某鐵路沿線水井抽水引發(fā)的地面沉降模擬研究

王恒松

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司， 天津　300142)

Study and Simulation of Land Subsidence Induced by Well Pumping along Railway Line

WANG Hengsong

某鐵路沿線水井抽水引發(fā)的地面沉降模擬研究

王恒松

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司， 天津300142)

Study and Simulation of Land Subsidence Induced by Well Pumping along Railway Line

WANG Hengsong

摘要根據(jù)某鐵路沿線工程地質(zhì)情況，采用ABAQUS有限元軟件對該區(qū)域抽水引發(fā)的地面沉降進行數(shù)值模擬，計算中考慮多種不同的土層分布情況，分析土層中孔隙水壓力隨時間的變化趨勢以及各種土層的變形發(fā)展趨勢。對比不同土層分布條件下各土層變形及地面沉降的分布和發(fā)展趨勢，說明各土層厚度對地面沉降發(fā)展的影響狀況。

關(guān)鍵詞開采地下水地面沉降地層分布ABAQUS

地面沉降是一種地面高程緩慢降低的環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象，具有影響范圍大、影響時間長及不可逆的特點，嚴重影響列車運營的安全性、平順性和高速性[1-3]。鐵路沿線附近常常分布著大量的水井，水井抽取地下水是引發(fā)地面沉降的一個主要原因[4-5]。因此，鐵路勘察設(shè)計過程中需要評估沿線分布的抽水井對鐵路線路的影響情況。

抽取地下水會導(dǎo)致土體中孔隙水壓力降低，有效應(yīng)力增加，使土骨架產(chǎn)生壓縮變形，進而引發(fā)地面沉降[6]。地面沉降變形主要包括含水層的壓縮變形和弱透水層的固結(jié)變形[7]。含水層主要指砂土層等儲水系數(shù)及滲透系數(shù)較大的土層，弱透水層主要指粉質(zhì)黏土，黏土層等儲水系數(shù)、滲透系數(shù)較小的土層，不同性質(zhì)的地層在抽水作用下的變形性狀有著較大的差別。鐵路沿線的地層不是均勻連續(xù)分布的，不同區(qū)域內(nèi)存在明顯的差異，需要研究不同土層分布情況下抽水引發(fā)的地面沉降性狀，為制定防治地面沉降的措施提供依據(jù)。

1工程地質(zhì)概況

某鐵路區(qū)段處于黃河沖積平原，地形平坦開闊，略有起伏，地面高程在+48～+50 m之間，坡降1/5 000～1/7 000。勘探深度范圍內(nèi)揭示地層為第四系全新統(tǒng)人工堆積層雜填土，第四系全新統(tǒng)沖積層粉土、粉質(zhì)黏土、黏土、粉砂、細砂，局部有軟土及松軟土層，上更新統(tǒng)沖積層粉土、粉質(zhì)黏土、黏土、粉砂、細砂。

按含水層埋藏深度和補、徑、排及與工程的關(guān)系，該地區(qū)自上而下可劃分為三個含水巖組：淺層孔隙潛水層組(0～70 m)、中深層承壓含水層組(70～350 m)、深層承壓含水層組(350～500)。

鐵路沿線一個典型區(qū)段內(nèi)的工程地質(zhì)條件如圖1所示，該區(qū)段內(nèi)分布的土層主要為粉土層、粉質(zhì)黏土層、粉砂層、細砂層、夾少量粉土和砂土的粉質(zhì)黏土層。沿線水井主要從粉、細砂含水層中抽取地下水。

圖1　某鐵路沿線工程地質(zhì)條件

2計算模型

根據(jù)鐵路沿線工程地質(zhì)條件，可以將土層系統(tǒng)簡化為圖2所示模型，土層從上至下分別為粉質(zhì)黏土層、砂土層、粉質(zhì)黏土層，厚度分別為b1、b2、b3，各土層性質(zhì)為均勻各項同性。

