郑徐高速铁路郑州段区域地面沉降预测分析

詹学启，张占荣

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

区域地面沉降是在人类工程经济活动影响下，由于地下松散地层的固结压密，导致地面高程缓慢降低的环境地质现象，严重时会成为一种地质灾害。近20多年来随着工农业的发展、城市的扩张，对地下水的需求也越来越大，区域地面沉降范围越来越广，危害越来越大，至2011年12月，中国有50余个城市出现地面沉降，长三角、华北平原和汾渭盆地已成区域地面沉降的重灾区。由于发展过程漫长、影响范围广、形成原因和机理复杂、治理难度大，一旦形成便难以恢复，区域地面沉降已成为制约我国社会、经济可持续发展的主要地质灾害［1-4］。

导致产生区域地面沉降的因素很多，抽取地下水引起的地面沉降是最为普遍、危害性最为严重的一类［5-7］。郑徐高速铁路位于黄淮冲积平原区，调查数据显示，沿线曾因大量抽取地下水形成了多个以城镇为中心的降水漏斗，地下水位降低引起严重的地表下沉问题［8，9］。为满足安全、舒适的要求，高速铁路对沉降特别是工后沉降要求极为严格，因此，采取合理的模型及时地分析和预测沿线地面沉降状况，对于郑徐高速铁路地质灾害预防以及后期正常运行具有重要意义。本文以郑徐高速铁路沿线地面沉降最为严重的郑州段为例，通过分析沿线地下水开采量、开采时间导致的地下水渗流场的变化情况，采用Visual Modflow软件，模拟地下水水位变化，分析地下水流场及降落漏斗范围，结合岩土力学分析法，建立地面沉降数学模型，预测地下水水位下降引发的地面沉降发展的趋势，以期合理评价沿线抽取地下水对郑徐高速铁路的影响，并为郑徐高速铁路的顺利建设提供一定的参考。

1 工程地质条件

1.1 工程地质条件

郑徐高速铁路郑州段为巨厚的第四系黄淮冲积地层。60 m以内地层以粉土、粉细砂、粉质黏土为主，发育1～2层厚度较大，分选性好的含水砂层，砂层厚度一般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，主要以生活饮用水及工农业用水的抽水为主。

表1 郑州段地基土钻孔取样物理力学性质

1.2 郑州地区地下水开采状况

郑州地区以开采中深层地下水为主，水位变化较复杂，一是中深层水与浅层水水力联系密切，水位升降基本一致，二是中深层水位变化与开采量关系密切。自80年代末浅层地下水开始出现漏斗，到90年代末地下水水位埋深4～8 m，1998年郑州市浅层地下水漏斗面积为225.89 km2，中心水位埋深32.89 m;2011年浅层地下水漏斗面积为1 371.81 km2，中心水位埋深56.10 m，浅层地下水漏斗区中心水位平均降速为1.78 m/a。自80年代初开始中深层地下水降落漏斗出现，随着开采量的增大，地下漏斗逐年扩大，1998年中深层地下水平均埋深为43.25 m，地下降落漏斗区面积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年中深层地下水平均埋深为48.10 m，地下降落漏斗区面积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 水文地质条件概化

2.1 含水层的结构特征

研究区地下水系统符合质量守恒定律和能量守恒定律;含水层分布广、厚度大，在常温常压下地下水运动符合达西定律;考虑浅层地下水、中深层地下水之间的水力联系的特点，地下水运动可概化成空间三维流;地下水系统的垂向运动主要是层间的越流，三维立体结构模型可以很好的解决越流问题;地下水系统的输入、输出随时间、空间变化，故地下水为非稳定流;参数随空间变化，体现了系统的非均质性，而且在水平和垂直方向上各不相同，所以参数概化成各向异性。因此将研究区的地下水流作为非均质各向异性、空间三维非稳定流处理，即地下水系统的概念模型。

通过区域水文地质条件的分析，参考含水层的埋藏条件，成因类型，水力性质，开发利用现状，在空间上整个研究区的地下水系统在垂向上概化为2个模拟层:浅层孔隙含水层组、中深层孔隙含水层组。

2.2 源汇项的概化

潜水含水层自由水面为系统的上边界，通过该边界，潜水与系统外发生垂向水量交换，如接受大气降水入渗补给、河渠补给、田间入渗补给、蒸发排泄等。含水层组之间通过越流交换物质和能量，其越流量由含水层在垂向上的渗透系数及含水层的厚度决定。

