連云港徐圩地面沉降BOTDR監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

劉蘇平，施 斌，張誠(chéng)成，顧 凱，孫夢(mèng)雅，楊 鵬，盧 毅

(1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院)，江蘇 南京 210049)

地面沉降是我國(guó)沿海城市的主要地質(zhì)災(zāi)害之一。在我國(guó)沉降幅度大于100 cm的城市中，沿海城市占75%[1]。沿海城市的地面沉降誘因有多種，外因包括沿海城市過度抽取地下流體、工程建設(shè)、地表動(dòng)靜荷載等，內(nèi)因包括沉降區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、欠固結(jié)的厚層堆積物被壓縮、海平面上升等[2～5]。

連云港市地處江蘇省沿海東北部，第四系沉積物厚薄不一，地面沉降分布范圍較廣，沉降漏斗集中在灌云縣、灌南縣，各地最大累積沉降量在300～400 mm 之間，沉降速率超過20 mm/a[6]。徐圩鎮(zhèn)位于兩沉降漏斗的北西方向，位置靠近海堤，該地區(qū)廣泛分布海相淤泥與淤泥質(zhì)軟土，并建有大量的海堤、沿海公路和圩田等基礎(chǔ)建設(shè)[7～8]。雖然徐圩鎮(zhèn)地理位置與沉降漏斗中心距離較遠(yuǎn)，但地面沉降的嚴(yán)重程度與沉降漏斗中心相近。已有學(xué)者發(fā)現(xiàn)沉降漏斗以外存在部分地區(qū)沉降速率異常，但相關(guān)監(jiān)測(cè)信息很少[5]。

目前常規(guī)的地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是全球定位系統(tǒng)(GPS)、合成孔徑干涉雷達(dá)(InSAR)、精密水準(zhǔn)測(cè)量、分層沉降標(biāo)與基巖標(biāo)等技術(shù)。但是，GPS、InSAR、水準(zhǔn)測(cè)量等技術(shù)只能測(cè)量地表高程的損失，無法獲取地表以下各層土體的沉降量；分層沉降標(biāo)和基巖標(biāo)等技術(shù)可以測(cè)量深層土體的變形量，但無法獲取整個(gè)地層斷面連續(xù)的變形分布，且施工成本較為昂貴。因此，學(xué)者[9～10]開始嘗試采用一種分布式光纖感測(cè)技術(shù)—布里淵散射光時(shí)域反射測(cè)量技術(shù)(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry，BOTDR)獲取鉆孔內(nèi)不同層位的土層的變形分布信息，并取得了成功[11～16]。

本文選取連云港市徐圩鎮(zhèn)的127 m的鉆孔作為監(jiān)測(cè)孔，布設(shè)了分布式應(yīng)變傳感光纜，采用BOTDR技術(shù)對(duì)鉆孔地層進(jìn)行了全斷面分布式精細(xì)化監(jiān)測(cè)，獲得了兩年多的監(jiān)測(cè)資料。在此基礎(chǔ)上，對(duì)土層的沉降變形進(jìn)行了評(píng)價(jià)，確定了該區(qū)地面沉降的主要層位，并分析了該區(qū)地面沉降的驅(qū)動(dòng)因素。

1 鉆孔地層巖性與分布

本次選取的鉆孔位于連云港市連云區(qū)徐圩鎮(zhèn)內(nèi)。徐圩鎮(zhèn)的海岸線長(zhǎng)15 km，鉆孔位置距離海岸線最短距離為4.7 km(圖1)。試驗(yàn)采用鉆機(jī)鉆孔，鉆孔在深度為127 m處開始出現(xiàn)片麻巖，最終成孔深度為127 m。

圖1 地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置圖Fig.1 Location of land subsidence monitoring

依據(jù)鉆取的巖芯資料以及當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)調(diào)查資料，將該鉆孔第四系含水層劃分為4個(gè)承壓含水層組(表1)，其中淺層地下水賦存于淤泥質(zhì)黏土、亞黏土中，微咸水或半咸水居多。目前連云港市的地下水主要開采層為第 II、 III組含水層[5～6]。

