顧春生,龔緒龍,孫 強(qiáng),盧 毅,呂菲菲

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇 南京 210080; 2.國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210080;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

蘇南地區(qū)是我國(guó)地裂縫災(zāi)害最為活躍的地區(qū)之一,在人類活動(dòng)的影響下,地裂縫作為一種地面變形災(zāi)害現(xiàn)象,其發(fā)生頻率和程度逐漸增大,并對(duì)城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)產(chǎn)生顯著影響[1～2]。厘清區(qū)內(nèi)地面沉降、地裂縫主要影響因素、形成機(jī)制及其演化過程,對(duì)開展地裂縫災(zāi)害防治工作意義重大。地裂縫形成演化機(jī)制復(fù)雜[3～7],國(guó)內(nèi)外研究者已對(duì)地裂縫災(zāi)害進(jìn)行了較多研究。施斌等[8]、周東等[9]進(jìn)行了溫度變化條件下土體開裂試驗(yàn)研究；唐朝生等[10～11]利用數(shù)字圖像分析技術(shù)對(duì)土體失水開裂過程進(jìn)行了研究。在地裂縫預(yù)警研究方面,焦珣等[12～13]建立蘇錫常地裂縫危險(xiǎn)性分區(qū)模型；王哲成等[14～17]引入破壞力學(xué)對(duì)地裂縫進(jìn)行數(shù)值模擬理論方法研究。彭建兵等[18～19]揭示了華北地區(qū)地裂縫地質(zhì)災(zāi)害的動(dòng)力學(xué)機(jī)制與模式。目前,光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)、In-SAR等新技術(shù)在工程技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展迅速[20～23],其中光纖傳感技術(shù)逐漸在地裂縫監(jiān)測(cè)過程中發(fā)揮重要作用。

目前還沒有建立潛山條件下、抽水沉降裂縫大型物理模型試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行研究的先例。本文以典型地質(zhì)條件為背景,建立基巖潛山條件抽水引起差異性沉降裂縫的物理模型,利用光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng),模擬地裂縫發(fā)育演化過程；分析得出差異沉降變形、地裂縫演化規(guī)律的主控因素,揭示地下水開采、潛山的位置及形態(tài)、地面沉降規(guī)律及地裂縫發(fā)育之間相互關(guān)系。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)地質(zhì)背景概況

無(wú)錫錫北鎮(zhèn)楊墅里典型地區(qū)地裂縫災(zāi)害較為嚴(yán)重,地裂縫發(fā)育區(qū)域主要由粉土、砂土及起伏基巖組成。研究區(qū)上部地層以粉土為主,厚約40 m。中部主要以砂土為主,厚約20 m。底部鉆孔揭露巖性主要為砂巖,且底部基巖面起伏變化大,相對(duì)高差過100 m。研究區(qū)地下水發(fā)育,第Ⅰ承壓含水層分布于上部粉土層內(nèi),厚約30 m；第Ⅱ承壓含水層厚30～60 m,底板受基底凹陷、隆起的變化影響較大,該層為區(qū)內(nèi)主要開采層。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括高精度光纖光柵傳感器,以及數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換器、監(jiān)測(cè)控制裝置。通過利用光纖位移計(jì)對(duì)土體內(nèi)部位移、地層總沉降位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；水位監(jiān)測(cè)以光柵液位傳感器為主,以測(cè)水管為輔,進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,利用PR2傳感器在降水過程中對(duì)不同深度土體的體積含水量進(jìn)行測(cè)量；利用百分表測(cè)量降水過程地表沉降量。

建立抽水沉降地裂縫發(fā)育演化過程多物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。模型兩側(cè)各有4列4排16個(gè)進(jìn)水口,位置見圖1；在底部安裝PVC花管出水,2排共10個(gè)排水花管,分別距左側(cè)0.6,1.5,2.3,3.6,4.2 m；試驗(yàn)開始后打開花管閥門排水,排水花管位置見圖1。模型試驗(yàn)中各土層物理性質(zhì)見表1。

