鄭徐高速鐵路鄭州段區域地面沉降預測分析

詹學啟，張占榮

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

區域地面沉降是在人類工程經濟活動影響下，由于地下松散地層的固結壓密，導致地面高程緩慢降低的環境地質現象，嚴重時會成為一種地質災害。近20多年來隨著工農業的發展、城市的擴張，對地下水的需求也越來越大，區域地面沉降范圍越來越廣，危害越來越大，至2011年12月，中國有50余個城市出現地面沉降，長三角、華北平原和汾渭盆地已成區域地面沉降的重災區。由于發展過程漫長、影響范圍廣、形成原因和機理復雜、治理難度大，一旦形成便難以恢復，區域地面沉降已成為制約我國社會、經濟可持續發展的主要地質災害［1-4］。

導致產生區域地面沉降的因素很多，抽取地下水引起的地面沉降是最為普遍、危害性最為嚴重的一類［5-7］。鄭徐高速鐵路位于黃淮沖積平原區，調查數據顯示，沿線曾因大量抽取地下水形成了多個以城鎮為中心的降水漏斗，地下水位降低引起嚴重的地表下沉問題［8，9］。為滿足安全、舒適的要求，高速鐵路對沉降特別是工后沉降要求極為嚴格，因此，采取合理的模型及時地分析和預測沿線地面沉降狀況，對于鄭徐高速鐵路地質災害預防以及后期正常運行具有重要意義。本文以鄭徐高速鐵路沿線地面沉降最為嚴重的鄭州段為例，通過分析沿線地下水開采量、開采時間導致的地下水滲流場的變化情況，采用Visual Modflow軟件，模擬地下水水位變化，分析地下水流場及降落漏斗范圍，結合巖土力學分析法，建立地面沉降數學模型，預測地下水水位下降引發的地面沉降發展的趨勢，以期合理評價沿線抽取地下水對鄭徐高速鐵路的影響，并為鄭徐高速鐵路的順利建設提供一定的參考。

1 工程地質條件

1.1 工程地質條件

鄭徐高速鐵路鄭州段為巨厚的第四系黃淮沖積地層。60 m以內地層以粉土、粉細砂、粉質黏土為主，發育1～2層厚度較大，分選性好的含水砂層，砂層厚度一般30 m左右，底板埋深30～40 m，局部50 m左右，地下水水位埋深8～12 m，主要以生活飲用水及工農業用水的抽水為主。

表1 鄭州段地基土鉆孔取樣物理力學性質

1.2 鄭州地區地下水開采狀況

鄭州地區以開采中深層地下水為主，水位變化較復雜，一是中深層水與淺層水水力聯系密切，水位升降基本一致，二是中深層水位變化與開采量關系密切。自80年代末淺層地下水開始出現漏斗，到90年代末地下水水位埋深4～8 m，1998年鄭州市淺層地下水漏斗面積為225.89 km2，中心水位埋深32.89 m;2011年淺層地下水漏斗面積為1 371.81 km2，中心水位埋深56.10 m，淺層地下水漏斗區中心水位平均降速為1.78 m/a。自80年代初開始中深層地下水降落漏斗出現，隨著開采量的增大，地下漏斗逐年擴大，1998年中深層地下水平均埋深為43.25 m，地下降落漏斗區面積491.25 km2，中心水位埋深74.31 m;地下水水位平均降速2.17 m/a;2011年中深層地下水平均埋深為48.10 m，地下降落漏斗區面積1 204.20 km2，中心水位埋深110 m，地下水水位平均降速2.70 m/a。

2 水文地質條件概化

2.1 含水層的結構特征

研究區地下水系統符合質量守恒定律和能量守恒定律;含水層分布廣、厚度大，在常溫常壓下地下水運動符合達西定律;考慮淺層地下水、中深層地下水之間的水力聯系的特點，地下水運動可概化成空間三維流;地下水系統的垂向運動主要是層間的越流，三維立體結構模型可以很好的解決越流問題;地下水系統的輸入、輸出隨時間、空間變化，故地下水為非穩定流;參數隨空間變化，體現了系統的非均質性，而且在水平和垂直方向上各不相同，所以參數概化成各向異性。因此將研究區的地下水流作為非均質各向異性、空間三維非穩定流處理，即地下水系統的概念模型。

