詹學(xué)啟，張占榮

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

區(qū)域地面沉降是在人類(lèi)工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)影響下，由于地下松散地層的固結(jié)壓密，導(dǎo)致地面高程緩慢降低的環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)成為一種地質(zhì)災(zāi)害。近20多年來(lái)隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展、城市的擴(kuò)張，對(duì)地下水的需求也越來(lái)越大，區(qū)域地面沉降范圍越來(lái)越廣，危害越來(lái)越大，至2011年12月，中國(guó)有50余個(gè)城市出現(xiàn)地面沉降，長(zhǎng)三角、華北平原和汾渭盆地已成區(qū)域地面沉降的重災(zāi)區(qū)。由于發(fā)展過(guò)程漫長(zhǎng)、影響范圍廣、形成原因和機(jī)理復(fù)雜、治理難度大，一旦形成便難以恢復(fù)，區(qū)域地面沉降已成為制約我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要地質(zhì)災(zāi)害［1-4］。

導(dǎo)致產(chǎn)生區(qū)域地面沉降的因素很多，抽取地下水引起的地面沉降是最為普遍、危害性最為嚴(yán)重的一類(lèi)［5-7］。鄭徐高速鐵路位于黃淮沖積平原區(qū)，調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，沿線(xiàn)曾因大量抽取地下水形成了多個(gè)以城鎮(zhèn)為中心的降水漏斗，地下水位降低引起嚴(yán)重的地表下沉問(wèn)題［8，9］。為滿(mǎn)足安全、舒適的要求，高速鐵路對(duì)沉降特別是工后沉降要求極為嚴(yán)格，因此，采取合理的模型及時(shí)地分析和預(yù)測(cè)沿線(xiàn)地面沉降狀況，對(duì)于鄭徐高速鐵路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防以及后期正常運(yùn)行具有重要意義。本文以鄭徐高速鐵路沿線(xiàn)地面沉降最為嚴(yán)重的鄭州段為例，通過(guò)分析沿線(xiàn)地下水開(kāi)采量、開(kāi)采時(shí)間導(dǎo)致的地下水滲流場(chǎng)的變化情況，采用Visual Modflow軟件，模擬地下水水位變化，分析地下水流場(chǎng)及降落漏斗范圍，結(jié)合巖土力學(xué)分析法，建立地面沉降數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)地下水水位下降引發(fā)的地面沉降發(fā)展的趨勢(shì)，以期合理評(píng)價(jià)沿線(xiàn)抽取地下水對(duì)鄭徐高速鐵路的影響，并為鄭徐高速鐵路的順利建設(shè)提供一定的參考。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 工程地質(zhì)條件

鄭徐高速鐵路鄭州段為巨厚的第四系黃淮沖積地層。60 m以?xún)?nèi)地層以粉土、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土為主，發(fā)育1～2層厚度較大，分選性好的含水砂層，砂層厚度一般30 m左右，底板埋深30～40 m，局部50 m左右，地下水水位埋深8～12 m，主要以生活飲用水及工農(nóng)業(yè)用水的抽水為主。

表1 鄭州段地基土鉆孔取樣物理力學(xué)性質(zhì)

1.2 鄭州地區(qū)地下水開(kāi)采狀況

鄭州地區(qū)以開(kāi)采中深層地下水為主，水位變化較復(fù)雜，一是中深層水與淺層水水力聯(lián)系密切，水位升降基本一致，二是中深層水位變化與開(kāi)采量關(guān)系密切。自80年代末淺層地下水開(kāi)始出現(xiàn)漏斗，到90年代末地下水水位埋深4～8 m，1998年鄭州市淺層地下水漏斗面積為225.89 km2，中心水位埋深32.89 m;2011年淺層地下水漏斗面積為1 371.81 km2，中心水位埋深56.10 m，淺層地下水漏斗區(qū)中心水位平均降速為1.78 m/a。自80年代初開(kāi)始中深層地下水降落漏斗出現(xiàn)，隨著開(kāi)采量的增大，地下漏斗逐年擴(kuò)大，1998年中深層地下水平均埋深為43.25 m，地下降落漏斗區(qū)面積491.25 km2，中心水位埋深74.31 m;地下水水位平均降速2.17 m/a;2011年中深層地下水平均埋深為48.10 m，地下降落漏斗區(qū)面積1 204.20 km2，中心水位埋深110 m，地下水水位平均降速2.70 m/a。

