徐良驥，曹宗友，劉瀟鵬，張 坤，劉永琪

（1.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室,安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 空間信息與測繪工程學(xué)院,安徽淮南 232001；3.合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院,安徽 合肥 230031；4.礦山采動災(zāi)害空天地協(xié)同監(jiān)測與預(yù)警安徽普通高校重點實驗室,安徽 淮南 232001；5.安徽理工大學(xué) 礦區(qū)環(huán)境與災(zāi)害協(xié)同監(jiān)測煤炭行業(yè)工程研究中心,安徽 淮南 232001）

0 引言

礦井疏排水、采后采空區(qū)充水和地下水抽采等非采動因素都會造成地下水大量散失，導(dǎo)致含水層水位大幅度下降，引起松散層有效應(yīng)力增加，造成松散層土體的失水壓縮和地層巖土體形變,對煤礦生產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅[1-2]。因此針對松散層失水沉降規(guī)律開展研究具有重要的意義。眾多學(xué)者利用數(shù)值模擬、材料模擬和現(xiàn)場實測針對厚松散層失水沉降特性展開研究，證明了在高承壓厚松散層區(qū)域含水層對覆巖移動變形具有控制作用[3]；同一區(qū)域含水層的失水和壓縮特征在不同深度、不同位置表現(xiàn)出較大的差異性[4-5]；而在相同的地質(zhì)條件下，水位下降和補給不充分是造成松散層壓縮的主要原因，通過維持底部含水層水位穩(wěn)定能夠預(yù)防松散層形變[6-7]。基于以上成果，為進(jìn)一步研究松散層內(nèi)部形變規(guī)律，光纖傳感技術(shù)被引入松散層失水沉降監(jiān)測中，因其適用情景廣、耐用性和復(fù)用能力強、測量靈敏度和精確度高而被廣泛應(yīng)用[8-9]。

早期研究中，劉金瑄等[10]提出利用光纖光柵傳感器(FBG)監(jiān)測松散層沉降變形；朱磊等[11]證明了采用雙回路布設(shè)的情況下光纖光柵傳感器的存活率高。柴敬等[12]開發(fā)了松散層變形光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)，并在濟三煤礦成功應(yīng)用，后續(xù)通過光纖光柵監(jiān)測技術(shù)對華東礦區(qū)松散層長期監(jiān)測得到了砂土層應(yīng)變和水位變化呈二次回歸關(guān)系[13-14]。近期研究中，有學(xué)者將光纖應(yīng)用于工程實踐，驗證了光纖監(jiān)測地層形變的準(zhǔn)確性[15-16]，證明各層的壓縮變形與季節(jié)性地下水位變化密切相關(guān)[17-18]，研究區(qū)域地下水位波動和地表額外荷載是松散層壓縮的重要誘因[19]，深部含水層主要受地下水位影響，而淺部含水層變形還受其他因素控制[20]。為了更好的分析得失水過程中松散層的響應(yīng)機理，有學(xué)者將光纖監(jiān)測應(yīng)用于相似材料模擬實驗，證明黏土層和砂土層均具有排水壓縮和灌水回彈的特點，各層變形與含水率變化具有良好的對應(yīng)關(guān)系[21]，兩層位中黏土層為地面沉降的主要變形層，并且隨著水位波動次數(shù)的增加，土體變形量減小并趨近于彈性壓縮[22]。抽水過程中砂土變形為塑性變形，且存在一定滯后性[23]；回灌過程中砂土層土體變形很小，而黏土層則表現(xiàn)出明顯的膨脹變形，并對鄰近的砂土層有壓縮作用[24]。

本文基于分布式光纖技術(shù)實現(xiàn)了松散層全層位變形的高精度監(jiān)測，分析了研究區(qū)域松散層變形特征，結(jié)合研究區(qū)域水文監(jiān)測、土力學(xué)實驗成果、隔水層弱化機理及松散含水層失水沉降機理，探究了造成研究區(qū)域地表沉降的主要地層，闡明了四含及臨近隔水層壓縮變形及地表沉降的主要原因。

