基于分層標資料的天津濱海地區(qū)含水層沉降特征分析

王 巍，徐 佳，徐 鳴

(天津市控制地面沉降工作辦公室，天津300061)

天津市地面沉降是典型的水資源短缺型地面沉降，自上世紀60年代發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過二十多年的快速發(fā)展期，至上世紀80年代，逐漸成為天津的主要地質(zhì)災害之一。濱海新區(qū)分層標監(jiān)測體系是地面沉降的主要監(jiān)測手段，是在天津市地面沉降勘察以及治理歷史進程中逐步建立起來的，為了監(jiān)測濱海新區(qū)抽取地下水及大規(guī)模建設(shè)對地面沉降的影響，以達到控制濱海新區(qū)大港、濱海新區(qū)塘沽以及濱海新區(qū)漢沽地區(qū)地面沉降的發(fā)展的目的。

通過對天津濱海地區(qū)分層標監(jiān)測資料以及同期不同含水層的水位資料的分析，可以研究得出各含水層當前沉降狀態(tài)，以及水位變化與沉降量之間的關(guān)系，探查不同地區(qū)各含水層的沉降特征。從而根據(jù)分析成果制定更有效的治理措施及方案。

1 分層標監(jiān)測方法

分層標監(jiān)測是為了取得各個土層壓縮和回彈的變形量而進行的精密水準測量，分層標組由分層監(jiān)測標、水位長觀孔和孔隙水壓力觀測孔組成，以本標組最深的一個標為基準，測定各分層標與主標之間的高差。分層標組由埋設(shè)于土層不同層位(或深度)的多個標樁構(gòu)成，用于監(jiān)測不同深度的地層變形情況，各分層標房還設(shè)置有地下水觀測孔或孔隙水壓力監(jiān)測孔，在水準測量時一并測量地下水位埋深或孔隙水壓力［1］。監(jiān)測形式有人工監(jiān)測和自動監(jiān)測兩種，人工監(jiān)測頻率每月一次，時間為每月中旬，自動監(jiān)測頻率每小時采集數(shù)據(jù)一次。

監(jiān)測方法主要有磁環(huán)感應法和幾何水準法［2］，淺層標采用磁環(huán)感應的方法進行監(jiān)測，深層監(jiān)測標則采用幾何水準法。具體而言，在塘沽開發(fā)區(qū)第七大街、第三大街和臨港為磁環(huán)埋深和孔隙水壓力監(jiān)測。

2 分層沉降效應分析

2.1 濱海新區(qū)剖面結(jié)構(gòu)與水動力分層

塘沽堿廠分層標地質(zhì)柱狀圖如圖1所示，最深觀測井孔為291.83 m，整個剖面粘土成分地層厚度占總厚度的65%，砂層含水層占35%。

圖2為地下水位曲線圖，由圖可知，根據(jù)地下水不同深度的水力聯(lián)系，整個剖面可以分為四個水動力條件較為獨立的含水巖組，分別是第一含水組(0～24.5 m)、第二含水組(24.5～64 m)、第三含水組(64～135 m)、第四含水組(135～295 m)。第一含水層為雜填土、粘土隔水層，水位變化幅度小，最高水位為4.63 m，最大變幅6.96 m;第二含水層上覆粘土隔水層厚12.6 m，粉砂、細砂含水層厚26.9 m，水位自1984至1988年逐漸上升，1988年至2002年水位波動較小，歷年最低水位 －17.23 m，最高水位 －4.31 m;第三含水層為一雙層結(jié)構(gòu)，包括兩個粘土隔水層、兩個含水砂層，粘土層厚度為35.4 m，含水砂層厚35.8 m，水位總體呈逐年上升趨勢，最低水位－30.53 m，最高水位－12.88 m;第四含水層粘土層厚度117 m，占該含水層總厚度約75%，水位逐年上升，但變化幅度較大，最低水位 －71.42 m，最高水位為－33.28 m。

圖1 塘沽堿廠地層模型

圖2 塘沽堿廠不同深度地下水位變化

2.2 沉降分層特征分析

應力－應變分析法最早由Riley［3］提出，以垂向應變或位移為橫坐標，以水頭或有效應力變化為縱坐標，繪出應力(水位)－應變(沉降量)關(guān)系曲線，然后根據(jù)關(guān)系曲線分析含水層變形特征［4］，可以明確各含水層的應力路徑變化方式。