研究区浅层含水层的补给项包括降雨入渗、农业灌溉回渗、渠道渗漏、黄河侧渗补给，排泄项包括潜水蒸发、农业用水开采、工业生活用水开采、侧向流出等，中深层、深层含水层在天然状况下主要接受越流补给，生活工业用水开采是主要的排泄方式。

对于源汇项的处理，分为三类:一类是以各个含水层面状补给率的形式给出，处理过程中通过在程序软件中的补给和排泄子程序包实现所有层的面状补给率的赋值;第二类是以单井量的形式给出，包括分配到每个单元格上的侧向径流量、河流渗漏量、水源地开采量;以上两类源汇项的量均分配在活动单元格上参与计算。第三类为潜水蒸散发排泄，在包气带水分运移中，蒸发是主要的排泄项，其大小与气象条件、地表植被、土壤类型和含水量、地下水位埋深等因素有着密切的关系。本次在处理蒸散发排泄量时根据岩性确定了潜水蒸发的极限埋深为4 m。

2.3 边界条件的概化

根据研究区的实际特点，在含水层边界上观测孔较多的地段，观测系列较全定义为已知水头边界，在观测资料较少的地段，四周边界定义为通用水头边界，通过visual modflow通用水头子程序包，把边界条件赋给模型。

FH患者左主干、左前降支、左回旋支和右冠状动脉病变的发生率均高于非FH患者，差异具有统计学意义(P均<0.05)。FH患者以双支病变为主(67.57%)，非FH患者以单支病变为主(87.23%)，构成比分析显示FH患者和非FH患者在血管病变数目上的差异具有统计学意义(P<0.01)。见表5。

2.4 地下水流数学模型

根据水文地质概念模型，研究区地下水流模型可概化为非均质各项异性介质中的三维非稳定流稳定流问题，其微分方程为

式中，Ω为含水层渗流区域;h-h=h(x，y，z)为含水层的水位高程，m;Kx、Ky、Kz分别为 x、y、z方向的渗透系数，m/d;Kn为边界面法向方向的渗透系数，m/d;S为自由面以下含水层储水系数，1/m;ε为分含水层的源汇项，1/d;h0为含水层的初始水位分布，m，h0=h0(x，y，z);Γ1为渗流区域的侧向及下边界;Γ2为渗流区域的侧向边界;q(x，y，z，t)为定义为二类边界的单宽流量，m2/d·m，流入为正，流出为负，隔水边界为0。

3 地下水水位模型模拟的耦合

郑州多年平均降雨量为629.7 mm，降雨入渗系数为0.30，多年平均蒸发量为1 826.00 mm，蒸发折算系数为0.6;研究区浅层地下水的补给主要有降雨入渗补给，灌溉回渗补给，地表水侧渗补给，浅层地下水的排泄主要有开采排泄，蒸发排泄，越流排泄和径流排泄等形式，浅层地下水的单井涌水量为1 000～3 000 m3/d，渗透系数 5～8 m/d，给水度为 0.04～0.06;中深层地下水主要接受侧向径流补给和垂向越流补给，主要排泄方式为人工开采，其次为侧向径流排出和开采条件下越流补给深层，单井涌水量为1 000～3 000 m3/d，中深层含水层的渗透系数为3.43～4.92 m/d，弹性释水系数为1.38×105;研究区浅层地下水的开采量为6 535×104m3/a，侧向径流量为1 401.60×104m3/a，越流系数为2.45×10-5(d-1)，渠系渗漏的补给系数为0.25，农田灌溉的回渗系数为0.05～0.1。

模拟时间从2010年1月到2010年12月，划分为12个时段，每个时段一个月，将2010年1月各含水层的水位观测资料经过Kriging方法差值后作为计算的初始水位赋给模型。渗透系数、储水率、重力给水度、降水入渗系数、蒸发系数、有效孔隙度等水文地质参数根据收集到的研究区以往抽水实验、室内土工实验给出一个初始值，然后利用长期观测井的水位和模型预测水位进行拟合，不断调整水文地质参数，使拟合结果符合规定标准。