表1 鉆孔含水層組劃分Table 1 Division of aquifer groups

2 BOTDR技術(shù)測(cè)量原理

2.1 BOTDR土體變形監(jiān)測(cè)原理

BOTDR是一種利用自發(fā)布里淵散射現(xiàn)象進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量的技術(shù)，其原理見圖2。其中，布里淵頻移變化量與光纖的溫度、應(yīng)變均具有線性關(guān)系，據(jù)此獲取傳感光纜軸向的應(yīng)變信息[17～18]。

圖2 BOTDR測(cè)試原理圖Fig.2 Working principle of BOTDR

地面沉降監(jiān)測(cè)變量為土體的豎向變形，包括壓縮與回彈。通過將傳感光纜垂直布設(shè)于地面沉降監(jiān)測(cè)鉆孔中，根據(jù)地層巖性選擇合適的回填料，將鉆孔封孔。隨著深度增大鉆孔中的側(cè)向土壓力會(huì)不斷增大，傳感光纜與土體的變形耦合作用越強(qiáng)，故當(dāng)土體發(fā)生壓縮或回彈，傳感光纜就會(huì)協(xié)同發(fā)生軸向的壓縮或拉伸。定期采集鉆孔內(nèi)的傳感光纜數(shù)據(jù)，獲取鉆孔中傳感光纜的應(yīng)變?cè)隽?，利用積分獲取光纜的變形量，見式(1)，根據(jù)積分結(jié)果獲取鉆孔內(nèi)土體的變形信息。

(1)

式中：ΔL——傳感光纜l1處和l2處之間的軸向拉伸或收縮量/m；

ε(l) ——在傳感光纜lm處的軸向應(yīng)變；

d——傳感光纜采集數(shù)據(jù)的步長(zhǎng)/m。

2.2 傳感光纜與土體耦合變形

直埋式布設(shè)的傳感光纜與周圍被測(cè)土體的變形耦合性是決定監(jiān)測(cè)結(jié)果有效性的關(guān)鍵因素。Zhang C C等[19]使用了一種高圍壓下土體與光纜拉拔測(cè)試裝置與變形耦合評(píng)價(jià)方法，利用圖3所示的裝置開展不同圍壓下的土樣中的傳感光纜拉拔試驗(yàn)。定義拉拔效率(k)為傳感光纜應(yīng)變積分值與拉拔位移值之比，利用k表示不同圍壓下的傳感光纜與土體變形耦合效果。

圖3 耦合裝置示意圖Fig.3 Test arrangement

Zhang C C等[19]的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：松填砂土與傳感光纜間耦合性強(qiáng)的臨界圍壓為0.55 MPa，擊實(shí)砂-黏混合土與傳感光纜間耦合性強(qiáng)的臨界圍壓為0.17 MPa。因此，在傳感光纜監(jiān)測(cè)過程中，對(duì)于耦合性較差的層位，可利用拉拔效率計(jì)算得出土體與傳感光纜之間的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)距離，進(jìn)而對(duì)直埋式傳感光纜的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。圖4是耦合試驗(yàn)得出的不同圍壓下的光纜拉拔效率值。

圖4 傳感光纜耦合效果與圍壓關(guān)系Fig.4 Relationship between deformation coupling of optic cable and confining pressure

2.3 傳感光纜應(yīng)變數(shù)據(jù)修正方法

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)傳感光纜埋設(shè)于一定深度處的土體中，土體中的圍壓會(huì)對(duì)傳感光纜的測(cè)試效果產(chǎn)生影響。因此，分析深層土體中的傳感光纜數(shù)據(jù)時(shí)，需要引入修正系數(shù)ks，修正不同圍壓下的傳感光纜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，見式(2)、(3)。

ΔLs=ks·ΔL

(2)

(3)