1 研究區(qū)域概況

童亭煤礦位于淮北煤田中部，含煤地層屬石炭、二疊系，以二疊系下統(tǒng)下石盒子組為主，上石盒子組和山西組次之，石千峰組不含煤。區(qū)內(nèi)煤系地層總厚度約1 143 m，共含煤23 層。其中7、81、82和10煤為主要開采煤層，32煤為最上部可采煤層。7 煤層位于下石盒子組中下段，平均埋深450 m，煤厚0～8.49 m，平均2.07 m；81煤位于下石盒子組下段，局部可采煤層，陳樓塊段大部可采煤層，平均埋深465 m；82煤位于下石盒子組底部，平均埋深485 m，煤層厚度0～6.45 m，平均2.01 m；10 煤位于山西組下部，平均埋深570 m。32煤層位于上石盒子組下部，平均埋深220 m,煤厚0～3.31 m，平均2.13 m。32煤層直接與松散層接觸，開采活動產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶與上部松散含水層導(dǎo)通，可能造成松散層失水固結(jié)沉降。

采區(qū)以工業(yè)廣場(圖1)為中心呈東西對稱布置，由圖1 可知，目前正在開采的工作面分布在采區(qū)東西兩端，距離工業(yè)廣場遠(yuǎn)。并且只針對采區(qū)內(nèi)7 煤和8 煤進(jìn)行開采，7 煤和8 煤埋藏深，開采時不會對含水層造成破壞。雖然工業(yè)廣場西南方向存在已停采工作面，但工業(yè)廣場位于保護煤柱的保護范圍內(nèi)，地下開采直接導(dǎo)致的巖層移動不會對工業(yè)廣場建構(gòu)筑物的正常使用造成嚴(yán)重威脅。但由于礦區(qū)新生界地層有巨厚松散層賦存，地下開采過程中礦井疏排水、采后采空區(qū)充水和人為抽采地下水都會造成新生界松散層地下水大量散失，造成松散層土體的失水壓縮沉降，影響工業(yè)廣場區(qū)域。

圖1 研究區(qū)、光纖觀測孔和水文觀測孔位置Fig.1 Location of study area,optical fiber observation hole and hydrological observation hole

根據(jù)工業(yè)廣場的區(qū)域地層巖性、含水條件和含水賦存空間分布，將該區(qū)域松散層自上而下劃分為一含、一隔、二含、二隔、三含、三隔和四含。其中一含以大氣降水補給為主，水平徑流補給次之，排泄方式為垂直蒸發(fā)、人工開采和河流排泄，一含上部潛水和地面水體互補；二、三含以區(qū)域?qū)娱g徑流補給為主，在第一、二隔水層(組)較薄地段，一、二、三含之間將產(chǎn)生越流補給；第三隔水層(組)，主要由黏土、砂質(zhì)黏土及鈣質(zhì)黏土組成，厚度152～227 m。該層分布穩(wěn)定，單層厚度大，可塑性強，隔水性能良好，有效地阻隔了區(qū)內(nèi)大氣降水、地表水和上部一、二、三含水層水對四含水的垂向補給。

四含水的靜水位標(biāo)高為+25.79～+26.23 m，該層埋深為227～233.8 m，平均厚度8.26 m，直接覆蓋煤系地層之上，厚度變化大且分布不穩(wěn)定，其巖性主要由深黃色、棕紅黃色砂礫、粗砂、細(xì)砂、粉砂、黏土質(zhì)砂及砂質(zhì)黏土、鈣質(zhì)黏土組成。

根據(jù)研究區(qū)域地質(zhì)水文資料和鉆孔采樣劃分研究區(qū)地層的含(隔)水層見表1。

表1 研究區(qū)域地層劃分Table 1 Stratigraphic division of the study area

2 實驗方案設(shè)計

2.1 分布式光纖原理及設(shè)備選型

布里淵光頻域分析技術(shù)(Brillouin Optical Frequency Domain Analysis，BOFDA)是全分布式光纖感測技術(shù)中的一種，采用光學(xué)頻域反射儀和受激布里淵散射相結(jié)合的方法，避免了短脈沖光引起的布里淵光譜展寬，通過布里淵頻移的變化進(jìn)行應(yīng)變和溫度測量，其空間定位主要由復(fù)合基帶傳輸函數(shù)實現(xiàn)。其工作原理為: 將1 束泵浦光和1 束連續(xù)探測光分別從光纖的兩端注入，當(dāng)2 束光波相遇時會激發(fā)聲波，聲波作為媒介將能量從泵浦光傳遞給探測光，當(dāng)泵浦光與探測光的頻率差 Δf等于光纖該位置的布里淵頻移時，聲波傳遞的能量最大。因此，沿著光纖每一處對 Δf進(jìn)行掃描，就可以獲得沿光纖的布里淵頻移分布，再根據(jù)光纖中應(yīng)變或溫度變化與布里淵頻移的線性關(guān)系，獲得沿光纖的應(yīng)變或溫度分布。光纖所受軸向應(yīng)變和溫度與布里淵頻移之間的關(guān)系可表示為

