基于分层标资料的天津滨海地区含水层沉降特征分析

王 巍，徐 佳，徐 鸣

(天津市控制地面沉降工作办公室，天津300061)

天津市地面沉降是典型的水资源短缺型地面沉降，自上世纪60年代发现，经过二十多年的快速发展期，至上世纪80年代，逐渐成为天津的主要地质灾害之一。滨海新区分层标监测体系是地面沉降的主要监测手段，是在天津市地面沉降勘察以及治理历史进程中逐步建立起来的，为了监测滨海新区抽取地下水及大规模建设对地面沉降的影响，以达到控制滨海新区大港、滨海新区塘沽以及滨海新区汉沽地区地面沉降的发展的目的。

通过对天津滨海地区分层标监测资料以及同期不同含水层的水位资料的分析，可以研究得出各含水层当前沉降状态，以及水位变化与沉降量之间的关系，探查不同地区各含水层的沉降特征。从而根据分析成果制定更有效的治理措施及方案。

1 分层标监测方法

分层标监测是为了取得各个土层压缩和回弹的变形量而进行的精密水准测量，分层标组由分层监测标、水位长观孔和孔隙水压力观测孔组成，以本标组最深的一个标为基准，测定各分层标与主标之间的高差。分层标组由埋设于土层不同层位(或深度)的多个标桩构成，用于监测不同深度的地层变形情况，各分层标房还设置有地下水观测孔或孔隙水压力监测孔，在水准测量时一并测量地下水位埋深或孔隙水压力［1］。监测形式有人工监测和自动监测两种，人工监测频率每月一次，时间为每月中旬，自动监测频率每小时采集数据一次。

监测方法主要有磁环感应法和几何水准法［2］，浅层标采用磁环感应的方法进行监测，深层监测标则采用几何水准法。具体而言，在塘沽开发区第七大街、第三大街和临港为磁环埋深和孔隙水压力监测。

2 分层沉降效应分析

2.1 滨海新区剖面结构与水动力分层

塘沽碱厂分层标地质柱状图如图1所示，最深观测井孔为291.83 m，整个剖面粘土成分地层厚度占总厚度的65%，砂层含水层占35%。

图2为地下水位曲线图，由图可知，根据地下水不同深度的水力联系，整个剖面可以分为四个水动力条件较为独立的含水岩组，分别是第一含水组(0～24.5 m)、第二含水组(24.5～64 m)、第三含水组(64～135 m)、第四含水组(135～295 m)。第一含水层为杂填土、粘土隔水层，水位变化幅度小，最高水位为4.63 m，最大变幅6.96 m;第二含水层上覆粘土隔水层厚12.6 m，粉砂、细砂含水层厚26.9 m，水位自1984至1988年逐渐上升，1988年至2002年水位波动较小，历年最低水位 －17.23 m，最高水位 －4.31 m;第三含水层为一双层结构，包括两个粘土隔水层、两个含水砂层，粘土层厚度为35.4 m，含水砂层厚35.8 m，水位总体呈逐年上升趋势，最低水位－30.53 m，最高水位－12.88 m;第四含水层粘土层厚度117 m，占该含水层总厚度约75%，水位逐年上升，但变化幅度较大，最低水位 －71.42 m，最高水位为－33.28 m。

图1 塘沽碱厂地层模型

图2 塘沽碱厂不同深度地下水位变化

2.2 沉降分层特征分析

应力－应变分析法最早由Riley［3］提出，以垂向应变或位移为横坐标，以水头或有效应力变化为纵坐标，绘出应力(水位)－应变(沉降量)关系曲线，然后根据关系曲线分析含水层变形特征［4］，可以明确各含水层的应力路径变化方式。

根据塘沽碱厂分层标1984年以来的分层标监测资料以及同期不同深度的孔隙水位资料，研究水头与累计变形量(沉降量)之间的关系，各含水组累计沉降量变化曲线如图3所示，图4至图7分别为第一、第二、第三、第四含水组累计沉降量变化及应力应变曲线。其中，累计沉降量为负值表示含水组沉降变形，正值表示含水组出现回弹变形。

图3 塘沽碱厂分层标各含水层累计沉降量变化

图4 塘沽碱厂第一含水组累计沉降量及应力应变曲线

1984年以来，第一含水组累计变形量逐渐增加，在1988年出现回弹后，该组累计沉降量逐年增大，而且90年代后期增幅逐年变大，至2002年累计沉降量达75.6 mm。而第一含水层水位变化幅度较小，该含水组的沉降主要由固结沉降引起。根据第一含水层的应力应变曲线，该组孔隙水位在80年代初期至90年代初上升幅度较大，变形量也出现回弹变形。但随着90年代末水位下降，沉降量大幅上升，该含水组的沉降仍在继续。

图5 塘沽碱厂第二含水组累计沉降量及应力应变曲线

自1985年以来，随着水位的上升，第二含水层累计沉降量也逐年降低，1988年累计沉降量为正值0.2 mm，直至2000年，变形量增至3.9 mm，一直表现为回弹变形。－1993年两个时间段内沉降速率较大，而且两个时间段后均伴随回弹变形。随着90年代末水位下降，该含水层仍在继续沉降。

图6 塘沽碱厂第三含水组累计沉降量及应力应变曲线

图7 塘沽碱厂第四含水组累计沉降量及应力应变曲线

1984年至1987年，第四含水组沉降速率较大，由1984年的95.3 mm增至1992年的351.2 mm。1993年以后，累计沉降量缓慢增加，并且在2000年前后出现回弹变形。该组水位在80年代初至90年中期逐渐上升，每年的沉降量也不断减小，并逐渐趋于稳定;之后几年水位波动较大，但沉降量并未随着水位下降持续增加，反而出现一定程度上的回弹。

图8 各含水层历年沉降比例变化

1984年来各含水组沉降量在总沉降量中所占的比例变化显示图8，塘沽碱厂分层标所在地区1984年至90年代末以第四含水组沉降变形为主，约占总沉降量的78%左右，但历年来第四含水组沉降比例呈逐渐降低趋势。而第一含水组沉降在总沉降中的比例逐渐增大，该组的沉降以含水层固结变形为主，1998年以后沉降量在总沉降量中的比例平均为89%，第三含水组沉降占总沉降量的比例约7%。历年来第二含水组一直处于回弹变形状态，1998年以后第四含水组沉降逐渐趋于稳定，未呈现继续增长的趋势。

3 结语

根据塘沽碱厂水动力条件分层以及应力应变分析结果，2000年以来，滨海新区大部分地区以第一含水组(0～24.5 m)的固结沉降为主，其次为第三含水组(64～135 m)，第二含水组(24.5～64 m)一直呈现回弹变形状态，第四含水组(135～295 m)累计沉降量随着水位下降并未持续增加，变形量逐渐趋于稳定，未来第四含水组沉降不会呈现大幅变化。

［1］于强，王威，易长荣.天津市地面沉降及地下水位监测自动化系统的设计与应用.地下水.29(2007)101－104.

［2］齐波，牛文明.天津滨海新区分层标监测系统技术研究.水文地质工程地质.38(2011)44－48.

［3］F.S.Riley，Analysis of borehole extensometer data from central California，Land subsidence，2(1969)423 －431.

［4］T.J.Burbey，Stress－ Strain Analyses for Aquifer－ System Characterization，Ground Water，39(2001)128 －136.