圖2　土層抽水模型示意

采用ABAQUS有限元軟件模擬抽水引發(fā)的地面沉降[8]。采用軸對稱模型，水井直徑為0.5 m，第1粉質(zhì)黏土層厚度b1=15 m，砂土層厚度b2=10 m，第2粉質(zhì)黏土層厚度b3=35 m，土層徑向?qū)挾确秶鸀?0倍土層厚度。在抽水作用下砂土層中水頭下降10 m，土層在抽水過程中保持飽和狀態(tài)，第1粉質(zhì)黏土層表面、模型外側(cè)邊界處水位保持恒定，模型底部邊界、粉質(zhì)黏土層井壁為不透水邊界。假定土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為線彈性，采用四邊形網(wǎng)格劃分，單位類型為CAX8RP。劃分后的模型網(wǎng)格如圖3所示，各土層采用的參數(shù)值如表1所示。

圖3　有限元建模網(wǎng)格

表1　土層參數(shù)

3計算和分析

3.1　抽水引發(fā)的孔隙水壓力發(fā)展狀況

根據(jù)第2節(jié)中土層參數(shù)和抽水條件，計算土層中1 000 d內(nèi)的孔隙水壓力發(fā)展狀況，如圖4(a)～圖4(d)所示。當水井中水位下降10時，即在砂土層中的井壁處水位下降10 m后，由于砂土滲透系數(shù)大，砂土層中水位迅速降低，超靜孔壓等值線沿深度幾乎垂直，說明砂土層中滲流主要為水平滲流，在t=100 d后砂土層中超靜孔壓分布變化越來越慢，說明滲流已達到基本穩(wěn)定狀態(tài)。

第1、2軟黏土層中超靜孔壓等值線均垂直于井壁，在土層內(nèi)部為傾斜狀態(tài)，說明粉質(zhì)黏土層在井壁附近為垂直滲流，在第1粉質(zhì)黏土層內(nèi)部為斜向下滲流，在第2粉質(zhì)黏土層內(nèi)部為斜向上滲流。由于粉質(zhì)黏土層滲透系數(shù)低，孔隙水壓力下降的速度比較慢，在t=1 000 d時粉質(zhì)黏土層中的滲流才達到基本穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4　孔隙水壓力發(fā)展狀況

3.2　抽水引發(fā)的地面沉降發(fā)展狀況

圖5為t=0.1 d、1 d、10 d、100 d時地面沉降的分布趨勢。隨著時間的增加，地面沉降逐漸增大，至抽水井距離越近，沉降速率越快，總沉降量也越大，沉降變形趨勢越劇烈。隨著至水井距離的增加，沉降速率逐漸減慢，總沉降量也逐漸減小，沉降變形趨勢越來越平緩。

圖6為各土層在r=10 m處(至井壁距離為10 m)的變形量隨時間的發(fā)展趨勢。由圖6中可以看出，抽水后砂土層的變形迅速發(fā)生，在較短的時間內(nèi)(t<10 d)達到基本穩(wěn)定狀態(tài)，說明初期的地面沉降量主要是由于砂土層的壓縮。粉質(zhì)黏土層在抽水初期有輕微膨脹的趨勢，主要是由于降水初期，在局部滲透力作用下第1粉質(zhì)黏土層發(fā)生向下位移，第2粉質(zhì)黏土層發(fā)生向上位移，隨著時間的增加，孔隙水壓力逐漸減小，有效應(yīng)力逐漸增加，粉質(zhì)黏土層逐漸被壓縮。由于第1粉質(zhì)黏土層厚度較小，在t≈10 d時土層壓縮量達到基本穩(wěn)定狀態(tài)；第2粉質(zhì)黏土層厚度較大，當t≈600 d時土層壓縮才達到基本穩(wěn)定狀態(tài)，說明后期的地面沉降量主要是由于粉質(zhì)黏土層的固結(jié)變形。

圖5　地面沉降的分布趨勢

圖6　r=10 m處土層變形隨時間的發(fā)展趨勢

3.3　土層厚度對地面沉降性狀的影響

由于鐵路沿線土層分布不均勻，因此分別建模計算第1粉質(zhì)黏土層、砂土層、第2粉質(zhì)黏土層厚度增加10 m后地面沉降和各土層的變形發(fā)展性狀。

圖7為不同土層厚度條件下地面沉降的發(fā)展趨勢。由圖7中可以看出，各土層厚度增加后，最終沉降值均大于初始地層厚度條件下的地面沉降值。第1粉質(zhì)黏土層厚度增加后，沉降速率在初期小于初始地層厚度條件下的沉降速率。砂土層和第2粉質(zhì)黏土層厚度增加后，沉降速率在整個發(fā)展時期均大于初始地層厚度條件下的沉降速率。

