王 雙

(廣東省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊，廣東 湛江 524000)

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湛江霞山區(qū)菉塘地面沉降量計算方法及沉降趨勢預測分析

王 雙

(廣東省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊，廣東 湛江 524000)

湛江市作為廣東省主要由地下水供水城市，其地面沉降現(xiàn)象日益加劇，其為了控制地面沉降的發(fā)生和發(fā)展，在提出合理的地面沉降計算方法的基礎上，對未來地面沉降進行預測分析。菉塘為湛江市地面沉降中心之一，選取菉塘沉降中心計算其最終沉降量，并對其沉降趨勢及沉降主導因素進行分析預測與確定。湛江市地層和地下水分布比較復雜，地層幾乎涵蓋了黏性土、粉土、砂、基巖等幾乎所有類型，地下水類型較多，幾乎涉及到了所有地下水類型。為了合理預測抽取地下水引起的地面沉降，有必要通過對不同地層進行分析，提出簡單、實用、使用便捷的沉降計算方法。

地面沉降；沉降趨勢；主導因素；菉塘

1 地面沉降量的計算方法——分層總和法

雖然地面沉降最終沉降量(S∞)由瞬時沉降(Sd)、固結(jié)沉降(即主固結(jié)沉降) (SC)和次固結(jié)沉降(Ss)三個部分組成，即S∞=Sd+Sc+Ss

但在實際計算過程中三者很難區(qū)分，因此本次主要通過計算主固結(jié)沉降量，再用沉降計算經(jīng)驗系數(shù)(ψs)來修正，即按下面式子計算總沉降量：S∞=ψs·Sc

沉降計算經(jīng)驗系數(shù)與軟弱類土的變形特性、上部荷載條件、加載速率等因素有關，對于正常固結(jié)或稍超固結(jié)土，通常取1.1～1.7，荷載較大、土較軟弱時取大值，反之則取小值。根據(jù)區(qū)內(nèi)實際，本次湛江市平原ψs區(qū)取1.1。

1.1 固結(jié)沉降量的計算

在計算固結(jié)沉降量Sc時，對不同地層采用不同的計算公式。

1.1.1 黏性土及粉土層固結(jié)沉降量計算公式

式中：α為壓縮系數(shù)(MPa-1)；θ0為初始孔隙比；ΔP為施加于計算土層上的平均附加壓力(MPa)；H為計算土層的厚度(mm)。

1.1.2 砂性土層固結(jié)沉降量計算公式

式中：Es為砂層的彈性模量(MPa)。

分層總和法計算總沉降量

根據(jù)前面分析，區(qū)內(nèi)影響地面沉降的作用力有五種形式，各種作用力施加的起始地層是不盡相同的，即施加于不同層位的ΔP也是不同的，因此，分層總和法計算總沉降量的公式如下：

式中：i為計算土層的序號；n為計算土層的總層數(shù)；j為黏性土層(含粉土層)的序號；n1為黏性土層(含粉土層)總層數(shù)；k為砂性土層的序號；n2為砂性土層總層數(shù)。

1.2 次固結(jié)沉降量計算

在軟弱類土層的相關參數(shù)比較齊全和可靠的情況下，也可以直接計算其次固結(jié)沉降量。由于次固結(jié)沉降速率遠遠小于主固結(jié)沉降速率，因此，一般情況下都將次固結(jié)開始的時刻等同于主固結(jié)完成的時刻，即軟弱類土次固結(jié)可以理解為在沒有外部荷載的情況下發(fā)生的壓縮現(xiàn)象，次固結(jié)的孔隙比變化為：

式中：Δθs為次壓縮階段的孔隙比變化；θ1為土層主固結(jié)完成時刻的孔隙比；θ2為土層次壓縮量計算時刻的孔隙比；Ca為土層的次固結(jié)系數(shù)；t1為主固結(jié)完成的時刻；t2為次壓縮量計算時刻。

常規(guī)次固結(jié)沉降量計算公式如下：

假設土顆粒是不可壓縮，那么土體壓縮變形是由孔隙比的減小而成，即次固結(jié)沉降量Ss不能是無限大的，而上式當t2→∞時得Ss→∞，與實際不相符。根據(jù)廣西電力工業(yè)勘察設計研究院馮志剛等的研究成果，對上式進行了改進，修正后的公式如下：

上式當t2→∞時，得

該極限值可認為是次固結(jié)沉降的最終沉降量。

1.3 瞬時固結(jié)沉降量計算

一般采用彈性力學法計算瞬時固結(jié)沉降量，如均布荷載下地基表面任意點的沉降計算公式為：

式中：ω為沉降影響系數(shù)；p為上部荷載；B為矩形荷載的寬度或圓形荷載的直徑；Eu為土層的不排水彈性模量；μ為土的泊松比。

1.4 穩(wěn)定附加壓力下某時段地面沉降量預測計算

在大面積填土工程、各類建設項目施工完成后，或地下水水位升降基本穩(wěn)定不變等情況下，由此產(chǎn)生的附加應力也基本穩(wěn)定不變，土層變形量與時間的關系為：

