华北平原区域沉降分析及对高速铁路的影响

　　　

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

华北地区地势平坦，地表水资源较为匮乏，水资源利用主要来源于地下水开采。随着近年来经济的迅速发展，对水资源的需求也日益加大，华北平原地区已成为世界上超采地下水最严重的地区，也是地面沉降漏斗最大、沉降覆盖面积最大的地区，而且地面沉降呈现加剧的趋势。中国地质科学院水环所完成的《华北平原地下水可持续利用能力》项目的研究成果显示，华北平原浅层地下水超采区每年超采26.4亿m3，深层地下水超采区每年超采12.4亿m3，已无开采潜力。历经近50年的地下水开采和超采，华北平原地下水位普遍下降，形成多个地下水降落漏斗，由冀枣衡漏斗、沧州漏斗和德州漏斗组成的“华北平原环渤海复合大漏斗”，面积已达7.2万km2。地下水的过度开采不仅会导致咸淡水界面下移、海水入侵，而且对高速铁路的建设和运营也会产生不利影响。

1　区域沉降影响分析

1.1　区域沉降的成因

区域地面沉降的原因包括自然因素和人为因素。前者包括构造活动、地震活动、软弱土层的自重压密固结、海平面上升等；后者主要指的是地下水、地下油气资源的过量开采和大规模的工程建设等[1]。

(1)区域构造

新构造活动是控制构造沉降的根本因素，根据现有资料来看，影响华北地区构造沉降的原因大致为以下几点：一是早第三纪以来的伸展裂陷活动造成的地堑和半地堑差异沉降；二是晚第三纪-第四纪华北地堑盆地的总体背景性沉降；三是控制性活动断裂引起的沉降活动。

(2)人为因素

华北地区由于构造因素引起的地面沉降，速率仅为1～2 mm/年[2]。

另一方面，地下水、地下油气资源的过量开采和大规模的工程建设也会引起地面沉降，其中，地下水严重超采是华北地区地面沉降的最主要原因。

1.2　抽水所致沉降的机理分析

分析由水位变化引起的地面沉降主要有两种方法，一是有效应力原理，主要用于解释含水层在抽水过程中压实引起的沉降；二是水动力固结理论，主要用于解释抽水以后的残余压实引起的沉降[3](如图1所示)。

图1　有效应力原理

有效应力原理

σ=σ′+μ

(1)

其中σ表示上覆荷载产生的总应力，σ′表示有效应力，即含水层骨架所承受的应力，μ表示孔隙水压力。

根据有效应力原理，上覆土层和水的重力由有效应力和孔隙水压力共同承担。在抽水之后，由于总应力不变，而孔隙水压力降低，有效应力必然增大。有效应力增大必然导致颗粒骨架所受压力的增加，由于土体颗粒的压缩率与孔隙压缩量相比可以忽略，所以土层被压缩在微观上表现为土体颗粒之间孔隙的压缩。

抽水过程中，由于透水层的渗透系数比弱透水层要大，因而水位下降也快；抽水完成后，由于两种含水层之间水位高度不同，存在水位差，表现出由弱透水层向透水层的渗透，弱透水层中的压实作用并没有停止，地面沉降会继续发展。

实际上，孔隙水压恢复后，压缩的土层将发生反弹，而黏性土渗透固结过程非常缓慢，具有蠕变性。黏性土变形主要以塑性变形为主，一旦发生固结，大部分沉降量无法恢复，加之沉降又有明显的滞后现象，分析起来相当复杂。

因此，人为因素，尤其是深层地下水超量开采是导致地面沉降的主要原因。

1.3　高铁沿线区域沉降研究现状及对策

对于华北平原这样的区域性沉降地区，各沉降监测单位在监测手段、时间、精度等方面都存在差异，数据难以形成有效的序列，处理起来相对比较困难；另一方面，由于各个机构在监测数据上没有实现完全共享，进一步增加了形成区域沉降现状图的难度。再者，对于区域沉降的研究大多都停留在沉降机理及监测等方面，对于如何进行有效的处理还存在不少空白，加之对于地下水开采的管理牵扯多方面的利益，难以形成有效的管理体系，成为了区域沉降研究的又一道阻碍[4]。

结合本段高铁的实际情况，需要进一步搜集石家庄、邯郸、邢台等地近年来的沉降资料以及地下水位变化资料，参照区域沉降图，从宏观上分析高铁沿线的沉降情况；另外，对于高铁沿线地下水渗流场的变化情况以及降落漏斗的范围，需要咨询有关部门，建立相应的数学模型，预测今后地下水位的变化情况，从而达到预测地面沉降的目的。

华北地区的许多地下水漏斗已经连成一片，形成了区域性地面沉降。区域性地面沉降会导致线路坡度发生变化，同时对桥梁、路基和轨道平顺性产生一定影响。为了避免沉降对高速铁路的不利影响，通常采取以下几个手段来进行控制：合理选线、采取合理的线路坡度及适宜的工程措施以及控制地下水的开采[5]。考虑到本段高铁的具体情况，沉降控制需从控制地下水水位着手。

2　地下水位变化对高速铁路影响分析

2.1　区域地下水位变化对路基沉降的影响

按地下水位平均每下降1 m，在地层内相应增加10 kPa附加应力，采用分层总和法预测地面沉降量，黏性土及粉土按下式计算

(2)

砂土按下式计算

(3)

以某客运专线DK442+200工点为例，钻孔资料提供的地下水埋深为3.5 m，假设一段时间后水位降至8.5 m，根据上述公式计算40 m计算深度范围内的沉降为219.97 mm。如果该工点地下水埋深为8.5 m或13.5 m，同样降深5 m，计算出的沉降分别为186.46 mm，152.95 mm，如表1所示。由此可见，在同等地质条件、同等降深的情况下，地下水埋深越深，计算深度范围内的沉降越小。