2 水文地質(zhì)條件概化

2.1 含水層的結(jié)構(gòu)特征

研究區(qū)地下水系統(tǒng)符合質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律;含水層分布廣、厚度大，在常溫常壓下地下水運(yùn)動(dòng)符合達(dá)西定律;考慮淺層地下水、中深層地下水之間的水力聯(lián)系的特點(diǎn)，地下水運(yùn)動(dòng)可概化成空間三維流;地下水系統(tǒng)的垂向運(yùn)動(dòng)主要是層間的越流，三維立體結(jié)構(gòu)模型可以很好的解決越流問(wèn)題;地下水系統(tǒng)的輸入、輸出隨時(shí)間、空間變化，故地下水為非穩(wěn)定流;參數(shù)隨空間變化，體現(xiàn)了系統(tǒng)的非均質(zhì)性，而且在水平和垂直方向上各不相同，所以參數(shù)概化成各向異性。因此將研究區(qū)的地下水流作為非均質(zhì)各向異性、空間三維非穩(wěn)定流處理，即地下水系統(tǒng)的概念模型。

通過(guò)區(qū)域水文地質(zhì)條件的分析，參考含水層的埋藏條件，成因類(lèi)型，水力性質(zhì)，開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀，在空間上整個(gè)研究區(qū)的地下水系統(tǒng)在垂向上概化為2個(gè)模擬層:淺層孔隙含水層組、中深層孔隙含水層組。

2.2 源匯項(xiàng)的概化

潛水含水層自由水面為系統(tǒng)的上邊界，通過(guò)該邊界，潛水與系統(tǒng)外發(fā)生垂向水量交換，如接受大氣降水入滲補(bǔ)給、河渠補(bǔ)給、田間入滲補(bǔ)給、蒸發(fā)排泄等。含水層組之間通過(guò)越流交換物質(zhì)和能量，其越流量由含水層在垂向上的滲透系數(shù)及含水層的厚度決定。

研究區(qū)淺層含水層的補(bǔ)給項(xiàng)包括降雨入滲、農(nóng)業(yè)灌溉回滲、渠道滲漏、黃河側(cè)滲補(bǔ)給，排泄項(xiàng)包括潛水蒸發(fā)、農(nóng)業(yè)用水開(kāi)采、工業(yè)生活用水開(kāi)采、側(cè)向流出等，中深層、深層含水層在天然狀況下主要接受越流補(bǔ)給，生活工業(yè)用水開(kāi)采是主要的排泄方式。

對(duì)于源匯項(xiàng)的處理，分為三類(lèi):一類(lèi)是以各個(gè)含水層面狀補(bǔ)給率的形式給出，處理過(guò)程中通過(guò)在程序軟件中的補(bǔ)給和排泄子程序包實(shí)現(xiàn)所有層的面狀補(bǔ)給率的賦值;第二類(lèi)是以單井量的形式給出，包括分配到每個(gè)單元格上的側(cè)向徑流量、河流滲漏量、水源地開(kāi)采量;以上兩類(lèi)源匯項(xiàng)的量均分配在活動(dòng)單元格上參與計(jì)算。第三類(lèi)為潛水蒸散發(fā)排泄，在包氣帶水分運(yùn)移中，蒸發(fā)是主要的排泄項(xiàng)，其大小與氣象條件、地表植被、土壤類(lèi)型和含水量、地下水位埋深等因素有著密切的關(guān)系。本次在處理蒸散發(fā)排泄量時(shí)根據(jù)巖性確定了潛水蒸發(fā)的極限埋深為4 m。

2.3 邊界條件的概化

根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際特點(diǎn)，在含水層邊界上觀(guān)測(cè)孔較多的地段，觀(guān)測(cè)系列較全定義為已知水頭邊界，在觀(guān)測(cè)資料較少的地段，四周邊界定義為通用水頭邊界，通過(guò)visual modflow通用水頭子程序包，把邊界條件賦給模型。

