北京南部沉降区黏土层变形特征和参数分析.pdf

高 校地质学报Geological Journal of China Universities2023 年 8月，第 29 卷，第 4 期，590-599页August 2023，Vol.29，No.4，pp.590-599 收稿日期：2021-07-30；修回日期：2021-08-22基金项目：本文为国家自然科学基金项目（批准号：41877180）；北京市财政项目（PXM2019_158305_000012）联合资助作者简介：尤斌昊，男，1995年生，硕士研究生，主要从事地下水和地面沉降数值模拟的研究；E-mail: *通讯作者：叶淑君，教授；E-mail:北京南部沉降区黏土层变形特征和参数分析尤斌昊1，叶淑君1*，田 芳2，罗 勇21.南京大学 地球科学与工程学院，南京 210023；2.北京市水文地质工程地质大队，北京 100195 摘要：北京地面沉降分南北两个大区，南部沉降区主要为礼贤榆垡沉降区，近年该区沉降速率加快，20172019年沉降速率达5075 mm/a，沉降呈现新的特征。文章基于该沉降区唯一的沉降观测站（榆垡沉降监测站）20112017年7年长时间序列的沉降和水位观测资料，首先系统分析了该地区地面沉降监测孔监测地层尤其是黏土层的变形特征，然后运用应力应变图解法和配线法计算该区黏土层的弹性贮水率、非弹性贮水率、垂向渗透系数和变形滞后时间。结果表明，各土层既有弹性变形又存在塑性变形，变形均以塑性变形为主，有明显的变形滞后性；但各土层在变形速率上呈现不同特征。图解法结果表明，第一和第二黏土层非弹性贮水率在1.4910-52.1010-5之间，弹性贮水率在3.9310-58.3810-5之间，非弹性贮水率为弹性贮水率的24倍，垂向渗透系数在6.2010-64.3910-5 m/d之间，土层变形滞后时间为2.112.8年。配线法估算出研究区浅部土层的贮水率在4.810-4左右，深部土层的贮水率在1.0810-42.0510-4之间，浅部土层的贮水率是深部土层的24倍，浅部土层垂向渗透系数比深部土层大12个数量级。关键词：地面沉降；黏土层；变形特征；水文地质参数；图解法；配线法中图分类号：P641 文献标识码：A 文章编号：1006-7493（2023）04-590-10Analysis of Deformation Characteristics and Parameters of Clay Layers in South Subsidence Area of Beijing YOU Binhao1，YE Shujun1*，TIAN Fang2，LUO Yong21.School of Earth Sciences and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210023,China;2.Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology,Beijing 100195,ChinaAbstract:The land subsidence in Beijing is divided into north and south areas,and the southern area mainly includes Lixian-Yufa subsidence zone.The subsidence rate in this area has accelerated in recent years and reached 50-75 mm/a during 2017-2019,showing new subsidence characteristics.Based on the subsidence and water level observation data of 7-year time series from 2011 to 2017 at Yufa Subsidence Monitoring Station,the only subsidence observation station in the south subsidence area.The deformation characteristics of soil layers,especially clay layers,are systematically analyzed.Then the elastic and inelastic specific storage,vertical hydraulic conductivities and deformation lag time of the clay layers are estimated by the stress-strain diagram method and the type curve method.The results show that there are both elastic deformation and plastic deformation in each soil layer,and the plastic deformation is the main deformation with obvious deformation hysteresis.However,the deformation rate of each soil layer presents different characteristics.The results of the stress-strain diagram method show that the inelastic specific storage of the first and second clay layers is between 1.4910-5 and 2.1010-5,the elastic specific storage is between 3.9310-5 and DOI:10.16108/j.issn1006-7493.2021083引用格式：尤斌昊，叶淑君，田芳，罗勇.2023.