上海市第四承壓含水層變形特征研究

劉金寶

(上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海200072)

上海位于長江三角洲東南前緣，太湖流域下游，是長江三角洲沖積平原的一部分。區(qū)內(nèi)地勢平坦，第四紀(jì)松散土層發(fā)育，蘊(yùn)含豐富的地下水資源。區(qū)內(nèi)地下水主要賦存于松散巖類孔隙介質(zhì)中，按其地質(zhì)年代、水動(dòng)力條件和成因類型，可將松散巖類孔隙水劃分為各具特點(diǎn)的三大含水巖組，七個(gè)含水層(組)。分別為全新統(tǒng)潛水含水巖組，包括潛水含水層和微承壓含水層;中、上更新統(tǒng)承壓含水巖組，包括第一、二、三承壓含水層;以及下更新統(tǒng)承壓含水巖組，包括第四、五承壓含水層。其中第四承壓含水層由于其水量豐富、水質(zhì)優(yōu)良，是上海地區(qū)目前地下水開發(fā)利用的主要層次，對其變形規(guī)律的研究有利于更好地開展地下水資源管理及地面沉降防治工作。

1 第四承壓含水層結(jié)構(gòu)特征

上海第四承壓含水層為更新世泥河灣期(Qp1－3)河流相沉積物，主要受“瀏—南古河道”和“楓—奉古河道”兩條古河道的控制，在不同古氣候條件下，隨著古河道的擺動(dòng)，河床形成廣闊的含水砂層，除西部和西南部局部基巖突起區(qū)缺失外全區(qū)廣泛分布，陸域沿江一帶、金山楓涇、南匯蘆潮港第四承壓含水層上下兩層發(fā)育比較明顯，青浦西北部和奉賢西南部與上覆含水層溝通，存在一定的水力聯(lián)系。含水層層頂埋深一般為150～170 m，沿江、沿海以及島域?qū)禹斅裆钶^深，一般為180～200 m。巖性自上而下砂層顆粒逐漸變粗，以細(xì)砂、含礫中粗砂為主。

圖1 第四承壓含水層三維結(jié)構(gòu)模型

含水層在空間上分布不均，厚度一般為10～30 m，富水性一般為1 000～3 000 m3/d，導(dǎo)水系數(shù)一般為1 500～2 000 m2/d，古河道地區(qū)及含水層溝通區(qū)厚度達(dá)30～50 m，局部超過70 m，含水層溝通區(qū)富水性達(dá)到3 000～5 000 m3/d。水化學(xué)類型以HCO3－Na型淡水為主，僅在奉賢西南部和崇明島東南部存在零星Cl－Na咸水透鏡體。由于第四承壓含水層普遍水質(zhì)較好，是上?，F(xiàn)階段開采量最大的層次［1］。

2 地下水開采與地下水位、壓縮變形關(guān)系

長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，上海市第四承壓含水層地下水位、壓縮變形與地下水開采量具有一定的相關(guān)關(guān)系，按照地下水開采布局的變化大致可分為四個(gè)階段(圖2):

(1)自1968年采取調(diào)整地下水開采層措施后，第四承壓含水層開采量逐年增大，至1987年基本維持在6 000萬 m3以下，低水位保持在－7.0～－26.0 m之間，地下水位和地面沉降均呈現(xiàn)出典型的冬升夏降態(tài)勢，年殘余變形量一般小于3.0 mm;

(2)1987年以后第四承壓含水層地下水開采量急劇增加，至1996年增加至8 880萬 m3，季節(jié)性水位變化中，冬季水位上升值小于夏季水位下降值，水位總體在進(jìn)一步下降，相對應(yīng)含水層變形速率逐年增加，表現(xiàn)為高水位期含水層回彈逐漸減少、低水位期壓縮量增大，隨水位的進(jìn)一步降低而逐漸呈常年壓縮態(tài)勢，土層壓縮變形速率增大至11.2 mm，第四承壓含水層對中心城區(qū)地面沉降的貢獻(xiàn)率上升到49.3% 。

(3)自1998年加強(qiáng)了對超采區(qū)地下水開采量的壓縮以后，至2005年第四承壓含水層開采量壓縮至4498萬 m3，地下水位回升至－30 m左右，土層壓縮變形速率減小至4 mm，但第四承壓含水層仍表現(xiàn)為全年持續(xù)壓縮變形狀態(tài)。