式中：ΔLs——土體中的傳感光纜軸向拉伸或收縮量/m；

ks——傳感光纜與土體變形耦合修正系數(shù)；

ki——圍壓為iMPa時(shí)傳感光纜與土體的拉拔效率。

通過引入修正系數(shù)ks，對(duì)傳感光纜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，修正后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以用于深層土體變形的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。

3 監(jiān)測(cè)方案與結(jié)果

3.1 監(jiān)測(cè)方案

在徐圩127 m深的鉆孔成孔后，現(xiàn)場(chǎng)開始布設(shè)分布式應(yīng)變傳感光纜。通過采集傳感光纜的應(yīng)變分布，獲取地表下巖土體變形分布信息，揭示地面沉降的發(fā)育機(jī)理。

試驗(yàn)選用地層定點(diǎn)雙芯光纜作為應(yīng)變傳感光纜，其為局部定點(diǎn)松套光纜，可實(shí)現(xiàn)地層變形分段均一化測(cè)量和較大變形測(cè)量。為保證傳感光纜能夠在鉆孔中豎直下放，將傳感光纜固定在重力導(dǎo)錘上，導(dǎo)錘質(zhì)量為15 kg，最終將導(dǎo)錘豎直放置于鉆孔內(nèi)。為防止傳感光纜在下放過程中受不可控力破壞，本次傳感光纜按“U”型布設(shè)，兩段均可采集數(shù)據(jù)。當(dāng)傳感光纜垂直放置于鉆孔之后，在鉆孔端口處固定傳感光纜，使傳感光纜的首尾端保持固定位置。待傳感光纜布設(shè)完成，根據(jù)鉆孔取樣的地層巖性在孔內(nèi)回填相應(yīng)的回填材料，通過分層回填來保證回填料與地層巖性相吻合[10]，如在黏土層回填主要成分為高嶺土的黏土球，在砂層回填合適配比的砂-礫石-黏土球。鉆孔內(nèi)的回填材料固結(jié)完成后，定期對(duì)鉆孔內(nèi)布設(shè)的光纖傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。徐圩鉆孔具體的地層巖性和光纜布設(shè)方式如圖5所示。

圖5 徐圩地面沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.5 Monitoring system of land subsidence in Xuwei

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

本試驗(yàn)應(yīng)變監(jiān)測(cè)儀器是ADVAN公司生產(chǎn)的ADVANTEST N8511型光纖應(yīng)變解調(diào)儀，監(jiān)測(cè)儀器采集步長(zhǎng)為5 cm，空間分辨率為1 m，即每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)監(jiān)測(cè)值為該1 m范圍內(nèi)的變形數(shù)據(jù)的綜合反映。

徐圩鉆孔的監(jiān)測(cè)期從2015年6月27日開始，頻率為每三四個(gè)月監(jiān)測(cè)一次。2015年6月27日—2017年6月25日期間共監(jiān)測(cè)9期數(shù)據(jù)，將2015年6月27日的測(cè)試數(shù)據(jù)作為初始數(shù)據(jù)，后續(xù)每一次的監(jiān)測(cè)周期內(nèi)傳感光纜的應(yīng)變量減去初始應(yīng)變量，可繪制出每一期應(yīng)變?cè)隽亢蜕疃鹊年P(guān)系圖(圖6a)。每一期的鉆孔內(nèi)傳感光纜監(jiān)測(cè)的地層變形量可根據(jù)式(1)對(duì)傳感光纜應(yīng)變積分計(jì)算得出。將鉆孔剖面數(shù)據(jù)按1 m點(diǎn)距進(jìn)行平均處理，據(jù)此計(jì)算出鉆孔全斷面的土體沉降量分布信息(圖6b)。作者嘗試結(jié)合圖4中的直埋式傳感光纜在不同圍壓下的拉拔效率，根據(jù)式(2)、(3)，對(duì)連云港徐圩鉆孔分布式傳感光纜監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正并繪制成圖6c。