FH患者左主干、左前降支、左回旋支和右冠狀動(dòng)脈病變的發(fā)生率均高于非FH患者，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)。FH患者以雙支病變?yōu)橹?67.57%)，非FH患者以單支病變?yōu)橹?87.23%)，構(gòu)成比分析顯示FH患者和非FH患者在血管病變數(shù)目上的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。見(jiàn)表5。

2.4 地下水流數(shù)學(xué)模型

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型，研究區(qū)地下水流模型可概化為非均質(zhì)各項(xiàng)異性介質(zhì)中的三維非穩(wěn)定流穩(wěn)定流問(wèn)題，其微分方程為

式中，Ω為含水層滲流區(qū)域;h-h=h(x，y，z)為含水層的水位高程，m;Kx、Ky、Kz分別為 x、y、z方向的滲透系數(shù)，m/d;Kn為邊界面法向方向的滲透系數(shù)，m/d;S為自由面以下含水層儲(chǔ)水系數(shù)，1/m;ε為分含水層的源匯項(xiàng)，1/d;h0為含水層的初始水位分布，m，h0=h0(x，y，z);Γ1為滲流區(qū)域的側(cè)向及下邊界;Γ2為滲流區(qū)域的側(cè)向邊界;q(x，y，z，t)為定義為二類(lèi)邊界的單寬流量，m2/d·m，流入為正，流出為負(fù)，隔水邊界為0。

3 地下水水位模型模擬的耦合

鄭州多年平均降雨量為629.7 mm，降雨入滲系數(shù)為0.30，多年平均蒸發(fā)量為1 826.00 mm，蒸發(fā)折算系數(shù)為0.6;研究區(qū)淺層地下水的補(bǔ)給主要有降雨入滲補(bǔ)給，灌溉回滲補(bǔ)給，地表水側(cè)滲補(bǔ)給，淺層地下水的排泄主要有開(kāi)采排泄，蒸發(fā)排泄，越流排泄和徑流排泄等形式，淺層地下水的單井涌水量為1 000～3 000 m3/d，滲透系數(shù) 5～8 m/d，給水度為 0.04～0.06;中深層地下水主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給和垂向越流補(bǔ)給，主要排泄方式為人工開(kāi)采，其次為側(cè)向徑流排出和開(kāi)采條件下越流補(bǔ)給深層，單井涌水量為1 000～3 000 m3/d，中深層含水層的滲透系數(shù)為3.43～4.92 m/d，彈性釋水系數(shù)為1.38×105;研究區(qū)淺層地下水的開(kāi)采量為6 535×104m3/a，側(cè)向徑流量為1 401.60×104m3/a，越流系數(shù)為2.45×10-5(d-1)，渠系滲漏的補(bǔ)給系數(shù)為0.25，農(nóng)田灌溉的回滲系數(shù)為0.05～0.1。

模擬時(shí)間從2010年1月到2010年12月，劃分為12個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段一個(gè)月，將2010年1月各含水層的水位觀(guān)測(cè)資料經(jīng)過(guò)Kriging方法差值后作為計(jì)算的初始水位賦給模型。滲透系數(shù)、儲(chǔ)水率、重力給水度、降水入滲系數(shù)、蒸發(fā)系數(shù)、有效孔隙度等水文地質(zhì)參數(shù)根據(jù)收集到的研究區(qū)以往抽水實(shí)驗(yàn)、室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)給出一個(gè)初始值，然后利用長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)井的水位和模型預(yù)測(cè)水位進(jìn)行擬合，不斷調(diào)整水文地質(zhì)參數(shù)，使擬合結(jié)果符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)井主要選取黃河灘九五灘水源地黃河牧場(chǎng)101井、鄭州金水區(qū)龍子湖辦事處柳園口西南118井。長(zhǎng)期水位觀(guān)測(cè)孔的模擬結(jié)果見(jiàn)圖1，由圖1可知，由模型計(jì)算得到的水位和實(shí)際水位相差不大，說(shuō)明建立的模型可靠度高，可以用來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的地下水水位變化情況。

