基于分層標監(jiān)測的德州城區(qū)地面沉降分層沉降特征淺析

朱利民，沙志華，段曉飛，戰(zhàn)靜華，王明珠

(1.山東省地勘局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，山東省魯北地質(zhì)工程勘察院，山東 德州 253072；2.棗莊市煤炭培訓中心，山東 棗莊 277100)

0 引言

德州地面沉降監(jiān)測始于20世紀80年代，截至2017年，基本建成了集空中、地表、地下多維立體相結(jié)合的地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)。2014年，山東省地勘局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(山東省魯北地質(zhì)工程勘察院)建成了魯西北平原地區(qū)首座分層標組，并持續(xù)開展監(jiān)測至今[1]。該文總結(jié)了德州分層標施工工藝，對分層標監(jiān)測結(jié)果進行了分析研究，定量分析了各地層因壓縮變形引起的地面沉降量，為魯西北平原區(qū)分層標組建設(shè)及地面沉降監(jiān)測工作提供一定的借鑒。

1 地質(zhì)條件

德州市在大地構(gòu)造上屬于華北板塊的一部分，齊河-廣饒大斷裂將其分為兩個二級構(gòu)造單元，斷裂之南為魯西隆起區(qū)，其北為華北坳陷區(qū)。中新生代以來，受喜馬拉雅運動與燕山運動的影響，斷裂構(gòu)造發(fā)育，形成凸凹相間的三級構(gòu)造單元濟陽坳陷區(qū)、臨清坳陷區(qū)和魯中隆起區(qū)[2-4]。在坳陷和隆起區(qū)內(nèi)受斷裂活動的影響和控制，形成了眾多的次級構(gòu)造單元—凸起與凹陷[5-8]。中生代以來，受燕山運動和喜馬拉雅運動的影響，一直緩慢下降，沉積了巨厚的新生界，地層由老到新依次為：古近系、新近系、第四系。其中：古近系為湖相碎屑沉積巖，含石膏，厚度變化較大，沉積厚度1500～3000m以上；新近系厚度較穩(wěn)定，為河湖相沉積，層底埋深1350～1650m；第四系平原組厚度穩(wěn)定，為沖積、沖湖積、海積相沉積，層底埋深160～300m[9-10]。

根據(jù)德州一帶地層的埋藏深度、巖性、成因類型、沉積年代、土的物理力學性質(zhì)、水力特征和水理性質(zhì)等，將埋深800m以淺的地層劃分為8個含水層、9個壓縮層和1個表土層(圖2)。各壓縮層、含水層劃分宏觀上以地層為界，原則上把砂層劃為含水層，黏性土劃為壓縮層；砂性土視相鄰地層巖性而定，以降低德州工程地質(zhì)層的復雜程度為目的，相應地劃入含水層及壓縮層[11]。

1—古近系；2—侏羅-白堊系；3—石炭-二疊系；4—寒武-奧陶系；5—太古界；6—斷裂構(gòu)造；7—地層界線；8—單元代號圖1 德州地質(zhì)構(gòu)造略圖

1—含水層；2—壓縮層；3—淤泥類土層；4—粉土層；5—粉質(zhì)黏土層；6—砂層；7—水文地質(zhì)工程地質(zhì)界線；8—地層界線；9—咸淡水底界面圖2 德州城區(qū)含水層、壓縮層劃分剖面圖

2 分層標結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工工藝

2.1 分層標結(jié)構(gòu)設(shè)計

分層標組位于德州市德州城區(qū)大學東路1499號。點位所在區(qū)域為魯西北平原松散巖類水文地質(zhì)區(qū)，魯北沖海積平原島狀咸水水文地質(zhì)亞區(qū)。含水層組劃分自上而下為：第Ⅰ含水層組、第Ⅱ含水層組、第Ⅲ含水層組、第Ⅳ含水層組，最大層底埋深分別為60m，300m，500m及800m(1)山東科學技術(shù)出版社，山東省重大水文地質(zhì)問題----理論技術(shù)創(chuàng)新與應用，2014年。。以含水層組劃分為依據(jù)，展開對各個含水地層的沉降監(jiān)測，故該次分層標組共設(shè)計施工4組分層標，標底埋深分別為2m，60m，300m，500m(圖3)。

