（安全技术及工程专业论文）天津高速铁路地面沉降灾害及其防治对策研究.pdf

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合适的高铁沿线地下水限采带和禁采带宽度。以地面沉降灾害调查和数值模拟 结果为依据，提出适合天津市地面沉降发育的自然特征和社会环境特征的高速 铁路地面沉降灾害防治对策。 本文提出的高铁沿线地面沉降灾害影响分段和范围，建立的地下水水流模 型，为天津境内高速铁路地面沉降深入研究和灾害防治提供了基础资料和参考 依据。 关键词：高速铁路地面沉降地下水灾害调查g m s a b s t r a c t a b s t r a c t f o c u s e do np r o b l e m ss u c h 嬲p r e v e n t i n ga n dc o n t r o l l i n gt h eh i 曲s p e e dr a i l w a y l a n ds u b s i d e n c ed i s a s t e r s ，t h i sp a p e ri l l u s t r a t e dt h el a n ds u b s i d e n c ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eh i i g hs p e e dr a i l w a yp a s s i n gr e g i o n sf r o mt h et w oa s p e c t so fl a n ds u b s i d e n c e d i s a s t e ra n di t sd e v e l o p m e n t a lg e o l o g ya n dh y d r o g e o l o g yf e a t u r e si nt i a n j i n m e t r o p o l i s i na n a l y s i so ft h eq u a n t i t yr e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r o u n d w a t e re x p l o i t a t i o n a n di n t e n s i t yw i t hl a n ds u b s i d e n c ed e v e l o p m e n t ，i ts u g g e s t e dt h a tg r o u n d w a t e ro v e r e x p l o i t a t i o ni st h em a i nr e a s o nt ol a n ds u b s i d e n c ea l o n gt h eh i 曲s p e e dr a i l w a yl i n e ， s i m u l t a n e o u s l yf i n d i n go u tt h em a i ns u b s i d e n c el a y e ra n di t s s o i lm e c h a n i c s p a r a m e t e r s b a s e do n t h el a n ds u b s i d e n c ec h a r a c t e r i s t i ca n dm e c h a n i s mr e s e a r c h ，t h e l a n ds u b s i d e n c ed i s a s t e rs t a t u sa l o n gb e i j i n g - t i a n j i ni n t e r c i t yt r a n s i ta n di t se x t e n d e d l i n ea sw e l l 嬲b e i j i n g s h a n g h a ih i 曲一s p e e dl i n ew e r es u r v e y e di nd e t a i l ，a l s ot h e s u b s i d e n c es e r i o u sa r e aa n dg r o u n d w a t e re x p l o i t a t i o ns t a t u