基于DFOS的通州湾地区地面沉降监测与变形分析_卢毅.pdf

第 卷第 期 年 月河 海 大 学 学 报（自 然 科 学 版）（）：基金项目：江苏沿海地区综合地质调查项目（）；国家自然科学基金（）；中央高校基本科研业务费专项（）作者简介：卢毅（），男，正高级工程师，博士，主要从事地质灾害监测研究。：通信作者：刘瑾（），女，教授，博士，主要从事地质灾害监测与环境地质工程研究。：引用本文：卢毅，宋泽卓，刘瑾，等基于 的通州湾地区地面沉降监测与变形分析河海大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：基于 的通州湾地区地面沉降监测与变形分析卢 毅，宋泽卓，刘 瑾，卜 凡，祁长青（自然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；河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京）摘要：以江苏省通州湾地区 钻孔为研究对象，建立了地面沉降（）系统，对该地区第四纪沉积层的变形及地面沉降进行长期监测，并依据监测数据对该地区地面沉降的现状和趋势进行分析。结果表明：该地区目前的主要变形来源为抽水层上部承压含水层组垂向释水造成的土层压缩变形，地层整体呈压缩趋势，且各压缩层变形与地下水水位变化规律密切相关；相较于传统分层标，技术能够更加精细化地测量土层垂向的压缩 回弹变形。关键词：地面沉降；沉积层；通州湾地区中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，（），；，）：，（），：；地面沉降是指在自然和人为因素的作用下，地面表层土体发生压缩而导致的地面高程降低的一种地质灾害。造成地面沉降的原因主要有地质构造运动、地震以及人类活动等，其中，由于过度开发地下水资源而造成的地面沉降成为当前地面沉降最为直接的诱因。易发性、渐进性、滞后性、不均匀性及不可逆性等特点也使得地面沉降一旦发生便难以修复，对人民的生产、生活造成巨大的损失。年，墨西哥首都墨西哥城由于盲目地大量开采地下水，形成了前所未有的大面积地面变形区，这是世界上最早发生该类地质灾害的地区。我国也是饱受地面沉降灾害的国家之一。自 世纪 年代开始，长江三角洲主要城市以及天津市平原区、华北平原东部等地区相继发生了较大规模的地面沉降。据相关部门调查统计发现，由于地面沉降而遭受的直接、间接经济损失累积约为 千亿元。国内外有关学者早期通过分层标和基岩标测量、水准测量、测量等传统监测技术，以及空间对地监河 海 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷测方法 合成孔径雷达干涉测量（）技术对地面沉降进行监测。近年来，分布式光缆监测技术以其空间分辨率高、精度高、重复性高等优点开始应用于地面沉降监测。该技术以光作为载体、光纤作为媒质进行感知和传输外界信号，通过在地层中设置感测元件，从而获取地面沉降过程中的空间动态变化以及随时间变化的信息。王德洋等的研究结果论证了该技术在地面沉降监测领域具有良好的应用前景。利用获取的监测数据分析地面沉降的变形发展趋势对控制地面沉降的发展、制定合理的地下水开采规划至关重要，目前常用的方法主要包括数理统计法、数值计算法和准三维计算法等。这些方法受限于地面沉降研究的深度以及相关计算的精细度，计算过程复杂且结果存在着一定的不足。本文以江苏省通州湾地区 钻孔为研究对象，通过安装在钻孔中的分布式传感光纤，建立地面沉降分布式光纤感测（，）系统，对该地区第四纪沉积层的变形及地面沉降进行长期的监测，对获得的钻孔断面土层变形分布式信息进行解译，分析该地区地面沉降的现状和趋势。区域概况主要研究区位于江苏省南通市通州湾地区（通州湾小洋口），属亚热带海洋性季风气候区，受海洋的调节和季风环流的影响，四季分明。研究区地势平坦，从西南略向东南倾斜，西北部高程为 ，东南部高程在 左右；主要地貌为典型的滨海平原，分属三角洲平原区、海积平原区和古河汊区 种类型。年以前，该地区的地面沉降量较小，累积沉降量小于 。