连云港徐圩地面沉降BOTDR监测与评价

刘苏平，施 斌，张诚成，顾 凯，孙梦雅，杨 鹏，卢 毅

(1.南京大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210023；2.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室(江苏省地质调查研究院)，江苏 南京 210049)

地面沉降是我国沿海城市的主要地质灾害之一。在我国沉降幅度大于100 cm的城市中，沿海城市占75%[1]。沿海城市的地面沉降诱因有多种，外因包括沿海城市过度抽取地下流体、工程建设、地表动静荷载等，内因包括沉降区新构造运动、欠固结的厚层堆积物被压缩、海平面上升等[2～5]。

连云港市地处江苏省沿海东北部，第四系沉积物厚薄不一，地面沉降分布范围较广，沉降漏斗集中在灌云县、灌南县，各地最大累积沉降量在300～400 mm 之间，沉降速率超过20 mm/a[6]。徐圩镇位于两沉降漏斗的北西方向，位置靠近海堤，该地区广泛分布海相淤泥与淤泥质软土，并建有大量的海堤、沿海公路和圩田等基础建设[7～8]。虽然徐圩镇地理位置与沉降漏斗中心距离较远，但地面沉降的严重程度与沉降漏斗中心相近。已有学者发现沉降漏斗以外存在部分地区沉降速率异常，但相关监测信息很少[5]。

目前常规的地面沉降监测技术主要是全球定位系统(GPS)、合成孔径干涉雷达(InSAR)、精密水准测量、分层沉降标与基岩标等技术。但是，GPS、InSAR、水准测量等技术只能测量地表高程的损失，无法获取地表以下各层土体的沉降量；分层沉降标和基岩标等技术可以测量深层土体的变形量，但无法获取整个地层断面连续的变形分布，且施工成本较为昂贵。因此，学者[9～10]开始尝试采用一种分布式光纤感测技术—布里渊散射光时域反射测量技术(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry，BOTDR)获取钻孔内不同层位的土层的变形分布信息，并取得了成功[11～16]。

本文选取连云港市徐圩镇的127 m的钻孔作为监测孔，布设了分布式应变传感光缆，采用BOTDR技术对钻孔地层进行了全断面分布式精细化监测，获得了两年多的监测资料。在此基础上，对土层的沉降变形进行了评价，确定了该区地面沉降的主要层位，并分析了该区地面沉降的驱动因素。

1 钻孔地层岩性与分布

本次选取的钻孔位于连云港市连云区徐圩镇内。徐圩镇的海岸线长15 km，钻孔位置距离海岸线最短距离为4.7 km(图1)。试验采用钻机钻孔，钻孔在深度为127 m处开始出现片麻岩，最终成孔深度为127 m。

图1 地面沉降监测点位置图Fig.1 Location of land subsidence monitoring

依据钻取的岩芯资料以及当地地质调查资料，将该钻孔第四系含水层划分为4个承压含水层组(表1)，其中浅层地下水赋存于淤泥质黏土、亚黏土中，微咸水或半咸水居多。目前连云港市的地下水主要开采层为第 II、 III组含水层[5～6]。

表1 钻孔含水层组划分Table 1 Division of aquifer groups

2 BOTDR技术测量原理

2.1 BOTDR土体变形监测原理

BOTDR是一种利用自发布里渊散射现象进行应变测量的技术，其原理见图2。其中，布里渊频移变化量与光纤的温度、应变均具有线性关系，据此获取传感光缆轴向的应变信息[17～18]。

图2 BOTDR测试原理图Fig.2 Working principle of BOTDR

地面沉降监测变量为土体的竖向变形，包括压缩与回弹。通过将传感光缆垂直布设于地面沉降监测钻孔中，根据地层岩性选择合适的回填料，将钻孔封孔。随着深度增大钻孔中的侧向土压力会不断增大，传感光缆与土体的变形耦合作用越强，故当土体发生压缩或回弹，传感光缆就会协同发生轴向的压缩或拉伸。定期采集钻孔内的传感光缆数据，获取钻孔中传感光缆的应变增量，利用积分获取光缆的变形量，见式(1)，根据积分结果获取钻孔内土体的变形信息。

(1)

式中：ΔL——传感光缆l1处和l2处之间的轴向拉伸或收缩量/m；

ε(l) ——在传感光缆lm处的轴向应变；

d——传感光缆采集数据的步长/m。

2.2 传感光缆与土体耦合变形

直埋式布设的传感光缆与周围被测土体的变形耦合性是决定监测结果有效性的关键因素。Zhang C C等[19]使用了一种高围压下土体与光缆拉拔测试装置与变形耦合评价方法，利用图3所示的装置开展不同围压下的土样中的传感光缆拉拔试验。定义拉拔效率(k)为传感光缆应变积分值与拉拔位移值之比，利用k表示不同围压下的传感光缆与土体变形耦合效果。