sa l o n gh i 曲s p e e d r a i l w a yl i n e w e r ea s c e r t a i n e d t r i a lm e t h o da n da u t o m a t i cp a r a m e t e ri t e r a t i v e p r o c e d u r ep e s to fg m s ( g r o u n d w a t e rm o d e l i n gs y s t e m ) w e r eu s e dt oe s t i m a t e h y d r o g e o l o g i c a lp a r a m e t e r so fe a c hl a y e ri ns t u d ya r e a , i n c l u d i n ge l a s t i ca n d i n e l a s t i cs p e c i f i cs t o r a g eo fa q u i f u g e ，e l a s t i cs p e c i f i cs t o r a g eo fa q u i f e r , t h e s ew e r e t h eb a s e m e n tt oc a l c u l a t et h ec o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o no fa q u i f e ra n da q u i f u g eu n d e r p u m p i n gc o n d i t i o n o nb a s i so ft h eh y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o ng e n e r a l i z a t i o n , a t w o d i m e n s i o n a l g r o u n d w a t e rf i n i t e d i f f e r e n c en u m e r i c a l c a l c u l a t i o nm o d e lw a s b u i l tu s i n gm o d f l o wm o d u l e o fg m sa n dc h a n g eo ft h ef u t u r eg r o u n d w a t e rl e v e l i nd i f f e r e n tl a y e r sa n dd i f f e r e n ty e a r sw a sm o d e l e du n d e rm o s te x p l o i t a t i o nq u a n t i t y o fo n ew e l l ，s u i t a b l ew i d t ho fl i m i ta n di n h i b i t o r ym i n i n gz o n ew a sd e t e r m i n e d a c c o r d i n gt ot h el a n ds u b s i d e n c ed i s a s t e ri n v e s t i g a t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s u l t s ，h i 曲s p e e dr a i l w a yc o u n t e r m e a s u r e s s u i t a b l ef o rn a t u r a la n ds o c i a l e n v i r o n m e n tf e a t u r e so f t i a n j i nl a n ds u b s i d e n c ed e v e l o p m e n tw e r es u g g e s t e d t h el a n ds u b s i d e n c ed i s a s t e ri n f l u e n c es e g m e n t a t i o na l o n gh i 曲s p e e dr a i l w a y s u g g e s t e da n dt h eg r o u n d w a t e rf l o wm o d e lb u i l ti nt h i sp a p e rw e r eh o p e dt op r o v i d e i i k e yw o r d s ：h i 曲s p e e dr a i l w a y ；l a n ds u b s i d e n c e ；g r o u n d w a t e r ；d i s a s t e rs u r v e y ； g m s l i l 目录 目录 第一章绪论1 第一节选题背景1 1 。