劉 亮，袁晨晨

(1.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.天津水運工程勘察設(shè)計院 天津市水運工程 測繪技術(shù)重點實驗室，天津 300456；3.長江南京航道工程局，南京 210011)

地面沉降又稱為地面下沉或地陷[1-2]。它是在地殼運動以及人類工程經(jīng)濟活動影響下，由于地下松散地層固結(jié)壓縮，導(dǎo)致地殼表面標(biāo)高降低的一種局部的地面高程下降現(xiàn)象。近些年，為發(fā)展經(jīng)濟，天津港北疆港區(qū)、南疆港區(qū)和東疆港區(qū)投入大量人力物力進行吹填造陸、基礎(chǔ)建設(shè)和工業(yè)建設(shè)，而工程建設(shè)給天津港的地質(zhì)結(jié)構(gòu)帶來不可逆變化，造成工程性地面沉降，并成為該地區(qū)地面沉降的主要因素[3-5]。但此前的研究主要是針對港區(qū)新建道路、臨港工業(yè)區(qū)等局部區(qū)域，缺乏對天津港全區(qū)域進行系統(tǒng)性沉降分析。文章基于2002～2016年14 a間天津港基礎(chǔ)控制網(wǎng)復(fù)測資料進行沉降分析，可彌補天津港全區(qū)域系統(tǒng)性沉降研究空白，同時豐富天津港區(qū)地理信息，為天津港地質(zhì)災(zāi)害防治以及今后的整體規(guī)劃發(fā)展和工程建設(shè)提供參考。

1 天津港吹填造陸建設(shè)歷程

影響天津港工程性地面沉降主要因素是港區(qū)吹填造陸，天津港的吹填造陸歷史大致分為以下幾個階段[6]：

第一階段：1939年7月開始第一次在海河入海口吹填造陸，當(dāng)時是通過在入海口淺水區(qū)口拋石圍海以擴建天津港區(qū)。到1945年6 a間，天津港的面積增加了1.76 km2。

第二階段：1951年8月開始新港第一期恢復(fù)性建設(shè)工程，同時開挖港池淤泥，將其排于港北淺灘上，此后在原有圍埝以北修建新圍埝，并以此為基礎(chǔ)開始第二次吹填造陸，使得天津港北疆港區(qū)最寬地區(qū)向北推進了1.5 km。

第三階段：該階段的吹填造陸工程依然是在北疆港區(qū)進行的，始于1972年，終于1979年。該階段工程共修建圍埝23 km，圍海面積達到5.34 km2。

第四階段：從1980～1986年先后進行了北疆東突堤及南疆一、二期為主體的造陸工程。其中東突堤圍埝造陸從1980年下半年開始，于1982年建成。為了加快南疆的造陸速度，在1989年7月開始了大規(guī)模實質(zhì)性的“北泥南調(diào)”工程，到1990年年底南疆一至三期造陸總面積達4.18 km2。

第五階段：該階段主要是東疆港區(qū)和南疆港區(qū)的吹填造陸。該階段始于2000年前后，直至2016年。在1998年，隨著經(jīng)濟的發(fā)展、在天津港船舶吞吐量日益增大以及之前吹填造陸帶來的成功的影響因素下，南疆港區(qū)的吹填造陸工程逐漸展開，至今日，其陸域面積已達到約10 km2。相比較而言，東疆保稅港區(qū)的吹填造陸過程更加快速，在2002年以前，東疆港區(qū)所在區(qū)域還是一片汪洋大海，而從2000年開始，經(jīng)過利用疏浚土人工吹填造陸，東疆港區(qū)達到了南北長約10 km，東西寬3 km，總面積約30 km2的規(guī)模。東疆港區(qū)和南疆港區(qū)吹填造陸過程如圖1所示。

1-a 1996年1-b 2000年1-c 2004年

1-d 2008年1-e 2012年1-f 2016年圖1 天津港1996～2016年衛(wèi)星影像圖Fig.1 Satellite image of Tianjin Port from 1996 to 2016