由圖6(a)中的傳感光纜應(yīng)變分布圖發(fā)現(xiàn)，在0～127 m深度范圍內(nèi)，傳感光纜的應(yīng)變?cè)隽恐饕植荚谏疃?.65～40 m段，傳感光纜應(yīng)變?yōu)樨?fù)應(yīng)變，且隨時(shí)間增加傳感光纜應(yīng)變不斷增大，即傳感光纜受壓應(yīng)變，監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的土體被壓縮，且壓縮量不斷增大。圖6(b)是傳感光纜數(shù)據(jù)積分而得出的軸向位移量，即傳感光纜監(jiān)測(cè)得到的土體豎向的壓縮或回彈，累積沉降量為39.18 mm。傳感光纜在較低圍壓下需要進(jìn)行根據(jù)修正公式進(jìn)行修正，圖6(c)是已經(jīng)修正后的全斷面的土體沉降分布信息，修正后累積沉降量達(dá)54.94 mm。其中，2015年沉降速率為29.46 mm/a，2016年沉降速率為25.47 mm/a，累積沉降量一直在增大，而沉降速率呈減小趨勢(shì)。

4 分析與討論

4.1 地下水

徐圩鎮(zhèn)屬于地下水正常開采區(qū)，開采的層位集中在第 II、III組含水層，開采的時(shí)間主要在6—10月[20]。根據(jù)鉆孔各含水層位的頂?shù)装迳疃?，可獲知各含水層組的土體變形信息(表2)。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，徐圩地區(qū)的地面沉降發(fā)育層位主要集中在I-1隔水層和I-2隔水層，監(jiān)測(cè)期內(nèi)的累計(jì)沉降量分別達(dá)38.62 mm、13.51 mm，各占總沉降量的70.29 %、24.59%。相鄰的I-3含水層的累計(jì)沉降量為0.76 mm，僅占比1.38 %。第I含水層組內(nèi)的土體沉降為主要沉降段，但是含水層的沉降量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于隔水層的沉降量。這是由于當(dāng)在含水層抽取地下水時(shí)，抽水含水層內(nèi)的孔隙水壓急劇下降，如果相鄰隔水層為儲(chǔ)水隔水層，內(nèi)部的水也會(huì)向含水層流動(dòng)，相鄰隔水層也會(huì)發(fā)生失水產(chǎn)生固結(jié)壓縮。

圖6 鉆孔剖面沉降圖Fig.6 Subsidence of borehole profile

對(duì)于主要開采層位的第 II、III組含水層，由于開采量正常，未進(jìn)行過度開采，該層位土體的沉降量在0～0.6 mm范圍內(nèi)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還顯示，地下水開采層的沉降量在抽水期要稍高于其余時(shí)間段。因此，徐圩地區(qū)地面沉降的主導(dǎo)原因不是抽水層的壓縮，而是隔水層的壓縮，尤其是I-1隔水層和I-2隔水層。

為了更好地評(píng)價(jià)各含水層組的壓縮潛力，定義單位厚度土體的壓縮量為壓縮度，據(jù)此評(píng)價(jià)各層壓縮潛力。對(duì)于含水層，I-3=III-2>IV-2>II-2，沉降潛力均較小。對(duì)于隔水層，I-1>I-2> II-1=IV-1>III-1，其中第I含水層組的壓縮潛力遠(yuǎn)大于其余含水層組，隔水層I-1和I-2隔水層的壓縮潛力較其余隔水層位明顯異常，因此需要對(duì)此層位進(jìn)行精細(xì)分析。

表2 鉆孔含水層組壓縮度Table 2 Compaction of aquifer groups

4.2 地層巖性

基于BOTDR分布式光纖感測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)獲取的徐圩鉆孔中各層土體變形分布信息，結(jié)果顯示該地區(qū)地面沉降主要是因?yàn)楦羲畬覫-1和隔水層I-2段的土體被壓縮。通過鉆孔的編錄結(jié)果發(fā)現(xiàn)，主要變形層位——隔水層I-1和隔水層I-2段的土體符合連云港地區(qū)海相軟土地層特征，上覆硬殼層為填土(L1層，0～-3.1 m)，軟土層為淤泥質(zhì)黏土(L2層，-3.1～-18.6 m)，下臥層為亞黏土和亞砂土夾粉砂(L3層，-18.6～-23.1 m；L4層，-23.1 ～ -47.1 m)。將軟土層的地層巖性與土體變形信息相結(jié)合，匯總成表3，其中土體發(fā)生沉降時(shí)的變形為負(fù)值，土體回彈時(shí)的變形為正值。

