降计算模型有两种：第一种是统计分析方法，根据已经发生地面沉降的大小、速率的量测值和总的地下水开采量的数据分析它们之间的相关关系，从而定性地分析地面沉降与地下水开采量的关系。这种方法是建立在实际观测的基础上的，是对过去已经发生沉降的笼统概括，而地面沉降发生后，各土层的物理力学性质都会随之改变，因此，已有的沉降量与开采量之间的关系难于外推到以后的情况。第二种是古典土力学方法，先计算由于开采地下水引起的水压力的变化，再按有效应力原理计算各土层中有效应力的变化，且假定应力在各土层中均匀分布、土体的变形是线形的、仅在竖直方向产生变形，计算各层土的竖向变形量，它们的和即为地面的沉降量。但由于土体变形具有明显的非线形特征，且变形并不仅限于竖直方向，因此，上述的计算方法是相当近似的，并没有反映地层变形的主要特征。
　　在地下水压力变化和地层变形这两者中，前者是原因，后者是结果。在对沉降机理有了深入认识的基础上，通过合理的假定来建立数学模型，在模型中应力求反映地下水的运动特征和地层的沉降变形特征。由于地下水运动和地层变形的空间特征，三维模型的研究是必要的。粘土的粘弹性性质使其沉降明显滞后于地下水位的下降，特别是在粘土层厚度较大的地区，如果等到沉降形成之后再采取措施往往是事倍功半，所以建立合理的数学模型，在地下水开采之前就对可能引起的沉降量大小及分布作出预测，为制定地下水开采计划提供可信的理论依据，将是非常有意义的。
　　(3) 建立地面沉降管理系统：　地面沉降管理系统能根据地区的地形地质特征、地层结构，处理地面沉降监测信息，就不同的开采方案，对地面沉降的发生和发展状况作出预测预报，并进一步评价对城市防洪排水设施、地面及地下各种建（构）筑物的危害程度。因此，地面沉降管理系统应包含以下几个模块：① 基础信息模块，包括基本的地层结构、土层的物理力学参数，开采井的位置、开采量，地下水的分布情况和补、径、排条件等。② 地面沉降监测及处理模块，包括地面监测网的布置、分层标的设置情况，监测数据的管理，并能对地面沉降的一般规律和分布特征作初步分析。③ 地面沉降的反分析模块，根据地面沉降的监测资料，对数学模型中的参数作反分析，以较准确地获得模型中的参数。④ 地面沉降预测模块，根据不同井位布置及开采量方案，对可能产生的地面沉降作预测预报。⑤ 地面沉降危害评估模块，就可能产生的地面沉降对已有的及拟建的建（构）筑物的危害作出评估，供规划和决策部门参考。
　　(4) 人工回灌：　过去人们认为把地下水抽出来后，地面会沉降，再向含水层回灌水后地面就会回弹。实际上由于土体的非弹性性质，不论是砂土还是粘性土，其卸荷回弹都是极其有限的，虽然经历过反复加卸荷后土体更接近于弹性，但此时的累计残余变形已经很大。这一点不仅为室内的三轴试验所证明，而且为现场的人工回灌所证明。有资料表明［4］ ，当回灌大于开采量时，地面平均沉降量仍达1 cm左右。因此，不应过分依赖于人工回灌，特别是当沉降业已形成时，回灌的作用是十分有限的。但作为提高地下水位的一种手段， 仍应研究回灌的效果，以及何时进行回灌较为合理等问题。
6　当前控制地面沉降的对策
　　从上述分析可知，苏南地区地面沉降的主要原因，是在特定的地层结构中开采地下水导致的地下水位下降，在目前对地面沉降的机理及其数学模型的研究尚不深入的情况下，建议采取以下一些措施控制地面沉降：
　　(1) 严格控制地下水的开采量：　要严格按计划进行开采，严禁无组织的随意开采行为。同时要采取一水多用、循环用水等节水办法合理使用地下水，以减少对地下水的需求量。
　　(2) 加强地下水资源管理：　地下水的分布区域和连通范围与行政区划并不一致，在地下水资源管理上要树立全局观念，打破各自为政的管理模式，城市之间、城郊之间要加强合作，统筹兼顾，用系统分析的方法规划井位、拟订开采量。最好政府部门要建立专门的行政机构，负责各地之间的协调工作，加强地下水资源的统一管理力度。
　　(3) 加强监测：　对地下水的动态、地面沉降量、沉降速率等进行长期监测，及时调整开采计划、分析沉降发展趋势。
　　(4) 科学规划城市：　分散布置高大建筑物，控制地面荷载的增长，避免地面荷载过于集中而使地面沉降加剧。
7　 结语
　　地面沉降问题是世界性的问题，国际上对此相当重视，从1969年以来已召开了多次地面沉降国际讨论会，专门研究讨论这一问题。随着我国经济建设的发展，这类问题已引起各级领导部门的关注。苏南地区地面沉降是外因与内因共同作用的结果，在目前情况下，只能采取一些消极的措施来控制和减小地面沉降。但地下水作为一种宝贵的资源，如何加以充分利用以造福人类，同时又不致使环境恶化，是值得人们进一步思考的问题。
作者简介：　张云，女，34岁。副教授，博士研究生。主要从事岩土工程数值计算方面的研究工作。曾主持和参加了2项课题研究，已开发出分析程序2项，发表论文2篇。
作者单位：南京大学地球科学系，南京　210093
参考文献
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［2］　Gambolati G,R A Freeze. Mathematical Simulation of the Subsidence of Venice,Theory［J］.Water Resour.Res,1976,9：721～733.
［3］　胡建平，吴士良.苏锡常城市群地区地下水环境问题［J］.水文地质工程地质，1998，(4).
［4］　严礼川.城市地面沉降设防问题［J］.上海地质，1998，（1）.
［5］　T R Shear.A numerical model to calculate land subsidence,applied at Hangu in China［J］.Engineering Geology,1998，149(2):85～93.
