上海市第四承压含水层变形特征研究

刘金宝

(上海市地质调查研究院，上海200072)

上海位于长江三角洲东南前缘，太湖流域下游，是长江三角洲冲积平原的一部分。区内地势平坦，第四纪松散土层发育，蕴含丰富的地下水资源。区内地下水主要赋存于松散岩类孔隙介质中，按其地质年代、水动力条件和成因类型，可将松散岩类孔隙水划分为各具特点的三大含水岩组，七个含水层(组)。分别为全新统潜水含水岩组，包括潜水含水层和微承压含水层;中、上更新统承压含水岩组，包括第一、二、三承压含水层;以及下更新统承压含水岩组，包括第四、五承压含水层。其中第四承压含水层由于其水量丰富、水质优良，是上海地区目前地下水开发利用的主要层次，对其变形规律的研究有利于更好地开展地下水资源管理及地面沉降防治工作。

1 第四承压含水层结构特征

上海第四承压含水层为更新世泥河湾期(Qp1－3)河流相沉积物，主要受“浏—南古河道”和“枫—奉古河道”两条古河道的控制，在不同古气候条件下，随着古河道的摆动，河床形成广阔的含水砂层，除西部和西南部局部基岩突起区缺失外全区广泛分布，陆域沿江一带、金山枫泾、南汇芦潮港第四承压含水层上下两层发育比较明显，青浦西北部和奉贤西南部与上覆含水层沟通，存在一定的水力联系。含水层层顶埋深一般为150～170 m，沿江、沿海以及岛域层顶埋深较深，一般为180～200 m。岩性自上而下砂层颗粒逐渐变粗，以细砂、含砾中粗砂为主。

图1 第四承压含水层三维结构模型

含水层在空间上分布不均，厚度一般为10～30 m，富水性一般为1 000～3 000 m3/d，导水系数一般为1 500～2 000 m2/d，古河道地区及含水层沟通区厚度达30～50 m，局部超过70 m，含水层沟通区富水性达到3 000～5 000 m3/d。水化学类型以HCO3－Na型淡水为主，仅在奉贤西南部和崇明岛东南部存在零星Cl－Na咸水透镜体。由于第四承压含水层普遍水质较好，是上海现阶段开采量最大的层次［1］。

2 地下水开采与地下水位、压缩变形关系

长期的监测数据表明，上海市第四承压含水层地下水位、压缩变形与地下水开采量具有一定的相关关系，按照地下水开采布局的变化大致可分为四个阶段(图2):

(1)自1968年采取调整地下水开采层措施后，第四承压含水层开采量逐年增大，至1987年基本维持在6 000万 m3以下，低水位保持在－7.0～－26.0 m之间，地下水位和地面沉降均呈现出典型的冬升夏降态势，年残余变形量一般小于3.0 mm;

(2)1987年以后第四承压含水层地下水开采量急剧增加，至1996年增加至8 880万 m3，季节性水位变化中，冬季水位上升值小于夏季水位下降值，水位总体在进一步下降，相对应含水层变形速率逐年增加，表现为高水位期含水层回弹逐渐减少、低水位期压缩量增大，随水位的进一步降低而逐渐呈常年压缩态势，土层压缩变形速率增大至11.2 mm，第四承压含水层对中心城区地面沉降的贡献率上升到49.3% 。

(3)自1998年加强了对超采区地下水开采量的压缩以后，至2005年第四承压含水层开采量压缩至4498万 m3，地下水位回升至－30 m左右，土层压缩变形速率减小至4 mm，但第四承压含水层仍表现为全年持续压缩变形状态。

(4)“十一五”以来随着第四承压含水层地下水开采量的大幅压缩，至2013年压缩至159万m3，同时加强了地下水人工回灌，回灌量达489万 m3，回灌量大于开采量，使第四承压含水层地下水位加速回升至－20 m以上，土层压缩变形速率明显减小，甚至出现微量回弹。

图2 第四承压含水层地下水开采回灌量、地下水位和变形特征

3 第四承压含水层变形特征

3.1 第四承压含水层应力应变特征分析

伴随着地下水开采布局的调整，第四承压含水层地下水位相应发生改变，在不同的应力状态下，第四承压含水层压缩速率存在较大差异，含水层表现出明显不同的变形特征，由弹性变形→弹塑性→塑性变形→弹塑性变形→弹性变形，并且在土体变形过程中伴随着流变现象(图3)。

图3 第四承压含水层应力－应变曲线

以杨浦区国棉十七厂F6分层标组为例，土体变形各阶段与地下水位状态表现出密切的内在联系。上世纪90年代以前地下水位基本保持稳定，第四承压含水层变形表现为与地下水位动态变化基本同步的周期性夏沉冬升，每年仅有很小的残余变形，应力应变曲线为一系列近似闭合的回滞环，为典型的弹性变形状态。

80年代末期随地下水位进一步下降，当地下水位降低至前期固结压力对应水位，即临界水位［2］时(－20～－25 m)，应力－应变曲线由闭合应变回滞环向尖峰谷状应变轨迹转变，土体表现为弹性变形向塑性变形过渡。伴随着水位的进一步降低，含水层此时承受的附加应力已超过了其前期固结压力，应力－应变曲线表现为在地下水位季节性波动过程中持续压缩的波浪式应变路径，当水位季节性回升时，土层持续压缩或仅有微量回弹，土层不仅存在残余变形，而且存在随时间而发展的流变变形，含水层变形具有显著的粘弹塑性特征。