图3 耦合装置示意图Fig.3 Test arrangement

Zhang C C等[19]的试验结果发现：松填砂土与传感光缆间耦合性强的临界围压为0.55 MPa，击实砂-黏混合土与传感光缆间耦合性强的临界围压为0.17 MPa。因此，在传感光缆监测过程中，对于耦合性较差的层位，可利用拉拔效率计算得出土体与传感光缆之间的相对错动距离，进而对直埋式传感光缆的监测数据进行修正。图4是耦合试验得出的不同围压下的光缆拉拔效率值。

图4 传感光缆耦合效果与围压关系Fig.4 Relationship between deformation coupling of optic cable and confining pressure

2.3 传感光缆应变数据修正方法

根据室内试验结果可知，当传感光缆埋设于一定深度处的土体中，土体中的围压会对传感光缆的测试效果产生影响。因此，分析深层土体中的传感光缆数据时，需要引入修正系数ks，修正不同围压下的传感光缆监测数据，见式(2)、(3)。

ΔLs=ks·ΔL

(2)

(3)

式中：ΔLs——土体中的传感光缆轴向拉伸或收缩量/m；

ks——传感光缆与土体变形耦合修正系数；

ki——围压为iMPa时传感光缆与土体的拉拔效率。

通过引入修正系数ks，对传感光缆监测数据进行修正，修正后的监测数据可以用于深层土体变形的监测与评价。

3 监测方案与结果

3.1 监测方案

在徐圩127 m深的钻孔成孔后，现场开始布设分布式应变传感光缆。通过采集传感光缆的应变分布，获取地表下岩土体变形分布信息，揭示地面沉降的发育机理。

试验选用地层定点双芯光缆作为应变传感光缆，其为局部定点松套光缆，可实现地层变形分段均一化测量和较大变形测量。为保证传感光缆能够在钻孔中竖直下放，将传感光缆固定在重力导锤上，导锤质量为15 kg，最终将导锤竖直放置于钻孔内。为防止传感光缆在下放过程中受不可控力破坏，本次传感光缆按“U”型布设，两段均可采集数据。当传感光缆垂直放置于钻孔之后，在钻孔端口处固定传感光缆，使传感光缆的首尾端保持固定位置。待传感光缆布设完成，根据钻孔取样的地层岩性在孔内回填相应的回填材料，通过分层回填来保证回填料与地层岩性相吻合[10]，如在黏土层回填主要成分为高岭土的黏土球，在砂层回填合适配比的砂-砾石-黏土球。钻孔内的回填材料固结完成后，定期对钻孔内布设的光纤传感器进行监测。徐圩钻孔具体的地层岩性和光缆布设方式如图5所示。

图5 徐圩地面沉降监测系统Fig.5 Monitoring system of land subsidence in Xuwei

3.2 监测结果

本试验应变监测仪器是ADVAN公司生产的ADVANTEST N8511型光纤应变解调仪，监测仪器采集步长为5 cm，空间分辨率为1 m，即每个数据点监测值为该1 m范围内的变形数据的综合反映。

徐圩钻孔的监测期从2015年6月27日开始，频率为每三四个月监测一次。2015年6月27日—2017年6月25日期间共监测9期数据，将2015年6月27日的测试数据作为初始数据，后续每一次的监测周期内传感光缆的应变量减去初始应变量，可绘制出每一期应变增量和深度的关系图(图6a)。每一期的钻孔内传感光缆监测的地层变形量可根据式(1)对传感光缆应变积分计算得出。将钻孔剖面数据按1 m点距进行平均处理，据此计算出钻孔全断面的土体沉降量分布信息(图6b)。作者尝试结合图4中的直埋式传感光缆在不同围压下的拉拔效率，根据式(2)、(3)，对连云港徐圩钻孔分布式传感光缆监测结果进行修正并绘制成图6c。

由图6(a)中的传感光缆应变分布图发现，在0～127 m深度范围内，传感光缆的应变增量主要分布在深度9.65～40 m段，传感光缆应变为负应变，且随时间增加传感光缆应变不断增大，即传感光缆受压应变，监测范围内的土体被压缩，且压缩量不断增大。图6(b)是传感光缆数据积分而得出的轴向位移量，即传感光缆监测得到的土体竖向的压缩或回弹，累积沉降量为39.18 mm。传感光缆在较低围压下需要进行根据修正公式进行修正，图6(c)是已经修正后的全断面的土体沉降分布信息，修正后累积沉降量达54.94 mm。其中，2015年沉降速率为29.46 mm/a，2016年沉降速率为25.47 mm/a，累积沉降量一直在增大，而沉降速率呈减小趋势。

4 分析与讨论

4.1 地下水

徐圩镇属于地下水正常开采区，开采的层位集中在第 II、III组含水层，开采的时间主要在6—10月[20]。根据钻孔各含水层位的顶底板深度，可获知各含水层组的土体变形信息(表2)。

