(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京　100055)

華北地區(qū)地勢平坦，地表水資源較為匱乏，水資源利用主要來源于地下水開采。隨著近年來經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對水資源的需求也日益加大，華北平原地區(qū)已成為世界上超采地下水最嚴(yán)重的地區(qū)，也是地面沉降漏斗最大、沉降覆蓋面積最大的地區(qū)，而且地面沉降呈現(xiàn)加劇的趨勢。中國地質(zhì)科學(xué)院水環(huán)所完成的《華北平原地下水可持續(xù)利用能力》項目的研究成果顯示，華北平原淺層地下水超采區(qū)每年超采26.4億m3，深層地下水超采區(qū)每年超采12.4億m3，已無開采潛力。歷經(jīng)近50年的地下水開采和超采，華北平原地下水位普遍下降，形成多個地下水降落漏斗，由冀棗衡漏斗、滄州漏斗和德州漏斗組成的“華北平原環(huán)渤海復(fù)合大漏斗”，面積已達7.2萬km2。地下水的過度開采不僅會導(dǎo)致咸淡水界面下移、海水入侵，而且對高速鐵路的建設(shè)和運營也會產(chǎn)生不利影響。

1　區(qū)域沉降影響分析

1.1　區(qū)域沉降的成因

區(qū)域地面沉降的原因包括自然因素和人為因素。前者包括構(gòu)造活動、地震活動、軟弱土層的自重壓密固結(jié)、海平面上升等；后者主要指的是地下水、地下油氣資源的過量開采和大規(guī)模的工程建設(shè)等[1]。

(1)區(qū)域構(gòu)造

新構(gòu)造活動是控制構(gòu)造沉降的根本因素，根據(jù)現(xiàn)有資料來看，影響華北地區(qū)構(gòu)造沉降的原因大致為以下幾點：一是早第三紀(jì)以來的伸展裂陷活動造成的地塹和半地塹差異沉降；二是晚第三紀(jì)-第四紀(jì)華北地塹盆地的總體背景性沉降；三是控制性活動斷裂引起的沉降活動。

(2)人為因素

華北地區(qū)由于構(gòu)造因素引起的地面沉降，速率僅為1～2 mm/年[2]。

另一方面，地下水、地下油氣資源的過量開采和大規(guī)模的工程建設(shè)也會引起地面沉降，其中，地下水嚴(yán)重超采是華北地區(qū)地面沉降的最主要原因。

1.2　抽水所致沉降的機理分析

分析由水位變化引起的地面沉降主要有兩種方法，一是有效應(yīng)力原理，主要用于解釋含水層在抽水過程中壓實引起的沉降；二是水動力固結(jié)理論，主要用于解釋抽水以后的殘余壓實引起的沉降[3](如圖1所示)。

圖1　有效應(yīng)力原理

有效應(yīng)力原理

σ=σ′+μ

(1)

其中σ表示上覆荷載產(chǎn)生的總應(yīng)力，σ′表示有效應(yīng)力，即含水層骨架所承受的應(yīng)力，μ表示孔隙水壓力。

根據(jù)有效應(yīng)力原理，上覆土層和水的重力由有效應(yīng)力和孔隙水壓力共同承擔(dān)。在抽水之后，由于總應(yīng)力不變，而孔隙水壓力降低，有效應(yīng)力必然增大。有效應(yīng)力增大必然導(dǎo)致顆粒骨架所受壓力的增加，由于土體顆粒的壓縮率與孔隙壓縮量相比可以忽略，所以土層被壓縮在微觀上表現(xiàn)為土體顆粒之間孔隙的壓縮。

抽水過程中，由于透水層的滲透系數(shù)比弱透水層要大，因而水位下降也快；抽水完成后，由于兩種含水層之間水位高度不同，存在水位差，表現(xiàn)出由弱透水層向透水層的滲透，弱透水層中的壓實作用并沒有停止，地面沉降會繼續(xù)發(fā)展。

實際上，孔隙水壓恢復(fù)后，壓縮的土層將發(fā)生反彈，而黏性土滲透固結(jié)過程非常緩慢，具有蠕變性。黏性土變形主要以塑性變形為主，一旦發(fā)生固結(jié)，大部分沉降量無法恢復(fù)，加之沉降又有明顯的滯后現(xiàn)象，分析起來相當(dāng)復(fù)雜。

