北京朝陽金盞地區(qū)地面沉降垂向分層研究

楊 艷，羅 勇，徐尚志，田苗壯，羅 強，田 芳

（1.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195；2.北京市地質(zhì)研究所，北京 100011；3.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048）

金盞地區(qū)位于北京朝陽區(qū)東北部地面沉降中心一帶，2007~2017年間該區(qū)域中心沉降速率持續(xù)在110mm/a以上，2018~2020年沉降速率雖然有所緩解，但仍處于快速發(fā)展?fàn)顟B(tài)。截止2020年底，該地區(qū)最大累計沉降量達2229mm，是北京市累計沉降量最大，近年來地面沉降發(fā)育最嚴峻的地區(qū)之一。區(qū)內(nèi)第四系沉積有大量粉質(zhì)細砂及粉質(zhì)黏土，主要為河流沉積與沖、洪沉積。脆弱的地質(zhì)條件、地下水的長期超采，導(dǎo)致地面沉降嚴重發(fā)育。且地面沉降分布嚴重不均[1-3]，災(zāi)害損失明顯[4-5]。

在空間分布上，對于該地區(qū)的地下水開采、水位變化與地面沉降的關(guān)系，以往進行過諸多研究并取得大量成果[6-9]。但作為北京平原地面沉降最發(fā)育的金盞地區(qū)，未系統(tǒng)揭示過垂向上地層要素以及這些要素對地面沉降的影響，導(dǎo)致這一地區(qū)地面沉降的研究和防治難以深入?；诖?，在金盞地區(qū)進行0~300m鉆孔取芯（以下簡稱“金1孔”）實驗，獲取不同深度的巖芯數(shù)據(jù)，初步研究該地區(qū)第四系松散沉積地層的工程地質(zhì)特性，結(jié)合室內(nèi)實驗得到的各項測試數(shù)據(jù)分析該地層各層位物理力學(xué)特性、計算地層沉降量，進一步闡述該地區(qū)第四系地層壓縮的空間特征并探討不同地層與地面沉降的相關(guān)性，以期為金盞地區(qū)地面沉降中心的進一步研究提供基礎(chǔ)。鉆孔取芯實驗2018年完成，地面沉降及地下水分層監(jiān)測持續(xù)至今。

1 研究區(qū)概況

北京平原區(qū)西北高，東南低，是華北平原西北部由山前平原過渡到華北平原中心的山前傾斜平原部位。平原區(qū)斷裂除山前地帶有出露外，多為隱伏的活動斷裂，以北北東向活動斷裂構(gòu)造為主，控制了新生帶以來平原區(qū)的發(fā)展格局[10]。平原區(qū)大部分為第四系松散的陸相沉積物，山前到平原厚度由數(shù)十米到五六百米不等，從下更新統(tǒng)（Qp1）地層到全新統(tǒng)（Qp4）地層均勻分布；按其成因類型可分為沖積相、沖洪積相、河湖相和山麓坡洪積相地層，地層巖性有卵礫石、砂類土及粉土、黏性土等。

金1孔位于北京朝陽區(qū)東部金盞地區(qū)（圖1），毗鄰溫榆河，屬永定河、溫榆河、潮白河等河流共同作用下形成的沖洪積平原地帶[11]。第四系沉積物顆粒較細，可壓縮層厚度較大，第四系孔隙含水層層次較多，既有顆粒較粗、富水性好的砂礫石層，也有顆粒較細、壓縮性較高的黏性土層。金盞地區(qū)地下水主要賦存于第四系松散孔隙介質(zhì)中，在永定河、潮白河等河流的沖、洪積作用下形成，沉積環(huán)境較復(fù)雜。含水層巖性分帶較復(fù)雜，總體變化規(guī)律為：由山前至平原，第四系厚度逐漸增大，含水層顆粒由粗變細，地下水位埋深由深變淺，含水層結(jié)構(gòu)由單一的含水層逐漸過渡為多層，而多層含水層結(jié)構(gòu)區(qū)主要分布于各沖洪積扇的中下部地區(qū)[12]。其構(gòu)造活動主要受南苑通縣斷裂、孫河斷裂、禮賢斷裂影響。受構(gòu)造活動、地下水開采強度影響，金盞地區(qū)地面沉降量常年處于較高水平（表1）。

表1 金盞地區(qū)最大年沉降速率Table 1 Statistical table of maximum annual subsidence rate in Jinzhan area

圖1 金1孔地理位置示意圖Fig.1 Location of Jin 1 boreholes

2 實驗過程

鉆孔取芯實驗可以準(zhǔn)確直接的揭示地層屬性，獲取詳細的地層地質(zhì)特性。本次試驗采用全液壓巖芯鉆機對金1孔0~300m地層進行取芯，全液壓巖芯鉆機具有回次進尺長、自動化、機械化程度高等特點，并采用滑輪筒內(nèi)原狀取芯技術(shù)，在獲取不同深度巖芯時，不需要把孔內(nèi)鉆桿柱提升至地表，而是借助專用的滑輪組合提升器械，在鉆桿柱內(nèi)將巖礦心容納管提取上來[13]。