St=S∞U

其中：

式中：St為某時刻時的地面沉降量(mm)；U為固結(jié)度；N為時間因素；Cv為土層的固結(jié)系數(shù)(mm2/a)(1cm2/s=31.54×108mm2/a)；t為時間(a)。

2 菉塘沉降中心最終沉降量計算結(jié)果分析

限于工作區(qū)地面沉降誘發(fā)因素的復雜性，本次僅對典型點進行沉降總量、速率和持續(xù)時間等做出評估。湛江市霞山區(qū)菉塘在二十世紀80至90年代大量開采中層地下水用于生活用水，90年后期政府加強了對地下水開采的管理，中層承壓水漏斗中心區(qū)水位出現(xiàn)逐年回升的現(xiàn)象，至2011年，菉塘的開采量基本穩(wěn)定，中層承壓水水位也趨于穩(wěn)定。根據(jù)湛江市地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，1989年菉塘沉降中心累計沉降量為140 mm，2011年菉塘沉降中心累計沉降量為195 mm，附近鉆孔資料可作參考，故本次選取菉塘沉降中心進行沉降計算。

2.1 中層承壓水水位下降引發(fā)的沉降

根據(jù)菉塘沉降中心S5186鉆孔資料，主要抽水層為第13層的粗中砂，厚度10.50 m；孔深100.50 m時見玄武巖。S5186號孔地層自上而下的巖性及主要物理指標見表1。

表1 湛江市霞山區(qū)菉塘村S5186號收集孔地層分層情況表

該點1989年水位標高-5 m，2011年水位標高-11 m，22年間水位降深6 m，水位下降引起的附加壓力約為60 kPa；該區(qū)地面沉降計算經(jīng)驗系數(shù)ψ取1.1；計得最終沉降量約為1 010 mm。

2.2 上部荷載作用產(chǎn)生的沉降

S5186鉆孔上覆填土以吹填砂為主，為未經(jīng)壓實的軟弱類土，厚度2.60 m，密度2.0 g/cm3；第二層黏土為軟弱類土，厚度3.40 m；由于本場地淺層水水位埋深為1.10 m，小于填土厚度，故將填土對軟弱類土產(chǎn)生的附加壓力分為水位以上、水位以下分層計算。計得最終沉降量約為324 mm。

3 菉塘沉降中心沉降趨勢預測

綜上所述計算結(jié)果，松散層總沉降量為1 334 mm。根據(jù)收集的鉆孔土工試驗資料，選取荷載100 kPa時的固結(jié)系數(shù)，按分層厚度加權(quán)平均，即加權(quán)平均值為24.073×10-3cm2/s；壓縮土層的底部為玄武巖，故考慮單面排水，為100.50 m。水位升降穩(wěn)定不變情況下，以Terzaghi一維固結(jié)理論預測沉降趨勢，預測沉降計算如下(表2)。

表2 湛江市霞山區(qū)菉塘村沉降預測計算表

4 結(jié)語

由上面計算結(jié)果可知，在目前水壓作用和沒有其他人為干預的情況下，本場地的加載沉降至110 a以后的年沉降量已經(jīng)小于1 mm，基本穩(wěn)定。

根據(jù)總沉降量計算，填土荷載作用下的最終沉降量為324 mm，水位降壓作用下的最終沉降量為1 010 mm，地下水對地面沉降的貢獻率達75.7%，顯然，引發(fā)該區(qū)地面沉降的主導因素是超量開采地下水資源。

[1]廣東省地質(zhì)局水文工程地質(zhì)一大隊.廣東省雷州半島地下水資源開發(fā)利用產(chǎn)業(yè)化推進研究報告.2005.6.

[2] 廣東省地質(zhì)局水文工程地質(zhì)一大隊.雷州半島地區(qū)地下水流場特征及其變化趨勢預測研究報告.2011.12.

[3]粵西地質(zhì)工程勘察院.1999年湛江市地面沉降監(jiān)測報告.1999.9.

[4]廣東省地礦局水文工程地質(zhì)一大隊.廣東省湛江市地面沉降調(diào)查精密水準測量網(wǎng)測量設計書.1983.2.

[5]廣東省地質(zhì)礦產(chǎn)局水文工程地質(zhì)一大隊.廣東省湛江市地面沉降調(diào)查精密水準測量報告.1985.3.

[6]粵西地質(zhì)工程勘察院.1998年湛江市地面沉降監(jiān)測研究技術設計書.1998.4.

[7]湛江市國土資源局.廣東省地質(zhì)勘查局水文工程地質(zhì)一大隊.廣東省湛江市地質(zhì)災害防治規(guī)劃(2006-2020年)》2006.2.

[8]廣東省地質(zhì)局水文工程地質(zhì)一大隊.湛江市地下水資源勘查監(jiān)測報告.2011.12.

2017-02-15

中國地質(zhì)調(diào)查局“全國地面沉降地裂縫調(diào)查”(水[2013]02-025-018)

王雙(1984-)，女，吉林長春人，工程師，主要從事水文工程及環(huán)境地質(zhì)工作。

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1004-1184(2017)03-0222-02