某地区地面沉降机理与原因分析摘要：某区地处微山湖西侧，作为周边煤矿职工及家属的居住中心，区内还有工厂企业。
近30年来，该区供水水源均取自第四系上部含水层，地下水位持续下降，并造成了地面沉降。
该文利用地下水动态资料和地面沉降监测资料，结合该区的第四系水文地质条件，分析研究了地下水水位下降与地面沉降的关系，剖析了地表沉降机理和沉降原因，得出了地面沉降与水位降深的数学关系式，以评价和指导本区水资源的开发利用，提出了调整供水水源结构，减缓或控制地面沉降的建议。
关键词：地面沉降地面变形危害地下水开采降落漏斗固结变形。
1 地区概况某区(以下称该区)位于苏鲁豫皖四省的接壤地带，地处微山湖西侧，距微山湖最近距离约5?km，该区占地面积约10?km2。
20世纪70年代初开始，该区周围先后建成5对生产矿井。
作为这些矿区的职工及家属的居住中心，居住人数达5万多人，同时伴建有洗煤厂、机械加工厂等辅助企业。
该区于1976年埋设了少量水准点进行观测，工作中发现绝大部分水准点都在下沉，从1988年起，区内建立了比较完整的地面沉降观测系统，进行全面系统观测。
观测点沿上海路、北京路、江苏路和南京路进行布设，分别称A、B、C、D四条观测线。
各监测点的具体空间位置见图1。
2 地面沉降现状(1)地面下沉变形该区自1976年开始观测发现地面沉降以来，整个该区处在缓慢下沉并且沉降速率逐年增加，累计沉降量最大达881?mm，平均沉降速率为29.42?mm/a。
以七村观测点为例地表下沉数据如表1。
(2)地面倾斜变形该区地面变形的倾斜值，从2006年到2013年均小于3.0?mm/m。
以地面沉降相对指数(Z)作为地面倾斜评价指标：Z=（S-So）/S（2-1）式中：Z—地面沉降相对指数,无量纲；S—地面沉降累积沉降量mm；S0—地面沉降成灾临界值，选择天然沉降量。
据此本区属于轻微～轻度，以轻微危险性为主，但轻度危险区的范围逐年扩展。
各个年份地面沉降危险性等级的面积演变如表2。
（3）地面沉降空间演化地表下沉量最大的区域在公司大楼附近，以此为中心形成了一个西南至东北走向的椭圆状沉降盆地，形状在演变过程中基本保持不变，距沉降中心越远下沉量越小。
但地面沉降幅度逐年加大，范围逐年扩展。
沉降幅度和地面倾斜由沉降中心向外均逐渐减小，但局在部地段因开采强度和含水层的厚度及岩性不均匀性等因素影响，地面倾斜变大。
3 地面沉降产生的危害(1)结构物破坏该区地面沉降的累计沉降量逐年增加，在一些地区已造成大量建筑物地基下沉，多处房屋和桥梁开裂、倾斜，几条主要道路均出现开裂或凹凸不平，不得不投巨资重修。
(2)地面高程损失地面沉降造成城市防洪能力下降，出现严重的滞积洪水问题，因此不仅影响城市交通和环境，而且常使地下室和低层建筑物在汛期被水淹没，造成比较严重的经济损失。
影响泄排洪水及防洪能力，加剧洪涝灾害。
对新建建筑物设计地坪增加了高度，造成建筑基础垫层增加，提高了工程成本。
地面沉降使大范围内水准点高程产生不同程度的下沉，导致以水准点为依据的水文资料、城市规划与建设的水准点高程依据失效，给城市埋下不可预见的隐患和巨大的经济损失，需要重新校核。
(3)地下构筑物及地下管线的破坏由地面沉降的不均匀性容易造成地下深井、自来水管道、煤气管道、排泄管网的破坏。
区内已出现多对矿井井筒因松散层压缩固结而在基岩面处破裂，严重影响生产安全，不得不多次投巨资加固。
4 地面沉降机理分析(1)松散土层自然固结本区第四系松散地层厚度大，浅部土层固结度较低，在自重应力作用下就会产生一定的固结，产生沉降变形，这是所有松散层普遍存在的规律。
这种沉降变形均匀、同步，只产生地面高程损失危害。
(2)地面荷载引起的土层压缩由于是居住中心，建有大量的住宅，周边还有许多工业厂房，这些建构筑物重量很大，通过基础对地层形成附加应力，附加应力将会引起土层压缩变形而产生地面沉降。
这种沉降变形在建筑物设计时已进行验算，一般不会产生危害。
(3)地下水位下降引起土层固结地层所承受的荷载是由地层骨架及地下水体共同承担的，分别称为有效应力和孔隙水压力。
当地下水位下降，孔隙水压力减小或消失，使得荷载更多地由有效应力承担，即由土体骨架承担，致使土颗粒间隙受压缩而变紧密，土体固结进而地面产生下沉。
这是造成各种变形危害的主因。
