王 雙

(廣東省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊(duì)，廣東 湛江 524000)

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湛江霞山區(qū)菉塘地面沉降量計(jì)算方法及沉降趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析

王 雙

(廣東省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊(duì)，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(jì)算方法的基礎(chǔ)上，對(duì)未來(lái)地面沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)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(jì)算其最終沉降量，并對(duì)其沉降趨勢(shì)及沉降主導(dǎo)因素進(jìn)行分析預(yù)測(cè)與確定。湛江市地層和地下水分布比較復(fù)雜，地層幾乎涵蓋了黏性土、粉土、砂、基巖等幾乎所有類(lèi)型，地下水類(lèi)型較多，幾乎涉及到了所有地下水類(lèi)型。為了合理預(yù)測(cè)抽取地下水引起的地面沉降，有必要通過(guò)對(duì)不同地層進(jìn)行分析，提出簡(jiǎn)單、實(shí)用、使用便捷的沉降計(jì)算方法。

地面沉降；沉降趨勢(shì)；主導(dǎo)因素；菉塘

1 地面沉降量的計(jì)算方法——分層總和法

雖然地面沉降最終沉降量(S∞)由瞬時(shí)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(gè)部分組成，即S∞=Sd+Sc+Ss

但在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中三者很難區(qū)分，因此本次主要通過(guò)計(jì)算主固結(jié)沉降量，再用沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)(ψs)來(lái)修正，即按下面式子計(jì)算總沉降量：S∞=ψs·Sc

沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)與軟弱類(lèi)土的變形特性、上部荷載條件、加載速率等因素有關(guān)，對(duì)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(shí)取大值，反之則取小值。根據(jù)區(qū)內(nèi)實(shí)際，本次湛江市平原ψs區(qū)取1.1。

1.1 固結(jié)沉降量的計(jì)算

在計(jì)算固結(jié)沉降量Sc時(shí)，對(duì)不同地層采用不同的計(jì)算公式。

1.1.1 黏性土及粉土層固結(jié)沉降量計(jì)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(jì)算土層上的平均附加壓力(MPa)；H為計(jì)算土層的厚度(mm)。

1.1.2 砂性土層固結(jié)沉降量計(jì)算公式

式中：Es為砂層的彈性模量(MPa)。

分層總和法計(jì)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(jì)算總沉降量的公式如下：

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

1.2 次固結(jié)沉降量計(jì)算

在軟弱類(lèi)土層的相關(guān)參數(shù)比較齊全和可靠的情況下，也可以直接計(jì)算其次固結(jié)沉降量。由于次固結(jié)沉降速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主固結(jié)沉降速率，因此，一般情況下都將次固結(jié)開(kāi)始的時(shí)刻等同于主固結(jié)完成的時(shí)刻，即軟弱類(lèi)土次固結(jié)可以理解為在沒(méi)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(shí)刻的孔隙比；θ2為土層次壓縮量計(jì)算時(shí)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(shí)刻；t2為次壓縮量計(jì)算時(shí)刻。

常規(guī)次固結(jié)沉降量計(jì)算公式如下：

假設(shè)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(wú)限大的，而上式當(dāng)t2→∞時(shí)得Ss→∞，與實(shí)際不相符。根據(jù)廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院馮志剛等的研究成果，對(duì)上式進(jìn)行了改進(jìn)，修正后的公式如下：

上式當(dāng)t2→∞時(shí)，得

該極限值可認(rèn)為是次固結(jié)沉降的最終沉降量。

1.3 瞬時(shí)固結(jié)沉降量計(jì)算

一般采用彈性力學(xué)法計(jì)算瞬時(shí)固結(jié)沉降量，如均布荷載下地基表面任意點(diǎn)的沉降計(jì)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(shí)段地面沉降量預(yù)測(cè)計(jì)算

在大面積填土工程、各類(lèi)建設(shè)項(xiàng)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(yīng)力也基本穩(wěn)定不變，土層變形量與時(shí)間的關(guān)系為：

St=S∞U

其中：

式中：St為某時(shí)刻時(shí)的地面沉降量(mm)；U為固結(jié)度；N為時(shí)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(shí)間(a)。

2 菉塘沉降中心最終沉降量計(jì)算結(jié)果分析

限于工作區(qū)地面沉降誘發(fā)因素的復(fù)雜性，本次僅對(duì)典型點(diǎn)進(jìn)行沉降總量、速率和持續(xù)時(shí)間等做出評(píng)估。湛江市霞山區(qū)菉塘在二十世紀(jì)80至90年代大量開(kāi)采中層地下水用于生活用水，90年后期政府加強(qiáng)了對(duì)地下水開(kāi)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(kāi)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(cè)數(shù)據(jù)，1989年菉塘沉降中心累計(jì)沉降量為140 mm，2011年菉塘沉降中心累計(jì)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(jìn)行沉降計(jì)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(shí)見(jiàn)玄武巖。S5186號(hào)孔地層自上而下的巖性及主要物理指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 湛江市霞山區(qū)菉塘村S5186號(hào)收集孔地層分層情況表

該點(diǎn)1989年水位標(biāo)高-5 m，2011年水位標(biāo)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(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ψ取1.1；計(jì)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(shí)的軟弱類(lèi)土，厚度2.60 m，密度2.0 g/cm3；第二層黏土為軟弱類(lèi)土，厚度3.40 m；由于本場(chǎng)地淺層水水位埋深為1.10 m，小于填土厚度，故將填土對(duì)軟弱類(lèi)土產(chǎn)生的附加壓力分為水位以上、水位以下分層計(jì)算。計(jì)得最終沉降量約為324 mm。

3 菉塘沉降中心沉降趨勢(shì)預(yù)測(cè)

綜上所述計(jì)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(yàn)資料，選取荷載100 kPa時(shí)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(yù)測(cè)沉降趨勢(shì)，預(yù)測(cè)沉降計(jì)算如下(表2)。

表2 湛江市霞山區(qū)菉塘村沉降預(yù)測(cè)計(jì)算表

4 結(jié)語(yǔ)

由上面計(jì)算結(jié)果可知，在目前水壓作用和沒(méi)有其他人為干預(yù)的情況下，本場(chǎng)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(jì)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(duì)地面沉降的貢獻(xiàn)率達(dá)75.7%，顯然，引發(fā)該區(qū)地面沉降的主導(dǎo)因素是超量開(kāi)采地下水資源。

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

[2] 廣東省地質(zhì)局水文工程地質(zhì)一大隊(duì).雷州半島地區(qū)地下水流場(chǎng)特征及其變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)研究報(bào)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(cè)報(bào)告.1999.9.

[4]廣東省地礦局水文工程地質(zhì)一大隊(duì).廣東省湛江市地面沉降調(diào)查精密水準(zhǔn)測(cè)量網(wǎng)測(cè)量設(shè)計(jì)書(shū).1983.2.

[5]廣東省地質(zhì)礦產(chǎn)局水文工程地質(zhì)一大隊(duì).廣東省湛江市地面沉降調(diào)查精密水準(zhǔn)測(cè)量報(bào)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(cè)研究技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū).1998.4.

[7]湛江市國(guó)土資源局.廣東省地質(zhì)勘查局水文工程地質(zhì)一大隊(duì).廣東省湛江市地質(zhì)災(zāi)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(duì).湛江市地下水資源勘查監(jiān)測(cè)報(bào)告.2011.12.

2017-02-15

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

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

P642.26

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1004-1184(2017)03-0222-02