哈爾濱市區(qū)地面沉降量計(jì)算

哈爾濱市區(qū)地面沉降量計(jì)算

0發(fā)地面沉降問(wèn)題近年來(lái)，由于人類過(guò)度開采石油、天然氣、礦產(chǎn)和地下水，許多國(guó)家發(fā)生了嚴(yán)重的地下水位下降。特別是在主要城市過(guò)度開采地下水，導(dǎo)致地下水位下降和地下水位下降。主要表現(xiàn)為城市市政基礎(chǔ)設(shè)施、道路橋梁和地下管線等開裂、破損,并造成巨大經(jīng)濟(jì)損失,這一不良的地質(zhì)災(zāi)害引起各國(guó)高度重視。目前,對(duì)地面沉降定量性評(píng)價(jià)主要采用水準(zhǔn)測(cè)量,即設(shè)置永久性基巖標(biāo)定期進(jìn)行監(jiān)測(cè),但該方法成本高,且只對(duì)現(xiàn)狀進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)難以進(jìn)行預(yù)測(cè)和量化評(píng)價(jià)。筆者針對(duì)哈爾濱市區(qū)地面沉降特點(diǎn),結(jié)合巖土工程地質(zhì)條件,采用分層總和的計(jì)算法對(duì)地面沉降量進(jìn)行計(jì)算,從而定量評(píng)價(jià)出哈爾濱市地面沉降幅度和發(fā)展趨勢(shì)。1地下水位持續(xù)下降地面沉降產(chǎn)生的原因很多,有自然因素和人類活動(dòng)因素,如:新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、火車行車震動(dòng)等外動(dòng)力作用和地表面負(fù)荷增加等。特別是由于大量抽取地下水,地下水位大幅度下降,至使上部易壓縮黏性土中的孔隙水排出,進(jìn)而引起土層的固結(jié)壓縮,這是地面沉降最常見的原因。據(jù)統(tǒng)計(jì),國(guó)外有許多城市由于開采地下水而造成地面沉降,如:美國(guó)的長(zhǎng)灘市下沉了9.5m,日本的東京市下沉了4.6m,大阪下沉了2.88m,墨西哥城下沉了6m;中國(guó)的上海市從1921年至1965年共下沉了2.37m,而天津、蘇州、西安、太原及臺(tái)北等城市,相繼出現(xiàn)地面下沉、地面開裂和塌陷。哈爾濱市區(qū)地下水位下降始于20世紀(jì)70年代。隨著地下水開采量的不斷增加,地下水位持續(xù)下降,到1980年形成了以重型機(jī)器廠和罐頭廠為中心的地下水降落漏斗,面積近100km2。1995年漏斗中心水位與1965年相比下降了27.36m,漏斗面積達(dá)300km2(圖1)。漏斗中心區(qū)主要分布在北起省政府,南至綜合牧場(chǎng),東接黑龍江大學(xué),西到大房身的區(qū)域內(nèi),面積近100km2。由于地下水位的持續(xù)下降,破壞了地下水天然流場(chǎng),導(dǎo)致地下水力特征由第四系承壓水轉(zhuǎn)為層間無(wú)壓水。在含水層上部黏性土中分布的孔隙裂隙潛水(上層滯水),已全部疏干。根據(jù)有效應(yīng)力原理,當(dāng)含水層水位下降時(shí),會(huì)引起土層中孔隙水壓力降低,顆粒間有效應(yīng)力增加,導(dǎo)致地下水上覆土體釋水和自重壓密,最終引起地面沉降。2地下水位監(jiān)測(cè)自1980年起,哈爾濱市區(qū)部分建筑物出現(xiàn)了不同程度變形,為查清這一問(wèn)題,黑龍江省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站于1985年對(duì)漏斗中心50km2范圍內(nèi)進(jìn)行了地面沉降痕跡調(diào)查,結(jié)果發(fā)現(xiàn)某些建筑物及地下管線出現(xiàn)開裂、裂縫、彎曲、斷裂和變形等現(xiàn)象。1994年進(jìn)行新一輪的調(diào)查,除對(duì)上次調(diào)查的建筑物進(jìn)行回訪外,調(diào)查范圍擴(kuò)大到100km2,主要包括動(dòng)力區(qū)、南崗區(qū)和香坊區(qū)(表1)。