监测数据显示，徐圩地区的地面沉降发育层位主要集中在I-1隔水层和I-2隔水层，监测期内的累计沉降量分别达38.62 mm、13.51 mm，各占总沉降量的70.29 %、24.59%。相邻的I-3含水层的累计沉降量为0.76 mm，仅占比1.38 %。第I含水层组内的土体沉降为主要沉降段，但是含水层的沉降量却远远小于隔水层的沉降量。这是由于当在含水层抽取地下水时，抽水含水层内的孔隙水压急剧下降，如果相邻隔水层为储水隔水层，内部的水也会向含水层流动，相邻隔水层也会发生失水产生固结压缩。

图6 钻孔剖面沉降图Fig.6 Subsidence of borehole profile

对于主要开采层位的第 II、III组含水层，由于开采量正常，未进行过度开采，该层位土体的沉降量在0～0.6 mm范围内。监测数据还显示，地下水开采层的沉降量在抽水期要稍高于其余时间段。因此，徐圩地区地面沉降的主导原因不是抽水层的压缩，而是隔水层的压缩，尤其是I-1隔水层和I-2隔水层。

为了更好地评价各含水层组的压缩潜力，定义单位厚度土体的压缩量为压缩度，据此评价各层压缩潜力。对于含水层，I-3=III-2>IV-2>II-2，沉降潜力均较小。对于隔水层，I-1>I-2> II-1=IV-1>III-1，其中第I含水层组的压缩潜力远大于其余含水层组，隔水层I-1和I-2隔水层的压缩潜力较其余隔水层位明显异常，因此需要对此层位进行精细分析。

表2 钻孔含水层组压缩度Table 2 Compaction of aquifer groups

4.2 地层岩性

基于BOTDR分布式光纤感测技术监测获取的徐圩钻孔中各层土体变形分布信息，结果显示该地区地面沉降主要是因为隔水层I-1和隔水层I-2段的土体被压缩。通过钻孔的编录结果发现，主要变形层位——隔水层I-1和隔水层I-2段的土体符合连云港地区海相软土地层特征，上覆硬壳层为填土(L1层，0～-3.1 m)，软土层为淤泥质黏土(L2层，-3.1～-18.6 m)，下卧层为亚黏土和亚砂土夹粉砂(L3层，-18.6～-23.1 m；L4层，-23.1 ～ -47.1 m)。将软土层的地层岩性与土体变形信息相结合，汇总成表3，其中土体发生沉降时的变形为负值，土体回弹时的变形为正值。

根据表3可知，L1层土体密实，近地表，易受地温场的影响和地表环境的干扰，在2 a的监测期内土体基本没有变形。L2层为淤泥质黏土，由于淤泥质黏土强度低、高压缩性，较易发生土体压缩，且在监测期内该层位的土体沉降明显，累积沉降量高达30.96 mm，占总沉降量56.35 %。L3层为亚黏土，是软土层的下卧层，累计沉降量为7.66 mm，占总沉降量的13.94 %；L4层为粉砂亚砂土互层，发生较大压缩，累计沉降量为13.51 mm，占整体变形量的24.59 %。根据各层土的压缩度，判定压缩潜力：L2>L3>L4，淤泥质黏土压缩潜力较大，易在环境影响下发生压缩，需要注意该层位土体的压缩。

表3 徐圩钻孔的软土层变形区Table 3 Main deformation zone in Xuwei

4.3 工程建设的附加荷载

根据钻孔编录结果可知，研究区软土层中淤泥质黏土层厚达15.5 m，该层淤泥质黏土对于工程建设产生较大影响，极易引发工程建设相关事故和地质灾害。

由于徐圩地区毗邻海堤公路，且周围工程建设较多，如房屋建设(地基、基坑等)、路基。工程建设对于地面沉降的影响主要包括两个方面：一是施工过程中地基处理、基坑降水、动静荷载等；二是工程运营过程中的附加荷载(上层建筑、复合地基)和动静荷载。

工程建设和运营过程中的附加荷载会加剧徐圩地面沉降的严重性和危害性，致使靠近海岸线的地区地面沉降发育情况严重时会与地面沉降漏斗中心相当。

5 结论

(1)BOTDR技术具有全分布的特点，可获取连云港徐圩地区127 m深钻孔全断面的土体变形信息，是一项可以精细化研究地面沉降发育的技术。

(2)徐圩钻孔内土体BOTDR监测结果显示，监测期内钻孔内土体的累积沉降量为54.94 mm，沉降速率为27.47 mm/a。该地区的地面沉降仍在持续，但沉降速率有所降低。

(3)徐圩地区含水层组土体的沉降量小于相邻隔水层土体的沉降量，且I-1隔水层和I-2隔水层的沉降量和沉降潜力远大于其他层组，是主要沉降层位。

(4)徐圩地区现阶段地面沉降主要层位的土体岩性是淤泥质黏土层(L2)，其压缩潜力极大。其相邻层位(L3、L4)的地面沉降量明显大于较远层位，而且软土层(L2、L3、L4)的累积沉降量占总沉降量的94.90 %。值得留意的是，区内的工程建设附加荷载也会加剧浅层位软土层的压缩。