1—地面標；2—分層標組；3—分層標主、副標圖3 德州分層標組埋深圖

(1)地面標

主要由混凝土、鋼管以及標點組成。底部用混凝土(混凝土標號為C25)澆筑，其上部固定177.8mm×1.30m套管，高出地面0.30m。上部設(shè)置測量標點，標點高出地面0.50m?；炷另敳恐恋孛嬖O(shè)置套管予以維護(圖4)。

1—地面監(jiān)測裝置；2—混凝土圖4 C0地面標設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖

(2)機械標

C1標孔設(shè)計孔深60m，C2標孔設(shè)計孔深300m，C3標孔設(shè)計孔深500m。標孔施工時本著先深后淺的原則，故先施工C3標孔，再施工C2，C1，最后施工C0孔。具體工藝開孔鉆頭為Ф245 mm鉆至終孔后，采用Ф450 mm鉆頭進行擴孔，擴孔結(jié)束后，循環(huán)泥漿清空孔內(nèi)沉渣，下入標底，上接下入Ф139.7mm×6.98 mm石油套管做保護管；保護管下完后下入鉆桿進行機械壓標，壓標結(jié)束后投放適量黏土球，之后下入Ф60.32mm×5mm標桿(標桿為油管)，每根標桿上安裝四點式滾珠扶正器1個，防止標桿在保護管內(nèi)傾斜，標底為插釬式標底，標底托盤規(guī)格為Ф108mm×30 mm帶300 mm插釬的標底，下標結(jié)束后，投放黏土球，最后采用管外水泥固井，安裝井口裝置，C1，C2，C3標孔設(shè)計見圖5。

1—標桿測點；2—標桿；3—滾輪扶正器；4—密封裝置；5—保護管測點；6—保護管；7—黏土球；8—托盤；9—環(huán)形蓋；10—黏土回填；11—回接頭；12—插釬圖5 C1，C2，C3標孔設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 分層標施工工藝

(1)成孔：C3，C2，C1標孔開孔口徑為Φ245mm鉆頭開孔終孔后進行校正孔深及電測井，二級擴孔口徑為Φ450mm。

(2)下入標底、保護管：標底是由底插釬、環(huán)狀托盤、內(nèi)滑桶、伸縮桿、標底外護管、對接接頭組成，相互連為一體與保護管相接。

保護管的作用是防止孔壁坍塌，對標桿起到保護和導正，使全部標桿不受地層中各種應力和地層壓縮變形影響，保證標桿真實的反映被觀測地層的變化，它直接承受土層各種不良的作用。保護管應具有比標桿大的強度、剛度和防腐蝕性，保證在地層中垂直，特別是管與管的絲扣牢固無損。由于保護管外壁在與地層接觸中承受地層壓力、土層變形應力及保護管自重的作用，在設(shè)計保護管材料、口徑及結(jié)構(gòu)類型時須考慮保護管受力狀態(tài)。首先地面丈量排列保護管、檢查標底是否伸縮自如。二次清孔至孔底無沉渣后將檢查無誤的標底、保護管依序下入孔內(nèi)。下管過程中向管內(nèi)注入清水以平衡管內(nèi)外壓力，嚴防管外泥漿滲入管內(nèi)。C3，C2，C1標孔采用提吊法下入保護管，保護管間采用絲扣連接。

(3)壓標：C3，C2，C1標孔保護管帶標底下到位后，先用保護管自重把標底插釬底托盤預壓目的層上端面，再將標底插釬壓入目的層0.20～0.30m，投入適量黏土球卡住標底外伸縮管，而后下入壓標鉆具壓住預壓好的插釬，再上提保護管0.70m，孔口居中固定保護管。

(4)下標桿、安裝扶正器：標桿是將觀測的地層面機械式引伸至地面進行觀測的導桿，由它反映標底底面的高程變化。要求標桿具有一定的剛度、強度，在保護管內(nèi)保持垂直，標桿材料要耐銹蝕，能抵抗自重而不變形。

下標前丈量按序排列標桿，標底伸縮桿下端裝有伸縮插釬，伸縮桿上端接有一公扣接頭，母回接頭連接Φ60.32mm標桿下端下入保護管內(nèi)，下標桿離標底0.5～1m后，先用清水循環(huán)，將管內(nèi)沉淀物洗干凈，其下端的公扣接頭與已下入的母扣接頭回接。下標桿采用提吊法，標桿之間采用絲扣連接。安裝扶正器，裝扶正器的位置，扶正器是在保護管和標桿之間進行扶正的裝置。標桿長度不超過其穩(wěn)定的極限長度，可根據(jù)標桿穩(wěn)定來計算，為保證標桿在保護管內(nèi)的垂直，和自重作用下的半波彎曲問題，在每根標桿安裝1個圓環(huán)式扶正器，