通過區域水文地質條件的分析，參考含水層的埋藏條件，成因類型，水力性質，開發利用現狀，在空間上整個研究區的地下水系統在垂向上概化為2個模擬層:淺層孔隙含水層組、中深層孔隙含水層組。

2.2 源匯項的概化

潛水含水層自由水面為系統的上邊界，通過該邊界，潛水與系統外發生垂向水量交換，如接受大氣降水入滲補給、河渠補給、田間入滲補給、蒸發排泄等。含水層組之間通過越流交換物質和能量，其越流量由含水層在垂向上的滲透系數及含水層的厚度決定。

研究區淺層含水層的補給項包括降雨入滲、農業灌溉回滲、渠道滲漏、黃河側滲補給，排泄項包括潛水蒸發、農業用水開采、工業生活用水開采、側向流出等，中深層、深層含水層在天然狀況下主要接受越流補給，生活工業用水開采是主要的排泄方式。

對于源匯項的處理，分為三類:一類是以各個含水層面狀補給率的形式給出，處理過程中通過在程序軟件中的補給和排泄子程序包實現所有層的面狀補給率的賦值;第二類是以單井量的形式給出，包括分配到每個單元格上的側向徑流量、河流滲漏量、水源地開采量;以上兩類源匯項的量均分配在活動單元格上參與計算。第三類為潛水蒸散發排泄，在包氣帶水分運移中，蒸發是主要的排泄項，其大小與氣象條件、地表植被、土壤類型和含水量、地下水位埋深等因素有著密切的關系。本次在處理蒸散發排泄量時根據巖性確定了潛水蒸發的極限埋深為4 m。

2.3 邊界條件的概化

根據研究區的實際特點，在含水層邊界上觀測孔較多的地段，觀測系列較全定義為已知水頭邊界，在觀測資料較少的地段，四周邊界定義為通用水頭邊界，通過visual modflow通用水頭子程序包，把邊界條件賦給模型。

FH患者左主干、左前降支、左回旋支和右冠狀動脈病變的發生率均高于非FH患者，差異具有統計學意義(P均<0.05)。FH患者以雙支病變為主(67.57%)，非FH患者以單支病變為主(87.23%)，構成比分析顯示FH患者和非FH患者在血管病變數目上的差異具有統計學意義(P<0.01)。見表5。

2.4 地下水流數學模型

根據水文地質概念模型，研究區地下水流模型可概化為非均質各項異性介質中的三維非穩定流穩定流問題，其微分方程為

式中，Ω為含水層滲流區域;h-h=h(x，y，z)為含水層的水位高程，m;Kx、Ky、Kz分別為 x、y、z方向的滲透系數，m/d;Kn為邊界面法向方向的滲透系數，m/d;S為自由面以下含水層儲水系數，1/m;ε為分含水層的源匯項，1/d;h0為含水層的初始水位分布，m，h0=h0(x，y，z);Γ1為滲流區域的側向及下邊界;Γ2為滲流區域的側向邊界;q(x，y，z，t)為定義為二類邊界的單寬流量，m2/d·m，流入為正，流出為負，隔水邊界為0。

3 地下水水位模型模擬的耦合

鄭州多年平均降雨量為629.7 mm，降雨入滲系數為0.30，多年平均蒸發量為1 826.00 mm，蒸發折算系數為0.6;研究區淺層地下水的補給主要有降雨入滲補給，灌溉回滲補給，地表水側滲補給，淺層地下水的排泄主要有開采排泄，蒸發排泄，越流排泄和徑流排泄等形式，淺層地下水的單井涌水量為1 000～3 000 m3/d，滲透系數 5～8 m/d，給水度為 0.04～0.06;中深層地下水主要接受側向徑流補給和垂向越流補給，主要排泄方式為人工開采，其次為側向徑流排出和開采條件下越流補給深層，單井涌水量為1 000～3 000 m3/d，中深層含水層的滲透系數為3.43～4.92 m/d，彈性釋水系數為1.38×105;研究區淺層地下水的開采量為6 535×104m3/a，側向徑流量為1 401.60×104m3/a，越流系數為2.45×10-5(d-1)，渠系滲漏的補給系數為0.25，農田灌溉的回滲系數為0.05～0.1。