其中：vB(εt,T)為 環(huán)境溫度為T、應(yīng)變?yōu)?εt時，光纖布里淵頻率的漂移量；vB(0,T0)為 溫度為T0、應(yīng)變?yōu)? 時光纖布里淵頻率的漂移量；D1、D2分別為與光纖類型有關(guān)的應(yīng)變和溫度的比例系數(shù)。因此，通過計算背向布里淵散射光的頻移變化量就可以得到整條光纖的溫度和應(yīng)變分布情況。

光纖解調(diào)儀選用商用fTB2505 型 BOFDA 光纖解調(diào)儀(圖2)，該儀器基于布里淵光頻域散射的光纖應(yīng)變和溫度測量與分析系統(tǒng)，適用于長距離分布式應(yīng)變及溫度的實時在線監(jiān)測，配合解析軟件fTView可直接得到光纖應(yīng)變量和溫度，儀器參數(shù)見表2。根據(jù)現(xiàn)場條件將儀器空間分辨率設(shè)置為0.5 m，步距設(shè)置為2 MHz，起始頻率設(shè)置為10.6 GHz，終止頻率設(shè)置為11.5 GHz，探測距離設(shè)置為1 000 m，其余參數(shù)默認(rèn)。

表2 商用fTB2505 型 BOFDA 光纖解調(diào)儀參數(shù)Table 2 Parameters of commercial fTB2505 BOFDA fiber optic interrogator

圖2 光纖設(shè)備選型Fig.2 Fiber optic equipment selection

感測光纖選用金屬基索狀應(yīng)變感測光纜(NZSDSS-C02)和地面沉降專用定點式應(yīng)變感測光纜(NZS-DSS-C08(LS))(分別如圖2b 和2c 所示)。其中金屬基索狀應(yīng)變感測光纜為單模光纖，傳感光纖外包高強度金屬加強件，表面具有螺紋結(jié)構(gòu)提高與混凝土之間的耦合性，與混凝土變形協(xié)調(diào)一致；光纜直徑5 mm，其密度為38 g/m，用于實現(xiàn)鉆孔全孔段層位變形測量。地面沉降專用定點式應(yīng)變感測光纜為SMG.652b 光纖，直徑為7 mm，定點12 mm，定點距離5 m，采用間距錨固點設(shè)計，保障了光纜與巖土體的耦合，實現(xiàn)光纖內(nèi)部預(yù)拉，應(yīng)變均勻，能夠保持8000 με以上的拉伸，主要用于分段地層均一化精確測量，可實現(xiàn)大壓縮變形測量，為了提高監(jiān)測精度實際使用時將其預(yù)拉至8 000×10-6。

2.2 分布式光纖布設(shè)方案

為長期監(jiān)測鉆孔全斷面土層形變信息，總結(jié)不同深度松散層的形變規(guī)律，采用分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)開展研究區(qū)松散層變形規(guī)律研究。在研究區(qū)域內(nèi)布設(shè)光纖觀測孔，將其分別命名為1 號孔、2 號孔和3 號孔(各孔位置如圖1 所示)。1 號孔的終孔深度為257.1 m，2 號孔的終孔深度為234.07 m，3 號孔的終孔深度為253.73 m，三者的終孔層位均在第四含水層下，鉆孔巖心采取率完整層段均大于75%、砂土層均大于60%，滿足設(shè)計要求。

鉆孔完工后布設(shè)傳感光纜，形成分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)。將金屬基索狀應(yīng)變感測光纜和地面沉降專用定點式應(yīng)變感測光纜用扎帶、扎絲和膠帶固定在導(dǎo)頭內(nèi)部，鉆孔清洗后通過下放鉆桿將光纜帶入到孔內(nèi)對應(yīng)位置后固定鋼絲繩，拉緊光纜，使孔口引線部分處于繃直狀態(tài)。將2 種光纜串聯(lián)布設(shè)，使用紅光筆監(jiān)測回路是否聯(lián)通，而后全孔封閉，鉆孔回填。在地面沉降鉆孔全斷面光纖監(jiān)測中，地層、鉆孔回填料與應(yīng)變傳感光纜的變形耦合性是能否準(zhǔn)確、有效地獲取地層變形數(shù)據(jù)的關(guān)鍵因素[25-26]。

