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京津冀平原地质调查服务地面沉降防控管理

发布于: 2019-01-08 16:09:47

摘要:围绕京津冀协同发展地面沉降地裂缝防控需求,通过1∶5万环境地质调查和专题研究,基本查明了京津冀重点地区地面沉降地裂缝现状、成因及发展趋势,编制了地面沉降相关专题报告和图件,为京津冀及全国地面沉降防控管理提供支撑和服务。

1.项目概况

自然资源部中国地质调查局地质环境监测院承担的“京津冀地区地面沉降地裂缝调查及地质环境监测”项目,归属于“京津冀一体化协同发展区地质保障”工程。工作周期为2016—2018年。以京津冀协同发展地面沉降地裂缝防控和地质环境保护为导向,在京津冀地区开展地面沉降地裂缝调查监测,查明地面沉降地裂缝现状和成因机理,预测地面沉降地裂缝发展趋势,为京津冀地面沉降防控管理提供支撑。编制全国地面沉降防治报告,为全国地面沉降防控管理提供支撑和服务。加强科技创新,查明华北平原典型地段地面沉降演化特征与机理,查明典型地裂缝成因机理(图1),提升地面沉降防治技术水平。推出地面沉降监测防控科普作品,提高社会公众防灾减灾意识。提出京津冀地质环境监测方案,提升地质环境综合监测水平。2016—2018年完成1∶5万环境地质调查面积3600km2。提交环境地质调查数据库,环境地质调查报告和应用服务成果报告以及相关图件。

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图1 利用物探手段测量地裂缝两侧地层结构变化

2.成果简介

(1)提升了对华北平原典型地段地面沉降演化特征与机理的认识。采用卫星对地观测技术与传统手段相结合,监测地面沉降灾变过程,分析华北平原地面沉降发展历史和现状。结合应力-应变图解法及土工实验研究地面沉降差异性特征和滞后变形成因机理。取得了以下关键认识:①华北平原地面沉降空间分布差异性明显,沉降主要分布在平原区第四纪沉积凹陷,呈现东西分带、南北分段特点。地面沉降空间发展部分受到北东向和北西向构造控制。在沧县隆起区,地面沉降也比较发育,主要原因是沧县隆起在第四纪时期构造运动相对不活跃,沉积了较厚的第四系沉积;存在与构造走向一致的三期古河道,该地区赋存丰富的地下水资源并被大量开采。②地面沉降发生发展与地下水开采历史密切相关,沉降主要压缩贡献层随地下水开采层位变化而变化。北京平原100m以深地层对地面沉降贡献呈增加趋势。天津平原目前地面沉降的主要贡献层来自300m以下地层。③气候干旱导致地下水补给量减少,同时增加了地下水的开采,因而是引起地面沉降的重要间接驱动因素。高层建筑荷载、基坑降排水、地热开采对地面沉降的影响应引起足够重视。④地面沉降具有很强的滞后性,最大滞后时间可达25年。除了渗透固结成因以外,土体蠕变是另外一个重要原因。更新世地层在不同荷载下,蠕变特征明显。沧县隆起晚更新世地层次固结可达到总变形28.3%。⑤土的物理性质、地下水位变化模式对土层变形特征具有重要影响。不同埋深地层在地下水位变化条件下的变形特征存在较大的差异(弹性、黏弹性、黏弹塑性)。浅部含水组呈现以弹性为主的变形特征。⑥土的蠕变与其地质成因与应力历史有着紧密的联系。沧州地区土体蠕变特性受固结状态影响较其他因素更为显着,预测恒定荷载下土长期变形时,由Burgers模型、经验模型求出的最终形变值将偏大于实际值,由Merchant模型求出的最终形变值将偏小于实际值,广义Kelvin模型可相对精确地预测长期形变。预测地面沉降时,各蠕变模型的适用性取决于预测时长、土的受荷条件和固结状态。

(2)开展光纤光栅地面沉降监测试验,推动了地面沉降监测技术的进步。针对目前京津冀城市地面沉降分层标监测存在的建设场地征地难及费用高瓶颈制约,开展了光纤光栅监测新技术试验。2016年在天津汉沽地面沉降分层标附近施工2个100m钻孔和1个500m钻孔,2017年在天津北辰和河北泊头分别施工360m和350m钻孔,首次实现了地面沉降浅部和深部含水层变形的同时监测及与分层标监测技术精度的对比验证,为京津冀地面沉降深部含水层变形监测提供新方法,推动地面沉降监测技术的进步。

(3)系统分析了京津冀地区地质环境条件、地质环境监测已有工作基础、存在的问题及面临的形势,明确了京津冀地区地质环境综合监测工作的指导思想、原则和目标,分地下水监测(图2)、地面沉降监测、突发性地质灾害监测、矿山地质环境监测、地质遗迹监测、土壤环境调查监测、活动断裂地应力监测、地热和矿泉水、土地等自然资源监测和共享、地质环境信息化、科学研究等方面。京津冀地质环境综合监测分区划分为三级(图3),以区域地形地貌类型为一级分区,划分为3个大区,分别为冲洪积平原地质环境区、泛滥平原地质环境区和冲积海积平原地质环境区。在地形地貌的基础上根据区域地下水系统划分为14个亚区,形成二级分区。在二级分区基础上综合考虑地下水超采、地面沉降及地裂缝、地下水开采潜力、水土污染等因素,以及京津冀重点建设规划,将京津冀平原划分为37个地质环境监测与管理重点区,系统梳理了各区地质环境监测与管理的目标、内容。在综合监测分区研究基础上,开展了监测网部署、监测评价指标体系构建、重点监测工程规划等研究,形成了京津冀地区地质环境综合监测方案。

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图2 地下水水位测量

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图3 京津冀平原区地质环境监测分区图

 

3.成果意义

紧密围绕京津冀协同发展对地面沉降地裂缝防控需求,通过地面沉降地裂缝调查监测等工作,支撑服务京津冀地区及全国地面沉降防控管理。提出的京津冀地质环境监测方案,提升了地质环境综合监测水平,支撑了地质环境保护。成果支撑服务全国地面沉降防治部际联席会议,科普产品提升社会防灾减灾意识,社会化服务成效显着。

(中国地质调查局地质环境监测院 郭海朋 臧西胜供稿)