根據(jù)表3可知，L1層土體密實(shí)，近地表，易受地溫場(chǎng)的影響和地表環(huán)境的干擾，在2 a的監(jiān)測(cè)期內(nèi)土體基本沒有變形。L2層為淤泥質(zhì)黏土，由于淤泥質(zhì)黏土強(qiáng)度低、高壓縮性，較易發(fā)生土體壓縮，且在監(jiān)測(cè)期內(nèi)該層位的土體沉降明顯，累積沉降量高達(dá)30.96 mm，占總沉降量56.35 %。L3層為亞黏土，是軟土層的下臥層，累計(jì)沉降量為7.66 mm，占總沉降量的13.94 %；L4層為粉砂亞砂土互層，發(fā)生較大壓縮，累計(jì)沉降量為13.51 mm，占整體變形量的24.59 %。根據(jù)各層土的壓縮度，判定壓縮潛力：L2>L3>L4，淤泥質(zhì)黏土壓縮潛力較大，易在環(huán)境影響下發(fā)生壓縮，需要注意該層位土體的壓縮。

表3 徐圩鉆孔的軟土層變形區(qū)Table 3 Main deformation zone in Xuwei

4.3 工程建設(shè)的附加荷載

根據(jù)鉆孔編錄結(jié)果可知，研究區(qū)軟土層中淤泥質(zhì)黏土層厚達(dá)15.5 m，該層淤泥質(zhì)黏土對(duì)于工程建設(shè)產(chǎn)生較大影響，極易引發(fā)工程建設(shè)相關(guān)事故和地質(zhì)災(zāi)害。

由于徐圩地區(qū)毗鄰海堤公路，且周圍工程建設(shè)較多，如房屋建設(shè)(地基、基坑等)、路基。工程建設(shè)對(duì)于地面沉降的影響主要包括兩個(gè)方面：一是施工過程中地基處理、基坑降水、動(dòng)靜荷載等；二是工程運(yùn)營(yíng)過程中的附加荷載(上層建筑、復(fù)合地基)和動(dòng)靜荷載。

工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過程中的附加荷載會(huì)加劇徐圩地面沉降的嚴(yán)重性和危害性，致使靠近海岸線的地區(qū)地面沉降發(fā)育情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)與地面沉降漏斗中心相當(dāng)。

5 結(jié)論

(1)BOTDR技術(shù)具有全分布的特點(diǎn)，可獲取連云港徐圩地區(qū)127 m深鉆孔全斷面的土體變形信息，是一項(xiàng)可以精細(xì)化研究地面沉降發(fā)育的技術(shù)。

(2)徐圩鉆孔內(nèi)土體BOTDR監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，監(jiān)測(cè)期內(nèi)鉆孔內(nèi)土體的累積沉降量為54.94 mm，沉降速率為27.47 mm/a。該地區(qū)的地面沉降仍在持續(xù)，但沉降速率有所降低。

(3)徐圩地區(qū)含水層組土體的沉降量小于相鄰隔水層土體的沉降量，且I-1隔水層和I-2隔水層的沉降量和沉降潛力遠(yuǎn)大于其他層組，是主要沉降層位。

(4)徐圩地區(qū)現(xiàn)階段地面沉降主要層位的土體巖性是淤泥質(zhì)黏土層(L2)，其壓縮潛力極大。其相鄰層位(L3、L4)的地面沉降量明顯大于較遠(yuǎn)層位，而且軟土層(L2、L3、L4)的累積沉降量占總沉降量的94.90 %。值得留意的是，區(qū)內(nèi)的工程建設(shè)附加荷載也會(huì)加劇淺層位軟土層的壓縮。