圖1 實(shí)測(cè)水位與模擬水位對(duì)比

4 地下水水位下降趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析

根據(jù)上述分析對(duì)地下水下降趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果表明，以現(xiàn)有開(kāi)采條件抽采地下水，地下水水位整體呈下降趨勢(shì)，下降趨勢(shì)較大的主要集中在城區(qū)及城郊附近，地下水水位下降速率平均在1.0 m/a。

淺層地下水:(1)預(yù)測(cè)10年地下水下降2～8 m，地下水降落中心基本以龍子湖—陳三橋?yàn)橹行?，距工程沿線(xiàn)約2.0～3.0 km，漏斗中心水位下降速率約0.80 m/a，工程沿線(xiàn)地下水下降速率約在0.20～0.60 m/a;(2)預(yù)測(cè)20年地下水下降5～15 m，地下水降落中心基本以龍子湖—陳三橋?yàn)橹行?，距工程沿線(xiàn)約1.5～2.0 km，漏斗中心水位下降速率0.75 m/a，工程沿線(xiàn)地下水下降速率約在0.25～0.50 m/a。預(yù)測(cè)結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 預(yù)測(cè)10年淺層地下水流場(chǎng)

圖3 預(yù)測(cè)20年淺層地下水流場(chǎng)

中深層地下水:(1)預(yù)測(cè)10年地下水下降6～15 m，地下水降落中心基本以十里鋪為中心(位于工程沿線(xiàn)以西)，距工程沿線(xiàn)約4.0 km，漏斗中心水位下降速率1.50 m/a，工程沿線(xiàn)地下水水位下降約在0.60～1.20 m/a;(2)預(yù)測(cè)20年地下水下降9～26 m，地下水降落中心基本以十里鋪為中心(位于工程沿線(xiàn)以西)，距工程沿線(xiàn)約4.0 km，漏斗中心水位下降速率1.30 m/a，工程沿線(xiàn)地下水水位下降約在0.45～1.0 m/a。

5 開(kāi)采地下水引起的地面沉降預(yù)測(cè)

5.1 開(kāi)采淺層地下水引起地面沉降數(shù)學(xué)模型

由于工程沿線(xiàn)區(qū)域地層結(jié)構(gòu)比較清楚，做過(guò)巖土工程勘察并取得可靠的土工試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)地面沉降問(wèn)題的計(jì)算，目前仍依據(jù)經(jīng)典固結(jié)理論。其模型建立概化為:(1)在水頭壓力降低的條件下，其有效應(yīng)力的變化是一維的，土體基本上只有垂直變形;(2)在水位變化過(guò)程中孔隙水壓力的正向和負(fù)向變化所引起的固結(jié)效果是等同的，在地下水開(kāi)采條件下，土的固結(jié)疊加原理是適用的。

開(kāi)采地下水引起地面沉降土體的變形包括2個(gè)方面［10］，黏性土層的變形與砂層(含水層)的變形。其中，砂土層計(jì)算公式

黏性土計(jì)算式

式中，S總為總的計(jì)算沉降量，mm;αvi為黏性土的壓縮系數(shù)，MPa-1;eoi為原始孔隙比，無(wú)量綱;E為砂土的壓縮模量，MPa，按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79—2012)［11］中經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù);ΔPi為水位變化引起的土層附加荷載，MPa;Hi為計(jì)算土的分層厚度，m。

5.2 地面沉降趨勢(shì)預(yù)測(cè)評(píng)估

地面沉降趨勢(shì)預(yù)測(cè)評(píng)估主要依據(jù)地層巖性、土體的性質(zhì)、地下水的埋藏條件等進(jìn)行劃分，鄭州段位于黃淮沖積平原區(qū)，地下水類(lèi)型分別為松散巖類(lèi)孔隙水。結(jié)合沿線(xiàn)地下水開(kāi)采現(xiàn)狀，著重對(duì)鄭州地段由于地下水開(kāi)采引起的地面沉降趨勢(shì)分開(kāi)采類(lèi)型進(jìn)行預(yù)測(cè)。沉降預(yù)測(cè)是基于現(xiàn)狀條件下(基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的井點(diǎn)分布、井點(diǎn)數(shù)量、現(xiàn)狀開(kāi)采方式、現(xiàn)狀抽水量、現(xiàn)狀抽水層位等;僅考慮抽水引起的地面沉降因素)的預(yù)測(cè)估算值。分析結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 預(yù)測(cè)10年沿線(xiàn)地面沉降量、沉降速率分布