1 1 地面沉降灾害及对高速铁路的影响1 1 1 2 天津境内新建、规划高速铁路2 1 1 3 研究目的及研究意义3 第二节研究内容及技术路线。4 1 2 1 研究内容4 1 2 2 技术路线5 第三节国内外研究现状5 第四节论文结构7 第二章天津市地面沉降发展历史与趋势8 第一节天津市地面沉降背景特征8 2 1 1 自然地理特征8 2 i 2 地质概况1 0 2 i 3 第四纪地质1 1 第二节含水层系统特征1 3 2 2 1 含水层组划分与含水组水文地质特征1 3 2 2 。2 地下水资源组成1 4 第三节地下水资源开发利用1 6 第四节天津市地面沉降历史1 8 第五节天津市地面沉降发展趋势2 2 第六节天津市地面沉降成因分析2 5 第三章天津市高速铁路地面沉降灾害调查2 8 i v 3 1 3 京沪高速铁路天津段沿线地下水开采状况调查3 3 第二节京津城际快速铁路3 6 3 2 1 京津城际快速铁路天津段概况3 6 3 2 2 京津城际快速铁路天津段沿线地面沉降状况3 7 3 2 3 京津城际快速铁路天津段沿线地下水开采状况调查4 2 第三节京津快速铁路延长线4 2 第四节津保、津秦城际铁路4 4 第五节结论4 7 第四章地层水文地质参数估算4 9 第一节目的和意义4 9 第二节方法和理论4 9 第三节模型构建5 0 第四节校核5 2 4 4 1 水位观测资料5 2 4 4 2 分层标监测资料5 3 第五节结果5 4 4 5 1 剖面水位变化5 4 4 5 2 地层水文地质参数5 6 第五章地面沉降数值模拟5 7 第一节地下水运动数学模型5 7 第二节地面沉降机理与数学模型5 7 5 2 1 地面沉降机理5 7 5 2 2 地面沉降的数学模型5 9 第三节模型构建与模拟6 2 v 目录 第六章高速铁路地面沉降防治对策6 8 第七章结论7 0 参考文献7 2 致谢。7 6 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果7 7 个人简介7 7 在学期间发表论文7 7 参与课题7 7 v i 铊 韶 融 盯 _ t 一 一 析 l r 一 一 分 建案果果构方结结型算算算模计计计 1 2 3 4 3 3 3 3 5 5 5 5 第一节选题背景 1 1 1 地面沉降灾害及对高速铁路的影响 地面沉降是一种由自然和人为因素引起的地面标高缓慢降低的环境地质现 象。天津市是我国地面沉降最为严重的地区，地面沉降范围广、沉降速率快、 灾害损失大。作为北方的经济中心和环渤海经济圈的中心，近几年天津市高速 铁路发展迅速。高速铁路对轨道坡度、桥梁结构变形、轨道平顺性等都有严格 要求【l 】，严重的地面沉降及其造成的灾害，可引起地层和桥梁结构变形【2 】，对铁 路沿线的路基铺筑、车辆运营及后期维修都将产生较大影响，严重威胁高速铁 路的安全运营。 地面沉降对高速铁路的影响主要表现在： ( 1 ) 区域地面沉降改变地面标高及原始线路坡度 地面沉降的影响直接表现为地面标高的降低及区域性的不均匀沉降，这种 表现已经被大量的监测数据所证实。同时，沉降区内不同部位沉降速率和幅度 均有所不同，即地面沉降在宏观上是不均匀的，所以高速铁路沿线不同段落地 面沉降幅度也是不同的，导致原始线路坡度改变，威胁轨道交通安全1 3 j 。 ( 2 ) 不均匀沉降影响工程结构稳定性及轨道平顺性 由于地面局部的不均匀沉降，会使已建成的轨道设施布局标高明显下降， 特别是在转弯和高架轨道的车辆运行时，易造成脱轨，给旅客安全造成很大威 胁。这种情况的几率虽然很低，但也不容忽视。因此，土建( 车站、区间隧道) 完成后，铺轨时要进行调限调坡设计，根据对不均匀沉降或施工误差的实地测 量结果，对限界和线路平面、纵断面进行适当调整，以满足规范和安全行车需 要。 