随着地表水污染的加剧和城市发展对水资源需求的增加，地下水开采严重，导致该地区地面沉降加剧，局部沉降速率达 。图 研究区钻孔位置 据此，在通州湾地区设置监测地面沉降的钻孔，其地理坐标为、（图），孔深为。根据钻孔编录信息和已有研究资料，并依据钻孔土样的埋藏条件和水理特征，将该地区第四纪沉积层划分为 个潜水含水层、个承压含水层组和 个半固结层，具体含水层划分如表 所示。因潜水含水层及第 承压含水层组水质较差，多为咸水或半咸水，利用价值不大，目前开采较少。该地区地下水开采层次以第 承压含水层组为主，其次为第、两个承压含水层组，第承压含水层组开采利用较晚，且勘察研究程度较低。根据长期观测资料显示，该地区主要的地下水补给源为大气降水。表 通州湾地区含水层划分 地层深度范围 含水层（组）分布组层土性平均孔隙比第承压含水层组第承压含水层组第承压含水层组第承压含水层组第承压含水层组潜水含水层亚黏土、亚砂土、粉砂隔水层（）亚黏土含水层（）细砂、粉细砂隔水层（）亚黏土、粉土含水层（）粉细砂透水层（）亚黏土、黏土含水层（）粉细砂、中细砂、中粗砂隔水层（）黏土、亚黏土含水层（）粉细砂、中粗砂隔水层（）黏土含水层（）粉细砂隔水层（）黏土、亚黏土含水层（）含砾中细砂隔水层（）黏土、亚黏土半固结层（）固结成岩 注：表示弱透水层，表示含水层。第 期卢 毅，等 基于 的通州湾地区地面沉降监测与变形分析图 通州湾地区地面沉降 监测系统示意图 监测方案根据通州湾地区的地层分布情况及土壤特性，设计了与之匹配的 监测系统，具体的监测方案如图 所示。为了获取各地层准确的变形数据，选择了 定点光缆作为监测使用的分布式感测光缆。该光缆采用独特的内定点式设计，可以实现空间非连续、非均匀应变的分段测量。光缆直径为，定点点距为 ，纤芯数量为，具有极好的机械性能和抗拉、抗压性能，能与岩土体、混凝土等结构很好地耦合。本文使用的分布式光纤监测仪为中国电子科技集团公司第四十一研究所生产的 型分布式光纤应变测量仪，其最大动态监测范围为 ，应变测量范围为.，应变测量精度为。除此之外，通州湾地区地面沉降 监测系统也利用 传感器对地层中的其他信息进行捕捉和测定。系统在 处分别设置一个 渗压计，以监测承压含水层孔隙水压力的变化。由于地表 以下的地温与地表温度存在较大的差异，因此在 处设置一个 温度计对应变光纤进行温度的修正。待封孔材料与周围土体耦合稳定后，地面沉降 监测系统开始数据采集。一共进行 次数据采集，每次数据采集时间间隔 月，各个时间点数据分别记录为。其中，、以及位于春夏季，、位于秋冬季。图 通州湾地区监测期内应变随深度分布曲线 监测结果与分析 应变监测结果通州湾地区地面沉降监测以进行温度补偿后的初次监测数据作为基准值，其后各监测期内获取的应变与基准数据的差即为该监测期内的应变，如图 所示。由图 可知，总体上应变变化明显的区域有两个，分别为深度 的区段和深度 的区段，其余区段整体上应变的变化趋于稳定，存在一定的尖峰式波动，变化范围较小。对于深度 的区段，应变最大值在 左右，变化范围为（），光缆处于拉伸状态。其原因主要归结为地表温度的变化。图 为地表 处光缆应变的变化。由图 可知，河 海 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷图 通州湾地区地表 处光缆应变的变化 当地表温度升高时，光缆监测到的应变值也随之增大；当地表温度下降时，光缆监测到的应变值则随之减小。这种由于地表温度变化导致光缆应变的变化随着深度的增加而逐渐减小。对于深度 的区段，应变呈现正向的两个尖峰状，最大应变值在（）范围，光缆呈现拉伸状态。该区段内的土层位于通州湾地区的半固结层（）上部，随着时间的推移，半固结层逐渐由半固结状态向固结状态转变。在该转变过程中，半固结层中的水分被逐渐排出。这部分水分被半固结层上部的土层（深度 的区段）吸收，从而使得该区段土层的孔隙水压力增大，有效应力减小，在光缆应变数据中表现为正应变。分布式光缆监测到的通州湾地区的应变数据符合有效应力原理。根据有效应力原理，含水层中的水分发生流失时，其孔隙水压力减小，有效应力增加，土层发生弹性变形及一定程度的塑性变形，出现压密现象；反之，当含水层中的水分增加时，其孔隙水压力增加，有效应力减小，土层出现回弹现象。