根據(jù)塘沽堿廠分層標1984年以來的分層標監(jiān)測資料以及同期不同深度的孔隙水位資料，研究水頭與累計變形量(沉降量)之間的關(guān)系，各含水組累計沉降量變化曲線如圖3所示，圖4至圖7分別為第一、第二、第三、第四含水組累計沉降量變化及應力應變曲線。其中，累計沉降量為負值表示含水組沉降變形，正值表示含水組出現(xiàn)回彈變形。

圖3 塘沽堿廠分層標各含水層累計沉降量變化

圖4 塘沽堿廠第一含水組累計沉降量及應力應變曲線

1984年以來，第一含水組累計變形量逐漸增加，在1988年出現(xiàn)回彈后，該組累計沉降量逐年增大，而且90年代后期增幅逐年變大，至2002年累計沉降量達75.6 mm。而第一含水層水位變化幅度較小，該含水組的沉降主要由固結(jié)沉降引起。根據(jù)第一含水層的應力應變曲線，該組孔隙水位在80年代初期至90年代初上升幅度較大，變形量也出現(xiàn)回彈變形。但隨著90年代末水位下降，沉降量大幅上升，該含水組的沉降仍在繼續(xù)。

圖5 塘沽堿廠第二含水組累計沉降量及應力應變曲線

自1985年以來，隨著水位的上升，第二含水層累計沉降量也逐年降低，1988年累計沉降量為正值0.2 mm，直至2000年，變形量增至3.9 mm，一直表現(xiàn)為回彈變形。－1993年兩個時間段內(nèi)沉降速率較大，而且兩個時間段后均伴隨回彈變形。隨著90年代末水位下降，該含水層仍在繼續(xù)沉降。

圖6 塘沽堿廠第三含水組累計沉降量及應力應變曲線

圖7 塘沽堿廠第四含水組累計沉降量及應力應變曲線

1984年至1987年，第四含水組沉降速率較大，由1984年的95.3 mm增至1992年的351.2 mm。1993年以后，累計沉降量緩慢增加，并且在2000年前后出現(xiàn)回彈變形。該組水位在80年代初至90年中期逐漸上升，每年的沉降量也不斷減小，并逐漸趨于穩(wěn)定;之后幾年水位波動較大，但沉降量并未隨著水位下降持續(xù)增加，反而出現(xiàn)一定程度上的回彈。

圖8 各含水層歷年沉降比例變化

1984年來各含水組沉降量在總沉降量中所占的比例變化顯示圖8，塘沽堿廠分層標所在地區(qū)1984年至90年代末以第四含水組沉降變形為主，約占總沉降量的78%左右，但歷年來第四含水組沉降比例呈逐漸降低趨勢。而第一含水組沉降在總沉降中的比例逐漸增大，該組的沉降以含水層固結(jié)變形為主，1998年以后沉降量在總沉降量中的比例平均為89%，第三含水組沉降占總沉降量的比例約7%。歷年來第二含水組一直處于回彈變形狀態(tài)，1998年以后第四含水組沉降逐漸趨于穩(wěn)定，未呈現(xiàn)繼續(xù)增長的趨勢。

3 結(jié)語

根據(jù)塘沽堿廠水動力條件分層以及應力應變分析結(jié)果，2000年以來，濱海新區(qū)大部分地區(qū)以第一含水組(0～24.5 m)的固結(jié)沉降為主，其次為第三含水組(64～135 m)，第二含水組(24.5～64 m)一直呈現(xiàn)回彈變形狀態(tài)，第四含水組(135～295 m)累計沉降量隨著水位下降并未持續(xù)增加，變形量逐漸趨于穩(wěn)定，未來第四含水組沉降不會呈現(xiàn)大幅變化。

［1］于強，王威，易長榮.天津市地面沉降及地下水位監(jiān)測自動化系統(tǒng)的設(shè)計與應用.地下水.29(2007)101－104.

［2］齊波，牛文明.天津濱海新區(qū)分層標監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)研究.水文地質(zhì)工程地質(zhì).38(2011)44－48.

［3］F.S.Riley，Analysis of borehole extensometer data from central California，Land subsidence，2(1969)423 －431.

［4］T.J.Burbey，Stress－ Strain Analyses for Aquifer－ System Characterization，Ground Water，39(2001)128 －136.