(5)投黏土球：C3，C2，C1標孔保護管帶標底下到位壓標及下標桿結(jié)束后，為防止護壁管下沉，向保護管與鉆孔間環(huán)狀孔隙投放黏土球，黏土球規(guī)格1～1.5cm，黏土球用量7.2m3，投放高度50m，采用人工慢投方法投放速度適中。

(6)固井：C3，C2，C1標孔黏土球投放結(jié)束后，利用外注漿管進行了沖孔換漿，換漿結(jié)束后注入水灰比0.5的水泥漿，進行管外固井，固井區(qū)間由孔內(nèi)投放黏土球頂部至各標孔地面位置。

(7)地面標：按鋼管基本水準標石結(jié)構(gòu)形式。主要由混凝土、鋼管以及標點組成，采用人工挖孔方法，做到孔底無虛土，露頭為天然原狀土。底部用混凝土(混凝土標號為C25)澆筑，其上部固定177.8mm×8.05mm套管1m作為保護管予以維護，保護管及標桿上部設(shè)標頭。

(8)成標：標桿頂部安裝主標頭，長度100mm，測點采用不銹鋼材質(zhì)制作；頂端制成半球弧形。副標頭：標點應固定在保護管上，保護蓋應采用與保護管同徑，并作防腐處理，副標頭采用不銹鋼制成，直徑Ф20mm，長度150mm頂部制成半球弧形。

(9)分層標測頭安裝完成后，將井管與標桿之間上端加機油1～2m，安裝井口保護裝置。

3 分層標監(jiān)測及分層沉降特征分析

3.1 分層標監(jiān)測方法

測量技術(shù)要求按照《地面沉降水準測量規(guī)范(DZ0154-95)》和《中國地調(diào)局地面沉降監(jiān)測技術(shù)要求(DD2006-02)》等相關(guān)標準進行[12]，滿足一等水準測量精度要求。測量方法為幾何水準測量，進行分層標相對沉降觀測。雖然區(qū)域未建設(shè)基巖標，無法以基巖標為基準點進行沉降觀測，但由于分層標組處在同一位置，各標之間間隔僅為4m，地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件完全相同，引起沉降的構(gòu)造因素、工程因素也相同，故以本組標樁中埋深最大的500m標作為主標(固定點)，測定分層標與主標之間的相對高差，也就準確監(jiān)測出各分層標組的沉降量。監(jiān)測觀測使用美國天寶DiNi03數(shù)字水準儀№740309(儀器標稱精度0.3mm)和條碼式2m銦鋼水準標尺(號碼：№11113、№11108)，各項限差滿足視距不等之差≤5.0m，基、輔高差之差≤0.4mm，兩測回高差之差≤0.4mm，頻率為1月/次。

3.2 分層沉降特征分析

山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站分別于2014年10月和2017年11月對德州市進行了二等水準測量，其中C0標組在此期間累計沉降量171mm，月沉降速率為4.5mm/月(表1)。楊亞賓等(2)山東省魯北地質(zhì)工程勘察院,德州市城市地質(zhì)調(diào)查報告,2014年。、孫曉曉等(3)山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,魯西北平原區(qū)地下水開采誘發(fā)地面沉降機理及防控措施研究報告,2019年。研究指出，德州地區(qū)地面沉降影響因素分為：構(gòu)造因素、工程因素、開采因素。構(gòu)造因素中黃河下游地區(qū)有兩個沉降中心，一個在鄭州—原陽一帶，另一個在黃河口一帶，垂直形變速率均超過-3mm/a。因此，根據(jù)垂直形變差異性，現(xiàn)黃河河道沉降可分為：孟津?qū)幾臁m考東壩頭、蘭考—惠民、惠民—河口三段。中間段上升，兩頭段下降。在上升河段，上升速率變化在1～2mm/a之間，基本與魯西隆起緩慢上升相吻合；下降河段下降速率變化在-1mm/a～-3mm/a之間，基本與華北坳陷緩慢下降相對應。因此該文中德州城區(qū)因構(gòu)造因素產(chǎn)生的垂直變形取3mm/a。根據(jù)建筑施工單位的測量數(shù)據(jù)，不考慮基坑降水對地面沉降的影響，區(qū)內(nèi)工程建筑物荷載引起的地面累計沉降量為2～3mm/a，因此德州城區(qū)工程因素的影響取3mm/a。去除構(gòu)造因素及工程因素影響，分析可知，分層標組所在區(qū)域2014—2017年因開采因素造成的沉降速率約為48mm/a。

