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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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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)
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