因此，人為因素，尤其是深層地下水超量開采是導(dǎo)致地面沉降的主要原因。

1.3　高鐵沿線區(qū)域沉降研究現(xiàn)狀及對策

對于華北平原這樣的區(qū)域性沉降地區(qū)，各沉降監(jiān)測單位在監(jiān)測手段、時間、精度等方面都存在差異，數(shù)據(jù)難以形成有效的序列，處理起來相對比較困難；另一方面，由于各個機構(gòu)在監(jiān)測數(shù)據(jù)上沒有實現(xiàn)完全共享，進一步增加了形成區(qū)域沉降現(xiàn)狀圖的難度。再者，對于區(qū)域沉降的研究大多都停留在沉降機理及監(jiān)測等方面，對于如何進行有效的處理還存在不少空白，加之對于地下水開采的管理牽扯多方面的利益，難以形成有效的管理體系，成為了區(qū)域沉降研究的又一道阻礙[4]。

結(jié)合本段高鐵的實際情況，需要進一步搜集石家莊、邯鄲、邢臺等地近年來的沉降資料以及地下水位變化資料，參照區(qū)域沉降圖，從宏觀上分析高鐵沿線的沉降情況；另外，對于高鐵沿線地下水滲流場的變化情況以及降落漏斗的范圍，需要咨詢有關(guān)部門，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測今后地下水位的變化情況，從而達到預(yù)測地面沉降的目的。

華北地區(qū)的許多地下水漏斗已經(jīng)連成一片，形成了區(qū)域性地面沉降。區(qū)域性地面沉降會導(dǎo)致線路坡度發(fā)生變化，同時對橋梁、路基和軌道平順性產(chǎn)生一定影響。為了避免沉降對高速鐵路的不利影響，通常采取以下幾個手段來進行控制：合理選線、采取合理的線路坡度及適宜的工程措施以及控制地下水的開采[5]?？紤]到本段高鐵的具體情況，沉降控制需從控制地下水水位著手。

2　地下水位變化對高速鐵路影響分析

2.1　區(qū)域地下水位變化對路基沉降的影響

按地下水位平均每下降1 m，在地層內(nèi)相應(yīng)增加10 kPa附加應(yīng)力，采用分層總和法預(yù)測地面沉降量，黏性土及粉土按下式計算

(2)

砂土按下式計算

(3)

以某客運專線DK442+200工點為例，鉆孔資料提供的地下水埋深為3.5 m，假設(shè)一段時間后水位降至8.5 m，根據(jù)上述公式計算40 m計算深度范圍內(nèi)的沉降為219.97 mm。如果該工點地下水埋深為8.5 m或13.5 m，同樣降深5 m，計算出的沉降分別為186.46 mm，152.95 mm，如表1所示。由此可見，在同等地質(zhì)條件、同等降深的情況下，地下水埋深越深，計算深度范圍內(nèi)的沉降越小。

表1　DK442+200工點地下水位均勻下降沉降計算值

對比分析DK385+620，DK388+135以及DK389+080等工點，計算地下水位均勻下降引起路基沉降值及速率估算值，如表2所示。

四個工點的地層結(jié)構(gòu)比較相似，均為黏性土層與砂層交互成層，因此各工點在計算結(jié)果上的區(qū)別主要由于地下水埋深。由表2中的數(shù)據(jù)可知，在相似地質(zhì)條件、同等降深的情況下，地下水埋深越深，計算深度范圍內(nèi)的沉降越小，由此也證明了前面的推論。

2.2　抽水井對路基沉降的影響

(1)水井沉降漏斗的形成機制

鐵路沿線分布眾多農(nóng)田灌溉井及農(nóng)用飲水井，井深由幾十米到上百米不等，抽水井出水量一般為50～120 m3/h。機井相互間距較大時，呈井點降水模式；若機井間距較小或者同一地區(qū)分布多個機井時，則形成地下水的降落漏斗。由于水井抽水導(dǎo)致局部地下水位下降，形成以水井為中心，向外拋物線型的浸潤曲線，如圖2所示。

表2　地下水位均勻下降引起路基沉降值及速率估算值

圖2　地下水降落曲線

由圖2可知，距離水位降落漏斗中心位置越遠，水位變化越小，相應(yīng)的沉降也越小，這樣就會形成一個以抽水井為中心的沉降漏斗，中心沉降最大，向外側(cè)越來越小。

(2)水井沉降漏斗的影響半徑

高鐵沿線分布眾多水井，如圖3選取了DK364+458～DK376+172段，以正線為中心繪制了兩側(cè)共計16口水井的分布圖。

圖3　DK364+458～DK376+172段水井分布

為了確定這些水井的水位下降對高鐵是否有影響，首先就需要確定影響半徑。影響半徑系是指抽水時由井軸至降落漏斗外部邊緣靜水位的距離，通常采用經(jīng)驗公式進行計算。在計算潛水含水層群井的影響半徑時，通常采用庫薩金公式