為對應水準測量數(shù)據(jù)，選取分層標組測量數(shù)據(jù)(2014年12月—2017年11月)共7組，測量數(shù)據(jù)計算見表2。其中“監(jiān)測數(shù)據(jù)”列為分層標實測監(jiān)測數(shù)據(jù)，“相對沉降量”列為各點與G2點高差，即相對沉降量。

表1 分層標組所在區(qū)域累積沉降量(2014年10月—2017年11月)

表2 分層標組監(jiān)測及相對沉降數(shù)據(jù)(m)

根據(jù)表2的計算結(jié)果，可進一步計算出各點以G2為起算點不同時期的累積沉降量(表3)。

表3 以G2為起算點各點累積沉降量統(tǒng)計(mm)

根據(jù)表2、表3的計算結(jié)果，可計算出60m以淺地層、60～300m地層、300～500m地層的沉降量，計算結(jié)果見表4。

根據(jù)表4計算結(jié)果可知德州城區(qū)60m以淺地層沉降速率1.67mm/a；60～300m地層沉降速率20mm/a；300～500m地層沉降速率18.33mm/a。去除構(gòu)造因素及工程因素影響后，區(qū)域沉降速率為48.00mm/a，可知500m以深地層2014—2017年沉降速率為8.00mm/a(表5)。

表4 各層組分層沉降量統(tǒng)計(mm)

表5 分層沉降速率及占比

由以上數(shù)據(jù)可知，德州市60m以深地層沉降速率占總體速率的96.52%。在以沖積平原區(qū)為主要工程地質(zhì)背景的德州地區(qū)，砂土黏土層交互出現(xiàn)，在特定含水層抽水后水位降低，而相鄰隔水層由于滲透系數(shù)小，導致水流補給、越流補給不平衡或慢平衡，進而使得砂-黏交界面處存在負壓區(qū)，促使黏土層產(chǎn)生額外的壓縮，而在地下水不斷開采過程中，這種“負壓”效應會逐漸積累，使得黏土層在沉降滯后的同時，不斷產(chǎn)生額外的壓縮變形。由此可見，德州地區(qū)地下水尤其是中深層地下水的超采是導致地面沉降發(fā)生發(fā)展的主要因素[12-13]。

為進一步查明深層地下水超采與地面沉降之間的相關(guān)關(guān)系，選擇位于分層標組南200m的深層地下水監(jiān)測井監(jiān)測數(shù)據(jù)開展水位變化與地面沉降相關(guān)關(guān)系研究。該監(jiān)測井成井于2009年，成井深度428.00m，初始水位標高-74.00m，取水層位置自282.00m至410.00m，含水層厚度52.00m。因此，該監(jiān)測井的水位變化情況可基本代表分層標組所在區(qū)域的深層地下水位變化情況。根據(jù)表6可知，該區(qū)域地下水水位標高自2015年6月開始基本維持在-85m～-92m之間，2017年12月水位標高升高至-58.56m。

將深層地下水水位標高與3組分層標的沉降數(shù)據(jù)進行比較(圖6)可知，當水位標高穩(wěn)定保持在-85m～-92m時期內(nèi)，60～300m，300～500m地層保持著穩(wěn)定的沉降速率。2016年12月以后，水位標高不斷增大，地層沉降速率總體可見小幅度減小，但地面沉降仍在持續(xù)發(fā)育。

表6 分層標所在區(qū)域深層地下水水位標高統(tǒng)計(m)

圖6 分層標組累計沉降量及地下水水位標高變化圖

為進一步驗證深層地下水超采與地面沉降之間的相關(guān)關(guān)系。根據(jù)區(qū)域深層地下水監(jiān)測資料及地面沉降監(jiān)測資料，繪制了德州市地下水降落漏斗與累計沉降量分布區(qū)圖(圖7)可知，截至2017年，深層地下水降落漏斗中心與地面沉降中心位置一致，均處于德州城區(qū)國棉廠一帶，而且兩者中心擴展范圍和形狀基本相似。由此可知，深層地下水的超量開采是區(qū)內(nèi)地面沉降產(chǎn)生的一個主要因素。