北京南部沉降区黏土层变形特征和参数分析J.高校地质学报，29（4）：590-599尤斌昊591尤斌昊等：北京南部沉降区黏土层变形特征和参数分析4 期8.3810-5,the inelastic specific storage is 2-4 times of the elastic specific storage,the vertical hydraulic conductivity is between 6.2010-64.3910-5 m/d,and the soil deformation lag time is 2.1-12.8 years.The specific storage of the shallow layers in the study area estimated by the type curve method is about 4.810-4,and that of the deep layer is between 1.0810-4 and 2.0510-4.The specific storage of shallow layer is 2-4 times of that of deep layer,and the vertical hydraulic conductivities are 1-2 orders of magnitude larger than that of the deep layers.Key words:land subsidence;clay layer;deformation characteristics;hydrogeological parameter;stress-strain diagram method;type curve methodCorresponding author:YE Shujun,Professor;E-mail: 1 引言过量开采地下水引起的地面沉降灾害在世界很多国家和地区发生。据联合国教科文组织地面沉降国际倡议 19 位研究人员 2021 年发表在Science期刊的最新研究表明；尽管在过去的一个世纪里，有包括中国在内的 34 个国家/地区报道了过量开采地下水引起的地面沉降区 200 多处，但实际发生地面沉降的区域远大于此；预测 2040 年全球潜在沉降面积增加 7%，影响 16 亿居民（Herrera-Garcia et al.,2021）。华北平原是目前中国地面沉降范围最广、沉降速率最快、危害最为严重的地区（Guo,2015;Ye et al.,2015）。截止 2015 年，华北平原沉降区面积达 8.57 万 km2，其中以京津冀地区表现最为突出（何庆成等，2006a,b;王云龙等,2018;李文鹏等，2021）。北京至 2016 年，最大累计沉降量达 1864 mm，最大年沉降速率超过 110 mm/a，地面沉降发育程度中到强区（累计沉降量大于 300 mm 或近 5 年沉降速率大于 10 mm/a）面积达 3405 km2，约占北京平原区面积的 55%（叶超等，2019）。北京平原区地面沉降发育南北分区明显，南部沉降区主要为大兴榆垡礼贤沉降区（周毅等，2016）（图 1），该沉降区形成于 20 世纪 70 年代后期，19552012 年最大累计沉降量达1137 mm，最大年沉降速率达 78.7 mm/a，目前仍处于快速发展时期（何庆成等，2006a,b;郭海朋等,2021），20172019 年沉降速率达 5075 mm/a（晏霞等，2021），表现出沉降速率加快，深层沉降贡献增加等特征（周毅等，2016;曹群等，2019;田芳等,2017;杨艳等，2021）。北京平原区地面沉降发展与黏性土可压缩层厚度显著相关（雷坤超等，2016;卢毅等，2019;赵亚丽等，2021）。同一地区，黏性土层单位沉降量是砂层、砂砾石层的 23 倍，地面沉降主要发生在黏性土层中（叶超等，2018）。大兴榆垡-礼贤沉降区地下水超采严重，开采量超过年平均可开采资源量 20%50%（叶超等，2018）。包含地下水流模型和沉降模型的区域地面沉降数值模型是实现地面沉降科学管控的手段（叶淑君等，2005;薛禹群等，2006;李文运等，2012;熊小锋等，2017;罗跃等，2018;Ye et al.,2018;杨蕴等，2019）。北京先后建立了多个地面沉降模型（崔亚莉等，2003;杨勇等，2010;孟世豪等，2021）。以往所建立的模型采用的弹性贮水率、非弹性贮水率、垂向渗透系数等参数取值多以经验值为准，导致模型存在一定的误差。土层变形特征是地面沉降机理研究的重要组成部分，也是构建地面沉降数学模型的基础。构建研究区地面沉降数值模型需要先厘清该区域黏土层变形特征（刘妍君等，2021），进而获取地面沉降模型涉及的水力学和土力学参数（董成志等，2017;孟世豪等，2021）。上海、苏锡常和天津地区地面沉降数据监测开始时间较早，前人根据这些地区的水位和沉降监测资料对土层变形特征和力学参数做了大量研究（叶淑君等，2005;张云等，2006;施小清等，2006;于军等，2007;罗跃等，2015;郭海朋等，2017）。已有学者对北京中东部地区的土层变形特征进行分析研究（周毅等，2016;杨艳等，2021;雷坤超等，2016;田芳等，2012;罗勇等，2011），但对北京南部沉降区的黏土层变形特征，尤其是水文地质参数研究甚少。构建地面沉降模型时最大的工作量是识别模型参数，而一个好的初始参数值可以很大程度降低模型参数识别的工作量。含水层的初始参数往往可以通过野外抽水试验获得较好的初始值，但抽水试验不适用于黏性土层。而黏性土层的水文地质参数对于构建反映