本次試驗共采集原狀土樣65份，取土規(guī)格長15cm，直徑8cm。原狀土樣根據(jù)間距與土樣巖性特征進行采集，各土樣取土間隔小于5m，相同巖性特征的土層厚度超過2m的規(guī)定采集。原狀土樣土柱體采用鋁皮包裹封裝，進行實驗前放置于4~6℃低溫保存，以避免空氣氧化及土樣中孔隙水蒸發(fā)對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。對土樣進行各項工程性質(zhì)指標(biāo)檢測，包括天然含水率、天然密度、天然孔隙比、孔隙度、液限、塑限、液性指數(shù)、塑性指數(shù)、壓縮系數(shù)、壓縮模量、固結(jié)度。0~100m地層的土樣，利用固結(jié)儀實驗獲取參數(shù)；100~300m地層土體，使用大于200kN的材料實驗機進行實驗參數(shù)獲取。不同取土深度下土樣實驗結(jié)果示例如圖2所示。

圖2 固結(jié)實驗成果Fig.2 Results table of consolidation experiment

3 巖土特征

3.1 鉆孔巖性分層

依據(jù)金1孔對該地區(qū)地層巖性的揭示，金盞地區(qū)0~300m地層巖性分布不均，除表層含有少量雜填土外，在其它地層范圍內(nèi)黏性土與砂土在垂向上交叉分布，黏性土厚度104.9m，砂土厚度189.2m。按照土層垂向巖性特征，將鉆孔貫通的0~300m地層分為四段，其每段巖性特征如表2所示。

表2 金1孔巖性特征表Table 2 Rock characteristics of Jin 1 boreholes

3.2 土體物理力學(xué)性質(zhì)分析

土體物理力學(xué)特性指標(biāo)包括天然密度、孔隙度、天然含水率，對室內(nèi)實驗結(jié)果獲取到的各項指標(biāo)隨深度變化情況進行概化，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 土體物理力學(xué)特性指標(biāo)圖Fig.3 Index diagram of mechanical properties of soil

（1）天然孔隙比大小反映土的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，其數(shù)值越大土體結(jié)構(gòu)越松散[14]。鉆孔土體天然孔隙比在0.5~1之間波動，均值為0.7。淺部中孔隙比變幅較大，無明顯趨勢；中部孔隙比呈遞增趨勢，由0.7增至0.95；深部呈遞減趨勢，由0.95減至0.6。底部范圍內(nèi)的地層孔隙比最大，表明該范圍內(nèi)地層土地結(jié)構(gòu)差。

（2）天然含水率是天然狀態(tài)下巖土孔隙中所含水分的質(zhì)量與固體物質(zhì)質(zhì)量的百分比，反映地層孔隙中的含水量[15]。金1孔中天然含水率分布在16%~35%范圍內(nèi)，變化規(guī)律與孔隙比相似。淺部含水率變幅較大無明顯趨勢；中部和深部呈遞增趨勢，由24.1%增至35%；底部遞減至18.7%。含水率最大的層位分布于距地表100~180m范圍內(nèi)。

（3）天然密度是指在天然狀態(tài)下土單位體積的質(zhì)量，綜合反映土的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特性，通常與孔隙比變化呈負相關(guān)[16]。據(jù)實驗所有原狀土樣天然密度平均值為2.014g/cm3；淺部天然密度變幅較大無明顯趨勢；中部和深部呈遞減趨勢，由2.09g/cm3減至1.89g/cm3；底部呈震蕩遞增趨勢，增至2.1g/cm3。

總體鉆孔各項力學(xué)特性指標(biāo)呈相似規(guī)律性，淺部土層各項力學(xué)特性指標(biāo)無明顯規(guī)律，不易分析；中部和深部土體逐漸松散，相對其他層位結(jié)構(gòu)性差；底部土體逐漸密實、增強，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。

3.3 黏性土壓縮性分析

壓縮系數(shù)a，表示單位壓力增量下土體孔隙率的變化，被定義為壓縮試驗所得e-p曲線上某一壓力段的割線的斜率[17]。土體壓縮系數(shù)a在不同初始壓力下試驗結(jié)果不同，在不同壓力增量下試驗結(jié)果也不同。本次土樣位于地表至300m深度的淺層地層中，以初始壓力較低及壓力增量較低的50~100kPa和100~200kPa兩個壓力區(qū)間對土體進行壓縮系數(shù)測量試驗，結(jié)果如圖4所示。

