上海地面沉降特征分析
摘要:土体变形特征与其经历的应力状态有关。由于抽灌水位置和水量的变化,同一土层中不同时期的地下水位可以呈现不同的变化模式,土层表现出不同的变形特征。论文根据上海1400 多个水位孔近40a 的水位观测资料和各土层的变形资料,从土层变形角度将地下水位的变化方式划分为5 种模式。分析了每种地下水位变化模式下土层的变形特征,并进一步分析了上海地面沉降在时间和空间上的特征。分析结果表明:地下水位的变化模式对上海土层的变形有显著影响。同一土层在不同的水位变化模式下可表现为弹性、弹塑性或粘弹塑性的变形特征;地面沉降与地下水开采量、地下水开采层次与主要沉降层具有密切的关系,开采地下水是上海地面沉降的主要原因;与现阶段含水层的水位变化模式相联系,第四承压含水层是上海最近几年来地面沉降的主要沉降层。
关键词:地面沉降;含水砂层; 地下水位变化模式;变形特征;沉降层;上海市
1.引言
上海自然科学论文上海地处长江三角洲前缘,地表覆盖着较厚的第四纪松散沉积物。沉积物在垂向上具有砂土、粉土、粉质粘土和粘土相间出现的地层结构,且砂土层厚度较大,并富含地下水。根据工程地质钻孔资料,结合地面沉降的研究特点,上海第四纪沉积物可划分为16 个工程地质层,从上到下依次为表土层、第一砂层、第一硬土层、第一软土层、第二软土层、第二硬土层、第二砂层、第三软土层、第三砂层、第三硬土层、第四砂层、第四硬土层、第五砂层、第五硬土层、第六砂层、第六硬土层,其下部由强风化基岩逐步过渡到新鲜基岩。第一砂层对应于水文地质剖面中的潜水含水层,第二到第六砂层则分别对应于水文地质剖面中的第Ⅰ到第Ⅴ承压含水层,其间的软土层和硬土层为弱透水层(图1[1 ] ) 。各土层由于成因、组成的差异表现出不同的物理力学性质[2 ] 。上海地面沉降最初发现于1921 年,到2001 年底中心城区的平均累计沉降达1193m ,最大累计沉降达到2163m[3 ] 。
由于采灌水量的变化、采灌井分布位置及主要开采层次的调整,土层在不同时期和不同地点经历着不同的水位变化过程。含水层中孔隙水压力改变导致其中的有效应力变化,同时,含水层水位的改变使原来处于平衡状态的弱透水层中的孔隙水产生附加的 渗流,导致孔隙水压力变化,有效应力也相应地变化。有效应力控制着土体的变形,有效应力的增加使土体产生压缩变形,造成地面下沉[4 ,5 ] 。土层的变形量不仅与土层的类型有关,而且与土层的受力情况和应力历史有关[6 ,7 ] 。土层中地下水水位的变化形式实际上反映了土层所经历的有效应力的变化过程,它会影响到土层的变形性状,因此在地面沉降研究中必须考虑地下水位的变化模式。而以前的研究主要侧重于土层变形与土的物质组成之间的关系(如认为软土层的变形量大,砂土层的变形量小,地面沉降主要是软土层的压缩造成的) ,没有将土的变形与地下水位的变化模式联系起来[8～10 ] 。基于这样的考虑,本文首先根据上海实际的水位和分层标观测资料分析了地下水位的变化模式和相应的土层变形特点,然后从沉降与抽灌水量的关系、地下水开采层次与主要沉降层等方面论述上海地面沉降特征。#p#分页标题#e#
2 地下水位变化模式与含水砂层的变形特征
