宿州市地面沉降防治工程措施

柳 青

宿州市水利局水政水資源管理辦公室,安徽宿州,234000

宿州市地面沉降防治工程措施

柳 青

宿州市水利局水政水資源管理辦公室,安徽宿州,234000

地面沉降發(fā)展較為緩慢,短期內(nèi)對生活影響不大。日積月累下,地面沉降超過一定的限度后,將破壞地下管道,鐵路、公路安全受到威脅,房屋傾斜,必將嚴(yán)重制約城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。鉆井勘探建立適合宿州市市情的基巖標(biāo)志,監(jiān)測地面沉降變化的數(shù)據(jù),實(shí)施地面沉降防治工程措施,可大大緩解地面沉降的幅度和范圍。對選取的基巖段進(jìn)行水泥砂漿固井,把井管作為基巖標(biāo),并且基巖標(biāo)建設(shè)可以實(shí)現(xiàn)對供水層水位與地面高程損失的同步監(jiān)測,達(dá)到防治工程的要求。以宿州市地面沉降為案例,討論了其防治工作的工程措施,以期為地面沉降防治工作提供參考。

宿州市;地面沉降;防治;工程措施;地下水

地面沉降是一種緩變性的地質(zhì)災(zāi)害,是地球表面的海拔標(biāo)高在一定時期內(nèi)不斷降低的環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象,是人類過量開采地下油、氣、水等資源,造成松散層固結(jié)壓縮所致[1]。宿州市城市供水主要開采松散層地下水,每年城西水源地開采量達(dá) 5 000多萬m3,現(xiàn)已形成多個地下水漏斗中心,局部地面沉降超過40 mm。主要供水水源地地處平原,距離山區(qū)遠(yuǎn),地面高程因不斷變化,測量缺少基準(zhǔn)點(diǎn),從市區(qū)北部山區(qū)引測距離遠(yuǎn),難度大,費(fèi)用高。

1 自然地理與地質(zhì)背景

宿州地區(qū)屬于暖溫帶半溫潤季風(fēng)氣候區(qū),氣候溫和,季風(fēng)明顯,雨熱同季,光照充足,雨量適中,無霜期長,四季明顯。區(qū)內(nèi)河流均屬于淮河水系,主要河流為新汴河,河流自西部流經(jīng)市區(qū),轉(zhuǎn)呈近東西向流出。工作區(qū)地形平坦,地勢開闊,除東北部散布有海拔 50～300 m的剝蝕丘陵外,其余均為海拔 20～50 m的廣闊平原。工作區(qū)地層屬華北地層大區(qū)徐淮地層分區(qū)淮北地層小區(qū),區(qū)內(nèi)除缺少奧陶系上統(tǒng)至石炭系上統(tǒng)、第三系漸新統(tǒng)外,自上元古界至第四系均有發(fā)育。市區(qū)第四紀(jì)松散堆積物分布廣泛,主要巖性為粘性土和砂性土,厚度 80～ 100 m,北薄南厚。

2 水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件

2.1 水文地質(zhì)條件

2.1.1 含水巖組及特征

根據(jù)地下水貯存介質(zhì)特征、含水孔隙的類型,將區(qū)域含水巖組劃分為三種基本類型:松散巖類孔隙含水巖組、碳酸鹽類裂隙巖溶含水組、碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組。

2.1.2 含水層組之間的水力聯(lián)系

區(qū)域北部、東部地區(qū)淺層含水層組和深層第一含水層組之間發(fā)育有較厚的粘性土隔水層,層厚14.15～30.6 m,水量聯(lián)系微弱。城西水源地含水砂層較發(fā)育,淺層含水層組和深層第一含水層組之間的粘性隔水層厚度僅 1.2～ 13.92 m,局部有天窗,水力聯(lián)系密切。由于深層第二含水層組上部為一套厚大約 20～50 m的灰綠色、灰白色、棕紅色粘土與深層第一含水層相隔,水力聯(lián)系弱[2]。

2.1.3 地下水變化特征

區(qū)域地下水受宿州市深層地下水開采影響,淺層地下水、深層地下水均表現(xiàn)為人工開采狀態(tài)下動態(tài)變化特征:(1)淺層地下水受深層地下水開采影響,形成北關(guān)一水廠、南關(guān)二水廠為中心的降落漏斗;(2)深層地下水受深層地下水開采影響,形成以北關(guān)一水廠、南關(guān)二水廠、東關(guān)三十三處為中心三個降落漏斗。