圖4 壓縮系數(shù)隨深度變化Fig.4 Change of Coefficient of compressibility with depth

壓縮模量（Es）是評價土體壓縮性的重要指標(biāo)之一，也是沉降計算中的重要計算參數(shù)，其定義是土在完全側(cè)限條件下的豎向附加應(yīng)力與相應(yīng)的應(yīng)變增量之比。土體壓縮模量越小，其壓縮性越高[18]。工程上常采用天然孔隙比與100~200kPa壓力段對應(yīng)的壓縮系數(shù)計算壓縮模量，作為評價土的壓縮性指標(biāo)，公式如（1）所示：

其中：Es為土的壓縮模量（MPa），e0為天然孔隙比，a1-2為壓力100~200kPa時土的壓縮系數(shù)。

計算結(jié)果見圖5。按壓縮模量劃分土的壓縮性等級[19]，如表3。

圖5 壓縮模量隨深度變化Fig.5 Change of compression modulus with depth

表3 按壓縮模量劃分壓縮等級Table 3 Classification of compression grade according to compression modulus

據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，0~100m深的地層土體壓縮等級基本為中壓縮性，100~180m基本為低壓縮性，180~300m基本為中低壓縮性?？梢?00~180m黏性土層壓縮性較低，相對其它層位結(jié)構(gòu)性較強；0~100m淺部地層結(jié)構(gòu)性最差，易發(fā)生壓密固結(jié)。

3.4 可壓縮層劃分

先前研究認為金盞地區(qū)可壓縮層厚度達200m以上，但金1孔實驗結(jié)果表明，金盞地區(qū)可壓縮層厚度遠小于先前的認識值。為進一步分析金盞地區(qū)可壓縮層與地面沉降的關(guān)系，根據(jù)地層年代、巖性、埋藏條件、地下水補徑排條件，以及地下水的開發(fā)利用等因素，結(jié)合金1孔實驗地層數(shù)據(jù)，將平原區(qū)第四系地層中的含水層和弱透水層結(jié)合在一起，對金盞地區(qū)可壓縮組進行概化，在垂向上將0~300m監(jiān)控層劃分成四個主要的可壓縮層，其可壓縮層分布情況及內(nèi)部概化如表4所示。

表4 研究區(qū)可壓縮層劃分及地層分布Table 4 Compressible layer division in study area

4 地下水動態(tài)

過度開采地下水極易誘發(fā)地面沉降的發(fā)生發(fā)展，地下水水位的變化與地面沉降的發(fā)育存在很大相關(guān)性。為分析金盞地區(qū)地面沉降快速發(fā)展的原因，對該地區(qū)不同可壓縮層內(nèi)地下水水位進行長期監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明，第四可壓縮層地下水水位下降幅度最顯著，開采量最大。2007~2020年地下水水位變化情況如圖6所示。與實驗對應(yīng)的2007~2017年間第一可壓縮層地下水水位累計下降約5.5m，其間2007~2010年為持續(xù)小幅上升，2012~2017年為持續(xù)下降。第二可壓縮層在2007~2017年地下水水位上升約0.5m，其地下水水位變化幅度較小。第三可壓縮層在2007~2017年地下水水位下降約5.8m，主要下降階段發(fā)生在2008~2014年，地下水水位下降約6.1m，隨后出現(xiàn)回升現(xiàn)象。第四可壓縮層地下水水位下降幅度最大，2007~2014年持續(xù)下降達15.0m，隨后水位逐步回升。

圖6 地下水水位變化情況Fig.6 Variation of groundwater level

5 沉降量分析

一般認為長期超量開采地下水是誘發(fā)地面沉降的主要原因，第四系巨厚松散沉積層壓密固結(jié)是地面沉降的本質(zhì)原因[20]。不同深度含水層的開采導(dǎo)致的地面沉降形變不同，深層承壓水降壓導(dǎo)致承壓水含水層水頭降低，產(chǎn)生壓縮變形，沉降的發(fā)育與其相鄰含水層的關(guān)系最為密切，各個地層水位的變化引起的壓力改變對其所在地層的影響最大。然而以往研究由于缺乏地層情況或者可壓縮層內(nèi)水位數(shù)據(jù)，致使依據(jù)不同層水位對不同可壓縮層進行分層計算的研究較少。本文在基于金1孔實驗對金盞地區(qū)地層新的揭示情況下，結(jié)合不同可壓縮層水位變化情況，分別對不同可壓縮層內(nèi)砂土層和黏性土層采用不同計算方法進行計算。

根據(jù)金1孔獲取的土體力學(xué)性質(zhì)參數(shù)和2007~2017不同可壓縮層年地下水位變化情況，對不同可壓縮層內(nèi)不同地層的沉降量進行計算。其理論假設(shè)為地基只發(fā)生豎直方向的壓縮變形，無側(cè)向變形，地基為均勻地基的條件。公式如（2）所示：

