華北平原區域沉降分析及對高速鐵路的影響

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

華北地區地勢平坦，地表水資源較為匱乏，水資源利用主要來源于地下水開采。隨著近年來經濟的迅速發展，對水資源的需求也日益加大，華北平原地區已成為世界上超采地下水最嚴重的地區，也是地面沉降漏斗最大、沉降覆蓋面積最大的地區，而且地面沉降呈現加劇的趨勢。中國地質科學院水環所完成的《華北平原地下水可持續利用能力》項目的研究成果顯示，華北平原淺層地下水超采區每年超采26.4億m3，深層地下水超采區每年超采12.4億m3，已無開采潛力。歷經近50年的地下水開采和超采，華北平原地下水位普遍下降，形成多個地下水降落漏斗，由冀棗衡漏斗、滄州漏斗和德州漏斗組成的“華北平原環渤海復合大漏斗”，面積已達7.2萬km2。地下水的過度開采不僅會導致咸淡水界面下移、海水入侵，而且對高速鐵路的建設和運營也會產生不利影響。

1　區域沉降影響分析

1.1　區域沉降的成因

區域地面沉降的原因包括自然因素和人為因素。前者包括構造活動、地震活動、軟弱土層的自重壓密固結、海平面上升等；后者主要指的是地下水、地下油氣資源的過量開采和大規模的工程建設等[1]。

(1)區域構造

新構造活動是控制構造沉降的根本因素，根據現有資料來看，影響華北地區構造沉降的原因大致為以下幾點：一是早第三紀以來的伸展裂陷活動造成的地塹和半地塹差異沉降；二是晚第三紀-第四紀華北地塹盆地的總體背景性沉降；三是控制性活動斷裂引起的沉降活動。

(2)人為因素

華北地區由于構造因素引起的地面沉降，速率僅為1～2 mm/年[2]。

另一方面，地下水、地下油氣資源的過量開采和大規模的工程建設也會引起地面沉降，其中，地下水嚴重超采是華北地區地面沉降的最主要原因。

1.2　抽水所致沉降的機理分析

分析由水位變化引起的地面沉降主要有兩種方法，一是有效應力原理，主要用于解釋含水層在抽水過程中壓實引起的沉降；二是水動力固結理論，主要用于解釋抽水以后的殘余壓實引起的沉降[3](如圖1所示)。

圖1　有效應力原理

有效應力原理

σ=σ′+μ

(1)

其中σ表示上覆荷載產生的總應力，σ′表示有效應力，即含水層骨架所承受的應力，μ表示孔隙水壓力。

根據有效應力原理，上覆土層和水的重力由有效應力和孔隙水壓力共同承擔。在抽水之后，由于總應力不變，而孔隙水壓力降低，有效應力必然增大。有效應力增大必然導致顆粒骨架所受壓力的增加，由于土體顆粒的壓縮率與孔隙壓縮量相比可以忽略，所以土層被壓縮在微觀上表現為土體顆粒之間孔隙的壓縮。

抽水過程中，由于透水層的滲透系數比弱透水層要大，因而水位下降也快；抽水完成后，由于兩種含水層之間水位高度不同，存在水位差，表現出由弱透水層向透水層的滲透，弱透水層中的壓實作用并沒有停止，地面沉降會繼續發展。

實際上，孔隙水壓恢復后，壓縮的土層將發生反彈，而黏性土滲透固結過程非常緩慢，具有蠕變性。黏性土變形主要以塑性變形為主，一旦發生固結，大部分沉降量無法恢復，加之沉降又有明顯的滯后現象，分析起來相當復雜。