2 0 0 5 年3 月，国务院审议并原则通过环渤海京津冀地区、长江三角洲地 区、珠江三角洲地区城际轨道交通网规划，其中环渤海京津冀地区城际轨道 交通网规划( 2 0 0 5 2 0 2 0 年) 提出，为适应环渤海京津冀地区旅客运输需求 快速增长的需要，缓解区域交通运输紧张状况，推进城镇化和经济一体化的进 程，建设以北京为中心，以京津为主轴，以石家庄、秦皇岛为两翼的城际轨道 交通网络，覆盖京津冀地区的主要城市，基本形成以北京、天津为中心的“两 小时交通圈。到2 0 2 0 年，京津冀地区城际轨道交通总里程达到7 1 0 公里，线网 布局满足区域经济社会发展要求，主要技术装备达到国际先进水平。 天津是华北地区重要的铁路枢纽，除原有的津浦铁路、京山铁路外，有建 成运营的京津城际快速铁路，在建的有京沪高速铁路、津秦客运专线、津保铁 路、环渤海城际铁路、曹西联络线等( 如图1 1 ) 。 图1 1 天津铁路枢纽总平面布置示意图 2- 第一章绪论 京津城际快速铁路于2 0 0 7 年1 2 月1 6 日上午全线贯通，2 0 0 8 年8 月1 日 正式开通运营，该线由北京永乐新城接入天津市境内。天津段西起武清区大王 古庄乡利尚屯村( 东经1 1 6 0 4 9 ，北纬3 9 0 3 5 ) ，途经杨村镇、北辰区、河北区至 天津站( 东经1 1 7 0 1 2 ，北纬3 9 0 8 ) ，段落全长6 7 公里。京津城际延长线从天津 站引出，直达滨海新区的塘沽站，按照高速列车的运行标准进行建设，全长 3 9 k m 。 京沪高速铁路于2 0 0 8 年4 月1 8 日开工建设，该线路从北京南站出发终止 于上海虹桥站，总长度1 3 1 8 公里，计划2 0 1 1 年年底投入运营。京沪高速铁路 是中长期铁路网规划中投资规模最大、技术含量最高的一项工程，也是我 国第一条具有世界先进水平的高速铁路。 京沪高铁桥梁长度约1 1 4 0 k m ，占正线长度8 6 5 ；全线铺设无砟正线约 1 2 6 8 k m ，占线路长度的9 6 2 。京沪高铁在天津境内全部是高架桥，天津特大 桥是京沪高铁中的一段，北起廊坊，途经天津市武清区、西青区等，止于沧州 市青县境内，全长共n 3 6 9 公里，沿线是经济较发达而又人多地少的地区。 津保城际铁路起自天津西站，经霸州终至河北保定，全长1 4 8 公里，设计 速度为2 5 0 k m h ，建成后滓保间运行时间可缩短至4 0 分钟。该线建设可连接京 广、京九、京沪铁路，与再建的京石客专、京沪高铁、津秦城际和已建的京津 城际相连，加强了京津冀地区的城际交流联系，预计2 0 1 4 年建成通车。 津秦铁路客运专线自2 0 0 8 年1 1 月8 日开工建设，由天津站引出，经天津 滨海新区、唐山、北戴河引入秦皇岛站，正线全长2 6 1 2 公里，设计时速3 5 0 公里，设车站7 座，其中天津境内6 9 1 公里，天津段新建滨海站、滨海北站。 全线设计桥梁与隧道总长度占线路总长的6 7 6 ，其中新建隧道1 4 座，新建特 大桥2 5 座。建成后的津秦铁路客运专线北连秦沈客运专线，西连京津城际铁路， 南接在建的京沪高速铁路，建成后可以形成贯通东北与华北、华东、中南地区 快速客运通道。 1 1 3 研究目的及研究意义 地面沉降是在自然和人为因素作用下，由于地壳表层土体压缩而导致区域 性地面标高降低的一种环境地质灾害现象吲，是一种难以恢复的人为地质灾害， 具有成生缓慢、持续时间长、影响范围广、成因机制复杂和防治难度大等特点。 3 5 0 多个国家和 0 0 个城市发生 了地面沉降，成为制约我国社会、经济可持续发展的重要灾种。 天津市是我国地面沉降最为严重的地区，地面沉降发展范围广、沉降速率 大。天津是华北地区重要的铁路枢纽，是中国铁路密度最大的地区。铁路建设 对地基不均匀沉降要求高，特别是高速铁路对轨道坡降要求极高，高速铁路沿 线地面沉降灾害对路基铺筑、车辆运营将产生较大影响，是影响铁路顺利建设 和安全运营的一项重要因素。 目前已建的京津城际快速铁路天津段及延长线，在建的京沪高速铁路等铁 路沿线地区，是天津市地面沉降灾害发生区，最大沉降速率( 武清区城关镇) 超过l o o m m a 。地面沉降对铁路建设运营尤其是无砟轨道高速铁路都将是灾难 性影响。目前世界上运营的高速铁路，地面沉降都是引起故障的重要因素。