參考工程經(jīng)驗和室內(nèi)試驗，選取黏土球和石英砂(中砂-粗砂)作為回填材料。黏土球為圓球形，直徑10 mm 左右，黃紅色，主要成分為蒙脫石(鈉基鈣基混合，以鈉基為主)；石英砂分為中砂和粗砂。具體回填工藝為：鉆孔內(nèi)0～20 m，直接使用10 mm 粒徑黏土球進(jìn)行回填，孔內(nèi)20～100 m，采用2～5 mm 粒徑中砂回填，100 m 至孔底，采用5～10 mm 粒徑粗砂回填。回填材料采用少量多次的方法回填封孔，避免孔口堵死，鉆孔內(nèi)回填不密實。為避免深孔回填出現(xiàn)回填不實或塌方的問題，在回填結(jié)束后次日查看孔口回填情況，保證鉆孔回填的密實性。傳感器與回填材料固結(jié)耦合3 個月后，在孔口澆筑井口保護臺，地面以下光纜澆筑于混凝土中固定?；炷炼张_上部固定直徑400 mm，高度300 mm 圓柱形防護罩，冗余光纜盤繞于防護罩中，防止光纜因淺表回填巖土體壓縮固結(jié)而產(chǎn)生壓縮異常變形。

2.3 四含形變規(guī)律監(jiān)測方案

為研究四含形變與四含水頭高度之間的關(guān)系，探究四含形變的原因，利用西安欣源測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的KJ402 水文監(jiān)測系統(tǒng)，在1 號孔、2 號孔和3 號孔光纖觀測孔附近對應(yīng)布設(shè)水文觀測孔，分別命名為觀4、觀2 和觀5(各孔位置如圖1 所示)，對四含水頭高度進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，該監(jiān)測系統(tǒng)水位測量范圍為0～600 m，測量精度為2 cm，分辨率為0.1 cm，整體運行正常，并實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)共享。各孔位中觀2 的實際水位為144 m，經(jīng)抽水試驗后恢復(fù)水位144.40 m；觀4 的實際水位為113.45 m，經(jīng)抽水試驗后恢復(fù)水位為101.39 m；觀5 的實際水位為30.02 m，經(jīng)抽水試驗后恢復(fù)水位為5.9 m。

為分析四含上覆隔水層的弱化規(guī)律，對鉆孔過程中采樣得到205～235 m 的孔內(nèi)土壤樣本進(jìn)行土力學(xué)試驗，通過環(huán)刀切土、稱重、含水率試驗和試驗數(shù)值計算等步驟，得到土樣的平均壓縮模量、平均含水率和平均壓縮系數(shù)等參數(shù)見表3。

表3 各層位土力學(xué)試驗結(jié)果Table 3 Experimental results of soil mechanics at each layer

3 監(jiān)測結(jié)果分析

為全面監(jiān)測研究區(qū)域內(nèi)松散層形變規(guī)律，在2021 年1 月至2021 年12 月進(jìn)行了9 期觀測，得到各期的光纖應(yīng)變量。每期的觀測數(shù)據(jù)由金屬基索狀應(yīng)變感測光纜觀測數(shù)據(jù)和地面沉降專用定點式應(yīng)變感測光纜觀測數(shù)據(jù)兩部分組成，兩者均能反映孔內(nèi)各層位土體的形變特征，但考慮到預(yù)拉后的地面沉降專用定點式應(yīng)變感測光纜對土體的微小形變更敏感，其定間距錨固點設(shè)計使得光纜與巖土體的耦合度更高，因此選擇地面沉降專用定點式應(yīng)變感測光纜的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

對地面沉降專用定點式應(yīng)變感測光纜的觀測數(shù)據(jù)逐期相減后得到觀測數(shù)據(jù)差值如圖3 所示。

圖3 光纖觀測數(shù)據(jù)差值Fig.3 Optical fiber observation data difference

由圖3 可知1 號孔、2 號孔和3 號孔的一含、二含和二隔形變明顯，1 號孔和3 號孔的三隔下端與四含形變明顯。為了對各孔內(nèi)的變形情況進(jìn)一步量化分析，采用應(yīng)變量計算式(2)計算得到各期應(yīng)變量對應(yīng)的形變量。