1.3 試驗(yàn)流程

對(duì)研究區(qū)地質(zhì)資料進(jìn)行整合后,簡(jiǎn)化地質(zhì)條件,建立對(duì)應(yīng)條件下試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ囼?yàn)?zāi)Ｐ腿∮门c研究區(qū)原地材料接近的巖土體。模型尺寸最終選取為4.8 m×1.8 m×1.4 m。試驗(yàn)地層簡(jiǎn)化成四層(圖1～2)。粉土層厚0.6 m,中部砂土層厚度為0.6 m,底部隔水黏土層厚度0.2 m；基巖潛山剖面顯示為底長(zhǎng)2.8 m,高0.85 m的等腰三角形。

試驗(yàn)流程如圖3所示。模型注水后靜置,至各傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定,隨后開始降水沉降試驗(yàn)；降水時(shí)打開全部排水口,讓模型在重力作用下經(jīng)花管排水。

圖1 簡(jiǎn)化模型剖面及傳感器位置圖Fig.1 Model section and location of the sensor

表1 試驗(yàn)土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Parameters of the soil in the test model

圖2 物理模型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.2 Physical model monitoring system

圖3 試驗(yàn)前期準(zhǔn)備流程圖Fig.3 Flow chart of test preparation

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 模型試驗(yàn)地面沉降規(guī)律

試驗(yàn)開始降水后,地下水水位計(jì)、液位傳感器立即響應(yīng)；而此時(shí)土體位移監(jiān)測(cè)傳感器并沒有即刻響應(yīng),土體內(nèi)部沉降變形滯后于地下水水位變化，圖4顯示地面沉降滯后于地下水水位下降約24 h。在長(zhǎng)達(dá)12 d的觀測(cè)窗口內(nèi),測(cè)水管H1、H2、H3測(cè)點(diǎn)水位平均下降約90 cm,觀測(cè)點(diǎn)最大位移超過5 mm(百分表1)。在2～5 d沉降最為顯著,期間水位降低了80 cm,觀測(cè)點(diǎn)平均位移量則達(dá)總沉降量的90%左右,最大沉降位于潛山右側(cè)達(dá)5.3 mm,而百分表2、3、5沉降量大約4 mm。由于潛山山頂右側(cè)1.4 m范圍內(nèi)僅有1對(duì)排水花管,而潛山左側(cè)3.4 m有3對(duì)花管；右側(cè)排水孔單孔排水量相對(duì)較高,且潛山右側(cè)花管位于百分表1下方,因此百分表1沉降量略高亦較為合理。而后期含水層缺少補(bǔ)給來(lái)源,降水幅度、速度均較小,土體沉降速率也減緩。

從圖4～5可知,第2～5 d是含水層水位降速最大階段,水位降速約45 mm/d；此時(shí)傳感器測(cè)得的土體沉降量也相對(duì)較大,各傳感器在該階段沉降量均占總沉降量80%以上。水位降速峰值與發(fā)生沉降的時(shí)間基本吻合。如圖5顯示,整個(gè)降水降速變化過程同樣可以劃分為A′、B′、C′三個(gè)階段，圖4～5分區(qū)存在較大相似性。這也充分顯示出地面沉降變形在某種程度上受地下水水位及水位降速的共同影響：即地下水抽采越嚴(yán)重區(qū)域,地下水水位降速越大、則地面沉降越明顯，地表沉降響應(yīng)越劇烈。

圖4 地下水位與表層沉降演化Fig.4 Evolution of groundwater level and surface subsidence

圖5 地下水位降速與表層沉降演化Fig.5 Evolution of the falling rate of groundwater level and surface subsidence

2.2 抽水引起的差異性沉降規(guī)律

試驗(yàn)結(jié)果顯示潛山位置與沉降曲線存在較為緊密的關(guān)系。粉土層最小沉降量發(fā)生于潛山山頂區(qū)域,即淺部土層厚度最薄的地方,山頂兩側(cè)的沉降量明顯高于頂部；沉降曲線隨著基巖潛山起伏而變化,與基巖潛山的位置以及形態(tài)基本一致(圖6)。

圖6 沉降演化曲線(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為地裂縫發(fā)生區(qū))Fig.6 Evolution of the surface subsidence in the model test

某種意義上說,基巖潛山形態(tài)起伏、分布條件導(dǎo)致的土層厚度變化,對(duì)土體差異性沉降起到直接控制作用。地下水抽采是地面沉降及局部不均勻沉降的主要因素,而基巖潛山形態(tài)、位置對(duì)地表沉降起到控制作用。