地 面沉降容易造成轨道的扭转变形、坡度变化等，因此，在铁路设计、土建和铺 轨时，都要依据地面沉降状况进行调限调坡设计，根据对不均匀沉降或施工误 差的实地测量结果，对限界和线路平面、纵断面进行适当调整以满足规范和行 车需要，保证铁路行车安全。 为保障区域经济的快速稳定发展及高速铁路安全运营，基于此目的开展高 速铁路枢纽地面沉降机理、现状、发展趋势及防治对策研究，对高速铁路工程 选线设计及运营维护具有重要意义。 本论文通过全面调查、分析天津市境内已建、在建高速铁路区域地面沉降 发生的历史、现状及发展趋势，确定地面沉降的分布范围、发育规模及地表不 均匀变形程度，运用地下水数值模拟软件g m s 建立铁路沿线地下水运动模型， 预测其地面沉降发展趋势，提出有针对性的防治措施和对策。 1 2 1 研究内容 第二节研究内容及技术路线 论文主要包括四个方面的内容。 ( 1 ) 研究天津市行政区范围高速铁路通过区地面沉降基本特征。包括两个 方面，第一，高速铁路通过区地面沉降灾害研究，阐明地面沉降灾害发展历史、 4 面沉降发育的地质和水 性特征等。 ( 2 ) 地面沉降机理研究。研究地下水开采与地面沉降关系，建立高速铁路 通过区地下水开采量值、强度与地面沉降发展的数量关系。查明主要沉降层位 以及沉降地层系统岩土力学参数。预测不同情景下地面沉降严重区发展趋势。 ( 3 ) 高速铁路沿线地面沉降灾害现状调查。主要是对京津城际及延长线、 京沪高铁沿线地面沉降灾害的调查，查明高铁沿线地面沉降影响分段，地面沉 降严重区分布，地下水开采状况。 ( 4 ) 高速铁路地面沉降灾害防治对策研究。提出适合天津市地面沉降发育 的自然特征和社会环境特征的的高速铁路地面沉降灾害防治对策。 1 2 2 技术路线 本研究技术路线和研究方法可概括为：文献调查、野外调查、统计分析、 数值模拟、类比分析。( 1 ) 文献调查，系统收集研究地区详细的地下水开采历 史资料，水文、地质资料。高速铁路地面沉降灾害研究资料；( 2 ) 野外调查， 铁路沿线一定范围内的地下水开采情况、地面沉降情况进行实地野外调查。( 3 ) 数值模拟与统计分析，利用数值模拟软件与专门工具，建立多种地面沉降模型， 用于机理研究和沉降预测。( 4 ) 类比分析，城市发生地面沉降，在全世界具有 普遍性。1 8 9 1 年，这一现象首先在墨西哥首都墨西哥城被发现。1 0 0 多年来， 墨西哥城地面沉降的速度不断加快，如不及时采取措施应对，后果将不堪设想。 分析国外地面沉降灾害防治经验，与天津市实际情况进行类比，制定科学合理 的防治对策。 第三节国内外研究现状 地面沉降是国内外都十分关注的复杂的环境地质问题，与突发型地质灾害 相比，地面沉降是不易被人们觉察的缓发型灾害，但它却具有易发性、累进性、 不可逆等特剧5 1 ，地面一旦下沉就很难或不可能复原。 目前，世界上已有5 0 多个国家和地区发生地面沉降，代表性的国家和地区 有墨西哥的墨西哥城，美国的长滩、休斯敦和意大利的波河三角洲，英国伦敦， 5 德国北部沿海地区，匈牙利的德布勒森，委内瑞拉德马拉开波湖周围地区，俄 罗斯的莫斯科，泰国曼谷，新西兰怀拉基，越南河内，印度尼西亚的雅加达， 澳大利亚的特拉罗布谷，日本的东京、大阪、新泻等。我国在1 9 2 1 年上海出现 地面沉降以来，至今已经有9 6 个城市和地区发生不同程度地面沉降。代表性地 区有浙江宁波、嘉兴，江苏的苏州、无锡、常州，河北的沧州、唐山，山东济 宁，安徽阜阳，山西大同，河南郑州，台湾的台北、屏东，陕西西安，天津及 北京等。虽然地面沉降现象在1 9 世纪末2 0 世纪初就已经被人们所发现，但直 到1 9 3 6 年，墨西哥的j a g u e v a s 和英国的l o n g f i e l dt e 发表了墨西哥城的 地面沉降问题和伦敦地面沉降论文后，地面沉降才受到国际社会的广泛 关注【6 j 。随着社会、经济的发展和都市化程度的提高，地面沉降日趋明显，自 2 0 世纪中期开始地面沉降研究工作受到普遍重视。1 9 6 5 年联合国提出的国际水 文十年调研项目就包括该专题，1 9 7 5 年又继续作为联合国国际水文计划项目由 于过度开发产生的地面沉降地下水评估和环境效应研究进一步研究【7 j 。 为加强各国对地面沉降研究的学术交流，由联各国教科文组织、国际水文科学 协会等团体发起，曾分别于1 9 6 9 、1 9 7 6 、1 9 8 4 、1 9 9 1 、1 9 9 6 和2 0 0 0 年在日本 的东京、美国的阿纳海姆、意大利的威尼斯和美国的休斯敦、荷兰海牙和意大 利拉韦纳召开了第一、第二、第三、第四、第五和第六届地面沉降国际讨论会。 