沧州地区土层固结特征与地面沉降临界水位研究.pdf

DOI：10.16030/ki.issn.1000-3665.202208040王云龙，陈晔，郭海朋，等.沧州地区土层固结特征与地面沉降临界水位研究 J.水文地质工程地质，2023，50(4):185-192.WANG Yunlong,CHEN Ye,GUO Haipeng,et al.A study of the critical groundwater level related to soil consolidation characteristics ofland subsidence in CangzhouJ.Hydrogeology&Engineering Geology,2023,50(4):185-192.沧州地区土层固结特征与地面沉降临界水位研究王云龙1,2，陈晔3，郭海朋1,2，孟静4，王海刚1,2，臧西胜1,2，朱菊艳1,2（1.河北沧州平原区地下水与地面沉降国家野外科学观测研究站,河北 沧州061000；2.中国地质环境监测院,北京100081；3.中国地质大学（北京）水资源与环境学院，北京100083；4.中国地质科学院地质力学研究所,北京100081）摘要：沧州市长期以来面临严重的地面沉降问题，在控制沉降发展的前提下，为合理利用地下水资源，需要确立开采水位埋深警戒线。针对地面沉降综合防治如何确定临界水位这一科学问题，以沧州 3 个典型沉降区土样为研究对象，分析了地层固结特征，通过关联地层厚度的方式改进了以先期固结压力求解临界水位的方法，结合多年来地面沉降与地下水水位监测数据，对沧州市临界水位进行了综合定量评估。研究表明：沧州地区 0 150 m 以内多为正常固结或欠固结土，150 m 以下普遍为超固结土，非弹性释水变形是影响该地区地面沉降速率变化的重要因素。运用改进后的方法计算出沧州市区、肃宁县及东光县的临界水位埋深分别为 66.8，67.5，67.8 m。综合分析沧州市区累计地面沉降与地下水水位变化资料，得出两者之间的指数函数关系，并以沉降速率为指标，求得 6570 m 为沧州市区临界水位区间范围。在验证了两种方法计算结果一致性的基础上，最终将 65 m 作为沧州市区采取地面沉降防控措施的参考临界水位，为地方政府制定合理的地下水开采方案提供可靠依据。关键词：沧州；地面沉降；临界水位；超固结土；形变机理中图分类号：P642.26 文献标志码：A 文章编号：1000-3665（2023）04-0185-08A study of the critical groundwater level related to soilconsolidation characteristics of land subsidence in CangzhouWANG Yunlong1,2，CHEN Ye3，GUO Haipeng1,2，MENG Jing4，WANG Haigang1,2，ZANG Xisheng1,2，ZHU Juyan1,2（1.Hebei Cangzhou Groundwater and Land Subsidence National Observation and Research Station,Cangzhou,Hebei061000,China；2.China Institute of Geo-Environment Monitoring,Beijing100081,China；3.School ofWater Resources and Environment,China University of Geosciences（Beijing）,Beijing100083,China；4.Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing100081,China）Abstract：Land subsidence has become a serious issue in Cangzhou for a long time.In order to make reasonableuse of groundwater resources,it is necessary to establish a warning groundwater level under the premise ofcontrolling the development of land subsidence.How to quantitatively determine the critical gorundwater level(CWL)for comprehensive control of land subsidence?In allusion to this scientific problem,this paper takes the 收稿日期：2022-08-16；修订日期：2022-12-04投稿网址：基金项目：国家自然科学基金项目（41877294）；中国地质调查局地质调查项目（DD202304039；DD20190679；DD20160235）第一作者：王云龙（1984-），男，硕士，高级工程师，从事地面沉降与地裂缝等地质灾害防治研究工作。E-mail：通讯作者：郭海朋（1979-），男，博士，教授级高工，从事水文地质与地面沉降调查研究工作。E-mail： 第 50 卷 第 4 期水文地质工程地质Vol.50 No.42023 年 7 月HYDROGEOLOGY&ENGINEERING GEOLOGYJul.