天津?yàn)I海新區(qū)抽水引起地面沉降現(xiàn)場試驗(yàn)研究

主 燦，張 云，何國峰，孫 鐵

(1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

天津地面沉降最初發(fā)現(xiàn)于1923年，到2000年沉降中心最大累計(jì)沉降量為3.14 m，目前已形成了市區(qū)、海河下游地區(qū)及塘沽、漢沽等幾個沉降中心[1]，地面沉降問題相當(dāng)嚴(yán)重。造成地面沉降的原因有很多，例如新構(gòu)造活動引起的構(gòu)造沉降、欠固結(jié)地層的固結(jié)壓密、地下水和油氣的開采、地?zé)崂靡约肮こ探ㄖ鸬耐馏w變形等[2]，其中過量開采地下水是引起天津地區(qū)地面沉降的主要原因[3]。抽取地下水會導(dǎo)致土層中孔隙水壓力減小、有效應(yīng)力增加，原先由孔隙水承擔(dān)的部分荷載轉(zhuǎn)移由土骨架承擔(dān)，使土層壓縮變形，從而導(dǎo)致地面沉降的發(fā)生[4]。天津市從1986年開始采取減少地下水開采量、調(diào)整開采層次、人工回灌等措施以控制地下水開采引起的區(qū)域性地面沉降，取得了很好的效果[5]。

國內(nèi)外學(xué)者對開采地下水引起的地面沉降開展了大量研究，并取得了很多成果。例如，張?jiān)频炔捎檬覂?nèi)單向壓縮試驗(yàn)研究上海砂土的蠕變變形規(guī)律，證明上海砂土具有明顯的非線性蠕變特征[6]。Helm用有限差分法對Pixley地區(qū)含水層進(jìn)行一維模擬，發(fā)現(xiàn)軟土層變形滯后于含水層水位的變化[7]。徐海洋等使用改進(jìn)的室內(nèi)試驗(yàn)裝置模擬釋水引起的地面沉降，發(fā)現(xiàn)含水砂層與黏土層的沉降變形均滯后于承壓含水層水位的變化[8]。Shi等改進(jìn)了Merchant模型，使其可以很好地模擬土層的黏彈塑性變形并將其應(yīng)用于蘇州地區(qū)的地面沉降模擬[9]。龔曉南等在Mindlin解的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了承壓水降壓下的地面沉降計(jì)算公式，認(rèn)為頂板隔水良好的深層承壓水短期開采引起的的地面沉降可以不予考慮[10]。賈亞杰等基于層間位移協(xié)調(diào)條件分析土層變形特征，發(fā)現(xiàn)抽水井附近承壓含水層沉降大于地表沉降，超過一定距離后承壓含水層與地表沉降大致相等[11]。對于地下水開采引起地面沉降的研究，前人主要側(cè)重于深層地下水開采引起區(qū)域性地面沉降以及基坑工程減壓降水引起地面沉降的研究，對淺層承壓含水層抽水引起土體沉降規(guī)律的研究還相對較少。

本文選取天津?yàn)I海新區(qū)中新生態(tài)城服務(wù)中心為試驗(yàn)場地，在服務(wù)中心院內(nèi)開展了承壓含水層抽水引起地面沉降的現(xiàn)場試驗(yàn)。采用振弦式孔隙水壓力傳感器和一孔多標(biāo)數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)監(jiān)測孔隙水壓力和分層標(biāo)的變化，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了孔隙水壓力的變化規(guī)律、土體的變形性質(zhì)以及分層沉降的規(guī)律，為進(jìn)一步研究淺層承壓含水層抽水引起土體沉降的規(guī)律和機(jī)理提供現(xiàn)場實(shí)測資料和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)場地位于濱海新區(qū)中新生態(tài)城服務(wù)中心院內(nèi)，根據(jù)工程勘察資料，地表下約100 m深度范圍內(nèi)的淺部土層主要由粉質(zhì)黏土、粉土和粉砂組成。由于土層滲透能力的差異，滲透系數(shù)小的黏性土弱透水層將100 m范圍內(nèi)的第一含水組劃分為一個潛水含水層和一個承壓含水層，潛水含水層主要由粉質(zhì)黏土和粉土組成，承壓含水層厚度為55.2 m，主要由粉土和粉砂組成。從上到下各土層分布及物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層分布及物理力學(xué)參數(shù)