圖1是從1996～2016年這20 a內(nèi)，遙感衛(wèi)星對天津港東疆港區(qū)、南疆港區(qū)以及北疆港區(qū)進行拍攝得到的衛(wèi)星影像圖。從上圖可以看出：北疆港區(qū)在這20 a間基本沒有進行吹填造陸工程，故其陸域面積沒有太大變化，只是由于經(jīng)濟發(fā)展，房屋和碼頭等建筑物數(shù)量極大增加；2004年及以前，東疆港區(qū)均為海域，南疆港區(qū)無明顯擴張；從2005年開始，東疆港區(qū)開始興建圍埝準(zhǔn)備進行吹填造陸，南疆港區(qū)東部和南部范圍也逐年增加；2008～2012年，東疆港區(qū)和南疆港區(qū)集中進行了大規(guī)模吹填造陸，港區(qū)陸域面積顯著增加；2012～2016年，東疆港區(qū)和南疆港區(qū)主要進行興建陸地上的工業(yè)設(shè)施和碼頭的建設(shè)，而基本沒有繼續(xù)開展吹填造陸工程。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)介紹與選取

圖2 監(jiān)測點分布情況Fig.2 Distribution of monitoring points

監(jiān)測數(shù)據(jù)來自2002～2016年14 a間天津港基礎(chǔ)控制網(wǎng)復(fù)測成果，該成果由國家測繪局第一大地測量隊每隔2 a按三等水準(zhǔn)測量施測所得，滿足三大港區(qū)地面沉降分析數(shù)據(jù)精度要求[7-10]。

根據(jù)控制點觀測連續(xù)性和分布均勻性，共篩選86個三等水準(zhǔn)點，其中北疆港區(qū)33個，南疆港區(qū)24個，東疆港區(qū)29個，監(jiān)測點分布情況如圖2。從圖中可以看出，水準(zhǔn)控制點均勻分布在天津港，可以對天津港北疆、南疆、東疆三大港區(qū)進行完整且全面的地面沉降監(jiān)測。

3 監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計

把經(jīng)過篩選的監(jiān)測點數(shù)據(jù)按每2 a進行地面沉降量以及累計沉降量統(tǒng)計，其中有部分監(jiān)測點由于工程施工或其他原因造成破壞，導(dǎo)致沒有連續(xù)的實測數(shù)據(jù)，故未對各港區(qū)各監(jiān)測點的平均累計沉降量進行統(tǒng)計和比對。

3.1 北疆港區(qū)

北疆港區(qū)2 a最大平均沉降量為2010～2012年118.5 mm，2 a最小平均沉降量為2004～2006年10 mm，相差近110 mm，其余年份沉降量為40～70 mm，2004～2006年和2010～2012年出現(xiàn)了嚴(yán)重的不平衡沉降。經(jīng)統(tǒng)計，2 a最大沉降量點位為G006，在2010～2012年下沉224 mm；北疆港區(qū)2002～2016年整體年平均沉降速率為27.9 mm/a。

3.2 南疆港區(qū)

南疆港區(qū)在吹填造陸前后存在明顯不同的地面沉降規(guī)律，以2008年為界線，2002～2004年，南疆港區(qū)平均下沉了58.6 mm，2006～2008年，還出現(xiàn)了地面反彈上升趨勢，可能由起算點數(shù)據(jù)未及時更新、起算點沉降量大于港區(qū)所致，具體原因有待進一步研究證實；2008～2014年，南疆港區(qū)東部開展吹填造陸工程，期間年平均地面沉降量基本都超過了80 mm，而到2014～2016年，由于吹填造陸工程基本結(jié)束，且新建陸域已投入使用多年，造陸土層被逐漸壓實，導(dǎo)致其地面沉降量減少。經(jīng)統(tǒng)計，南疆港區(qū)2 a最大平均沉降量為2008～2010年88.8 mm；2 a最大沉降量點位為JM17，在2010～2012年下沉135 mm；南疆港區(qū)2002～2016年整體年平均沉降速率為23.2 mm/a。

