宿州市地面沉降防治工程措施

柳 青

宿州市水利局水政水资源管理办公室,安徽宿州,234000

宿州市地面沉降防治工程措施

柳 青

宿州市水利局水政水资源管理办公室,安徽宿州,234000

地面沉降发展较为缓慢,短期内对生活影响不大。日积月累下,地面沉降超过一定的限度后,将破坏地下管道,铁路、公路安全受到威胁,房屋倾斜,必将严重制约城市建设和经济的发展。钻井勘探建立适合宿州市市情的基岩标志,监测地面沉降变化的数据,实施地面沉降防治工程措施,可大大缓解地面沉降的幅度和范围。对选取的基岩段进行水泥砂浆固井,把井管作为基岩标,并且基岩标建设可以实现对供水层水位与地面高程损失的同步监测,达到防治工程的要求。以宿州市地面沉降为案例,讨论了其防治工作的工程措施,以期为地面沉降防治工作提供参考。

宿州市;地面沉降;防治;工程措施;地下水

地面沉降是一种缓变性的地质灾害,是地球表面的海拔标高在一定时期内不断降低的环境地质现象,是人类过量开采地下油、气、水等资源,造成松散层固结压缩所致[1]。宿州市城市供水主要开采松散层地下水,每年城西水源地开采量达 5 000多万m3,现已形成多个地下水漏斗中心,局部地面沉降超过40 mm。主要供水水源地地处平原,距离山区远,地面高程因不断变化,测量缺少基准点,从市区北部山区引测距离远,难度大,费用高。

1 自然地理与地质背景

宿州地区属于暖温带半温润季风气候区,气候温和,季风明显,雨热同季,光照充足,雨量适中,无霜期长,四季明显。区内河流均属于淮河水系,主要河流为新汴河,河流自西部流经市区,转呈近东西向流出。工作区地形平坦,地势开阔,除东北部散布有海拔 50～300 m的剥蚀丘陵外,其余均为海拔 20～50 m的广阔平原。工作区地层属华北地层大区徐淮地层分区淮北地层小区,区内除缺少奥陶系上统至石炭系上统、第三系渐新统外,自上元古界至第四系均有发育。市区第四纪松散堆积物分布广泛,主要岩性为粘性土和砂性土,厚度 80～ 100 m,北薄南厚。

2 水文地质与工程地质条件

2.1 水文地质条件

2.1.1 含水岩组及特征

根据地下水贮存介质特征、含水孔隙的类型,将区域含水岩组划分为三种基本类型:松散岩类孔隙含水岩组、碳酸盐类裂隙岩溶含水组、碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组。

2.1.2 含水层组之间的水力联系

区域北部、东部地区浅层含水层组和深层第一含水层组之间发育有较厚的粘性土隔水层,层厚14.15～30.6 m,水量联系微弱。城西水源地含水砂层较发育,浅层含水层组和深层第一含水层组之间的粘性隔水层厚度仅 1.2～ 13.92 m,局部有天窗,水力联系密切。由于深层第二含水层组上部为一套厚大约 20～50 m的灰绿色、灰白色、棕红色粘土与深层第一含水层相隔,水力联系弱[2]。

2.1.3 地下水变化特征

区域地下水受宿州市深层地下水开采影响,浅层地下水、深层地下水均表现为人工开采状态下动态变化特征:(1)浅层地下水受深层地下水开采影响,形成北关一水厂、南关二水厂为中心的降落漏斗;(2)深层地下水受深层地下水开采影响,形成以北关一水厂、南关二水厂、东关三十三处为中心三个降落漏斗。

2.2 工程地质条件

水源地开采深度范围内主要为粘性土和砂型土构成的多层土体。根据其形成年代、地层岩性、固结程度、孔隙水压力变化,将水源地 100以内的土层划分为 7个工程地质层,各土层的主要物理指标见表1。

表1 水源地工程地质层及其主要物理力学指标

3 地下水开采与地面沉降

3.1 地下水开采

宿州市大量开采地下水始于上世纪 80年代,主要集中于宿州市一水厂、二水厂及东关三区段,开采层位主要是深层含水层,由于开采量大,上世纪 80年代先后形成了以一水厂、二水厂及三十三工程处为中心的三个深层地下水降落漏斗。1995年以来,北关一水厂、南关二水厂、东关三十三处仍是地下水开采中心,三个地下水降落漏斗持续发展。2006年,宿州市西北新区的建成,北关一水厂关闭,北关一水厂地下水漏斗在逐渐消失,但对地下水开采量却在持续增加,地下水水位也在持续下降[3]。

3.2 地面沉降情况

根据《安徽省宿州市水文地质工程地质环境综合详查报告》中二等水准测量结果,宿州市于上世纪90年代初已发生轻微地面下沉,截至到 1994年9月,宿州市城区及其附近地面累计沉降已超过 44.1 mm,年沉降速率(1993-1994年)超过 5 mm/a,但沉降范围已超出了当年的地下水漏斗边界,且沉降幅度与粘性土层厚度,地下水位下降幅度相关性不强,无规律可寻。

4 建立地下水监测井与基岩标

4.1 地段选择

4.1.1 选择原则

(1)选择水源地中心地段,便于对整个水源地进行监测网、点布设。另一方面是水源地中心地段水位降幅大,地面变形大,开展地下水位、地面变形同步监测,能够准确了解水源地最大水位变幅和最大沉降速率。

(2)选择具有一定厚度的含水层段,以便构筑监测井。

(3)选择基岩埋深不太深的地段,以便于构筑基岩标。

(4)选择具有“三通(水通、电通、路通 )一平(地面平整)”施工条件的场地[4]。

4.1.2 工作部署

(1)通过对资料分析,确定水源地中心地带;