式中：ε為光纖上的單元應(yīng)變量；L為單元長度，m；ΔL為單元形變量，mm。

利用微元積分的方法，對測得的應(yīng)變曲線進(jìn)行積分計算，得到各孔各層位的形變值。

式中：ΔS為某層位的累計變形量，m；l為該層位厚度，m；i為第i段微元，Δx為光纖儀器的采樣分辨率0.052 m；εi為第i段微元的應(yīng)變量。計算得到各層位的形變值如圖4 所示。

圖4 各地層形變量Fig.4 Deformation of each layer

觀測期間各層位形變特征如下：由圖4a 可知各孔位一含以壓縮形變?yōu)橹?，僅在2021 年4 月、5 月和8 月觀測時發(fā)生膨脹形變，9 月至觀測結(jié)束期間持續(xù)加速壓縮；各孔位中2 號孔和3 號孔形變幅度接近，1 號孔的形變幅度大于兩者。由圖4b 可知各孔位一隔的整體形變幅度小于一含，以壓縮形變?yōu)橹?其中2 號孔和3 號孔均僅在4 月和8 月觀測時發(fā)生膨脹形變；1 號孔在4 月、5 月、8 月和9 月觀測時發(fā)生膨脹形變，9 月至觀測結(jié)束期間各孔位持續(xù)壓縮，壓縮速率先增后減。由圖4c 可知各孔位二含的整體形變幅度與一隔相近，以壓縮形變?yōu)橹鳎? 號孔和3 號孔的形變趨勢相同，均在8 月、11 月和12 月觀測時發(fā)生膨脹形變；3 號孔在4 月、8 月和9 月時發(fā)生膨脹形變，1 號孔的整體形變幅度在5 月至10 月觀測期間小于其余兩孔，此外均大于其余兩孔。

由圖4d 可知各孔位二隔以壓縮形變?yōu)橹鳎? 號孔和3 號孔的形變趨勢相同均僅在11 月和12 月觀測時發(fā)生膨脹形變，4 月至10 月觀測期間均發(fā)生壓縮形變且形變速率先減后增；1 號孔的整體形變幅度小于其余兩孔，僅在8 月和9 月觀測時發(fā)生膨脹形變。由圖4e 可知各孔位三含以壓縮形變?yōu)橹鳎? 號孔和3 號孔形變幅度小，僅在10 月觀測時發(fā)生膨脹形變；1 號孔僅在9 月、11 月和12 月觀測時發(fā)生膨脹形變，4 月至8 月觀測期間持續(xù)壓縮，壓縮程度遞減。

由圖4f 可知各孔位三隔以壓縮形變?yōu)橹鳎? 號孔和3 號孔僅在4 月觀測時發(fā)生膨脹形變，5 月至12 月觀測期間均持續(xù)壓縮；2 號孔在整個觀測期間持續(xù)壓縮，壓縮量小幅波動。由圖4g 可知各孔位四含以壓縮形變?yōu)橹鳎? 號孔僅在5 月、6 月和8 月觀測時發(fā)生膨脹形變，9 月至12 月觀測期間持續(xù)壓縮；1 號孔和2 號孔在觀測期間持續(xù)壓縮，1 號孔的整體形變程度小于2 號孔且波動??；2 號孔的壓縮速率先減后增，并在12 月觀測時再次減小。由圖4h 可知各孔位整體以壓縮形變?yōu)橹鳎鶅H在4 月、5 月和8月觀測時發(fā)生膨脹形變；2 號孔和3 號孔的形變幅度與形變趨勢相近，8 月至12 月觀測期間穩(wěn)定壓縮；1號孔形變幅度最大，4 月至6 月和8 月至9 月觀測期間膨脹量迅速，9 月至12 月孔內(nèi)持續(xù)壓縮。

為進(jìn)一步量化分析各層位的形變特征，由圖4數(shù)據(jù)計算可知，各層位中對地層壓縮形變貢獻(xiàn)最大的兩個層位為四含和一含，兩者每期的平均壓縮形變分別為-1.42 mm/m 和-0.81 mm/m。綜上所述，地層形變量與埋深有關(guān)，地層埋深越淺，變形的幅度越大。其次地層形變量與層位特征有關(guān)，四含雖然埋藏深，但其持續(xù)壓縮是地表下沉的主要原因。