3.3 東疆港區(qū)

吹填造陸后的東疆港區(qū)存在嚴(yán)重的地面沉降，累計地面沉降量基本都超過200 mm， DJG8的累計地面沉降甚至超過500 mm。2008～2012年，東疆港區(qū)年平均地面沉降量基本都超過了75 mm，到2014年，東疆港區(qū)的吹填造陸工程基本結(jié)束，且新建陸域已投入使用多年，造陸土層被逐漸壓實，其地面沉降量逐漸減少。經(jīng)統(tǒng)計，東疆港區(qū)2 a最大平均沉降量為2008～2010年156.1 mm；2 a最大沉降量點位為DJG7，在2008～2010年下沉341.2 mm；東疆港區(qū)2008～2016年整體年平均沉降速率為52.5 mm/a，且整體沉降量相對來說逐年趨緩，但2014～2016年又有加速沉降趨勢。

3.4 天津港三大港區(qū)

表1 天津港年平均沉降量統(tǒng)計表(兩年沉降量：S0)Tab.1 Average annual settlements of Tianjin Port (two years settlements: S0) mm

從表1中，可以看出：在2010～2012年，天津港兩年平均沉降量最大最不穩(wěn)定，為120.6 mm；2004～2006年，兩年平均沉降量最小，為2.6 mm；2012～2016年整體沉降速率趨于穩(wěn)定；天津港2002～2016年整體年平均沉降速率為28.4 mm/a。

4 沉降分析

4.1 地面沉降結(jié)果分析

圖3 三大港區(qū)年平均沉降速率圖Fig.3 Annual average settlement rate of the three major port

根據(jù)以上沉降統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對比分析各港區(qū)沉降關(guān)系。

從圖3中可以明顯看出，相較于其他年份，北疆港區(qū)在2004～2006年和2010～2012年出現(xiàn)了較大失衡的沉降，2004～2006年沉降明顯小于其他年份，2010～2012年沉降明顯大于其他年份。北疆港區(qū)是天津港的老港區(qū)，除2004～2006年和2010～2012年外，相對沉降穩(wěn)定，每年沉降約20～30 mm。南疆港區(qū)在2004～2008年出現(xiàn)了小幅上升，并且在2008年開始吹填造陸，沉降出現(xiàn)明顯加速；吹填造陸區(qū)沉降速率要大于非吹填造陸區(qū)，并呈現(xiàn)逐年接近非吹填造陸區(qū)沉降速率，差距越來越小，這符合實際情況，吹填造陸完畢后，隨著地基處理和水分蒸發(fā)引起的自然沉降的完成，兩者的沉降屬性將越來越一致。東疆港區(qū)在吹填造陸后的整體沉降趨勢，從2008～2012年前5 a間，年平均沉降速率非常大，達到了近80 mm/a，通過5 a左右的自然沉降，后面沉降開始變緩，年平均沉降速率降至30 mm/a左右。

通過對比北疆、南疆、東疆港區(qū)的年平均沉降速率，南北疆港區(qū)整體沉降趨勢和沉降速率相差不大，東疆港區(qū)由于是全新吹填造陸的港區(qū)，其沉降規(guī)律和速率呈現(xiàn)不一樣的特點，且已慢慢趨于穩(wěn)定。

圖4 天津港2002～2016年等沉速率 曲線分布圖Fig.4 Distribution of sinking rate curves of Tianjin Port from 2002 to 2016