(3)

而對于潛水和承壓水抽水初期的影響半徑，一般采用吉哈爾特公式

(4)

式中，S表示降深，H表示含水層的厚度，K表示滲透系數(shù)。假設(shè)含水層主要為細沙，厚度為30 m，取K=1.0～5.0 m/d，在降深10 m的情況下，按庫薩金公式計算出的影響半徑為110～245 m。根據(jù)影響半徑進行推算，在此種情況下，鐵路沿線100～250 m范圍內(nèi)的淺層地下水開采對鐵路將有所影響，距離鐵路越近影響則越大。如果在鐵路兩側(cè)數(shù)米之內(nèi)存在淺層水井，仍以DK442+200工點為例，假設(shè)一段時間后水位由3.5 m降至13.5 m，引起的沉降初步估算將達到400 mm。因此，淺層地下水位的下降，對地面沉降的影響更為嚴(yán)重。

(3)水井抽水引起地面沉降的分析預(yù)測

高鐵沿線水井多為灌溉井，主要是抽取淺層地下水，實際工程中，由于灌溉水井在各個時期抽水量不盡相同，不同抽水井之間存在相互影響，再加上水流補給以及大氣降雨的影響，對于相同地貌單元，通常采用比單位變形量法來預(yù)測地面沉降。

假設(shè)土層變形量與水位升降幅度及土層厚度之間都呈線性比例關(guān)系，土層在某一特定時段(水位上升或下降)內(nèi)，含水層水頭每變化1 m時其相應(yīng)的變形量，稱為單位變形量，將其除以土層的厚度即為該土層的比單位變形量。一般可以根據(jù)預(yù)測期前3～4年中的實測資料，按下式計算

ΔS=I′·Δh·H

(5)

式中，I′表示地層的比單位變形量，一般根據(jù)長期監(jiān)測資料統(tǒng)計得到，Δh表示水位變化值，H表示土層的厚度，ΔS(mm)即為水位變化Δh(m)時，厚度為H(mm)的土層預(yù)測沉降量。

假設(shè)I′=0.01 mm/(m·m)，Δh=5 m，H=40 m，

則ΔS=0.01×5×40=20 mm，即在0～40 m計算深度范圍內(nèi)，如果水頭變化5 m，土層的沉降值為20 mm。

在用比單位變形量法來預(yù)測地下水位變化引起的地面沉降時，首先需要搜集以往的監(jiān)測數(shù)據(jù)來確定比單位變形模量I′的值，繼而根據(jù)水頭變化和計算深度來分析計算相同或相近地貌單元的地面沉降。

3　結(jié)論

由水井取水導(dǎo)致的局部不均勻沉降和區(qū)域性的大規(guī)模沉降相比，前者對于高速鐵路的影響有時更為嚴(yán)重。

在相同地質(zhì)條件、同等降深的情況下，地下水埋深越深，計算深度范圍內(nèi)的沉降越小，但是并不能簡單地認(rèn)為在深層采水比淺層采水要好。由于深層承壓水較淺層難以受到補給，水位下降后必然會導(dǎo)致上部各層的越流補給，加速中間黏土層的固結(jié)沉降，引起嚴(yán)重的地面沉降。實際上，可以通過在淺層含水層開鑿輻射井等方法來加大淺層地下水開采量。

搜集高鐵沿線各抽水井的坐標(biāo)、水位埋深以及水位變化情況，并計算其影響半徑，根據(jù)影響半徑來控制水井的開采，必要時采取禁采、限采等手段。

考慮到灌溉水井水位常年變化以及固結(jié)沉降的長期性，可以通過搜集高鐵各沉降段前3～4年中的沉降資料以及水位變化數(shù)據(jù)，根據(jù)比單位變形量法來預(yù)測沉降的發(fā)展。

[1]何慶成，劉文波，李志明.華北平原地面沉降調(diào)查與監(jiān)測[J].高校地質(zhì)學(xué)報，2006(6)

[2]何慶成，等.我國地面沉降現(xiàn)狀及防治戰(zhàn)略設(shè)想[J].高校地質(zhì)學(xué)報，2006(6)

[3]謝海瀾，鄭錦娜.區(qū)域性地面沉降研究現(xiàn)狀[J].地質(zhì)調(diào)查與研究，2009(9)

[4]祁彪.地面沉降對京滬高速鐵路(北京-濟南段)影響分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2009

[5]李國和，等.華北平原地面沉降對高速鐵路的影響及其對策[J].鐵道工程學(xué)報，2007(8)