圖7　不同土層厚度條件下地面沉降發(fā)展趨勢

圖8為不同土層厚度條件下第1粉質(zhì)黏土層的變形發(fā)展趨勢。由圖8中可以看出，當砂土層厚度增加時，由于砂土層壓縮量的增加，第1粉質(zhì)黏土層下表面向下發(fā)生位移，而粉質(zhì)黏土層初期變形發(fā)展較慢，上表面向下位移較小，因此第1粉質(zhì)黏土層的膨脹變形量增加。隨著時間的增加，當?shù)?粉質(zhì)黏土層厚度增加時，該土層的最終變形量也相應(yīng)地增加；其他土層厚度的增加對該土層最終變形量的影響較小。

圖8　不同土層厚度條件下第1粉質(zhì)黏土層變形發(fā)展趨勢

圖9為不同土層厚度條件下砂土層的變形發(fā)展趨勢。由圖9中可以看出，當砂土層厚度增加后，該土層的變形速率變快，最終變形量增加。第1粉質(zhì)黏土層厚度增加后，由于對砂土層的補給量增加，砂土層中超靜孔壓降低量減小，因此砂土層變形量減小。第2粉質(zhì)黏土層厚度變化對砂土層變形量影響較小。

圖10為不同土層厚度條件下第2粉質(zhì)黏土層的變形發(fā)展趨勢。由圖10中可以看出，土層厚度變化對該土層的初期變形影響較小，隨著時間的發(fā)展，最終各土層厚度增加后，第2粉質(zhì)黏土層最終變形量增加。

圖9　不同土層厚度條件下砂土層變形發(fā)展趨勢

圖10　不同土層厚度條件下第2粉質(zhì)黏土層變形發(fā)展趨勢

4結(jié)束語

根據(jù)某鐵路沿線工程地質(zhì)情況，采用ABAQUS軟件對該區(qū)域抽水引發(fā)的地面沉降進行數(shù)值模擬分析，計算中分別考慮了不同的土層分布地質(zhì)條件，得出如下結(jié)論：

(1)地面沉降主要包括砂土含水層的壓縮變形和粉質(zhì)黏土層的固結(jié)變形，由于砂土滲透系數(shù)大，粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)小，抽水后砂土層很快達到滲流穩(wěn)定狀態(tài)，壓縮變形迅速完成，而粉質(zhì)黏土層需要很長的時間才能達到滲流穩(wěn)定狀態(tài)，其固結(jié)變形會持續(xù)很長的時間。

(2)隨著各土層厚度的增加，地面沉降變形量不斷增大，其中砂土層厚度變化對地面沉降的影響最大，第2粉質(zhì)黏土層厚度對地面沉降的影響最小。

參考文獻

[1]李國和，張建民，張嘎，等.淺層地下水開采對高速鐵路工程的影響及對策[J].鐵道工程學報，2007，12(111):23-27

[2]殷躍平，張作辰，張開軍.我國地面沉降現(xiàn)狀及防治對策研究[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學報，2005(2):1-8

[3]王榮，劉明坤，賈三滿，等.地面沉降對高速鐵路的影響分析[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學報，2014，25(2):49-53

[4]孟慶文，閏澍旺.開采淺層地下水對高速鐵路工程的影響分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2006(4):37-39

[5]胡卸文，宋大各，王帥雁，等.京滬高鐵沿線某地地下水開采與地面沉降關(guān)系分析[J].巖石力學與工程學報，2011，30(9):1738-1745

[6]夏明耀，曾進倫.地下工程設(shè)計施工手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999:730-739

[7]張云，薛禹群，葉淑君，等.地下水位變化模式下含水層變形特征及上海地面沉降特征分析[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學報，2006，17(3):103-109

[8]費康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社，2010:168-204

[9]李國和，張建民，張嘎，等.水井抽水引起地基沉降影響范圍探討[J].鐵道工程學報，2014(12):23-27

[10]王連俊，朱孝笑，張光宗.濟南西客站站房基坑降水對京滬高鐵路基沉降影響分析.工程地質(zhì)學報，2012，20(3):459-465

中圖分類號：TU46+.3

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)04-0061-03

作者簡介：王恒松(1983— )，男，2010年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(武漢)巖土工程專業(yè)，工程師。

收稿日期：2015-04-27