上海有1400 多个水位观测孔,积累了近40a 的涉及到各含水层的连续的水位观测资料。由于采灌水量的变化、开采层次的调整,各含水层的观测水位在不同时期表现出不同的变化形式。上海弱透水层的渗透系数为(011～310) ×10- 9mPs[2 ] 。当相邻含水层因抽灌水而发生水位变化时,弱透水层中地下水的流入或流出需要一段较长的时间,弱透水层中的水位变化后于含水层的水位变化。相应地,弱透水层中的有效应力变化也滞后于含水层的水位变化,导致弱透水层的变形与含水层水位变化的不同步。因此含水层的水位变化与弱透水层变形的关系不能真实地反映弱透水层的应力与应变的关系。与之相比,含水砂层渗透系数为(118～411) ×10- 5mPs[2 ] ,含水层有效应力变化与水位变化同步。如果总应力不变,含水层水位的升高(降低) 等效于有效应力的等值减小(增加) 。因此,用含水层的地下水位变化和其相应的变形更利于讨论土层变形与地下水位变化模式的关系。根据水位变化形式和相应位置处分层标监测的土层变形资料,将抽灌水作用下上海土层中地下水水位的变化概括为下列5 种模式。对应于不同的水位变化模式,土层呈现出不同的变形特征。
模式1 水位从较低值上升到某一高度后,在一定范围内反复升降。如分层标F010 处第Ⅱ承压含水层1978～1981 年的水位变化(图2(a) ) 。由于1950 年代大量开采地下水,开采量主要来自第Ⅱ、Ⅲ承压含水层,使得第Ⅱ承压含水层在1950 年代末期达到历史上的最低水位。此后,由于减少开采量,地下水位逐步回升,达到一定高度后,随着季节变动,水位在一定范围内波动,其平均值基本保持不变。随着水位的变化,土层所受到的有效应力也在一定的范围内反复增大、减小,相当于经受着反复加卸载的作用。这种加卸载作用是缓慢的,通常以1a 为变化周期。因此它不同于振动引起的反复加卸载。后者的变化频率大、周期短,通常为百分之几到十分之几秒。土层在缓慢的循环荷载作用下,随着循环次数增加,每次循环所增加的变形量和残余变形减小,土体的加载压缩和卸载回弹量逐步接近,土层的变形表现为弹性的特点。图2 (b) 反映F010 处第Ⅱ承压含水砂层在水位反复升降下的变形曲线。从图中可见,经过3 次循环后土体的加卸载曲线非常接近,呈现较好的弹性变形特征(变形的正值表示压缩,负值表示回弹,以下同) 。
模式2 水位在循环往复中总体上持续下降,并低于该土层在历史上曾经达到的最低水位图3 (a) 。由于开采层次的调整, 第Ⅳ承压含水层的水位从1970 年代开始下降。1990 年以后,由于总开采量的增加、抽水量大于回灌量,且主要采自第Ⅳ承压含水层,使得第Ⅳ承压含水层的水位大幅下降。由于抽灌水量的季节变动,水位常以年为周期循环,在每年的八、九月份达到最低值,在翌年的二、三月份达到最高值。但在每个周期中水位的上升值小于下降值,使得水位在总体上下降。相应地,土层也承受着加载和卸载的反复作用。每次增加的应力都大于卸载减小的应力,总体上土层所受的有效应力持续增加,土体相当于处于初始的压缩状态。当水位回升时,土层仅有微量回弹,甚至没有回弹,而是持续增加。这说明在这样的受力条件下土层不仅存在残余变形,而且存在随时间而发展的蠕变变形。土体的变形具有显著的粘弹塑性性质,变形量大。#p#分页标题#e#
模式3 水位从较高值变化到较低值后,在较小的范围内波动,其平均值基本保持不变或略有回升图4 (a) 。由于采取了限制开采量的措施,第Ⅳ承压含水层在经历了1990～1997 年水位快速下降后,从1998 年开始水位下降的势头得到遏制,水位基本稳定并有小幅回升。这时土体所承受的有效应力也基本保持不变。由于土体具有蠕变性,其变形仍在增加,如图4 (b) 。过去常常认为含水层间弱透水的粘性土有蠕变性,实际上作为含水层的砂土同样也有蠕变性[2 ] 。蠕变变形的存在使土体变形的发展滞后于有效应力的变化,也就是滞后于地下水位的变化。当然,在这样的水位变化模式下,随时间的增长,变形的速率将逐步减小并趋于稳定。