表1　DK442+200工点地下水位均匀下降沉降计算值

对比分析DK385+620，DK388+135以及DK389+080等工点，计算地下水位均匀下降引起路基沉降值及速率估算值，如表2所示。

四个工点的地层结构比较相似，均为黏性土层与砂层交互成层，因此各工点在计算结果上的区别主要由于地下水埋深。由表2中的数据可知，在相似地质条件、同等降深的情况下，地下水埋深越深，计算深度范围内的沉降越小，由此也证明了前面的推论。

2.2　抽水井对路基沉降的影响

(1)水井沉降漏斗的形成机制

铁路沿线分布众多农田灌溉井及农用饮水井，井深由几十米到上百米不等，抽水井出水量一般为50～120 m3/h。机井相互间距较大时，呈井点降水模式；若机井间距较小或者同一地区分布多个机井时，则形成地下水的降落漏斗。由于水井抽水导致局部地下水位下降，形成以水井为中心，向外抛物线型的浸润曲线，如图2所示。

表2　地下水位均匀下降引起路基沉降值及速率估算值

图2　地下水降落曲线

由图2可知，距离水位降落漏斗中心位置越远，水位变化越小，相应的沉降也越小，这样就会形成一个以抽水井为中心的沉降漏斗，中心沉降最大，向外侧越来越小。

(2)水井沉降漏斗的影响半径

高铁沿线分布众多水井，如图3选取了DK364+458～DK376+172段，以正线为中心绘制了两侧共计16口水井的分布图。

图3　DK364+458～DK376+172段水井分布

为了确定这些水井的水位下降对高铁是否有影响，首先就需要确定影响半径。影响半径系是指抽水时由井轴至降落漏斗外部边缘静水位的距离，通常采用经验公式进行计算。在计算潜水含水层群井的影响半径时，通常采用库萨金公式

(3)

而对于潜水和承压水抽水初期的影响半径，一般采用吉哈尔特公式

(4)

式中，S表示降深，H表示含水层的厚度，K表示渗透系数。假设含水层主要为细沙，厚度为30 m，取K=1.0～5.0 m/d，在降深10 m的情况下，按库萨金公式计算出的影响半径为110～245 m。根据影响半径进行推算，在此种情况下，铁路沿线100～250 m范围内的浅层地下水开采对铁路将有所影响，距离铁路越近影响则越大。如果在铁路两侧数米之内存在浅层水井，仍以DK442+200工点为例，假设一段时间后水位由3.5 m降至13.5 m，引起的沉降初步估算将达到400 mm。因此，浅层地下水位的下降，对地面沉降的影响更为严重。

(3)水井抽水引起地面沉降的分析预测

高铁沿线水井多为灌溉井，主要是抽取浅层地下水，实际工程中，由于灌溉水井在各个时期抽水量不尽相同，不同抽水井之间存在相互影响，再加上水流补给以及大气降雨的影响，对于相同地貌单元，通常采用比单位变形量法来预测地面沉降。

假设土层变形量与水位升降幅度及土层厚度之间都呈线性比例关系，土层在某一特定时段(水位上升或下降)内，含水层水头每变化1 m时其相应的变形量，称为单位变形量，将其除以土层的厚度即为该土层的比单位变形量。一般可以根据预测期前3～4年中的实测资料，按下式计算

ΔS=I′·Δh·H

(5)

式中，I′表示地层的比单位变形量，一般根据长期监测资料统计得到，Δh表示水位变化值，H表示土层的厚度，ΔS(mm)即为水位变化Δh(m)时，厚度为H(mm)的土层预测沉降量。

假设I′=0.01 mm/(m·m)，Δh=5 m，H=40 m，

则ΔS=0.01×5×40=20 mm，即在0～40 m计算深度范围内，如果水头变化5 m，土层的沉降值为20 mm。

在用比单位变形量法来预测地下水位变化引起的地面沉降时，首先需要搜集以往的监测数据来确定比单位变形模量I′的值，继而根据水头变化和计算深度来分析计算相同或相近地貌单元的地面沉降。

3　结论

由水井取水导致的局部不均匀沉降和区域性的大规模沉降相比，前者对于高速铁路的影响有时更为严重。

在相同地质条件、同等降深的情况下，地下水埋深越深，计算深度范围内的沉降越小，但是并不能简单地认为在深层采水比浅层采水要好。由于深层承压水较浅层难以受到补给，水位下降后必然会导致上部各层的越流补给，加速中间黏土层的固结沉降，引起严重的地面沉降。实际上，可以通过在浅层含水层开凿辐射井等方法来加大浅层地下水开采量。

搜集高铁沿线各抽水井的坐标、水位埋深以及水位变化情况，并计算其影响半径，根据影响半径来控制水井的开采，必要时采取禁采、限采等手段。

考虑到灌溉水井水位常年变化以及固结沉降的长期性，可以通过搜集高铁各沉降段前3～4年中的沉降资料以及水位变化数据，根据比单位变形量法来预测沉降的发展。

[1]何庆成，刘文波，李志明.华北平原地面沉降调查与监测[J].高校地质学报，2006(6)

[2]何庆成，等.我国地面沉降现状及防治战略设想[J].高校地质学报，2006(6)

[3]谢海澜，郑锦娜.区域性地面沉降研究现状[J].地质调查与研究，2009(9)

[4]祁彪.地面沉降对京沪高速铁路(北京-济南段)影响分析[D].成都：西南交通大学，2009

[5]李国和，等.华北平原地面沉降对高速铁路的影响及其对策[J].铁道工程学报，2007(8)