我国曾分别于1 9 6 4 、1 9 8 0 、1 9 8 8 、1 9 9 0 、1 9 9 8 、2 0 0 2 和2 0 0 5 年在上海和天津 召开了7 次全国性地面沉降学术讨论会【8 】，交流了成果，总结了经验，推动了 地面沉降研究工作的进展。 我国在地面沉降对高速铁路工程的影响研究方面，祈彪结合京沪高速铁路 北京至济南段沿线地面沉降情况，采用统计分析方法对铁路沿线各段的地面沉 降的幅度、速率及线路坡度的改变进行了计算和预测，并参考有关规范标准计 算分析了不均匀沉降对高速铁路坡度、桥梁、路基及轨道平顺性的影响。就高 速铁路的运营可能对地面沉降产生的影响进行了讨论【l j 。 李国和、刘培元等就华北平原的地面沉降可能对高速铁路的影响进行了研 究分析。刘培元着重分析了沧州地区地面沉降的原因、现状、规模，根据现有 数据预测了至2 0 1 0 年该地区的地面沉降发展趋势，并分析了其对铁路工程的危 害程度，提出了严格控制地下水开采，加强边坡防护等防治措施【9 l 。 李国和、孙树礼等通过离心模型试验研究了水井抽水引起地面不均匀沉降 变形的机理和发展规律，在此基础上进一步研究了地基不均匀沉降的发展对不 6 第四节论文结构 本文首先介绍了天津市地面沉降发展的历史与趋势，分析了天津市地面沉 降的成因。在此基础上对天津市境内高速铁路沿线区域地面沉降灾害进行调查 分析，详细论述了京津城际轨道交通工程及延长线、京沪高速铁路天津段沿线 地面沉降严重区段及影响范围。在分析相应地下水开采状况、地面沉降机理及 沿线水文地质条件的基础上，运用g m s 软件进行地层水文地质参数估算，进 而建立地下水运动的二维有限差分模型，模拟了现状开采量条件下各含水层水 位动态变化状况。最终确定合适的高铁沿线限采带和禁采带宽度，提出适合天 津市的高速轨道交通工程天津段沿线地面沉降防治对策建议。 7 第二章天津市地面沉降发展历史与趋势 第二章天津市地面沉降发展历史与趋势 第一节天津市地面沉降背景特征 2 1 1 自然地理特征 ( 1 ) 地理位置。天津市地处华北平原东北部，海河流域的下游，东临渤海， 北依燕山，地理坐标介于北纬3 8 0 3 3 5 7 ” 4 0 0 1 4 5 7 ”，东经1 1 6 0 4 2 0 5 ”1 1 8 0 0 37 3 1 之间，市域面积约1 1 7 6 0 2 6 平方公里，疆域周长约1 2 9 0 8 公里，海岸线长1 5 3 公里，陆界长1 1 3 7 4 8 公里u 州。北与首都北京毗邻，距北京1 2 0 公里，是拱卫 京畿的要地和门户。东、西、南分别与河北省的唐山、承德、廊坊、沧州地区 接壤。对内腹地辽阔，辐射华北、东北、西北1 3 个省市自治区，对外面向东北 亚，是中国北方最大的沿海开放城市。 ( 2 ) 地势。天津市总的地势北高南低，由北向南和自西北向东南逐渐降低， 递次低向渤海。天津市按地势特征可分为四个部分。一为山地，分布在蓟县北 部，海拔在2 0 0 m 以上；中低山主要分布在蓟县东北部与遵化、兴隆两县接壤 处，最高峰为蓟县山区九山顶，海拔为1 0 7 8 5 m ，2 0 0 8 0 0 m 间的低山分布较广。 二为丘陵，海拔在2 0 0 m 以下，相对高度5 0 , - , l o o m ，分布在燕山南侧，介于山 地与洪积、冲洪积倾斜平原之间，广泛分布在蓟县城北，在于桥水库以南尚有 低缓丘陵分布，于桥水库以东为山间盆地，地势由北东向南西微倾，内有多处 岩溶残丘。三为平原，分布在山区以南广大地区，包括分布于蓟县山前的海拔 1 0 5 0 m 的冲积洪积倾斜平原，海拔在l o m 以下的洪积冲积平原和冲积平原； 海拔在5 m 以下的冲积、海积低平原，海拔为l 3 m 的海积低平原。四为海岸带， 为特大高潮线以下的地区【l l 】。 ( 3 ) 地貌。天津市在地貌上处于燕山山地向滨海平原的过渡性地带，北部 山区属燕山山地，南部平原属华北平原的一部分，东南部濒临渤海湾。总的地 势北高南低，由北部山地向东南部滨海平原逐级下降，最高峰为蓟县九山顶， 海拔1 0 7 8 5 m ，最低处为滨海带大沽口，海拔为零。西部从武清永定河冲击扇 尾部向东缓缓倾斜，南从静海南运河大堤向海河河口逐渐降低，地貌形态呈簸 8 第二章天津市地面沉降发展历史与趋势 箕状。