因此，人為因素，尤其是深層地下水超量開采是導致地面沉降的主要原因。

1.3　高鐵沿線區域沉降研究現狀及對策

對于華北平原這樣的區域性沉降地區，各沉降監測單位在監測手段、時間、精度等方面都存在差異，數據難以形成有效的序列，處理起來相對比較困難；另一方面，由于各個機構在監測數據上沒有實現完全共享，進一步增加了形成區域沉降現狀圖的難度。再者，對于區域沉降的研究大多都停留在沉降機理及監測等方面，對于如何進行有效的處理還存在不少空白，加之對于地下水開采的管理牽扯多方面的利益，難以形成有效的管理體系，成為了區域沉降研究的又一道阻礙[4]。

結合本段高鐵的實際情況，需要進一步搜集石家莊、邯鄲、邢臺等地近年來的沉降資料以及地下水位變化資料，參照區域沉降圖，從宏觀上分析高鐵沿線的沉降情況；另外，對于高鐵沿線地下水滲流場的變化情況以及降落漏斗的范圍，需要咨詢有關部門，建立相應的數學模型，預測今后地下水位的變化情況，從而達到預測地面沉降的目的。

華北地區的許多地下水漏斗已經連成一片，形成了區域性地面沉降。區域性地面沉降會導致線路坡度發生變化，同時對橋梁、路基和軌道平順性產生一定影響。為了避免沉降對高速鐵路的不利影響，通常采取以下幾個手段來進行控制：合理選線、采取合理的線路坡度及適宜的工程措施以及控制地下水的開采[5]?？紤]到本段高鐵的具體情況，沉降控制需從控制地下水水位著手。

2　地下水位變化對高速鐵路影響分析

2.1　區域地下水位變化對路基沉降的影響

按地下水位平均每下降1 m，在地層內相應增加10 kPa附加應力，采用分層總和法預測地面沉降量，黏性土及粉土按下式計算

(2)

砂土按下式計算

(3)

以某客運專線DK442+200工點為例，鉆孔資料提供的地下水埋深為3.5 m，假設一段時間后水位降至8.5 m，根據上述公式計算40 m計算深度范圍內的沉降為219.97 mm。如果該工點地下水埋深為8.5 m或13.5 m，同樣降深5 m，計算出的沉降分別為186.46 mm，152.95 mm，如表1所示。由此可見，在同等地質條件、同等降深的情況下，地下水埋深越深，計算深度范圍內的沉降越小。

表1　DK442+200工點地下水位均勻下降沉降計算值

對比分析DK385+620，DK388+135以及DK389+080等工點，計算地下水位均勻下降引起路基沉降值及速率估算值，如表2所示。

四個工點的地層結構比較相似，均為黏性土層與砂層交互成層，因此各工點在計算結果上的區別主要由于地下水埋深。由表2中的數據可知，在相似地質條件、同等降深的情況下，地下水埋深越深，計算深度范圍內的沉降越小，由此也證明了前面的推論。

2.2　抽水井對路基沉降的影響

(1)水井沉降漏斗的形成機制

鐵路沿線分布眾多農田灌溉井及農用飲水井，井深由幾十米到上百米不等，抽水井出水量一般為50～120 m3/h。機井相互間距較大時，呈井點降水模式；若機井間距較小或者同一地區分布多個機井時，則形成地下水的降落漏斗。由于水井抽水導致局部地下水位下降，形成以水井為中心，向外拋物線型的浸潤曲線，如圖2所示。

表2　地下水位均勻下降引起路基沉降值及速率估算值

圖2　地下水降落曲線

由圖2可知，距離水位降落漏斗中心位置越遠，水位變化越小，相應的沉降也越小，這樣就會形成一個以抽水井為中心的沉降漏斗，中心沉降最大，向外側越來越小。

(2)水井沉降漏斗的影響半徑

高鐵沿線分布眾多水井，如圖3選取了DK364+458～DK376+172段，以正線為中心繪制了兩側共計16口水井的分布圖。

圖3　DK364+458～DK376+172段水井分布

為了確定這些水井的水位下降對高鐵是否有影響，首先就需要確定影響半徑。影響半徑系是指抽水時由井軸至降落漏斗外部邊緣靜水位的距離，通常采用經驗公式進行計算。在計算潛水含水層群井的影響半徑時，通常采用庫薩金公式