本次試驗(yàn)對承壓含水層開展單井定流量抽水試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)的抽水井、觀測井、孔隙水壓力和分層沉降的觀測點(diǎn)平面布置見圖1，其中J1、J2分別為抽水井和觀測井，兩井之間的距離為75 m，兩井深為100 m，采用電流表人工監(jiān)測井水位變化，在抽水井井口安裝流量計(jì)以監(jiān)測抽水量的變化，抽水井的濾水管位置為57.5～96.6 m；K為一孔多點(diǎn)埋設(shè)的振弦式孔隙水壓力傳感器，距抽水井水平距離為5 m，埋置深度分別為28 m、32 m、48.5 m、71 m，用以研究水位下降和恢復(fù)過程中孔隙水壓力的變化規(guī)律；F為一孔多標(biāo)埋設(shè)的分層標(biāo)，距抽水井水平距離為7 m，埋置深度分別為17.5 m、28 m、32 m、38 m、48.5 m，使用新型一孔多標(biāo)數(shù)據(jù)采集器以監(jiān)測各分層標(biāo)處土層的沉降和回彈變化。

圖1 試驗(yàn)場平面布置圖Fig.1 Layout of the test site

在正式試驗(yàn)前的試抽階段發(fā)現(xiàn)，從開始抽水到第60 min時(shí)，抽水井水位降深達(dá)到了7.73 m，而此時(shí)水位降深的變化速率為0.1 cm/min，且隨時(shí)間的延長降深變化速率越來越小， 并很快達(dá)到穩(wěn)定降深，因此可將抽水60 min后的情況看作似穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)試抽結(jié)果及前期在濱海新區(qū)海河大橋試驗(yàn)區(qū)的研究成果[12]，結(jié)合生態(tài)城的水文地質(zhì)條件及場地條件，確定本次試驗(yàn)的具體方案為：抽水流量為8.5 m3/h，抽水時(shí)間為4h，同步觀測井水位、孔隙水壓力和分層標(biāo)的變化。抽水井和觀測井的水位變化按照抽水開始后的第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min進(jìn)行觀測，以后每隔30 min觀測一次；孔壓計(jì)按照1、2、3、4、5、7、9、11、13、15、20、25、30、35、40、50、60、70、80 min進(jìn)行觀測，以后每隔10 min觀測一次；分層標(biāo)由一孔多標(biāo)數(shù)據(jù)采集器每隔30 min讀取記錄一次。停止抽水后繼續(xù)觀測水位、孔隙水壓力、分層標(biāo)的變化及恢復(fù)情況，直至達(dá)到基本穩(wěn)定。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 井水位監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測期間抽水井和觀測井的水位埋深變化如圖2所示，抽水期間抽水井水位變化明顯，觀測井的水位變化滯后抽水井約6 min，抽水井處最大水位降深為8.18 m，觀測井處最大水位降深也達(dá)到了1.03 m，停止抽水后抽水井處的水位迅速恢復(fù)且基本能恢復(fù)到初始水位。

圖2 井水位歷時(shí)曲線Fig.2 Groundwater level duration curve in the wells

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和具體水文地質(zhì)條件，采用配線法求承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)[13]，得到承壓含水層的導(dǎo)水系數(shù)為30.96 m2/d，滲透系數(shù)為1.15 m/d，貯水系數(shù)為8.15×10-5。