模式4 水位在循环往复中总体上持续下降,但仍高于该土层在历史上曾经达到的最低水位。
第Ⅱ承压含水层水位在20 世纪50 年代末期达到最低值。此后由于限制开采量,水位逐渐上升。到20世纪80 年代水位上升到一较高值后在一定的范围内波动,其平均值基本保持稳定。1990 年后,由于开采量的再次增加,水位又开始下降。但下降的程度比20 世纪50 年代要小得多,而且水位均高于20 世纪60 年代早期的水位。表明土层所受到的有效应力低于其历史上曾经达到的最大有效应力,土层相当于处于再压缩状态。这时土层的变形与水位变化几乎同步,蠕变变形很小,可忽略不计。在每年的水位循环变化中有明显的残余变形,仍呈现出一定的塑性,但比初始压缩(模式2) 时的变形小得多。
模式5 水位逐步恢复,总体上持续上升。图6表示F004 分层标处第Ⅱ承压含水层1964～1968 年的水位变化情况和变形与水位的关系。在限制浅部第Ⅱ、Ⅲ承压含水层开采量、增加回灌量以及边界水源不断补给的情况下,土层中地下水水位逐步回升,有效应力减小,土层处于回弹状态,变形接近于弹性,其变形与水位关系接近于线性。由于土体的回弹模量比压缩模量小得多, 所以尽管水位的变化达到24154m ,厚度为64162m 的土层回弹变形量只有11mm。
以上分析说明,在不同水位变化模式下,含水砂土层具有不同的变形特征。在这5 种水位变化模式中,如果其他条件相同,以模式2 造成的变形最大。因此,同一土层由于经历的地下水位变化模式不同,在不同时段表现出的变形特性会有所差别。由此不难推测,在不同的水位变化模式下,弱透水层也具有不同的变形特征。由于弱透水层,特别是软土层,具有压缩性高、含水量大、孔隙比大等特点,在相同的水位变化下,其塑性变形和蠕变变形要比砂土层大得多。总之,在地面沉降分析中,应根据地下水位的变化模式采用相应的应力- 应变- 时间关系计算土层变形。
3 地面沉降特征分析
3.1 地面平均沉降速率与地下水开采量的关系#p#分页标题#e#
随着地下水开采量变化,上海地面沉降经历着不同的发展阶段(表1) 。表1 数据显示,地面沉降的平均速率与地下水开采量之间具有显著的相关关系。随着地下水开采量增大,地面沉降的平均速率也增加。由于土体变形的非线性特性以及土体所经历的应力历史对变形的影响,同时由于开采的含水层的层次不同、土层压缩性的差别,地面沉降的平均速率与地下水开采量之间不具有简单的线性关系,而呈现出复杂的非线性关系。
3.2 地下水开采层次与主要沉降层
各含水层抽灌水量的变化导致层地下水位的变化。图7 是现场监测的各含水层典型的水位变化情况。在地面沉降中,一个土层变形量的大小取决于它本身的类型、压缩性、厚度以及该土层中孔隙水压力变化情况。从压缩性方面来看,表土层和3 个软土层的压缩性较大,且埋藏浅;砂土层具有中等压缩性、处于稍密- 密实的状态;硬土层具有低- 中的压缩性,处于超固结状态,尤其是第四、五、六硬土层都处于硬塑状态,渗透系数不足10- 9mPs。从厚度方面来说,表土层、第一、二、三硬土层厚度较小,一般不超过10m;而第五、六砂层的在古河道位置厚度很大,可超过70m。