当与隔水层邻近的含水层中的水分流失时，隔水层会向含水层垂向排水，该现象会导致隔水层压缩、固结进而形成不可逆的沉降变形。土层的压缩在应变监测数据上表现为负应变，土层的回弹表现为正应变。由于通州湾地区上部地层平均厚度较小，难以发生大规模的压缩或回弹，在应变监测数据上表现为小范围的尖峰式波动；下部地层平均厚度较大，但由于深度较深，地下水开采难度大，故该部分地层变形较小。分布式光缆轴向变形量可以根据其轴向应变值沿着光缆的轴向进行累加获得。对图 中的应变按式（）计算可获得通州湾地区不同深度土层的变形量：（）（）|（）图 通州湾地区累积变形量随时间变化曲线 式中：为分布式光缆在 与 两位置之间的变形量；（）为 与 之间各应变测量点的应变值，；为定积分计算中变量的下标；为 与 两位置的分布式光缆进行 等分。图 为通州湾地区累积的变形量随时间变化曲线。由图 可知，随着时间的不断推移，通州湾地区地面沉降呈发展的趋势，地层的压缩变形仍旧在发生。图 中存在着两个地层压缩 回弹的循环，产生这种循环的主要原因为地下水位的波动。在夏季，地下水开采量较大，土层发生压缩变形；在冬季，地下水开采量较小，土层发生回弹变形。除此之外，在第 个压缩 回弹循环中，土层的回弹量大于压缩量，这主要是由于监测开始的时间较晚，在监测开始之前的数据无法获取。在第 个压缩 回弹循环中可以观察到土层的回弹量小于压缩量，说明该地区的地面沉降呈现继续发展的趋势。各地层变形趋势分析根据表 中通州湾地区含水层的划分、图 地层的应变及式（）计算各含水层的变形量，其结果如图 所示。由图 可知，除去潜水层、第承压含水层组、第承压含水层组和半固结层（）之外，各土层的沉降量大多集中在 范围内，随时间呈现出波动的趋势。潜水层、第承压含水层组、第承压含水层组和半固结层（）随时间变化的幅度较大，变化范围为。对比四者的数值可以发现，第承压含水层组为该地区最主要的变形地层。通州湾地区地面沉降 监测系统周围建设有一套完整的分层沉降标，沉降标标底距离地面的距离分别为 、和 ，即沉降标分别位于潜水含水层、及 中。将沉降标监测到的数据与其所在地层分布式光缆得到的变形量数据进行比对，其结果如图 所示。由图 可知，各地层分布第 期卢 毅，等 基于 的通州湾地区地面沉降监测与变形分析图 通州湾地区各含水层变形量 图 通州湾地区各地层沉降标变形数据与分布式光缆变形量数据对比 式光缆得到的变形量数据与沉降标获得的数据随时间呈现大致相同的变化趋势，两者之间的绝对差值在.左右，说明分布式光缆监测与传统地面沉降监测方法获得的结果具有一致性，但分布式光缆的结果在剖面上显示更加精细化。地面沉降与地下水位变化关系地下水位的变化是影响江苏省沿海地区地面沉降最重要的因素，地面沉降的产生与发展都与地下水的开采存在着密切的关系。图 为通州湾地区各地层变形量与主要抽水层水位间的关系。由图 可知，主要抽水层的水位在整个监测周期内经历了两次下降升高的过程，造成这种现象的主要原因为地下水的抽取。和两个监测时间位于秋冬季节，地下水抽取量较少，地下水水位抬升，其余监测时间位于春夏季节，地下水抽取量较大，地下水水位下降。图（）反映了隔水层变形量与主要抽水层水位变化的关系。、和 在整个监测周期内变形量趋向于，、和 在整个监测周期内存在一定的变形量，但数值较小。对于 和，两者厚度均较小，且两者的平均孔隙比相对较小（表），变形可能性也相对较小。对于、和，三者虽然厚度较大，但其与主要抽水层的距离较远且平均孔隙比相对较小（表），变形量也相对较小。由于临近主要抽水层，且其具有较大的平均孔隙比与厚度，从而造成 变形量较大，同时，的变形随着时间的变化呈现压缩 回弹的循环趋势。虽然临近主要抽水层 和，但由于河 海 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷图 通州湾地区各地层变形量与主要抽水层水位间的关系 自身平均孔隙比和厚度较小，因此变形量相对较小。图（）反映了含水层变形量与主要抽水层水位变化的关系。和 的变形量趋向于，这主要是因为 和 不