2.2 工程地質(zhì)條件

水源地開采深度范圍內(nèi)主要為粘性土和砂型土構(gòu)成的多層土體。根據(jù)其形成年代、地層巖性、固結(jié)程度、孔隙水壓力變化,將水源地 100以內(nèi)的土層劃分為 7個工程地質(zhì)層,各土層的主要物理指標(biāo)見表1。

表1 水源地工程地質(zhì)層及其主要物理力學(xué)指標(biāo)

3 地下水開采與地面沉降

3.1 地下水開采

宿州市大量開采地下水始于上世紀(jì) 80年代,主要集中于宿州市一水廠、二水廠及東關(guān)三區(qū)段,開采層位主要是深層含水層,由于開采量大,上世紀(jì) 80年代先后形成了以一水廠、二水廠及三十三工程處為中心的三個深層地下水降落漏斗。1995年以來,北關(guān)一水廠、南關(guān)二水廠、東關(guān)三十三處仍是地下水開采中心,三個地下水降落漏斗持續(xù)發(fā)展。2006年,宿州市西北新區(qū)的建成,北關(guān)一水廠關(guān)閉,北關(guān)一水廠地下水漏斗在逐漸消失,但對地下水開采量卻在持續(xù)增加,地下水水位也在持續(xù)下降[3]。

3.2 地面沉降情況

根據(jù)《安徽省宿州市水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境綜合詳查報告》中二等水準(zhǔn)測量結(jié)果,宿州市于上世紀(jì)90年代初已發(fā)生輕微地面下沉,截至到 1994年9月,宿州市城區(qū)及其附近地面累計沉降已超過 44.1 mm,年沉降速率(1993-1994年)超過 5 mm/a,但沉降范圍已超出了當(dāng)年的地下水漏斗邊界,且沉降幅度與粘性土層厚度,地下水位下降幅度相關(guān)性不強(qiáng),無規(guī)律可尋。

4 建立地下水監(jiān)測井與基巖標(biāo)

4.1 地段選擇

4.1.1 選擇原則

(1)選擇水源地中心地段,便于對整個水源地進(jìn)行監(jiān)測網(wǎng)、點(diǎn)布設(shè)。另一方面是水源地中心地段水位降幅大,地面變形大,開展地下水位、地面變形同步監(jiān)測,能夠準(zhǔn)確了解水源地最大水位變幅和最大沉降速率。

(2)選擇具有一定厚度的含水層段,以便構(gòu)筑監(jiān)測井。

(3)選擇基巖埋深不太深的地段,以便于構(gòu)筑基巖標(biāo)。

(4)選擇具有“三通(水通、電通、路通 )一平(地面平整)”施工條件的場地[4]。

4.1.2 工作部署

(1)通過對資料分析,確定水源地中心地帶;

(2)通過實(shí)地踏勘,查看場地施工條件,選擇“三通一平”場地;

(3)通過開展物探工作,尋找含水砂層較厚地段與基巖埋深較淺地段。

4.1.3 工作實(shí)施

通過對資料分析研究,確定水源地中心地段;通過數(shù)次踏勘,最終選定宿城一中作為施工場地。

宿城一中場區(qū)范圍內(nèi)松散層中粉細(xì)砂普遍發(fā)育,粉細(xì)砂與粘性土互層,具有多元結(jié)構(gòu),其場區(qū)東北角及南側(cè)粉細(xì)砂相對較為發(fā)育。

4.2 工程設(shè)計

4.2.1 總體設(shè)想

在資料研究和物探解譯的基礎(chǔ)上,圈定宜建設(shè)地段建井,100 m以淺沉井,對開采層段的地下水位進(jìn)行監(jiān)測,其下水泥砂漿固井,高強(qiáng)度鋼管深入基巖不少于5 m;井口鋼管磨平作為主標(biāo)頭,四周焊接三個副標(biāo)頭,主副標(biāo)頭保持在一個水平面。

4.2.2 設(shè)計依據(jù)

(1)《地下水監(jiān)測規(guī)范》 SL/T183-96;(2)《水文觀測標(biāo)準(zhǔn)》GBJ138-90;(3)《水文地質(zhì)鉆探規(guī)程》DZ/T0148-94;(4)《全球定位系統(tǒng)測量規(guī)范》GB/T18314-201;(5)《全球地定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程》CJJ73-97;(6)《地面沉降水準(zhǔn)測量規(guī)范》DZ/T0154-95;(7)《地面沉降監(jiān)測技術(shù)要求》DD2006-02;(8)《測繪產(chǎn)品質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)》CH1002-1995;(9)《測繪技術(shù)設(shè)計規(guī)定》CH1002-1999;(10)《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》GB50026-97[5]。