5 地表沉降与地下水开采的关系(1)地表下沉与地下水开采的关系该区松散土层中地下水在多年开采情况下，已形成了稳定的地下水位降落漏斗，自1988年到2000年该区地下水开采量逐年增加，地面沉降的范围也相应扩大，说明地面沉降速率与地下水开采强度密切相关，该区地面沉降速率最大的分布地段正是目前地下水开采强度最大的地段，说明地面沉降幅度受地下水开采强度的控制，地面沉降的速率和分布范围与地下水位的下降的速率和范围相一致。
为此区内对地下水水位、水井取流量、地面高程等进行了长期观测，长期观测资料说明，地面沉降的主因是地下水水位下降导致松散层压密，地下水水位下降的主因是人工地抽取下水。
因而，存在可压缩的土层是地面沉降产生的内因，地下水开采是引起该区地面沉降的外因。
以七村井水位及附近地面高程的观测数据(见表4)为例，绘制出七村井地下水位地面沉降速率历时曲线图(见图2)。
根据表4中数据进行线性回归分析，沉降速率S(mm/a)与地下水位H(m)之间的关系式为：S=-55.351+1.782H (图2)当然地下水水位的变化受开采量和补给量(主要是降水补给量)的控制，但地面沉降速率与地下水位之间的相关系数为0.96，说明地面沉降速率与地下水位为高度正相关。
在补给量一定的情况下，地面沉降就受水井出水量控制，水井出水量与地下水位成反变，与地表下沉量成正变，出水量越大，地下水位越低，地表下沉量越大。
根据表4数据可建立地下水位H(m)与月开采量(m3)之间的关系式为：H=28.907-3.581×10-5Q (图3)(2)地表下沉漏斗与地下水降落漏斗的关系由2005年的地下水统测结果与相应时期的地表下沉资料所绘制的等值线图，可以看出：地下水降落漏斗中心位置与地表沉降中心的位置基本一致；地面沉降的分布范围基本与地下水位的降落漏斗分布范围一致。
说明地表沉降与地下水位下降具有空间上的一致性，进一步表明造成该区地面沉降的主要原因是地下水的过量开采。
6 结论与建议(1)主要结论某区位于苏鲁豫皖四省的接壤地带，自有观测资料以来，一直缓慢下沉并且逐年加剧并形成沉降盆地，地面变形的倾斜值逐年变大且范围逐年扩展。
该区地面沉降在一些地区已造成大量建筑物和道路地基下沉、开裂、倾斜，不得不投巨资重修；地面沉降造成局部雨季滞积洪水，造成比较严重的经济损失；地面沉降使新建建筑物设计地坪增加了高度，造成建筑基础垫层增加，提高了工程成本；地面沉降导致以水准点为依据的水文资料、城市规划与建设的水准点高程依据失效，给城市埋下不可预见的隐患和巨大的经济损失，需要重新校核；地面沉降的不均匀性容易造成地下深井、自来水管道、煤气管道、排泄管网的破坏。
区内已出现多对矿井井筒因松散层压缩固结而在基岩面处破裂，严重影响生产安全，不得不多次投巨资加固。
本区第四系松散地层厚度大，浅部土层固结度低，在自重应力作用下就会产生固结而形成地面沉降变形；大量住宅厂房通过基础对地层形成附加应力，进而引起土层压缩变形，产生地面沉降；地下水位下降，孔隙水压力减小或消失而有效应力增加，致使土颗粒间隙受压缩而变紧密，土体固结进而地面产生下沉，这是造成各种变形危害的主因。
该区发育厚层第四系覆盖层，通过对地下水开采量、水位动态变化与地面沉降规律的相关分析表明：过量开采地下水是导致该区地面沉降的主要原因，该区地面沉降速率最大点的分布区正是目前地下水开采强度最大的地段，地面沉降的速率和分布范围与地下水位的下降的速率和范围相一致；地面沉降速率与地下水位间高度正相关，地下水水位的变化又主要是受地下水开采量的控制。
(2)建议建议相关部门对该区范围内的开采井做一次普查，重点查清地下水开采位置、开采量并观测地下水位，合理布置观测井、孔，在此基础上完善地下水动态监测体系。
目前沉降范围已经远远超出了监测范围，建议扩大监测范围，特别是在铁路附近增加监测点。
调整开采布局，控制地下水开采，建议在降落漏斗中部减少开采，于降落漏斗外围打井来补充取水量。
由于含水层中的地下水水位不断下降，水质质量将有逐渐变差的趋势，特别是总硬度、氯离子含量呈明显上升趋势，建议加强水质监测，并研究控制措施。
该区毗邻微山湖，修建地表水厂，调整供水水源结构，从根本上消除地面沉降的诱因，最终减缓或控制地面沉降，确保该区不会发生严重的环境地质灾害。
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