，2023soil samples of three typical settlement areas in Cangzhou as the research object,and analyzes the formationconsolidation characteristics.By correlating the stratum thickness,we improve the method of calculating the CWLwith the previous consolidation pressure.Based on the monitoring data of land subsidence and groundwater levelin Cangzhou for many years,the comprehensive quantitative evaluation of the CWL in Cangzhou are carried out.The results show that the soil within a depth ranging from 0 to 150 m in Cangzhou is normally consolidated orunder-consolidated,and the soil below the depth of 150 m is generally over-consolidated.The inelastic waterrelease deformation is an important factor affecting the change of land subsidence rate in this area.Using theimproved method,the CWL in Cangzhou,Suning and Dongguang is 66.8 m,67.5 m and 67.8 m,respectively.Based on the data of the cumulative land subsidence and groundwater level change in the urban of Cangzhou,weobtain the exponential function relationship between the cumulative land subsidence and groundwater level.Thesubsidence rate is taken as the index,and the critical groundwater level in the urban of Cangzhou ranges from 65to 70 m.On the basis of verifying the consistency of the calculation results of the two methods,we determined 65 mas the critical groundwater level for the prevention and control measures of land subsidence in Cangzhou.Theresults provide a reliable basis for the local government to formulate a reasonable groundwater exploitation plan.Keywords：Cangzhou；land subsidence；critical groundwater level；over-consolidated soil；mechanism ofdeformation 华北平原近年来因长期持续开采地下水资源，引发的地面沉降问题日益严峻。沧州市作为华北平原地面沉降典型地区，与 20 世纪 70 年代相比，地下水位平均下降了 80 m，地面平均沉降量为 2.4 m1。鉴于地面沉降发展的严峻形势，当地政府已采取了一系列限制地下水开采的措施。近年来，沧州地面沉降发展趋势有所减缓，故合理的调控地下水开采量，规划符合当地经济可持续发展的地下水水位，是沧州地面沉降防控工作的研究重点之一。区域地面沉降的发展与地下水开采之间存在密切联系，近年来国外学者通过对地下水位与沉降速率的相关性研究，提出一系列针对性的控沉方案2 5。Conway 等6在对亚利桑那州地面沉降研究中，提出了地下水位下降至 150 m 以下是导致该地区产生显著沉降与地裂缝的重要因素，Miller 等7通过对亚利桑那州 InSAR 监测数据的分析，研究了不同地下水位动态对该区域地面沉降的影响。华北平原持续开采地下水导致的地面沉降致灾过程具有持续性、渐进性的特点8，针对沉降发展规律，牛修俊91998 年提出了地面沉降防控中超固结地层临界水位的概念，并利用超固结值确定了天津第二承压含水层组的临界水位值。白晋斌等10通过对大量的室内试验和实测数据的分析，总结了天津地区新生界固结特征与地面沉降的关系。王家兵等11通过分析天津市地下水位和地面沉降监测数据，认为水位稳定在地面沉降临界水位附近，是深层地下水资源持续利用，控制地面沉降的有效措施。赵慧等12 13对西安地区地面沉降临界水位进行了研究并尝试利用超固结值计算临界水位，证明了不同土层的临界水位与储水系数存在关联。李国和等14在对京沪高速铁路沿线地面沉降的对比研究中，论证了地面沉降与地下水位呈线性相关的北京地区不存在明显临界水位，而呈指数相关的廊坊、沧州等地存在较明显的临界水位。姜媛等15借助北京顺义地区多年地下水位与地面沉降监测数据，从地面沉降速率阈值的角度定义了北京市地面沉降的控制水位。张文杰16通过分析沧州市地面沉降与开采地下水关系，论证了地面沉降量在时空分布上与地下水开采量基本一致，且地面沉降速率与地下水位呈明显的相关性。2004 年，邢忠信等17根据沧州市地下水位与地面沉降量相关性确立了地下水警戒水位值和限制降深值。如何定量确定临界水位，是近年来地面沉降防控探索的难点问题。本文通过分析该地区超固结地层变形机理，考虑不同地层固结特性，运用分层加权求和的