模擬時間從2010年1月到2010年12月，劃分為12個時段，每個時段一個月，將2010年1月各含水層的水位觀測資料經過Kriging方法差值后作為計算的初始水位賦給模型。滲透系數、儲水率、重力給水度、降水入滲系數、蒸發系數、有效孔隙度等水文地質參數根據收集到的研究區以往抽水實驗、室內土工實驗給出一個初始值，然后利用長期觀測井的水位和模型預測水位進行擬合，不斷調整水文地質參數，使擬合結果符合規定標準。

長期觀測井主要選取黃河灘九五灘水源地黃河牧場101井、鄭州金水區龍子湖辦事處柳園口西南118井。長期水位觀測孔的模擬結果見圖1，由圖1可知，由模型計算得到的水位和實際水位相差不大，說明建立的模型可靠度高，可以用來預測未來的地下水水位變化情況。

圖1 實測水位與模擬水位對比

4 地下水水位下降趨勢預測分析

根據上述分析對地下水下降趨勢進行預測，結果表明，以現有開采條件抽采地下水，地下水水位整體呈下降趨勢，下降趨勢較大的主要集中在城區及城郊附近，地下水水位下降速率平均在1.0 m/a。

淺層地下水:(1)預測10年地下水下降2～8 m，地下水降落中心基本以龍子湖—陳三橋為中心，距工程沿線約2.0～3.0 km，漏斗中心水位下降速率約0.80 m/a，工程沿線地下水下降速率約在0.20～0.60 m/a;(2)預測20年地下水下降5～15 m，地下水降落中心基本以龍子湖—陳三橋為中心，距工程沿線約1.5～2.0 km，漏斗中心水位下降速率0.75 m/a，工程沿線地下水下降速率約在0.25～0.50 m/a。預測結果如圖2、圖3所示。

圖2 預測10年淺層地下水流場

圖3 預測20年淺層地下水流場

中深層地下水:(1)預測10年地下水下降6～15 m，地下水降落中心基本以十里鋪為中心(位于工程沿線以西)，距工程沿線約4.0 km，漏斗中心水位下降速率1.50 m/a，工程沿線地下水水位下降約在0.60～1.20 m/a;(2)預測20年地下水下降9～26 m，地下水降落中心基本以十里鋪為中心(位于工程沿線以西)，距工程沿線約4.0 km，漏斗中心水位下降速率1.30 m/a，工程沿線地下水水位下降約在0.45～1.0 m/a。

5 開采地下水引起的地面沉降預測

5.1 開采淺層地下水引起地面沉降數學模型

由于工程沿線區域地層結構比較清楚，做過巖土工程勘察并取得可靠的土工試驗參數，對地面沉降問題的計算，目前仍依據經典固結理論。其模型建立概化為:(1)在水頭壓力降低的條件下，其有效應力的變化是一維的，土體基本上只有垂直變形;(2)在水位變化過程中孔隙水壓力的正向和負向變化所引起的固結效果是等同的，在地下水開采條件下，土的固結疊加原理是適用的。

開采地下水引起地面沉降土體的變形包括2個方面［10］，黏性土層的變形與砂層(含水層)的變形。其中，砂土層計算公式

黏性土計算式

式中，S總為總的計算沉降量，mm;αvi為黏性土的壓縮系數，MPa-1;eoi為原始孔隙比，無量綱;E為砂土的壓縮模量，MPa，按《建筑地基處理技術規范》(JGJ79—2012)［11］中經驗修正系數;ΔPi為水位變化引起的土層附加荷載，MPa;Hi為計算土的分層厚度，m。