2.3 試驗(yàn)地裂縫發(fā)育規(guī)律

試驗(yàn)開始后,地表沉降對(duì)地下水抽采做出明顯響應(yīng)(圖6),在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)域地表地裂縫最為發(fā)育。具體裂縫在模型中形態(tài)見圖7～8：基巖潛山頂部,出現(xiàn)較為密集且規(guī)律性較為明顯的地裂縫,地裂縫之間近乎平行,且沿潛山等高線方向呈現(xiàn)平行分布。這說明該區(qū)地裂縫主要成因?yàn)榈叵滤椴蓪?dǎo)致的不均勻沉降變形,而地裂縫發(fā)育分布的形態(tài)規(guī)律則受潛山形態(tài)位置控制。

圖7 試驗(yàn)裂縫分布圖Fig.7 Distribution of the ground fissures

圖8 地表地裂縫演化情況Fig.8 Evolvement of surface ground fissures

地裂縫在地下水抽采開始后,初期響應(yīng)較慢,直至地下水水位下降20 cm,才逐漸發(fā)育地裂縫,具明顯滯后性；水位急劇下降時(shí),地裂縫深度發(fā)育速率大,最終達(dá)17 cm(圖7～9)。同時(shí),裂縫寬度隨水位不斷下降而增加,后期裂縫寬度達(dá)4 mm(圖10)。

圖9 地裂縫發(fā)育深度隨水位變化規(guī)律Fig.9 Relationship between fissures depth and groundwater level change

圖10 地裂縫發(fā)育寬度隨水位變化規(guī)律Fig.10 Relationship between fissures width and groundwater level change

地裂縫寬度、深度發(fā)育速率隨著地下水抽采速率增大而增大；隨著水位逐漸穩(wěn)定,其發(fā)育情況隨之減弱。地裂縫發(fā)育區(qū)域與差異性沉降較為明顯的區(qū)域保持著高度一致；由此驗(yàn)證地下水開采是地裂縫重要誘因。

3 錫北鎮(zhèn)楊墅里不均勻沉降裂縫發(fā)育規(guī)律

無(wú)錫錫北鎮(zhèn)地裂縫災(zāi)害楊墅里最典型。在水渠巷北至楊墅里區(qū)域,自西向東布設(shè)長(zhǎng)100 m長(zhǎng)期沉降觀測(cè)線。2010年開始控制地下水開采。沉降數(shù)據(jù)見圖11。地裂縫發(fā)育位置與圖1及圖6中潛山位置相吻合；紅線標(biāo)示位置為地裂縫發(fā)育位置,而此處不均勻沉降也較為明顯；與圖6模型試驗(yàn)結(jié)果中潛山上部曲線一致。進(jìn)一步驗(yàn)證基巖潛山對(duì)地面沉降及地裂縫發(fā)育的控制作用。2000年該地區(qū)開始實(shí)施地下水禁采,2011年沉降量就比2010年下半年沉降量??；可知禁采后沉降量得到有效控制,地下水抽采是地面不均勻沉降誘因。

圖11 楊墅里沉降裂縫發(fā)育位置Fig.11 Location of the fissures in Yangshuli village

4 結(jié)論

(1)地下水抽采越嚴(yán)重、水位降越大的區(qū)域地面差異性沉降響越明顯；降水速度越大,地面沉降越明顯。地下水開采誘發(fā)差異性沉降是地裂縫發(fā)育的直接因素。

(2)潛山形態(tài)位置對(duì)地裂縫分布起控制作用。差異性沉降最顯著區(qū)域與潛山位置一致。潛山區(qū)地裂縫與潛山等高線基本保持平行。潛山位置形態(tài)、地表的沉降曲線及地裂縫分布情況三者存在相互對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(3)模型試驗(yàn)結(jié)果與監(jiān)測(cè)到的錫北鎮(zhèn)楊墅里地裂縫發(fā)育規(guī)律基本一致。此次建立基于光纖技術(shù)的大型物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)的成功運(yùn)用,為地裂縫災(zāi)害防治提供了新的研究方法與手段。

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