從時間角度分析，各期數(shù)據(jù)觀測中對地層壓縮形變貢獻(xiàn)最大的2 個月份為12 月和10 月，其壓縮量占總壓縮量比例分別為24.4%和18.8%；對地層膨脹量貢獻(xiàn)最大的2 個月份為8 月和4 月，其膨脹量占總膨脹量比例分別為46.1%和22.2%。

通過查閱《淮北統(tǒng)計年鑒—2022》可知，1 月—4月累計降雨量為117.2 mm，月平均氣溫由2.1 ℃升高至14.6 ℃，累計上升12.5 ℃，占年氣溫升高量的49.6%；4 月至5 月降雨量由28.6 mm 升高至99.4 mm，月平均氣溫由14.6 ℃升高至21.1 ℃；6 月至8 月的累計降雨量為660.6 mm，占年總降雨量的51%，月平均氣溫維持在27 ℃；9 月至10 月的累計降雨量為157.9 mm，其中10 月降雨量與9 月相比，由137.5 mm下降至20.4 mm，整體降雨量呈現(xiàn)大幅降低趨勢；10 月至11 月降雨量穩(wěn)定為20.4 mm 和10.3 mm，月平均氣溫由17 ℃下降至10.3 ℃，占年氣溫下降量的29.2%；11 月至12 月累計降雨量為25.5 mm，占年總量的1.9%，月平均氣溫由10.3 ℃下降至4.4 ℃，占年氣溫下降量的25.7%。

結(jié)合光纖監(jiān)測結(jié)果與淮北氣象數(shù)據(jù)分析可知，松散層中靠近地表的一含、一隔和二含，其形變受溫度和降雨量的影響具有季節(jié)性特征。具體表現(xiàn)為:①膨脹多發(fā)生在春季和夏季，春季溫度大幅升高和夏季降雨量驟升分別是造成4 月和8 月觀測時松散層膨脹的主要原因。②壓縮多發(fā)生在秋冬季節(jié)，秋季降雨量和冬季溫度大幅降低分別是造成10 月和12 月觀測時松散層壓縮的主要原因。③一含、一隔和二含形變呈周期性變化，地表總體沉降受其影響較小。

4 四含上覆隔水層弱化特征分析

4.1 隔水層弱化機理

研究區(qū)域周邊煤礦開采后破壞了四含與煤層間隔水層，使四含地下水向采空區(qū)補給，造成工業(yè)廣場內(nèi)地下水位下降，使得四含上覆隔水層的含水量發(fā)生變化。而隔水層主要由黏土組成，其中含有大量的蒙脫石易吸水膨脹，將蒙脫石吸水后的體積記為φ，膨脹計算公式[27]為

式中：V1為 隔水層土體干燥時裂隙內(nèi)空氣的體積；V2為土體吸水后增加的體積；Vm為土體中蒙脫石的體積；ω為隔水層含水量；Cm為隔水層蒙脫石體積濃度；ρm為蒙脫石密度；ρ為水的密度。

由式(4)可知，蒙脫石膨脹體積應(yīng)變與黏土層中的含水量成正比。隔水層中水的體積濃度升高，隔水層內(nèi)部與水的接觸面積增大，導(dǎo)致蒙脫石與水的接觸面積增大。蒙脫石得水膨脹后宏觀表現(xiàn)為隔水層膨脹，壓縮模量發(fā)生變化，導(dǎo)致黏土性質(zhì)改變，發(fā)生黏土弱化現(xiàn)象。

弱化帶黏土的弱化效果與埋藏深度和黏土層與含水層之間的距離有關(guān)，一般埋藏深度越淺，與含水層距離越近，黏土層中的弱化效果越明顯。

4.2 四含上覆隔水層弱化程度分析

對孔內(nèi)205～235 m 段的土壤樣本進(jìn)行土力學(xué)試驗后，得到相關(guān)參數(shù)見表3。結(jié)合光纖監(jiān)測期間層a、層b、層c 和層d 的形變值和各孔四含水頭高度變化(圖5)，研究四含對其上覆隔水層中層a、層b、層c 和層d 的弱化影響。由圖5 可知，監(jiān)測期間1號和2 號孔處四含水頭一直降低，最大值分別為-0.39 m 和-0.73 m，3 號孔內(nèi)四含水頭在5 月、6 月和8 月升高，水頭高度變化的最值分別為：+0.86 m和-0.69 m，分別出現(xiàn)在1 月和6 月，表明3 號孔處四含的地下水流通性強，能夠得到外界的水源補充。