1998年以后伴随地下水开采量的压缩，第四承压含水层地下水位开始逐步回升，土层压缩变形速率相应减小，但由于土体的流变变形大于水位上升引起的土层回弹，含水层总体仍表现为持续压缩，应力应变曲线仍旧表现为尖峰谷状的波浪式应变路径，但周期长度(沉降速率)减小，含水层由粘弹塑性变形向粘弹性变形转变［4～5］。

“十一五”期间伴随地下水开采量进一步压缩，地下水位加速上升，含水层逐渐向以弹性变形为主的方向过渡，应力应变曲线向前期弹性变形时期的卸荷曲线形式转变，含水层表现为微量的回弹。

同样分析其他地区有较长时间序列(20 a以上)观测资料的分层标组(如北新泾F1、劳动公园F3、双阳中学F4、面粉厂F10、政法学院 F12、浦东高化F13、浦东塘桥 F16、吴泾电化厂F17、浦东金桥F21、金山朱泾F28等分层标组)第四承压含水层变形和相应水位监测数据，所得分析结果与F6分层标的分析结果基本类似，说明上述关于第四承压含水层层变形特征的分析结果在上海地区具有一定的普遍性。

3.2 第四承压含水层变形机理探讨

基于上述分析对上海市第四承压含水层变形机理进行探讨，认清含水层压缩变形本质。含水砂层的弹性变形主要由季节性低水位阶段固体颗粒骨架间空隙减小、高水位期孔隙水压力增大而使颗粒骨架间隙扩大而表现出来。含水砂层由弹性变形向塑性变形转变的过程中，含水层变形已不仅仅表现为颗粒骨架孔隙弹性的压缩与回弹，颗粒排列方式已开始出现重新调整的趋势。原来处于平衡状态的砂土中存在大小不等的孔隙，当含水层承受的附加应力已超过其前期固结压力，在荷载作用下颗粒接触面上的剪应力增加，颗粒沿接触面产生错动滑移，土颗粒首先充填到较大的孔隙中，大孔隙被充填后土粒运动空间减小、移动的剪阻力增加，土粒的滑移速率减小，因此土粒达到新的平衡需要一定的时间;另外，在荷载作用下粒间接触力增加，可导致部分土颗粒破碎，破碎形成的细小颗粒填充到土的孔隙中，颗粒位置重新调整。这两种变形都是不可恢复的，且均表现出一定的时间相关性。

上海市第四承压含水层的砂土为第四纪河流相沉积物，矿物成分主要为石英，呈粒状，磨圆度好，依据上海第四承压含水层砂土样的压缩试验资料，砂土压缩表现出与时间的相关性(图4a－b)，且试验前后粒度分析表明试验砂土样的粒度成分几乎没有改变(图4c)，说明上海砂土流变的原因主要是颗粒间的相互错动滑移，而不是颗粒的破碎。在荷载作用下砂土颗粒滑移快慢决定变形速率，在大荷载增量作用下，颗粒运动速度快，大部分变形在荷载施加后的很短时间内完成，此后随时间增加的变形较小，而与一般建筑加载相比，抽取地下水引起土层中有效应力的变化要缓慢得多，这就使得长期抽水引起的砂土层的变形表现出显著的时间相关性，具体表现为随水位的抬升在一定时期内第四承压含水层仍表现为持续压缩，只有在土体流变趋向于收敛后才表现为一定的回弹。

图4 第四承压含水层砂土单轴压缩变形试验

4 结语

上海市第四承压含水层经过长期的地下水开采，其变形特征十分复杂，与其地下水位的变化密切有关，在不同时期地下水位变化模式下表现出不同的变形特征:1968—1987年地下水位处于相对稳定期，呈季节性升降趋势，总体高于临界水位，第四承压含水层以弹性变形为主;1987—1998年地下水位总体呈下降趋势，当地下水位低于临界水位时，第四承压含水层以塑性变形为主，还包含流变，为粘弹塑性变形;1998年以后，水位总体呈上升趋势，当土层流变趋向于收敛后，第四承压含水层以弹性变形为主。

［1］吴建中，俞俊英，李晓，等.上海地区第四承压含水层沉积环境及结构特征［J］.上海地质.2009(1):50～53.

［2］魏子新.上海市第四承压含水层应力应变 －分析［J］.上海地质.2002(1):1～4.

［3］魏子新，杨桂芳，俞俊英.上海市承压含水层系统应力－应变特征及地面沉降防治对策［J］.中国地质灾害与防治学报.2005，16(1):5～8.

［4］张云，薛禹群，叶淑君，等.地下水位变化模式下含水砂层变形特征及上海地面沉降特征分析［J］.中国地质灾害与防治学报.2006，17(3):103 ～109.

［5］张云，薛禹群，吴吉春，等.抽灌水条件下上海砂土层的变形特征和变形参数［J］.水利学报.2006，37(5):560～566.