根据现有的分层标监测数据,以及地面沉降和含水层水位变化特点,将最近20a 分为2 个时间段,即1981～1990 ( Ⅰ) 和1991～2000 ( Ⅱ) 年,分析在2 个时间段中各土层的变形量在地面总沉降量中所占的比例。表2 是根据几个代表性分层标的监测数据分析的结果,其它标处也具有类似的监测结果。从表中可见,第三砂层以上的浅部土层在第一时段内的变形量在地面总沉降中所占的比例较大,而第四砂层以下的深部土层在第二时段的变形量在地面总沉降中所占的比例较大,尤其是第五砂层,在几个可独立监测的分层标中,其比例都超过50 % ,成为目前上海地面沉降的主要沉降层。在两个阶段中第三和第四砂层的压缩变形量在地面总沉降中所占的比例都不大,有些地方出现少量回弹。少数标处的第Ⅴ承压含水层在1996 年后水位持续回升,使得第六砂层出现回弹。
土层变形在垂向上的分布特征是与含水层的水位变化紧密联系的,图8 为F004 分层标(埋深0～33310m) 处所测的各分层的变形量和地面总沉降量。在1981～1990 年间,各含水层水位都在缓慢下降,地面总沉降量不大。但第三砂层(顶部埋深8814m) 以上含有压缩性大的表土层(厚316m) 和三个软土层(总厚度5810m) 。其中第一软土层处于软塑～流塑状态,压缩系数为112MPa - 1 。第二、三软土层处于软塑～可塑状态,压缩系数为0154MPa - 1和0138MPa - 1 。这4 个土层的厚度占这部分土层总厚度50 %以上,即使在水位变化不大的情况下,其变形也较大。而第四砂层(底部埋深15310m) 以下的深部土层具有中低压缩性,在水位变化不大的情况下变形较小。因此在这一时段浅部的3 个软土层在地面总沉降所占的比例较大。1991～2000 年间,各含水层水位下降速率较前一时段有所增加,地面总沉降量也快速增加。但第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承压含水层的水位下降不大,且高于历史上的最低水位,相应于模式4 的情况。而第Ⅳ承压含水层(埋深17317～23911m) 在1990 年后水位下降很快,且低于该土层曾经达到的最低水位,相应于模式2 的情况。因此,虽然在这一时段除第六砂层及第五、六硬土层和第二硬土层外,其它土层的变形速率都较前一时段有所增加,但深部土层(尤其是第五砂层) 变形量的增加速率超过浅部土层,使得深部土层的变形量在地面总沉降中所占的比例增大。在F004 分层标处,由于1996～2000 年间第Ⅴ承压含水层水位持续回升了8m ,第六砂层及第五、六硬土层(埋深23911～33310m) 出现了少量回弹。#p#分页标题#e#
4.结论
411 土层变形特征与其经历的水位变化模式有关。根据抽灌水条件下大量实际水位变化的观测资料,上海土层中的地下水位变化可概化为5 种模式。在不同的水位变化模式下,土层可表现为弹性、弹塑性或粘弹塑性的性质;
412 水位变化模式与土层变形的关系使得同一土层在不同时期表现出不同的变形特性。在其他条件相同的情况下,以第二种水位变化模式下土层的变形量最大;
413 在一定的水位变化模式下,土层的变形量取决于土的类型、压缩性及其厚度。对单位厚度的土层来说,压缩性高的软土层的变形量要大于压缩性小的砂土层。就整个土层来说,压缩性小而厚度很大的土层的变形量对地面沉降的贡献可能超过压缩性大而厚度小的土层;
414 现阶段上海的主要沉降层是第Ⅳ承压含水层。这与现阶段含水层水位的变化特点密切相关。同时也和第Ⅳ承压含水层具有中等压缩性且厚度大有关;
415 控制地面沉降量的根本方法在于控制水位。即控制地下水的净开采量。避免出现地下水位呈持续性下降的情况。
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