在各層位隨著水頭高度變化的過程中，1 號孔、2 號孔和3 號孔的四含層位形變量與水頭高度變化趨勢相同，且大于隔水層中各層位。1 號孔中的層c只在12 月壓縮，其余觀測段均為膨脹狀態(tài)，表明1號孔中的層c 處在黏土弱化活躍期。層b 持續(xù)壓縮，壓縮形變?yōu)?.99 mm/m，層a 在6 月、9 月和11 月膨脹，其余時間處于壓縮狀態(tài)，壓縮形變?yōu)?.47 mm/m；層d 在4 月和6 月膨脹，其余時間處于壓縮狀態(tài)，壓縮形變?yōu)?.69 mm/m。

結(jié)合表3 中的層a、b、c 和層d 的平均壓縮模量之比約為2∶1∶2∶2，因此在相同的情況，層a、b、c 和層d 每米的形變之比應(yīng)為1∶2∶1∶1。表明1號孔中層d 處于黏土弱化后期，導(dǎo)水裂隙增加，壓縮模量進(jìn)一步降低。層c 處于黏土弱化的活躍期，觀測期間持續(xù)膨脹。

結(jié)合各層的平均壓縮模量，層a 和層b 的壓縮變形之比近似等于兩者壓縮模量反比，表明層a 和層b 未發(fā)生黏土弱化。

2 號孔中僅有層d 在5 月、8 月、10 月和12 月處于膨脹狀態(tài)，最大值為0.51 mm，其余層位均處于持續(xù)壓縮狀態(tài)，層a、b、c 的壓縮形變分別為1.12、2.18和1.13 mm/m，結(jié)合各層位平均壓縮模量分析，層a、b 和層c 未發(fā)生黏土弱化。層d 處于黏土弱化的初期，存在一定程度膨脹。

3 號孔中層a、b、c 和層d 均有膨脹，膨脹的最大值分別為0.91、0.93、4.96、0.768 mm。其中層d 僅在4 月膨脹，其余時間持續(xù)壓縮，壓縮變形為0.94 mm/m，表明層d 處于黏土弱化的末期，膨脹結(jié)束后快速壓縮。層a 和層b 的壓縮變形分別為0.31 mm/m 和0.82 mm/m，而層c 整體處于膨脹狀態(tài)，膨脹變形為0.85 mm/m。結(jié)合平均壓縮模量分析，層a和層b 均有一定程度的黏土弱化，層c 處于黏土弱化的活躍期，受地下水影響大。

綜上所述，各孔位中3 號孔處四含水頭高度波動變化大，地下水流動性強，四含上覆隔水層黏土弱化程度高，受地下水侵蝕程度最高；1 號孔其次，地下水侵蝕到了層c 和層d；2 號孔上覆隔水層受地下水侵蝕程度最小，僅有層d 受到侵蝕。黏土弱化后其壓縮幅度增加，最終會加劇地表沉降。

5 四含失水固結(jié)壓縮特征分析

5.1 松散層失水壓縮機理

結(jié)合淮北高潛水位的區(qū)域特征和土力學(xué)相關(guān)原理分析可知：含水層中的某一單元承擔(dān)的應(yīng)力由巖土骨架和孔隙水共同承擔(dān)，失水造成的孔隙水壓力由巖土顆粒承擔(dān)。水文觀測孔的水頭高度能夠反映出孔隙水的壓力變化。在松散層疏水壓縮過程中，含水層的壓縮量計算公式見式(5)：

式中：S為含水層的壓縮量，m；M為含水層的平均壓縮模量，MPa；h為 含水層厚度，m；Δu為含水層失水后土體的應(yīng)力變化，其計算公式為式(6)：

式中：ΔH為含水層水頭的變化，m，Ha和Hb分別為失水前后的含水層水頭高度，m。

設(shè)松散層中某層豎直方向上的應(yīng)變?yōu)棣舠，由巖石力學(xué)相關(guān)理論可知εs=S/h，將式(5)代入εs=S/h得到式(7)：

式(7)表明在含水層平均壓縮模量M為定值時，含水層的壓縮量和水頭高度變化表現(xiàn)為線性關(guān)系，但在實際地層環(huán)境中M隨深度變化，因此實際觀測中含水層的壓縮量和水頭高度之間可能呈非線性關(guān)系。

