某铁路沿线水井抽水引发的地面沉降模拟研究

2015-03-16王恒松

铁道勘察 2015年4期

关键词：铁路沿线砂土粉质

王恒松

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300142)

Study and Simulation of Land Subsidence Induced by Well Pumping along Railway Line

WANG Hengsong

某铁路沿线水井抽水引发的地面沉降模拟研究

王恒松

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142)

Study and Simulation of Land Subsidence Induced by Well Pumping along Railway Line

WANG Hengsong

摘要根据某铁路沿线工程地质情况，采用ABAQUS有限元软件对该区域抽水引发的地面沉降进行数值模拟，计算中考虑多种不同的土层分布情况，分析土层中孔隙水压力随时间的变化趋势以及各种土层的变形发展趋势。对比不同土层分布条件下各土层变形及地面沉降的分布和发展趋势，说明各土层厚度对地面沉降发展的影响状况。

关键词开采地下水地面沉降地层分布ABAQUS

地面沉降是一种地面高程缓慢降低的环境地质现象，具有影响范围大、影响时间长及不可逆的特点，严重影响列车运营的安全性、平顺性和高速性[1-3]。铁路沿线附近常常分布着大量的水井，水井抽取地下水是引发地面沉降的一个主要原因[4-5]。因此，铁路勘察设计过程中需要评估沿线分布的抽水井对铁路线路的影响情况。

抽取地下水会导致土体中孔隙水压力降低，有效应力增加，使土骨架产生压缩变形，进而引发地面沉降[6]。地面沉降变形主要包括含水层的压缩变形和弱透水层的固结变形[7]。含水层主要指砂土层等储水系数及渗透系数较大的土层，弱透水层主要指粉质黏土，黏土层等储水系数、渗透系数较小的土层，不同性质的地层在抽水作用下的变形性状有着较大的差别。铁路沿线的地层不是均匀连续分布的，不同区域内存在明显的差异，需要研究不同土层分布情况下抽水引发的地面沉降性状，为制定防治地面沉降的措施提供依据。

1工程地质概况

某铁路区段处于黄河冲积平原，地形平坦开阔，略有起伏，地面高程在+48～+50 m之间，坡降1/5 000～1/7 000。勘探深度范围内揭示地层为第四系全新统人工堆积层杂填土，第四系全新统冲积层粉土、粉质黏土、黏土、粉砂、细砂，局部有软土及松软土层，上更新统冲积层粉土、粉质黏土、黏土、粉砂、细砂。

按含水层埋藏深度和补、径、排及与工程的关系，该地区自上而下可划分为三个含水岩组：浅层孔隙潜水层组(0～70 m)、中深层承压含水层组(70～350 m)、深层承压含水层组(350～500)。

铁路沿线一个典型区段内的工程地质条件如图1所示，该区段内分布的土层主要为粉土层、粉质黏土层、粉砂层、细砂层、夹少量粉土和砂土的粉质黏土层。沿线水井主要从粉、细砂含水层中抽取地下水。

图1　某铁路沿线工程地质条件

2计算模型

根据铁路沿线工程地质条件，可以将土层系统简化为图2所示模型，土层从上至下分别为粉质黏土层、砂土层、粉质黏土层，厚度分别为b1、b2、b3，各土层性质为均匀各项同性。

图2　土层抽水模型示意

采用ABAQUS有限元软件模拟抽水引发的地面沉降[8]。采用轴对称模型，水井直径为0.5 m，第1粉质黏土层厚度b1=15 m，砂土层厚度b2=10 m，第2粉质黏土层厚度b3=35 m，土层径向宽度范围为10倍土层厚度。在抽水作用下砂土层中水头下降10 m，土层在抽水过程中保持饱和状态，第1粉质黏土层表面、模型外侧边界处水位保持恒定，模型底部边界、粉质黏土层井壁为不透水边界。假定土体应力应变关系为线弹性，采用四边形网格划分，单位类型为CAX8RP。划分后的模型网格如图3所示，各土层采用的参数值如表1所示。

图3　有限元建模网格

表1　土层参数

3计算和分析

3.1　抽水引发的孔隙水压力发展状况

根据第2节中土层参数和抽水条件，计算土层中1 000 d内的孔隙水压力发展状况，如图4(a)～图4(d)所示。当水井中水位下降10时，即在砂土层中的井壁处水位下降10 m后，由于砂土渗透系数大，砂土层中水位迅速降低，超静孔压等值线沿深度几乎垂直，说明砂土层中渗流主要为水平渗流，在t=100 d后砂土层中超静孔压分布变化越来越慢，说明渗流已达到基本稳定状态。

第1、2软黏土层中超静孔压等值线均垂直于井壁，在土层内部为倾斜状态，说明粉质黏土层在井壁附近为垂直渗流，在第1粉质黏土层内部为斜向下渗流，在第2粉质黏土层内部为斜向上渗流。由于粉质黏土层渗透系数低，孔隙水压力下降的速度比较慢，在t=1 000 d时粉质黏土层中的渗流才达到基本稳定状态。

图4　孔隙水压力发展状况

3.2　抽水引发的地面沉降发展状况

图5为t=0.1 d、1 d、10 d、100 d时地面沉降的分布趋势。随着时间的增加，地面沉降逐渐增大，至抽水井距离越近，沉降速率越快，总沉降量也越大，沉降变形趋势越剧烈。随着至水井距离的增加，沉降速率逐渐减慢，总沉降量也逐渐减小，沉降变形趋势越来越平缓。

图6为各土层在r=10 m处(至井壁距离为10 m)的变形量随时间的发展趋势。由图6中可以看出，抽水后砂土层的变形迅速发生，在较短的时间内(t<10 d)达到基本稳定状态，说明初期的地面沉降量主要是由于砂土层的压缩。粉质黏土层在抽水初期有轻微膨胀的趋势，主要是由于降水初期，在局部渗透力作用下第1粉质黏土层发生向下位移，第2粉质黏土层发生向上位移，随着时间的增加，孔隙水压力逐渐减小，有效应力逐渐增加，粉质黏土层逐渐被压缩。由于第1粉质黏土层厚度较小，在t≈10 d时土层压缩量达到基本稳定状态；第2粉质黏土层厚度较大，当t≈600 d时土层压缩才达到基本稳定状态，说明后期的地面沉降量主要是由于粉质黏土层的固结变形。

图5　地面沉降的分布趋势

图6　r=10 m处土层变形随时间的发展趋势

3.3　土层厚度对地面沉降性状的影响

由于铁路沿线土层分布不均匀，因此分别建模计算第1粉质黏土层、砂土层、第2粉质黏土层厚度增加10 m后地面沉降和各土层的变形发展性状。

图7为不同土层厚度条件下地面沉降的发展趋势。由图7中可以看出，各土层厚度增加后，最终沉降值均大于初始地层厚度条件下的地面沉降值。第1粉质黏土层厚度增加后，沉降速率在初期小于初始地层厚度条件下的沉降速率。砂土层和第2粉质黏土层厚度增加后，沉降速率在整个发展时期均大于初始地层厚度条件下的沉降速率。

图7　不同土层厚度条件下地面沉降发展趋势

图8为不同土层厚度条件下第1粉质黏土层的变形发展趋势。由图8中可以看出，当砂土层厚度增加时，由于砂土层压缩量的增加，第1粉质黏土层下表面向下发生位移，而粉质黏土层初期变形发展较慢，上表面向下位移较小，因此第1粉质黏土层的膨胀变形量增加。随着时间的增加，当第1粉质黏土层厚度增加时，该土层的最终变形量也相应地增加；其他土层厚度的增加对该土层最终变形量的影响较小。