調(diào)查結(jié)果表明,建筑物變形時(shí)間主要發(fā)生在1980—1990年間,而且1980以前建成的建筑物發(fā)生變形的時(shí)間主要是在1980—1983年間。這與地下水位降落漏斗形成時(shí)間大體一致,而且,建筑物變形主要分布漏斗區(qū)內(nèi),且漏斗中心地帶變形強(qiáng)烈,向外變輕,漏斗區(qū)外未發(fā)現(xiàn)變形產(chǎn)生。因此,地下水位下降而導(dǎo)致上覆土層釋水、壓密、變形,是產(chǎn)生地面沉降的重要原因。3計(jì)算和預(yù)測(cè)地面沉降3.1計(jì)算公共格式采用分層總和法。(1)粘性土和沉積物S∞=αV1+e0Δp?ΗS∞=αV1+e0Δp?H(1)(2)地基孔隙比mpaS∞=ΔΡ?ΗES∞=ΔP?HE(2)式中:S∞為最終沉降量(cm);αV為黏性土或粉土的壓縮系數(shù)或回彈系數(shù)(MPa-1);e0為原始孔隙比;ΔP為水位變化施加于土層上的平均荷載(MPa);H為計(jì)算土層厚度(m);E為砂土的彈性模量(MPa)?？偝两盗康扔诟魍翆映两盗康目偤汀?3)土的固結(jié)度u計(jì)算St=S∞×U(3)其中:U=1-8π2(e-Ν+19e-9Ν+125e-25Ν+?)(4)U=1?8π2(e?N+19e?9N+125e?25N+?)(4)Ν=π2CV4Η2×tN=π2CV4H2×t(5)式中:St為預(yù)測(cè)某時(shí)刻七月以后的土層變形量(mm);U為固結(jié)度(%);T為時(shí)間(月);N為時(shí)間因素;CV為固結(jié)系數(shù)(mm2/月);H為土層的計(jì)算厚度(mm)。3.2參數(shù)的確定(1)超固結(jié)或半固結(jié)狀態(tài)含水層上覆黏性土層為中、晚更新世粉質(zhì)黏土和黃土狀亞黏土,屬超固結(jié)或半固結(jié)狀態(tài)。根據(jù)熱電廠工程地質(zhì)勘察資料,采用時(shí)間平方根法計(jì)算,用對(duì)數(shù)法驗(yàn)證并取各層平均值:黃土狀土為2.0×10-3mm2/s,粉質(zhì)黏土為3.0×10-3mm2/s。(2)間隙比e0根據(jù)野外勘探所取得同一巖層不同深度孔隙比實(shí)測(cè)值(表2),經(jīng)參數(shù)變異性計(jì)算和統(tǒng)計(jì)修正系數(shù)計(jì)算,確定出每層土中孔隙比的標(biāo)準(zhǔn)值。土壤條件及f的計(jì)算fm=n∑i=1finбf=√1n-1[n∑i=1f2i-(n∑i=1fi)2n]式中:fi為每個(gè)樣品實(shí)測(cè)值;n為樣品個(gè)數(shù)。經(jīng)計(jì)算,黃土狀土fm=0.8098,бf=0.1556;粉質(zhì)黏土fm=0.705,бf=0.1149。非相關(guān)型為0.5.相關(guān)系數(shù)n的計(jì)算δ=σVfmσV=σf√1-γ2式中:σV為剩余標(biāo)準(zhǔn)差;γ為相關(guān)系數(shù);非相關(guān)型γ=0。計(jì)算得,黃土狀土δ=0.1922,屬變異性底;粉質(zhì)黏土δ=0.163,屬變異性底。粉質(zhì)黏土品質(zhì)fΚ=γS?fmγS=1+(1.704√n+4.678√n2)δ式中:fm為參數(shù)平均值;γS為統(tǒng)計(jì)修正系數(shù)。經(jīng)計(jì)算,黃土狀土統(tǒng)計(jì)修正系數(shù)γS=1.1126,fK=0.9009;粉質(zhì)黏土γS=1.1548,fK=0.814。最終確定孔隙比黃土狀土為0.901,粉質(zhì)黏土為0.814。(3)上分層開采試驗(yàn)根據(jù)實(shí)測(cè)資料的平均值,對(duì)照周圍勘探孔取樣分析及靜力觸探資料,并參考已有經(jīng)驗(yàn)值,上部黃土狀土為0.045cm2/kg(埋深0～18.0m),下部粉質(zhì)黏土為0.039cm2/kg(埋深18.0～45.0m)(4)地層網(wǎng)狀剖面根據(jù)漏斗中心重型機(jī)器廠(H74)和菅草嶺(H53)監(jiān)測(cè)井的地層柱狀剖面(圖2、3)黃土狀土釋水厚度2.0m,粉質(zhì)亞黏土厚8.0m,中粗砂層厚17.44m。