在已知某層位厚度、水頭變化和該層位應(yīng)變的條件下，設(shè)整個研究區(qū)有n個 不同的層位，其中有m個含水層同時失水壓縮，其中第i個含水層的為目標(biāo)含水層，設(shè)第i個含水層水頭變化為ΔHi,厚度為hi，根據(jù)公式(5)、(6)計算得到第i個含水層的壓縮量Si為

根據(jù)公式(7)可將式(8)簡化為

式中：εsi為第i個含水層的應(yīng)變量，因此通過監(jiān)測含水層應(yīng)變量，可由公式(9)計算得到第i個含水層失水壓縮的形變量。

5.2 工業(yè)廣場地下水流場分析

由抽水實驗可知觀2、觀4 和觀5 水文孔的水位標(biāo)高分別為-116.48、-101.39、21.73 m。因此在觀測前各孔位地下水位標(biāo)高從低到高依次為2 號孔、1 號孔和3 號孔。為了進(jìn)一步分析觀測期間地下水流場的變化，結(jié)合觀2、觀4 和觀5 水文孔觀測結(jié)果，利用空間插值的方法繪制工業(yè)廣場觀測期間地下流場變化的等值線圖，如圖6 所示。

圖6 觀測期間地下流場變化Fig.6 Changes in groundwater level during the observation period

由圖6 分析可知觀測期間工業(yè)廣場內(nèi)部水位整體下降，1 號孔和3 號孔向2 號孔方向失水；各孔位中2 號孔的失水幅度最大，1 號孔其次，3 號孔最小。由圖5 可知，各孔位四含形變量與四含水頭高度變化趨勢相同；2 號孔四含的水頭持續(xù)降低，形變幅度最大；3 號孔的水頭高度變化波動大，地下水流通性強。綜上初步分析，地下水流場變化導(dǎo)致的四含失水是四含壓縮形變的誘因。

5.3 四含壓縮量與水頭高度變化分析

為進(jìn)一步分析四含形變量與四含水頭高度變化之間的關(guān)系，探究四含形變的原因。以四含水頭高度變化為自變量，四含形變量為因變量，采用線性回歸分析得到結(jié)果如圖7 所示。由式(8)可知四含水頭高度變化與其壓縮量之間為線性關(guān)系，根據(jù)四含的厚度與壓縮模量計算得到二者之間的線性系數(shù)為-14.6。由圖7 知1 號孔、2 號孔和3 號孔的四含觀測數(shù)據(jù)與水頭變化成線性關(guān)系，其擬合系數(shù)分別為-13.1、-14.6 和-14.2，與式(8)計算結(jié)果相符，由松散層失水壓縮機理可知，研究區(qū)四含失水是造成四含壓縮形變的主要原因。因此可通過監(jiān)測水頭高度變化計算四含形變量。

圖7 四含形變與四含水頭高度擬合Fig.7 Fitting of four-water deformation and four-water head height

6 結(jié)論

1）通過在童亭礦工業(yè)廣場布設(shè)分布式光纖對松散層進(jìn)行形變觀測發(fā)現(xiàn)：對地層形變貢獻(xiàn)最大的兩個層位為四含和一含，其中一含形變具有季節(jié)性特征，春季夏季抬升，秋季冬季沉降，四含則在觀測周期內(nèi)呈持續(xù)沉降態(tài)勢，長期來看四含壓縮是造成童亭礦工業(yè)地表沉降的主要原因。

2）結(jié)合松散層力學(xué)特征及分布式光纖監(jiān)測，分析了四含上覆隔水層黏土弱化程度進(jìn)行分析。研究表明含水層上覆黏土層會受到含水層的影響，產(chǎn)生黏土弱化現(xiàn)象，距離含水層越近，含水層地下水流性越強，黏土弱化現(xiàn)象越明顯，同時黏土層弱化將導(dǎo)致含水層頂部隔水層壓縮，加劇地表沉降。

3）應(yīng)用分布式光纖與水文孔結(jié)合監(jiān)測了地下水位變化對四含形變影響。結(jié)果表明，四含形變與四含層位的水頭變化趨勢一致，兩者呈線性關(guān)系；觀測結(jié)果與理論計算結(jié)果相符，表明四含失水是造成其壓縮形變的主要原因。