(4)“十一五”以來隨著第四承壓含水層地下水開采量的大幅壓縮，至2013年壓縮至159萬m3，同時(shí)加強(qiáng)了地下水人工回灌，回灌量達(dá)489萬 m3，回灌量大于開采量，使第四承壓含水層地下水位加速回升至－20 m以上，土層壓縮變形速率明顯減小，甚至出現(xiàn)微量回彈。

圖2 第四承壓含水層地下水開采回灌量、地下水位和變形特征

3 第四承壓含水層變形特征

3.1 第四承壓含水層應(yīng)力應(yīng)變特征分析

伴隨著地下水開采布局的調(diào)整，第四承壓含水層地下水位相應(yīng)發(fā)生改變，在不同的應(yīng)力狀態(tài)下，第四承壓含水層壓縮速率存在較大差異，含水層表現(xiàn)出明顯不同的變形特征，由彈性變形→彈塑性→塑性變形→彈塑性變形→彈性變形，并且在土體變形過程中伴隨著流變現(xiàn)象(圖3)。

圖3 第四承壓含水層應(yīng)力－應(yīng)變曲線

以楊浦區(qū)國棉十七廠F6分層標(biāo)組為例，土體變形各階段與地下水位狀態(tài)表現(xiàn)出密切的內(nèi)在聯(lián)系。上世紀(jì)90年代以前地下水位基本保持穩(wěn)定，第四承壓含水層變形表現(xiàn)為與地下水位動(dòng)態(tài)變化基本同步的周期性夏沉冬升，每年僅有很小的殘余變形，應(yīng)力應(yīng)變曲線為一系列近似閉合的回滯環(huán)，為典型的彈性變形狀態(tài)。

80年代末期隨地下水位進(jìn)一步下降，當(dāng)?shù)叵滤唤档椭燎捌诠探Y(jié)壓力對應(yīng)水位，即臨界水位［2］時(shí)(－20～－25 m)，應(yīng)力－應(yīng)變曲線由閉合應(yīng)變回滯環(huán)向尖峰谷狀應(yīng)變軌跡轉(zhuǎn)變，土體表現(xiàn)為彈性變形向塑性變形過渡。伴隨著水位的進(jìn)一步降低，含水層此時(shí)承受的附加應(yīng)力已超過了其前期固結(jié)壓力，應(yīng)力－應(yīng)變曲線表現(xiàn)為在地下水位季節(jié)性波動(dòng)過程中持續(xù)壓縮的波浪式應(yīng)變路徑，當(dāng)水位季節(jié)性回升時(shí)，土層持續(xù)壓縮或僅有微量回彈，土層不僅存在殘余變形，而且存在隨時(shí)間而發(fā)展的流變變形，含水層變形具有顯著的粘彈塑性特征。

1998年以后伴隨地下水開采量的壓縮，第四承壓含水層地下水位開始逐步回升，土層壓縮變形速率相應(yīng)減小，但由于土體的流變變形大于水位上升引起的土層回彈，含水層總體仍表現(xiàn)為持續(xù)壓縮，應(yīng)力應(yīng)變曲線仍舊表現(xiàn)為尖峰谷狀的波浪式應(yīng)變路徑，但周期長度(沉降速率)減小，含水層由粘彈塑性變形向粘彈性變形轉(zhuǎn)變［4～5］。

“十一五”期間伴隨地下水開采量進(jìn)一步壓縮，地下水位加速上升，含水層逐漸向以彈性變形為主的方向過渡，應(yīng)力應(yīng)變曲線向前期彈性變形時(shí)期的卸荷曲線形式轉(zhuǎn)變，含水層表現(xiàn)為微量的回彈。

同樣分析其他地區(qū)有較長時(shí)間序列(20 a以上)觀測資料的分層標(biāo)組(如北新涇F1、勞動(dòng)公園F3、雙陽中學(xué)F4、面粉廠F10、政法學(xué)院 F12、浦東高化F13、浦東塘橋 F16、吳涇電化廠F17、浦東金橋F21、金山朱涇F28等分層標(biāo)組)第四承壓含水層變形和相應(yīng)水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，所得分析結(jié)果與F6分層標(biāo)的分析結(jié)果基本類似，說明上述關(guān)于第四承壓含水層層變形特征的分析結(jié)果在上海地區(qū)具有一定的普遍性。