新构造运动使山区不断隆起上升，形成了以剥蚀为主的山地地貌，平原 地区新生态以来大面积缓慢下降，接受巨厚的松散沉积【1 1 1 。 根据地貌基本形态和成因类型，将天津划分出山地丘陵、堆积平原、海岸 潮间带三个大的形态类型区和八个次级成因形态类型，如图2 1 所示。 图2 1 天津市地貌图 ( 5 ) 水系及流域。天津位于海河流域下游，是海河五大支流南运河、北运 9 第二章天津市地面沉降发展历史与趋势 河、子牙河、大清河、永定河的汇合处和入海口，素有“九河下梢”、“河海 要冲之称。流经天津的一级河道有1 9 条，总长度为1 0 9 5 1 公里。还有子牙 新河、独流减河、马厂减河、永定新河、潮白新河、还乡新河6 条人工河道， 总长度为2 8 4 1 公里。二级河道有7 9 条，总长度为1 3 6 3 4 公里，深渠1 0 6 1 条， 总长度为4 5 7 8 公里。天津还多次引黄济津，并有一定数量的地下水。 ( 6 ) 降雨量。天津市属温带半湿润大陆性季风气候，多年平均降水量约为 6 0 0 m m ，降水量在时空分布上变化较大。一是年内各季降水分配不均，夏季6 、 7 、8 三个月占年降水量的7 5 以上。二是年际变化较大，丰水年和枯水年降水 量相差达3 4 倍，且多集中暴雨。1 8 9 0 年降水量曾达1 2 2 1 9 m m ，1 9 2 0 年只有 2 6 9 5 m m 。三是地区分布不均，在地域分布上自北东向南西，由山区向平原递 减，由7 0 0 多r a i n 减至5 5 0 多m m i j 。 2 1 2 地质概况 天津处于燕山纬向构造体系与新华夏构造体系的交接部位，属燕山纬向构 造体系的南亚带，与新华夏构造体系的分界线大致在北纬3 9 0 2 0 附近宝坻至丰 南一线，以北主要为纬向构造地段，以南主要是新华夏构造体系发育地区。根 据传统构造地质学观点，结合板块构造理论，结合天津市区域地质志及中 国石油地质志( 卷五华北油田) 的资料，将天津市构造单元划分为两个二级构 造单元燕山台褶带和华北断坳；4 个三级构造单元：蓟宝隆褶、沧县隆起、冀 中坳陷、黄骅坳陷；1 5 个四级构造单元【l l 】，如图2 2 所示。 地层方面，天津大部分被新生界沉积覆盖，下伏地层有上元古界长城系、 蓟县系、清白口系，下古生界寒武系、奥陶系。古生界石炭系、二选系，中生 界侏罗系。晚白垩世以后，进入喜马拉雅构造，经历了古近纪断陷期和新近纪 第四纪坳陷期两个发展阶段。古近纪断陷期形成内陆近海河湖相暗色含油地层， 分布在断陷区，最大厚度超过2 5 0 0 m 。新近纪第四纪坳陷期使天津平原区持续 沉降，陷入更为广阔的坳陷之中。新近系为一个大旋回地层。下部的馆陶组为 粗粒段，除局部隆起的高部位缺失外，均有分布。中部明化镇组下段为细粒段， 以泥岩为主，局部夹粉细砂岩。上部的名化镇组上段为粗断。 1 0 第二章天津市地面沉降发展历史与趋势 2 1 3 第四纪地质 图2 2 天津市地质构造单元分区图 第四纪以来形成一套以河流相和洪泛平原相为主，夹海相堆积的砂、泥质 松散沉积。华北平原各省市以往水文地质工作对第四系划分年代不一致。本项 目采用华北平原第四系结构研究专题对华北平原第四纪地层进行了统一划 分的结果，以古地磁松山与高斯期界限( m g 界限，2 6 0 m a ) 作为第四纪下限。 同时，以0 7 8 m a 、o 1 2 8 m a 、1 0 3 k a 分别作为中更新统、上更新统、全新统下 限年龄，各时代地层情况具体如下。 1 下更新统杨柳青组( q p l y ) 底界埋深2 3 0 , - - 4 6 2 m ，整合或假整合于新 近系名化镇组之上，厚7 0 , - - , 2 2 0 m 。沉积物以泛滥河流相、河间泛滥盆地相及湖 相为主，见含海相瓣鳃类碎片的海侵层，是一套粘土、砂质粘土和中细砂的复 深1 5 1 2 0 4 m ， 厚9 0 1 2 0 m 。沉积物以泛滥河流相和河间泛滥盆地相为主，中东部地区见两个 海侵层，上部海侵层较下部海侵层范围大，岩性为粘性土与灰、浅灰、灰白色 细砂、粉砂互层，一般砂层总厚度大于粘性土总厚度。 3 晚更新统塘沽组( q p 3 t a ) 整合于佟楼组之上，底界埋深6 0 8 8 m ， 厚4 2 6 6 m 、沉积物以泛滥河流相为主，局部有湖沼相，含2 个海侵层。海侵层 向东靠海方向变厚、变深。岩性为灰黄、深灰、灰黑色粘土、砂质粘土与褐黄、 灰色、灰黑色细砂、粉砂互层，砂层多为透镜体。 