4.2.3 設(shè)計方案

按照國家相關(guān)規(guī)范要求,基巖標(biāo)構(gòu)建需采用雙層套管,內(nèi)層套管坐落在基巖上作為測量標(biāo)高,外層套管置于松散層中,隨地層壓縮下滑,保護(hù)內(nèi)層套管不受地層變化影響,確保基巖標(biāo)的精準(zhǔn)度。

因宿州市城區(qū)地下水開采層位在 120 m以內(nèi),松散層厚度在 220 m左右,地層壓力相對較小,基巖標(biāo)可采用 DZ40高強(qiáng)度單層井管構(gòu)建 120～ 250 m,采用鋼筋混凝土固井。該井管頂部磨平作為基巖標(biāo),可設(shè)三或四個副標(biāo)頭,同時可實(shí)現(xiàn)對地下水位進(jìn)行觀測。

4.3 可行性

該設(shè)計未完全滿足國家相關(guān)規(guī)范要求,但能夠達(dá)到基巖標(biāo)的效果,主要原因有:

(1)鋼管坐落在基巖上,并深入基巖 5～ 10 m,確保鋼管本身不會下沉,確保作為基巖表的精準(zhǔn)度;

(2)該地段基巖埋深淺,200～ 250 m,開采層段又在100 m以內(nèi),100 m以下鋼管、水泥、砂漿固井,地層壓力不至于造成井管變形、破壞;

(3)該地段巖土主要是中低壓縮性粘土、砂土,沒有淤泥軟土分布,不會出現(xiàn)像上海那樣的井管傾斜變形等現(xiàn)象[6]。因此,基于以上分析,監(jiān)測井兼基巖標(biāo)是可行的。

4.4 工作過程及工作質(zhì)量

4.4.1 工作過程

主要設(shè)備有:XY-4-4鉆井一套、BW-600泥漿泵一臺、30 kW發(fā)電機(jī)組一套;9 m3空壓機(jī)、QJ150-32-7.5-65深井潛水泵。施工采用泥漿正循環(huán)取芯鉆進(jìn),并根據(jù)地層情況確定終孔、成井、固井。第一階段取芯鉆探;第二階段擴(kuò)孔、下管、投濾料、封孔及固井;第三階段洗井及抽水實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備;第四階段抽水實(shí)驗(yàn)。

4.4.2 工作質(zhì)量

物探質(zhì)量:物探采用成熟技術(shù),重點(diǎn)對電測深異常點(diǎn)段進(jìn)行質(zhì)量檢查,均方相對誤差分別為2.28%、2.41%,滿足《直流電法技術(shù)工作規(guī)范》的要求。

鉆井質(zhì)量:鉆井安裝做到三點(diǎn)一線,嚴(yán)格按技術(shù)規(guī)范要求取芯取樣,施工工藝選擇正確,層位劃分準(zhǔn)確,滿足規(guī)范及設(shè)計要求。抽水實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格按設(shè)計、規(guī)范要求進(jìn)行,數(shù)據(jù)詳實(shí),成井質(zhì)量優(yōu)良。

5 結(jié)束語

宿州市城區(qū)水源地是維系宿州市城市建設(shè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障,宿州市西向發(fā)展戰(zhàn)略與城西水源地建設(shè)是矛盾的,一方面是城市建筑群加載和地下水位下降附加應(yīng)力將導(dǎo)致地面下沉,另一方面地下水污染問題難以克服。因此,開展地面沉降監(jiān)測預(yù)測、開展水源地建設(shè)與城市建設(shè)影響評估刻不容緩[7]。

基巖標(biāo)建設(shè)可以實(shí)現(xiàn)對供水層水位與地面高程損失的同步監(jiān)測,為宿州市城西供水水源地合理開發(fā)指明方向,為宿州市地面沉降提供科學(xué)依據(jù)[8]。

基巖標(biāo)施工僅僅是地面沉降防治的第一步,應(yīng)盡快建立沉降網(wǎng)絡(luò),定期開展測量,掌握地面滑降范圍和沉降速率等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),科學(xué)制定水源地開采方案和地面沉降防治方案。完善地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),建立降水-地表水-地下水三水轉(zhuǎn)換聯(lián)合監(jiān)測站,全面監(jiān)控地下水流場變化。

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P642.26

A

1673-2006(2013)10-0051-03

10.3969/j.issn.1673-2006.2013.10.015

2013-08-30

柳青(1962-),安徽靈璧人 ,工程師,主要研究方向:地下水資源評價、水資源管理以及地下水系統(tǒng)分析與控制。

(責(zé)任編輯:汪材印)