长期观测井主要选取黄河滩九五滩水源地黄河牧场101井、郑州金水区龙子湖办事处柳园口西南118井。长期水位观测孔的模拟结果见图1，由图1可知，由模型计算得到的水位和实际水位相差不大，说明建立的模型可靠度高，可以用来预测未来的地下水水位变化情况。

图1 实测水位与模拟水位对比

4 地下水水位下降趋势预测分析

根据上述分析对地下水下降趋势进行预测，结果表明，以现有开采条件抽采地下水，地下水水位整体呈下降趋势，下降趋势较大的主要集中在城区及城郊附近，地下水水位下降速率平均在1.0 m/a。

浅层地下水:(1)预测10年地下水下降2～8 m，地下水降落中心基本以龙子湖—陈三桥为中心，距工程沿线约2.0～3.0 km，漏斗中心水位下降速率约0.80 m/a，工程沿线地下水下降速率约在0.20～0.60 m/a;(2)预测20年地下水下降5～15 m，地下水降落中心基本以龙子湖—陈三桥为中心，距工程沿线约1.5～2.0 km，漏斗中心水位下降速率0.75 m/a，工程沿线地下水下降速率约在0.25～0.50 m/a。预测结果如图2、图3所示。

图2 预测10年浅层地下水流场

图3 预测20年浅层地下水流场

中深层地下水:(1)预测10年地下水下降6～15 m，地下水降落中心基本以十里铺为中心(位于工程沿线以西)，距工程沿线约4.0 km，漏斗中心水位下降速率1.50 m/a，工程沿线地下水水位下降约在0.60～1.20 m/a;(2)预测20年地下水下降9～26 m，地下水降落中心基本以十里铺为中心(位于工程沿线以西)，距工程沿线约4.0 km，漏斗中心水位下降速率1.30 m/a，工程沿线地下水水位下降约在0.45～1.0 m/a。

5 开采地下水引起的地面沉降预测

5.1 开采浅层地下水引起地面沉降数学模型

由于工程沿线区域地层结构比较清楚，做过岩土工程勘察并取得可靠的土工试验参数，对地面沉降问题的计算，目前仍依据经典固结理论。其模型建立概化为:(1)在水头压力降低的条件下，其有效应力的变化是一维的，土体基本上只有垂直变形;(2)在水位变化过程中孔隙水压力的正向和负向变化所引起的固结效果是等同的，在地下水开采条件下，土的固结叠加原理是适用的。

开采地下水引起地面沉降土体的变形包括2个方面［10］，黏性土层的变形与砂层(含水层)的变形。其中，砂土层计算公式

黏性土计算式

式中，S总为总的计算沉降量，mm;αvi为黏性土的压缩系数，MPa-1;eoi为原始孔隙比，无量纲;E为砂土的压缩模量，MPa，按《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2012)［11］中经验修正系数;ΔPi为水位变化引起的土层附加荷载，MPa;Hi为计算土的分层厚度，m。

5.2 地面沉降趋势预测评估

地面沉降趋势预测评估主要依据地层岩性、土体的性质、地下水的埋藏条件等进行划分，郑州段位于黄淮冲积平原区，地下水类型分别为松散岩类孔隙水。结合沿线地下水开采现状，着重对郑州地段由于地下水开采引起的地面沉降趋势分开采类型进行预测。沉降预测是基于现状条件下(基于现场调查的井点分布、井点数量、现状开采方式、现状抽水量、现状抽水层位等;仅考虑抽水引起的地面沉降因素)的预测估算值。分析结果如图4、图5所示。

图4 预测10年沿线地面沉降量、沉降速率分布

图5 预测20年沿线地面沉降量、沉降速率分布

分析表明，抽取浅层地下水引起的地面沉降特征如下:(1)现状条件下抽采10年后，因开采浅层地下水引发的地面沉降量为3.63～15.77 mm，开采中深层地下水引发的地面沉降量为27.65～58.80 mm，产生的总沉降量为34.10～67.42 mm，每年的平均沉降速率为3.41～6.74 mm/a，详见图4;(2)现状条件下抽采20年后，因开采浅层地下水引发的地面沉降量可达10.08-38.55 mm，因开采中深层地下水引发的地面沉降量为42.49～106.23 mm，由此引发的总沉降量可达65.91～144.78 mm，年平均沉降速率3.30～7.24 mm/a，详见图5。抽取地下水引起的区域地面沉降大大超过高速铁路无砟轨道工后沉降容许值［12］。