式中：αi為第i層黏性土層的壓縮系數(shù)；eoi為第i層黏性土層的原始孔隙比；Δpi為地下水位下降施加于第i層土層的平均壓力；hi為第i層土層厚度；Esi為第i層砂土層壓縮模量；S為各層土層沉降量之和。

對于黏土層，一般認為其變形為塑性變形，地下水位上升時所引起的回彈量較小。因此，對于黏土層沉降量計算時段選取各層水位下降時段，第一、二、三、四可壓縮層地下水下降時段分別為2012~2017、2009~2015、2008~2016、2007~2016年，Δp分別為該時段內(nèi)地下水位下降施加的平均壓力，其計算結(jié)果如表5所示。對于砂土，其變形較為復(fù)雜，一般認為在地下水位回升過程中，其沉降量存在回彈，因此以整個時段內(nèi)地下水位變化為情況為基準(zhǔn)，對砂土沉降量進行計算。由于此次試驗中所選取的65份樣本均為黏性土，缺少砂土參數(shù)情況，因此，所需的砂土壓縮模量取值參考劉予的北京市平原地面沉降區(qū)含水巖組和可壓縮層劃分[21]和工程地質(zhì)手冊[22]進行經(jīng)驗取值，其計算結(jié)果如表5所示，其中第一壓縮層總厚度包括雜填土厚度。

表5 不同可壓縮層沉降量Table 5 Land subsidence of different compressed layer

經(jīng)計算，第一、二、三、四可壓縮層分別沉降139.74mm、38.22mm、210.88mm、1038.65mm，沉降總量為1427.49mm。金盞地區(qū)2007~2017年監(jiān)測到的實際沉降量為1468mm，總誤差為40.51mm，產(chǎn)生誤差的原因可能是砂土壓縮模量估計偏小或者監(jiān)測數(shù)據(jù)與金1孔位置不完全重合的緣故。計算結(jié)果表明，第四可壓縮層在整個沉降中貢獻最大，占總沉降量的73%左右，與金盞附近的天竺、望京和王四營等地區(qū)分層監(jiān)測資料顯示一致，深部地層壓縮量占地面沉降總量的70%以上，地面沉降主要發(fā)生在深部地層，與深層地下水水位下降幅度相吻合。在0~300m地層中，黏性土厚度為104.90m，占總厚度的35%左右，沉降量為1112.92mm，占總沉降量的78%左右，可見黏性土沉降量較大，在地層沉降中占大部分。砂土厚度為189.20m，占總厚度的63%左右，沉降量為314.56mm，占總沉降量的22%左右。之前研究認為，地面沉降是主要由黏性土壓縮引起，砂土貢獻較小，但分層計算結(jié)果表明，當(dāng)砂土在地層總厚度中所占比例達到一定值時，砂土沉降量對于總沉降量的貢獻也是不容忽視的。

6 結(jié)論

根據(jù)金1孔采集的65份原狀土樣數(shù)據(jù)，對土樣進行各項工程性質(zhì)指標(biāo)檢測，利用固結(jié)儀實驗和大于200kN的材料試驗機進行實驗參數(shù)獲取。分析了金盞地區(qū)土體力學(xué)性質(zhì)、土層固結(jié)狀態(tài)、黏性土壓縮性，并跟據(jù)多種因素對金盞地區(qū)可壓縮層進行了重新劃分，在垂向上把0~300m地層分為四個可壓縮層。并結(jié)合新劃分的可壓縮層和不同可壓縮層內(nèi)的地下水位觀測井?dāng)?shù)據(jù)，對地面沉降量進行計算，其結(jié)論如下：

（1）依據(jù)金1孔對金盞地區(qū)地層新的揭示，該地區(qū)中部和深部土體較為松散，結(jié)構(gòu)性較差，可壓縮性大。金1孔處可壓縮層厚度遠小于先前認識值，可能原因是該地區(qū)可壓縮層厚度為利用周圍鉆孔插值所得，可壓縮層厚度在空間上存在不均性。

（2）基于不同可壓縮層、不同地層地下水水位變化情況，對0~300m地層沉降量進行分層計算，第一、二、三、四可壓縮層計算結(jié)果分別為139.74mm、38.22mm、210.88mm、1038.65mm，沉降總量為1427.49mm，第四可壓縮層沉降量最大，占總沉降量的73%左右，地面沉降主要發(fā)生在深部地層。

（3）在0~300m地層范圍內(nèi)，黏性土、砂土沉降量分別為1112.92mm、314.56mm。結(jié)果表明，當(dāng)砂土在地層總厚度占比較大時，其對地面沉降總量的貢獻也是不容忽視的。