圖5 預(yù)測(cè)20年沿線(xiàn)地面沉降量、沉降速率分布

分析表明，抽取淺層地下水引起的地面沉降特征如下:(1)現(xiàn)狀條件下抽采10年后，因開(kāi)采淺層地下水引發(fā)的地面沉降量為3.63～15.77 mm，開(kāi)采中深層地下水引發(fā)的地面沉降量為27.65～58.80 mm，產(chǎn)生的總沉降量為34.10～67.42 mm，每年的平均沉降速率為3.41～6.74 mm/a，詳見(jiàn)圖4;(2)現(xiàn)狀條件下抽采20年后，因開(kāi)采淺層地下水引發(fā)的地面沉降量可達(dá)10.08-38.55 mm，因開(kāi)采中深層地下水引發(fā)的地面沉降量為42.49～106.23 mm，由此引發(fā)的總沉降量可達(dá)65.91～144.78 mm，年平均沉降速率3.30～7.24 mm/a，詳見(jiàn)圖5。抽取地下水引起的區(qū)域地面沉降大大超過(guò)高速鐵路無(wú)砟軌道工后沉降容許值［12］。

6 防止對(duì)策及建議

鄭徐高速鐵路鄭州段工程主要有鄭州東站車(chē)站路基、跨金水東路大橋、跨連霍高速公路特大橋、鄭汴特大橋，其中鄭州東站范圍(DK000+000～DK001+830)已采用有砟軌道形式。DK001+830～DK15+000段建議如下。

(1)DK001+830～DK10+079.54段抽采地下水引發(fā)的地面沉降，10年和20年預(yù)測(cè)的沉降量分別為47.95～67.42 mm和65.91～144.78 mm。預(yù)測(cè)的地面總沉降量大，沉降對(duì)橋梁、路基工程的影響大，橋梁采用可調(diào)支座，樁基礎(chǔ)穿過(guò)上部潛水含水砂層，至下部的粉土或粉質(zhì)黏土地層;路基工程需加強(qiáng)地基特別是過(guò)渡段地基處理。建議本段采用有砟軌道形式或嚴(yán)格采取禁采、限采地下水措施以期滿(mǎn)足無(wú)砟軌道鋪設(shè)的技術(shù)要求。

(2)DK10+079.54～DK15+000段抽采地下水引發(fā)的地面沉降，10年和20年預(yù)測(cè)的沉降量分別為34.10～37.58 mm和70.27～77.05 mm。建議橋梁樁基礎(chǔ)穿過(guò)上部潛水含水砂層，至下部的粉土或粉質(zhì)黏土地層;路基工程也宜加強(qiáng)地基處理措施，如適當(dāng)增加樁長(zhǎng)、堆載或超載預(yù)壓等，盡量減少由于抽水引起的地面沉降對(duì)工程的影響。

(3)實(shí)時(shí)建立地面沉降監(jiān)測(cè)、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)鐵路施工和運(yùn)營(yíng)中的沉降監(jiān)測(cè)，為軌面擬合調(diào)整提供依據(jù)。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析得到如下結(jié)論。

(1)本文采用Visual Modflow軟件建立的地下水三維滲流耦合模型，與長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)井水位變化數(shù)據(jù)基本吻合，可用于預(yù)測(cè)未來(lái)沿線(xiàn)的地下水水位變化情況。

(2)未來(lái)10年淺層地下水位下降2～8 m、中深層地下水下降6～15 m，地面沉降量可達(dá)34.10～67.42 mm;未來(lái)20年淺層地下水位下降5～15 m、中深層地下水下降 9～26 m，地面沉降量可達(dá) 65.91～144.78 mm。

(3)抽取地下水引起的區(qū)域地面沉降大大超過(guò)高速鐵路無(wú)砟軌道工后沉降容許值，建議建立施工期沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并將區(qū)域地面沉降最為嚴(yán)重的DK0～DK10段改為有砟軌道形式通過(guò)，得到了有關(guān)部門(mén)和建設(shè)單位的批準(zhǔn)采納。

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