6 防止对策及建议

郑徐高速铁路郑州段工程主要有郑州东站车站路基、跨金水东路大桥、跨连霍高速公路特大桥、郑汴特大桥，其中郑州东站范围(DK000+000～DK001+830)已采用有砟轨道形式。DK001+830～DK15+000段建议如下。

(1)DK001+830～DK10+079.54段抽采地下水引发的地面沉降，10年和20年预测的沉降量分别为47.95～67.42 mm和65.91～144.78 mm。预测的地面总沉降量大，沉降对桥梁、路基工程的影响大，桥梁采用可调支座，桩基础穿过上部潜水含水砂层，至下部的粉土或粉质黏土地层;路基工程需加强地基特别是过渡段地基处理。建议本段采用有砟轨道形式或严格采取禁采、限采地下水措施以期满足无砟轨道铺设的技术要求。

(2)DK10+079.54～DK15+000段抽采地下水引发的地面沉降，10年和20年预测的沉降量分别为34.10～37.58 mm和70.27～77.05 mm。建议桥梁桩基础穿过上部潜水含水砂层，至下部的粉土或粉质黏土地层;路基工程也宜加强地基处理措施，如适当增加桩长、堆载或超载预压等，尽量减少由于抽水引起的地面沉降对工程的影响。

(3)实时建立地面沉降监测、地下水动态监测网络，加强铁路施工和运营中的沉降监测，为轨面拟合调整提供依据。

7 结语

通过上述分析得到如下结论。

(1)本文采用Visual Modflow软件建立的地下水三维渗流耦合模型，与长期观测井水位变化数据基本吻合，可用于预测未来沿线的地下水水位变化情况。

(2)未来10年浅层地下水位下降2～8 m、中深层地下水下降6～15 m，地面沉降量可达34.10～67.42 mm;未来20年浅层地下水位下降5～15 m、中深层地下水下降 9～26 m，地面沉降量可达 65.91～144.78 mm。

(3)抽取地下水引起的区域地面沉降大大超过高速铁路无砟轨道工后沉降容许值，建议建立施工期沉降监测网络，并将区域地面沉降最为严重的DK0～DK10段改为有砟轨道形式通过，得到了有关部门和建设单位的批准采纳。

［1］ 薛禹群，张云，叶淑君，等.我国地面沉降若干问题研究［J］.高校地质学报，2006，12(2):153-160.

［2］ 郝亚东，许加东，张勇.基于多影响因子计算模型在城市地面沉降监测中的应用研究［J］.铁道工程学报，2011(3):20-23，68.

［3］ 宫全美，罗喆，袁建议.提速铁路基床长期累积沉降及等效循环荷载试验研究［J］.铁道学报，2009，31(2):88-93.

［4］ 李国和，许再良，孙树礼，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):7-12.

［5］ 阚京梁，罗立红.Processing Modflow模型在预测地面沉降中的应用［J］.铁道工程学报，2010(2):27-31.

［6］ J.-C.Chai，S.-L.Shen，H.-H.Zhu，et al.1d analysis of land subsidence in Shanghai［J］.International Association of Lowland Technology，2005，7(1):33-41.

［7］ 王非，缪林昌，黎春林.抽水地面沉降中含水层渗流变形耦合模型研究［J］.铁道工程学报，2011(7):1-5.

［8］ 中铁第四勘察设计院集团有限公司.郑徐铁路客运专线沿线抽取地下水引起的地面沉降专题研究报告［R］.武汉:中铁第四勘察设计院集团有限公司，2012.

［9］ Luo，Z.，Ku，C.S.，and Bu，L.Probabilistic model for long-term deformation of subgrade bed soil in upgrading-speed railway lines［J］.International Journal of Pavement Research and Technology，2011，4(1):34-40.

［10］GB50307—1999 地下铁道轻轨交通岩土工程勘察规范［S］.

［11］JGJ79—2012 建筑地基处理技术规范［S］.

［12］TB10621—2009 高速铁路设计规范(试行)［S］.

［13］王婉丽，崔亚莉，蔺文静，等.地下水应急开采对郑州市傍河水源地的影响［J］.水文地质工程地质，2013，40(3):28-32.