因該區(qū)尚未建立800m分層標，無法準確獲得第Ⅳ含水層地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)其地下水開采量與第III含水層開采量進行對比，推算可知，500～800m層組地面沉降量約為6.50～7.20mm/a，因此800m以下地層(主要為館陶組熱儲)因開采地下水引起的地面沉降速率約為0.8～1.50mm/a。相對于區(qū)域48.00mm/a的沉降速率，占比極小。

天津市地面沉降研究程度高且水文條件與德州地區(qū)類似，具有一定的可類比性。林黎，趙蘇民等人發(fā)現(xiàn)開采天津市館陶組熱儲在350～370萬m3左右時，引起天津市館陶組沉降量為4～6mm/a[14]；徐佳、解大可認為在開采量為342.9萬m3時，開采天津市新近系明化鎮(zhèn)組對中心市區(qū)地面沉降產(chǎn)生了3.8～4.5mm左右的沉降量[15]；張百鳴、金愛善通過比單位變形量法計算出，天津市館陶組水位下降2.5m/a，在1800～2500m之間，每年沉降量6.65mm[16]。類比天津地區(qū)經(jīng)驗值，結(jié)合德州城區(qū)分層標監(jiān)測結(jié)果可以得出，在現(xiàn)狀開采條件下，第Ⅳ含水層組因開采地下水引起的沉降量為7.20mm/a，館陶組熱儲因開采地下熱水引起的沉降量為0.80～1.50mm/a，兩者約占地面總沉降量的16.67%。地熱資源開發(fā)利用并不是導致德州城區(qū)地面沉降發(fā)生發(fā)展的主要因素。

1—累計沉降量<200mm；2—累計沉降量200～400mm；3—累計沉降量400～600mm；4—累計沉降量600～800mm；5—累計沉降量800～1000mm；6—累計沉降量1000～1300mm；7—累計沉降量>1300mm；8—深層地下水降落漏斗；9—水位、開采量、沉降量關(guān)系分析點；10—等水位線(m)圖7 德州市地面沉降累計沉降量與深層地下水降落漏斗分布圖

根據(jù)德州城區(qū)深層地下水開采監(jiān)測資料，500m以深地層中除開采第Ⅳ含水層外，館陶組地熱水開采量也十分大，可達1382.49m3/a(表7)。地熱水開采量大但引起的地面沉降量與第Ⅲ含水層相比，在同樣開采量條件下，引起的沉降量較小。

表7 不同含水層地下水開采資源量與沉降速率統(tǒng)計

4 結(jié)論

(1)德州分層標組能夠有效地對4個層組的相對沉降量開展監(jiān)測，特別是對分層標標底進行了改進，在伸縮桿底部加了外護下沉管，防止伸縮桿插入地層后來自橫向地層摩阻，為確保標桿底部插釬無外力的影響單獨縱向插進地層,更精確提供監(jiān)測數(shù)據(jù)。可為魯西北平原區(qū)分層標組建設(shè)提供一定借鑒。

(2)根據(jù)分層標監(jiān)測數(shù)據(jù)計算分析可知，分層標所在地區(qū)60m以淺地層沉降速率1.67mm/a，占總沉降量的3.48%；60～300m地層沉降速率20mm/a，占總沉降量的41.67%；300～500m地層沉降速率18.33mm/a，占總沉降量的38.18%。500m以深地層沉降速率8.00mm/a，占總沉降量的16.67%。類比推算可知，第Ⅳ含水層組因開采地下水引起的沉降量為7.20mm/a，館陶組熱儲因開采地下熱水引起的沉降量為0.80～1.50mm/a。中深層地下水超采仍是德州城區(qū)地面沉降的主要影響因素。

(3)地熱資源開發(fā)目前并不是影響德州城區(qū)地面沉降的發(fā)生發(fā)展的主要因素，若要取得更加準確科學的結(jié)論，必須建設(shè)完整的分層標組，對館陶組及以上地層進行全面監(jiān)測，取得長序列的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，可準確掌握第Ⅳ含水層、館陶組熱儲層對地面沉降的貢獻值。