4.2 不均勻沉降分析

由于各監(jiān)測點的觀測起始時間不一致，故不能用累計沉降量來分析不均勻沉降，故用年平均沉降速率代替累計沉降量進行不均勻沉降分析。根據(jù)年平均沉降速率繪制等沉速率曲線圖，如圖4。統(tǒng)計結(jié)果顯示，港區(qū)沉降最快的點為DJG7，該點在2008～2012年年均沉降135.5 mm，但在2012年后該點遭到破壞，未能進行后續(xù)監(jiān)測。除DJG7外，沉降速率最大的為DJG14，該點在2010～2016年年均沉降79.8 mm。

對港區(qū)各監(jiān)測點進行年均沉降速率區(qū)段統(tǒng)計，得到表2。從表中可以看到最小沉降速率區(qū)段0～10 mm/a的點數(shù)為3個，全為南疆港區(qū)，最大沉降速率區(qū)段70 mm/a及以上的點數(shù)為2個，全為東疆港區(qū)；港區(qū)66%的點沉降速率分布在20～50 mm/a區(qū)間，其中北疆港區(qū)76%的點沉降速率分布在20～50 mm/a區(qū)間，南疆港區(qū)71%的點沉降速率分布在10～40 mm/a區(qū)間，東疆港區(qū)76%的點沉降速率分布在40～70 mm/a區(qū)間；沉降速率分布在0～20 mm/a的點數(shù)共計12個，從點位分布來看，均位于碼頭前沿，由此可見，港區(qū)最穩(wěn)定的區(qū)域是碼頭，這是因為港區(qū)的碼頭一般都是深樁混凝土結(jié)構(gòu)。港區(qū)內(nèi)如果需進行建構(gòu)筑物和其他碼頭的精密沉降觀測工作，基準(zhǔn)點可以優(yōu)先選用這些相對來說最穩(wěn)定的點位，以獲得較為準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

從天津港2002～2016年等沉速率曲線圖，可以看到，東疆港區(qū)的整體沉降速率明顯大于北疆港區(qū)和南疆港區(qū)；東疆港區(qū)中部區(qū)域沉降大于四周，局部出現(xiàn)漏斗沉降；北疆港區(qū)北部區(qū)域沉降明顯大于南部老碼頭區(qū)，中部出現(xiàn)漏斗沉降；南疆港區(qū)的沉降速率整體由北向南逐漸增大，南部和東部吹填造陸區(qū)沉降明顯大于北部老碼頭區(qū)，中部道路堆場沉降均勻。

表2 天津港各監(jiān)測點年均沉降速率區(qū)段統(tǒng)計表Tab.2 Statistics of annual settlement rate of monitoring points at various monitoring points in Tianjin Port

5 結(jié)論

通過分析整理2002～2016年天津港基礎(chǔ)控制網(wǎng)復(fù)測成果，得到天津港北疆、南疆、東疆三大港區(qū)地面沉降結(jié)果，對比分析得到以下結(jié)論：

(1)2002～2016年，天津港年平均沉降速率為28.4 mm/a，其北疆港區(qū)為27.9 mm/a，南疆港區(qū)為23.2 mm/a，東疆港區(qū)為52.5 mm/a(2008～2016)；

(2)新吹填造陸的東疆港區(qū)整體沉降速率明顯大于北疆港區(qū)和南疆港區(qū)，北疆港區(qū)北部區(qū)域沉降明顯大于南部老碼頭區(qū)，南疆港區(qū)的沉降速率整體由北向南逐漸增大，南部和東部吹填造陸區(qū)沉降明顯大于北部老碼頭區(qū)，中部道路堆場沉降均勻；

(3)港區(qū)66%的點沉降速率分布在20～50 mm/a區(qū)間，有12個點沉降速率分布在0～20 mm/a，均位于碼頭前沿，故深樁碼頭區(qū)是港區(qū)最穩(wěn)定的區(qū)域。港區(qū)進行施工控制網(wǎng)聯(lián)測或建構(gòu)筑物沉降監(jiān)測的起算點/基準(zhǔn)點應(yīng)優(yōu)先選用碼頭前沿控制點。