(3)

而對于潛水和承壓水抽水初期的影響半徑，一般采用吉哈爾特公式

(4)

式中，S表示降深，H表示含水層的厚度，K表示滲透系數。假設含水層主要為細沙，厚度為30 m，取K=1.0～5.0 m/d，在降深10 m的情況下，按庫薩金公式計算出的影響半徑為110～245 m。根據影響半徑進行推算，在此種情況下，鐵路沿線100～250 m范圍內的淺層地下水開采對鐵路將有所影響，距離鐵路越近影響則越大。如果在鐵路兩側數米之內存在淺層水井，仍以DK442+200工點為例，假設一段時間后水位由3.5 m降至13.5 m，引起的沉降初步估算將達到400 mm。因此，淺層地下水位的下降，對地面沉降的影響更為嚴重。

(3)水井抽水引起地面沉降的分析預測

高鐵沿線水井多為灌溉井，主要是抽取淺層地下水，實際工程中，由于灌溉水井在各個時期抽水量不盡相同，不同抽水井之間存在相互影響，再加上水流補給以及大氣降雨的影響，對于相同地貌單元，通常采用比單位變形量法來預測地面沉降。

假設土層變形量與水位升降幅度及土層厚度之間都呈線性比例關系，土層在某一特定時段(水位上升或下降)內，含水層水頭每變化1 m時其相應的變形量，稱為單位變形量，將其除以土層的厚度即為該土層的比單位變形量。一般可以根據預測期前3～4年中的實測資料，按下式計算

ΔS=I′·Δh·H

(5)

式中，I′表示地層的比單位變形量，一般根據長期監測資料統計得到，Δh表示水位變化值，H表示土層的厚度，ΔS(mm)即為水位變化Δh(m)時，厚度為H(mm)的土層預測沉降量。

假設I′=0.01 mm/(m·m)，Δh=5 m，H=40 m，

則ΔS=0.01×5×40=20 mm，即在0～40 m計算深度范圍內，如果水頭變化5 m，土層的沉降值為20 mm。

在用比單位變形量法來預測地下水位變化引起的地面沉降時，首先需要搜集以往的監測數據來確定比單位變形模量I′的值，繼而根據水頭變化和計算深度來分析計算相同或相近地貌單元的地面沉降。

3　結論

由水井取水導致的局部不均勻沉降和區域性的大規模沉降相比，前者對于高速鐵路的影響有時更為嚴重。

在相同地質條件、同等降深的情況下，地下水埋深越深，計算深度范圍內的沉降越小，但是并不能簡單地認為在深層采水比淺層采水要好。由于深層承壓水較淺層難以受到補給，水位下降后必然會導致上部各層的越流補給，加速中間黏土層的固結沉降，引起嚴重的地面沉降。實際上，可以通過在淺層含水層開鑿輻射井等方法來加大淺層地下水開采量。

搜集高鐵沿線各抽水井的坐標、水位埋深以及水位變化情況，并計算其影響半徑，根據影響半徑來控制水井的開采，必要時采取禁采、限采等手段。

考慮到灌溉水井水位常年變化以及固結沉降的長期性，可以通過搜集高鐵各沉降段前3～4年中的沉降資料以及水位變化數據，根據比單位變形量法來預測沉降的發展。

[1]何慶成，劉文波，李志明.華北平原地面沉降調查與監測[J].高校地質學報，2006(6)

[2]何慶成，等.我國地面沉降現狀及防治戰略設想[J].高校地質學報，2006(6)

[3]謝海瀾，鄭錦娜.區域性地面沉降研究現狀[J].地質調查與研究，2009(9)

[4]祁彪.地面沉降對京滬高速鐵路(北京-濟南段)影響分析[D].成都：西南交通大學，2009

[5]李國和，等.華北平原地面沉降對高速鐵路的影響及其對策[J].鐵道工程學報，2007(8)