根據(jù)Theis公式導(dǎo)出的近似式計(jì)算抽水的影響半徑，Theis公式可改寫為[13]：

(1)

影響半徑(即水位降深為0的位置)為：

(2)

式中：s——任一點(diǎn)計(jì)算時(shí)刻的水位降深；

Q——抽水井流量；

T——承壓含水層的導(dǎo)水系數(shù)；

t——自抽水開始到計(jì)算時(shí)刻的時(shí)間；

S——承壓含水層的貯水系數(shù)；

r——計(jì)算點(diǎn)到抽水井的徑向距離；

R——影響半徑。

根據(jù)式(2)計(jì)算可知，本次試驗(yàn)抽水的影響范圍約為378 m。

2.2 孔隙水壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)過程中黏土層孔隙水壓力的變化情況見表2，承壓含水層抽水不僅使承壓水位下降，也引起上覆黏土層中孔隙水壓力發(fā)生變化，說明潛水層與承壓含水層之間有水力聯(lián)系，抽水過程中承壓含水層水頭降低，與上覆土層的水頭差增大，潛水層中的水通過弱透水層越流補(bǔ)給承壓含水層。停止抽水后承壓含水層水位逐漸恢復(fù)，黏土層的孔隙水壓力也隨之逐漸恢復(fù)至穩(wěn)定。

表2 黏土層孔隙水壓力值的變化

抽水期間，不同深度黏土層孔隙水壓力的變化量見圖3，71 m、48.5 m、32 m、28 m處的孔隙水壓力分別減小了9.14 kPa、7.77 kPa、0.38 kPa、0.33 kPa。由此可知，抽水過程中黏土層中孔隙水壓力的變化量隨土層深度的增加而增大。

圖3 抽水期間黏土層孔隙水壓力的變化量Fig.3 Variation in pore water pressure in the clay layer during pumping

不同深度黏土層孔隙水壓力歷時(shí)曲線見圖4，與井水位變化曲線相比較，可以看出二者的變化規(guī)律大致相同，說明黏土層孔隙水壓力的變化取決于承壓含水層水位的變化。由圖4b可以看出，抽水初期不同深度黏土層的孔隙水壓力先上升再下降，停抽初期孔隙水壓力先下降再上升。主要是因?yàn)闈B透系數(shù)小的黏土層超孔隙水壓力消散慢，導(dǎo)致孔隙水壓力的變化滯后于承壓含水層水位的變化。

抽水初期各深度黏土層的孔隙水壓力不是消散，而是上升并超過初始孔隙水壓力，這是由于孔隙水壓力傳感器埋設(shè)深度處的外圍土體釋水后產(chǎn)生收縮，引起孔壓計(jì)周圍土體總應(yīng)力增大，而由于黏土層的滲透系數(shù)較小，導(dǎo)致孔壓計(jì)周圍土體來不及釋水，土骨架承擔(dān)的有效應(yīng)力不變，總應(yīng)力的增大只能作用在水體上，就表現(xiàn)為孔隙水壓力上升的曼德爾效應(yīng)。停止抽水后也有表現(xiàn)為孔隙水壓力繼續(xù)消散的現(xiàn)象，這也是曼德爾效應(yīng)，只不過作用相反。

圖4 孔隙水壓力歷時(shí)曲線((b)圖為(a)圖的局部放大)Fig.4 Pore water pressure duration curve

抽水初期，71 m、48.5 m、32 m以及28 m處孔隙水壓力分別持續(xù)上升了2 min、4 min、30 min和40 min；停止抽水后，71 m、48.5 m、32 m以及28 m處孔隙水壓力分別持續(xù)消散了3 min、6 min、120 min和150 min。由此可知，孔隙水壓力上升和消散的時(shí)間(即曼德爾效應(yīng)的作用時(shí)間)隨距承壓含水層距離的增加而增加，隨土的滲透系數(shù)的增大而減小。停止抽水后，71 m和48.5 m處孔隙水壓力迅速上升，分別在2 600 min和5 500 min后基本恢復(fù)穩(wěn)定；32 m和28 m處孔隙水壓力緩慢上升，分別在10 980 min和11 400 min后基本恢復(fù)穩(wěn)定。這表明停止抽水后黏土層孔隙水壓力恢復(fù)至穩(wěn)定所需要的時(shí)間隨土層深度的增加而減小。