5.2 地面沉降趨勢預測評估

地面沉降趨勢預測評估主要依據地層巖性、土體的性質、地下水的埋藏條件等進行劃分，鄭州段位于黃淮沖積平原區，地下水類型分別為松散巖類孔隙水。結合沿線地下水開采現狀，著重對鄭州地段由于地下水開采引起的地面沉降趨勢分開采類型進行預測。沉降預測是基于現狀條件下(基于現場調查的井點分布、井點數量、現狀開采方式、現狀抽水量、現狀抽水層位等;僅考慮抽水引起的地面沉降因素)的預測估算值。分析結果如圖4、圖5所示。

圖4 預測10年沿線地面沉降量、沉降速率分布

圖5 預測20年沿線地面沉降量、沉降速率分布

分析表明，抽取淺層地下水引起的地面沉降特征如下:(1)現狀條件下抽采10年后，因開采淺層地下水引發的地面沉降量為3.63～15.77 mm，開采中深層地下水引發的地面沉降量為27.65～58.80 mm，產生的總沉降量為34.10～67.42 mm，每年的平均沉降速率為3.41～6.74 mm/a，詳見圖4;(2)現狀條件下抽采20年后，因開采淺層地下水引發的地面沉降量可達10.08-38.55 mm，因開采中深層地下水引發的地面沉降量為42.49～106.23 mm，由此引發的總沉降量可達65.91～144.78 mm，年平均沉降速率3.30～7.24 mm/a，詳見圖5。抽取地下水引起的區域地面沉降大大超過高速鐵路無砟軌道工后沉降容許值［12］。

6 防止對策及建議

鄭徐高速鐵路鄭州段工程主要有鄭州東站車站路基、跨金水東路大橋、跨連霍高速公路特大橋、鄭汴特大橋，其中鄭州東站范圍(DK000+000～DK001+830)已采用有砟軌道形式。DK001+830～DK15+000段建議如下。

(1)DK001+830～DK10+079.54段抽采地下水引發的地面沉降，10年和20年預測的沉降量分別為47.95～67.42 mm和65.91～144.78 mm。預測的地面總沉降量大，沉降對橋梁、路基工程的影響大，橋梁采用可調支座，樁基礎穿過上部潛水含水砂層，至下部的粉土或粉質黏土地層;路基工程需加強地基特別是過渡段地基處理。建議本段采用有砟軌道形式或嚴格采取禁采、限采地下水措施以期滿足無砟軌道鋪設的技術要求。

(2)DK10+079.54～DK15+000段抽采地下水引發的地面沉降，10年和20年預測的沉降量分別為34.10～37.58 mm和70.27～77.05 mm。建議橋梁樁基礎穿過上部潛水含水砂層，至下部的粉土或粉質黏土地層;路基工程也宜加強地基處理措施，如適當增加樁長、堆載或超載預壓等，盡量減少由于抽水引起的地面沉降對工程的影響。

(3)實時建立地面沉降監測、地下水動態監測網絡，加強鐵路施工和運營中的沉降監測，為軌面擬合調整提供依據。

7 結語

通過上述分析得到如下結論。

(1)本文采用Visual Modflow軟件建立的地下水三維滲流耦合模型，與長期觀測井水位變化數據基本吻合，可用于預測未來沿線的地下水水位變化情況。

(2)未來10年淺層地下水位下降2～8 m、中深層地下水下降6～15 m，地面沉降量可達34.10～67.42 mm;未來20年淺層地下水位下降5～15 m、中深層地下水下降 9～26 m，地面沉降量可達 65.91～144.78 mm。

(3)抽取地下水引起的區域地面沉降大大超過高速鐵路無砟軌道工后沉降容許值，建議建立施工期沉降監測網絡，并將區域地面沉降最為嚴重的DK0～DK10段改為有砟軌道形式通過，得到了有關部門和建設單位的批準采納。

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