(2)通过实地踏勘,查看场地施工条件,选择“三通一平”场地;

(3)通过开展物探工作,寻找含水砂层较厚地段与基岩埋深较浅地段。

4.1.3 工作实施

通过对资料分析研究,确定水源地中心地段;通过数次踏勘,最终选定宿城一中作为施工场地。

宿城一中场区范围内松散层中粉细砂普遍发育,粉细砂与粘性土互层,具有多元结构,其场区东北角及南侧粉细砂相对较为发育。

4.2 工程设计

4.2.1 总体设想

在资料研究和物探解译的基础上,圈定宜建设地段建井,100 m以浅沉井,对开采层段的地下水位进行监测,其下水泥砂浆固井,高强度钢管深入基岩不少于5 m;井口钢管磨平作为主标头,四周焊接三个副标头,主副标头保持在一个水平面。

4.2.2 设计依据

(1)《地下水监测规范》 SL/T183-96;(2)《水文观测标准》GBJ138-90;(3)《水文地质钻探规程》DZ/T0148-94;(4)《全球定位系统测量规范》GB/T18314-201;(5)《全球地定位系统城市测量技术规程》CJJ73-97;(6)《地面沉降水准测量规范》DZ/T0154-95;(7)《地面沉降监测技术要求》DD2006-02;(8)《测绘产品质量评定标准》CH1002-1995;(9)《测绘技术设计规定》CH1002-1999;(10)《国家一、二等水准测量规范》GB50026-97[5]。

4.2.3 设计方案

按照国家相关规范要求,基岩标构建需采用双层套管,内层套管坐落在基岩上作为测量标高,外层套管置于松散层中,随地层压缩下滑,保护内层套管不受地层变化影响,确保基岩标的精准度。

因宿州市城区地下水开采层位在 120 m以内,松散层厚度在 220 m左右,地层压力相对较小,基岩标可采用 DZ40高强度单层井管构建 120～ 250 m,采用钢筋混凝土固井。该井管顶部磨平作为基岩标,可设三或四个副标头,同时可实现对地下水位进行观测。

4.3 可行性

该设计未完全满足国家相关规范要求,但能够达到基岩标的效果,主要原因有:

(1)钢管坐落在基岩上,并深入基岩 5～ 10 m,确保钢管本身不会下沉,确保作为基岩表的精准度;

(2)该地段基岩埋深浅,200～ 250 m,开采层段又在100 m以内,100 m以下钢管、水泥、砂浆固井,地层压力不至于造成井管变形、破坏;

(3)该地段岩土主要是中低压缩性粘土、砂土,没有淤泥软土分布,不会出现像上海那样的井管倾斜变形等现象[6]。因此,基于以上分析,监测井兼基岩标是可行的。

4.4 工作过程及工作质量

4.4.1 工作过程

主要设备有:XY-4-4钻井一套、BW-600泥浆泵一台、30 kW发电机组一套;9 m3空压机、QJ150-32-7.5-65深井潜水泵。施工采用泥浆正循环取芯钻进,并根据地层情况确定终孔、成井、固井。第一阶段取芯钻探;第二阶段扩孔、下管、投滤料、封孔及固井;第三阶段洗井及抽水实验准备;第四阶段抽水实验。

4.4.2 工作质量

物探质量:物探采用成熟技术,重点对电测深异常点段进行质量检查,均方相对误差分别为2.28%、2.41%,满足《直流电法技术工作规范》的要求。

钻井质量:钻井安装做到三点一线,严格按技术规范要求取芯取样,施工工艺选择正确,层位划分准确,满足规范及设计要求。抽水实验严格按设计、规范要求进行,数据详实,成井质量优良。

5 结束语

宿州市城区水源地是维系宿州市城市建设与经济发展的重要保障,宿州市西向发展战略与城西水源地建设是矛盾的,一方面是城市建筑群加载和地下水位下降附加应力将导致地面下沉,另一方面地下水污染问题难以克服。因此,开展地面沉降监测预测、开展水源地建设与城市建设影响评估刻不容缓[7]。

基岩标建设可以实现对供水层水位与地面高程损失的同步监测,为宿州市城西供水水源地合理开发指明方向,为宿州市地面沉降提供科学依据[8]。

基岩标施工仅仅是地面沉降防治的第一步,应尽快建立沉降网络,定期开展测量,掌握地面滑降范围和沉降速率等基础数据,科学制定水源地开采方案和地面沉降防治方案。完善地下水监测网络,建立降水-地表水-地下水三水转换联合监测站,全面监控地下水流场变化。

[1]岳建平.城市地面沉降监控理论与技术 [M].北京:科学出版社,2012:110-115

[2]权文亚.宿州市水资源可持续利用初探 [J].科技创新导报,2011,8(3):15-16

[3]张生,洪城.宿州市水资源可持续利用研究 [J].宿州学院学报,2005(1):18-21

[4]刘毅.地面沉降研究的新进展与面临的新问题 [J].地学前缘,2001,8(2):22-25

[5]刘建航,侯学渊.基坑工程手册 [M].北京:中国建筑出版社,1997:25-36

[6]韩石忠.沉井和顶管施工中控制地面沉降的研究 [J].中国市政工程,2000,5(2):5-7

[7]陈崇希.关于地下水开采引发地面沉降灾害的思考 [J].水文地质工程地质,2001,6(4):25-31

[8]殷跃平,张作辰,张开军.我国地面沉降现状及防治对策研究[J].中国地质灾害与防治学报,2005,6(3):31-35

P642.26

A

1673-2006(2013)10-0051-03

10.3969/j.issn.1673-2006.2013.10.015

2013-08-30

柳青(1962-),安徽灵璧人 ,工程师,主要研究方向:地下水资源评价、水资源管理以及地下水系统分析与控制。

(责任编辑:汪材印)