2.3 沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

(1)土體的變形性質(zhì)

監(jiān)測期間不同深度土體的累計(jì)沉降量見圖5。在抽水過程中，承壓含水層水位下降，各深度黏土層孔隙水壓力減小、有效應(yīng)力相應(yīng)增加，土體發(fā)生了明顯的壓縮變形。停止抽水后，承壓含水層水位迅速恢復(fù)，而黏土層仍然在持續(xù)壓縮。這是由于黏土的滲透系數(shù)小，超孔隙水壓力消散慢，導(dǎo)致黏土層變形明顯滯后于下伏承壓含水層水位的變化。監(jiān)測后期，17.5 m、28 m土體未出現(xiàn)回彈趨勢而是持續(xù)壓縮，說明黏土層變形以塑性變形為主,且存在蠕變現(xiàn)象。

圖5 累計(jì)沉降量歷時(shí)曲線Fig.5 Cumulative settlement duration curve

監(jiān)測后期，32 m、38 m、48.5 m土體的變形特征與17.5 m、28 m土體不同，出現(xiàn)了明顯的回彈現(xiàn)象。這是由于32 m處土層為砂黏交互層且夾有粉土，土層既有彈性變形，也有塑性變形；而38 m和48.5 m土體下伏土層為粉砂層，兩處土體的變形主要是隨砂層的變形而變化。抽水過程中，砂層的壓縮變形隨時(shí)間迅速增加，停止抽水后砂層仍然在持續(xù)壓縮，但壓縮變形速率逐漸減小，表現(xiàn)出砂層變形明顯滯后于承壓含水層水位的變化。抽水引起土層中有效應(yīng)力的變化比上部荷載引起的變化要慢得多，砂層變形表現(xiàn)出明顯與時(shí)間有關(guān)的蠕變性。土層的回彈比壓縮變形小，且為蠕變抵消，因此砂層總體上反映持續(xù)的壓縮變形。當(dāng)蠕變趨于穩(wěn)定，回彈變形量大于壓縮變形量時(shí)，砂層表現(xiàn)為回彈變形。

上述現(xiàn)象表明含水砂層既存在彈性變形，也存在一定的塑性變形和蠕變性，這與以往認(rèn)為砂土的壓縮變形是隨有效應(yīng)力變化而瞬時(shí)發(fā)生的彈性變形規(guī)律不同。引起砂土蠕變的原因：(1)荷載作用下砂土顆粒沿粒間接觸面產(chǎn)生錯動滑移；(2)荷載作用下部分砂土顆粒破碎，顆粒進(jìn)行重新排列；(3)砂層中夾有薄層黏土，砂層表現(xiàn)出黏性土的一些特征。這些因素使砂層在宏觀上表現(xiàn)出變形隨時(shí)間逐漸增加的蠕變現(xiàn)象。

(2)土體分層沉降規(guī)律

一般上部荷載引起的地面沉降采用分層總和法計(jì)算，土體的沉降量由深到淺越來越大，但根據(jù)分層標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)分析可知，承壓含水層短期抽水引起的土體沉降與上部堆載引起地面沉降的規(guī)律并不相同，土體最大沉降位置并非地表。