3.2 第四承壓含水層變形機(jī)理探討

基于上述分析對上海市第四承壓含水層變形機(jī)理進(jìn)行探討，認(rèn)清含水層壓縮變形本質(zhì)。含水砂層的彈性變形主要由季節(jié)性低水位階段固體顆粒骨架間空隙減小、高水位期孔隙水壓力增大而使顆粒骨架間隙擴(kuò)大而表現(xiàn)出來。含水砂層由彈性變形向塑性變形轉(zhuǎn)變的過程中，含水層變形已不僅僅表現(xiàn)為顆粒骨架孔隙彈性的壓縮與回彈，顆粒排列方式已開始出現(xiàn)重新調(diào)整的趨勢。原來處于平衡狀態(tài)的砂土中存在大小不等的孔隙，當(dāng)含水層承受的附加應(yīng)力已超過其前期固結(jié)壓力，在荷載作用下顆粒接觸面上的剪應(yīng)力增加，顆粒沿接觸面產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)滑移，土顆粒首先充填到較大的孔隙中，大孔隙被充填后土粒運(yùn)動(dòng)空間減小、移動(dòng)的剪阻力增加，土粒的滑移速率減小，因此土粒達(dá)到新的平衡需要一定的時(shí)間;另外，在荷載作用下粒間接觸力增加，可導(dǎo)致部分土顆粒破碎，破碎形成的細(xì)小顆粒填充到土的孔隙中，顆粒位置重新調(diào)整。這兩種變形都是不可恢復(fù)的，且均表現(xiàn)出一定的時(shí)間相關(guān)性。

上海市第四承壓含水層的砂土為第四紀(jì)河流相沉積物，礦物成分主要為石英，呈粒狀，磨圓度好，依據(jù)上海第四承壓含水層砂土樣的壓縮試驗(yàn)資料，砂土壓縮表現(xiàn)出與時(shí)間的相關(guān)性(圖4a－b)，且試驗(yàn)前后粒度分析表明試驗(yàn)砂土樣的粒度成分幾乎沒有改變(圖4c)，說明上海砂土流變的原因主要是顆粒間的相互錯(cuò)動(dòng)滑移，而不是顆粒的破碎。在荷載作用下砂土顆?；瓶炻龥Q定變形速率，在大荷載增量作用下，顆粒運(yùn)動(dòng)速度快，大部分變形在荷載施加后的很短時(shí)間內(nèi)完成，此后隨時(shí)間增加的變形較小，而與一般建筑加載相比，抽取地下水引起土層中有效應(yīng)力的變化要緩慢得多，這就使得長期抽水引起的砂土層的變形表現(xiàn)出顯著的時(shí)間相關(guān)性，具體表現(xiàn)為隨水位的抬升在一定時(shí)期內(nèi)第四承壓含水層仍表現(xiàn)為持續(xù)壓縮，只有在土體流變趨向于收斂后才表現(xiàn)為一定的回彈。

圖4 第四承壓含水層砂土單軸壓縮變形試驗(yàn)

4 結(jié)語

上海市第四承壓含水層經(jīng)過長期的地下水開采，其變形特征十分復(fù)雜，與其地下水位的變化密切有關(guān)，在不同時(shí)期地下水位變化模式下表現(xiàn)出不同的變形特征:1968—1987年地下水位處于相對穩(wěn)定期，呈季節(jié)性升降趨勢，總體高于臨界水位，第四承壓含水層以彈性變形為主;1987—1998年地下水位總體呈下降趨勢，當(dāng)?shù)叵滤坏陀谂R界水位時(shí)，第四承壓含水層以塑性變形為主，還包含流變，為粘彈塑性變形;1998年以后，水位總體呈上升趨勢，當(dāng)土層流變趨向于收斂后，第四承壓含水層以彈性變形為主。

［1］吳建中，俞俊英，李曉，等.上海地區(qū)第四承壓含水層沉積環(huán)境及結(jié)構(gòu)特征［J］.上海地質(zhì).2009(1):50～53.

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