(5)充填土粉質(zhì)黏土及砂層參數(shù)計(jì)算ΔP=H0(γ土-γ水)式中:ΔP為平均荷載;H0為各釋水土層厚度;γ土為土的容重,取1.95g/cm3;γ水為水的容重,取1g/cm3。計(jì)算結(jié)果:重型機(jī)器廠:ΔP黃土狀土=200(1.95-1.00)=190×10-3kg/cm2ΔP粉質(zhì)黏土=800(1.95-1.00)=760×10-3kg/cm2ΔP砂層=1744(1.94-1.00)=1639.36kg/cm2菅草嶺:ΔP黃土狀土=472(1.95-1.00)=448.4×10-3kg/cm2ΔP砂層=2813.2(1.94-1.00)=2644.41kg/cm2(6)時(shí)間202000采用t的變形量根據(jù)地面沉降痕跡調(diào)查結(jié)果,產(chǎn)生沉降時(shí)間從1980年起至1995年末止,所以按1995年末到2000年末隨時(shí)間所產(chǎn)生的變形量,即t=60(月)(7)砂層彈性模量e依波速測(cè)量資料,并經(jīng)考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定砂層彈性模量為1×10-4kg/cm2。3.3黃土狀土固結(jié)度依(1)和(2)式分別計(jì)算土層沉降量為:重型機(jī)器廠:黃土狀土:S∞=0.045cm2/kg1+0.901×190×10-3kg/cm2×200=0.899cm粉質(zhì)黏土:S∞=0.039cm2/kg1+0.814×760×10-3kg/cm2×800cm=13.07cm砂土:S∞=1.63936kg/cm2×1744cm1×10-4kg/cm2=0.286cm菅草嶺:黃土狀土:S∞=0.045cm2/kg1+0.814×448.4×10-3kg/cm2×472=5.25cm砂土:S∞=2.644kg/cm2×2813.2cm1×10-4kg/cm2=0.745cmS合=S100+S200=5.995cm依(4)和(5)式計(jì)算固結(jié)度重型機(jī)器廠:時(shí)間因素:黃土狀土Ν1=π2×2.0×10-3×2.59×104cm2/月4×(200cm)2×60月=0.1917粉質(zhì)黏土Ν2=π2×3×10-3×2.59×104cm2/月4×(800cm)2×60月=0.079固結(jié)度:黃土狀土U1=0.315;粉質(zhì)黏土U2=0.099菅草嶺:時(shí)間因素:黃土狀土Ν=π2×2.0×10-3×2.59×104cm2/月4×(472cm)2×60月=0.0344固結(jié)度:U=0.134依(3)式可計(jì)算出土層受時(shí)間影響產(chǎn)生的沉降量,即:重型機(jī)器廠:黃土狀土St1=0.899cm×0.315=0.283cm粉質(zhì)黏土St2=3.07cm×0.099=1.294cm菅草嶺:黃土狀土St=5.25cm×0.0344=0.704cm菅草嶺總沉降量:S合+St=5.995+0.704=6.669cm重型機(jī)器廠總沉降量:S總+St1+St2=14.255+0.283+1.294=15.832cm4量和消耗量均衡為進(jìn)一步驗(yàn)證地面沉降量計(jì)算的準(zhǔn)確性,對(duì)漏斗區(qū)(沉降區(qū))范圍內(nèi)的地下水資源量進(jìn)行均衡分析。均衡區(qū)面積190km2,均衡時(shí)段為2000年,均衡項(xiàng)中補(bǔ)給量包括大氣降水入滲量(Q降)、地下水側(cè)向徑流量(Q側(cè))、管網(wǎng)滲漏量(Q管滲),消耗量主要為人工開采量(Q開)。均衡方程:μFΔΗΔΤ=(Q降+Q側(cè)+Q管滲)-Q開式中:μ為含水層給水度;ΔH為均衡時(shí)段內(nèi)含水層水位變幅(m);ΔT為均衡時(shí)間(a);F為均衡區(qū)面積(km2)。計(jì)算結(jié)果表明,均衡區(qū)內(nèi)地下水呈負(fù)均衡,虧損量為1228.94×10