承壓含水層抽水引起的水位降深打破了各含水層之間的水力平衡，由孔隙水壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)可知潛水含水層與承壓含水層之間有水力聯(lián)系，所以承壓含水層、弱透水層以及潛水含水層的孔隙水壓力都有減小，并發(fā)生固結(jié)沉降。然而潛水層的孔隙水壓力變化很小，潛水滲流引起的固結(jié)沉降可以忽略不計(jì)，潛水層主要隨下伏土層的沉降而沉降，且沉降量等于或略大于下伏有明顯孔隙水壓力變化的土層頂板位置處的沉降量。但由圖6可以看出，抽水井附近38 m以下土層沉降呈上大下小的規(guī)律，而38 m以上土層隨著埋深的減小，沉降量有顯著降低，土層沉降呈上小下大的規(guī)律，且最大沉降位置出現(xiàn)在38 m處。

圖6 不同深度處土體的最大沉降量Fig.6 Maximum settlement of soil at different depths

承壓含水層抽水引起水位降深在平面上分布不均，在抽水井處形成降落漏斗。漏斗中心土體沉降大，離中心遠(yuǎn)的土體沉降小，從而引起承壓含水層出現(xiàn)不均勻沉降并向上傳遞，上覆土體出現(xiàn)附加拉應(yīng)力。由于弱透水層及承壓含水層的水位迅速下降，孔隙水壓力降幅大，導(dǎo)致該層有效應(yīng)力的增大值大于向上的附加拉應(yīng)力，因此總的附加應(yīng)力仍為壓力，相當(dāng)于在弱透水層與上覆土層的界面處(38 m處)施加一個向下的附加作用力，使弱透水層與承壓含水層迅速發(fā)生壓縮變形，并由下至上逐層累加，從而使抽水井附近弱透水層至下伏承壓含水層總體呈現(xiàn)上大下小的沉降規(guī)律。而弱透水層的上覆土層沒有明顯的孔隙水壓力變化，不會發(fā)生明顯的壓縮變形，承壓含水層抽水產(chǎn)生的不均勻沉降向上傳遞至此處土層的附加拉應(yīng)力大于有效應(yīng)力的增大值，相當(dāng)于在弱透水層與上覆土層的界面處施加一個向上的附加作用力，使相應(yīng)位置處的土體出現(xiàn)拉張變形，從而使抽水井附近弱透水層頂板以上土層總體呈現(xiàn)上小下大的沉降規(guī)律，且最大沉降出現(xiàn)在有明顯孔隙水壓力變化的弱透水層頂板位置。

3 結(jié)論

本文通過承壓含水層抽水引起地面沉降的現(xiàn)場試驗(yàn)研究，分析了孔隙水壓力的變化規(guī)律、土體的變形性質(zhì)以及分層沉降的規(guī)律，得到如下結(jié)論：

(1)抽水過程中黏土層中孔隙水壓力的變化量隨土層深度的增加而增大，停止抽水后孔隙水壓力恢復(fù)至穩(wěn)定所需要的時(shí)間隨土層深度的增加而減小。黏土層中孔隙水壓力的變化滯后于承壓含水層水位的變化，而且存在明顯的曼德爾效應(yīng)。曼德爾效應(yīng)的作用時(shí)間隨距承壓含水層距離的增加而增加，隨土體滲透系數(shù)的增大而減小。

(2)滲透系數(shù)小的黏土層超孔隙水壓力消散慢，黏土層變形明顯滯后于承壓含水層水位的變化，以塑性變形為主且存在蠕變現(xiàn)象；砂層既存在彈性變形，也存在一定的塑性變形和蠕變性。

(3)抽水引起的土體沉降與一般上部堆載引起的地面沉降規(guī)律不同，短期抽取地下水會使承壓含水層上覆土體出現(xiàn)不均勻沉降并產(chǎn)生附加拉應(yīng)力，導(dǎo)致土體分層沉降呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。孔隙水壓力降幅大的土層呈現(xiàn)上大下小的沉降規(guī)律，孔隙水壓力降幅小的土層呈現(xiàn)上小下大的沉降規(guī)律，且最大沉降出現(xiàn)在有明顯孔隙水壓力變化的土層頂板位置。

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