4 全新统天津组( q h ) 整合于塘沽组之上，厚1 扯2 4 m ，按岩性岩相 变化分为三段。下段为河流相沉积，岩性主要为黄灰、褐灰、浅灰色粘土和砂 质粘土，局部夹粉砂，厚o - - 6 m 、中段分布在东部，以海侵层为主，厚6 - - 1 4 m ， 岩性主要为灰、灰黑色淤泥质粘土和灰色淤泥质砂质粘土，夹粉砂、上段为河 流相和湖沼相，厚0 5 5 m ，西厚东薄。岩性为深灰色淤泥质粘土和粉土。 天津市新生代地层特性如表2 1 所示。 表2 1 天津市新生代地层综合特征表 1 2 第二章天津市地面沉降发展历史与趋势 第二节含水层系统特征 2 2 1 含水层组划分与含水组水文地质特征 天津市地下水的形成和分布，在水平方向上，由燕山山地至渤海之滨，由 地下水的补给区到排泄区，形成一个完整的循环系统，这其中受地质构造和地 表水系的控制；在垂直方向上，形成了浅层地下水、深层地下水、裸露性岩溶 水、覆盖型隐伏岩溶水四个子系统，它们既有各自的边界条件和循环系统，又 有彼此内在的联系，并与地表水和相邻含水层系统存在互补关系。 第四系孔隙水分布广，厚度大，在水平和垂直方向上岩相变化复杂。在综 合前人成果的基础上，以地质分层为基础，依据埋藏条件、水质等水文地质特 征以及开发利用状况等，并考虑多年沿用习惯，将第四系含水层系统划分为四 个含水组。第1 含水组( 又称浅层水) ，为地表下第一含水层组，水力特性为潜 水、微承压潜水或浅层承压水，含水层底界深度一般在7 0 m 以内，地层时代为 全新统上更新统( i ，q 4 + 3 ) ，岩性结构为多种岩性相间结构或上细下粗的双层 结构，形成条件上参与现代水循环，接受降水补给和蒸发排泄，属浅层地下水 系统。包括浅层全淡水和浅层淡水两个含水亚组，咸水亚组介于第1 、i i 含水组 之间，浅层属浅层水，深部具深层水特性。深层地下水( 简称深层水) ，一般指 在有咸水区咸水体以下的深层淡水，在山前平原全淡水区，一般为5 0 , - - 7 0 m ，稳 定隔水层以下的地下水。深层水通常包括i i 、i i i 、含水组，第二含水组相当 于中更新统( i i ，q 2 ) ，底界深度在1 8 0 - - , 2 2 0 m ，第三含水组相当于下更新统上 段( i i i ，q ? ) ，底界深度2 9 0 3 l o m ，第四含水组相当于下更新统下段( i v ， q ：) ，底界深度3 7 0 , - - 4 3 0 m ，在隆起区尚包括部分新近系含水层。第1 i 、i i i 、 含水组属于深层地下水系统。在岩性结构上为以冲湖积为主的多层粗细相间结 构，以细粒砂和粘性土互层为主，水力特性为高水头承压水，形成条件上，由 于埋深较深，不直接参与现代水循环，补给条件较差，多为古沉积水，主要接 受微弱的侧向补给和上部含水层的越流补给，在开采量中，弹性采释水量和弱 透水层压密释水量占很大比重。 1 3 4 0 6 0 9 0 l1 5 2 5 0 3 0 0 4 5 0 5 0 0 ( 疆) 2 2 2 地下水资源组成 第一栩对含水层 第二栩对隔水层 第二榴对含水层 第互辎对隧承层 第互棚对含水层 第四栩对隔水层 第四栩对含水层 图2 。3 含水层组划分示意图 天津市地下水资源可分为浅层地下水资源和深层地下水资源两大部分，浅 层地下水指的是第一含水组地下水，其下部地下水均属于深层地下水资源。 研究区内浅层地下水包括平原区孑l 隙水第1 含水组以及山区裸露基岩地下 1 4 第二章天津市地面沉降发展历史与趋势 水，其补给量包括降水入渗量、河渠入渗量、灌溉入渗量；井灌回归量、侧向 径流补给量等，其中降水入渗补给量是最主要的补给量，约占总补给量的8 0 以上。天津市多年平均降水总量5 6 8 9 亿m 3 ，由于大部消耗于蒸发和蒸腾，仅 其中- - d , 部分补给地表水和地下水。全市浅层地下水总补给量1 6 4 8 亿m 3 a ， 其中山区1 3 8 亿m 3 a ，平原1 5 1 0 亿m 3 a ，其中矿化度小于2 9 l 的广义淡水补 给量7 0 2 亿m 3 a ，隐伏岩溶水接受境外上游地区补给量0 7 3 亿m 3 a 。 天然资源指扣除井灌回归量后的地下水补给量，通常只计算矿化度小于 2 9 l 的淡水和2 3 9 l 的微咸水的天然补给量。天津市矿化度大于3 9 l 的咸水 约占全市的4 9 1 。天然资源反映了补给资源和可利用程度，其与开采资源变 化