京沪高铁沿线某地地下水开采与地面沉降关系分析_胡卸文
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0 40 80 120 160 200 240 280 320 土层埋深/m
第 30 卷 第 9 期
胡卸文等：京沪高铁沿线某地地下水开采与地面沉降关系分析
• 1739 •
1引言
地面沉降是一种由多种因素引起的地面标高缓 慢降低的地质灾害现象，通常受人类活动和地质作 用控制，而其中过量抽取地下水则是最主要的原因 之一。地面沉降作为一种常见地质灾害，不同国家 学者对其成因、沉降量监测技术、沉降预测等领域 开展了广泛而深入的研究，但其中尤以地下水过量 开采最为普遍。H. Yazdani 等[1]提出了地下水位波 动导致黏土层有效应力发生变化，从而导致连续沉 降，并推导出考虑循环加载及土体的可压缩性和渗 透性变化的方程式，采用孔隙比–有效应力和孔隙 比–渗透系数之间的关系，分析黏土固结特性，通 过有限差分法分析预测地面沉降；T. J. Burbey[2]通 过对地面沉降诱发次生灾害研究，揭示地面沉降产 生的水平向应变在引发地裂缝变形时起到了关键作 用，并得出在局部差异沉降突出区域最易诱发地裂 缝，因此抽水引发的地裂缝区距离抽水中心区域较 远，且该区域地下水位降幅较小；S. A. Masoudzade 等[3]开展了地面沉降增大与非饱和渗流之间的一维 渗透分析，表明地下水位抬升仍然可能产生沉降， 主要是由于当水位抬升时在非饱和土层向下渗流的 水产生渗透力，从而使有效应力增加引发沉降。但 国内外以往对地面沉降的研究大多针对于某一区域 (如意大利拉韦纳[4]，墨西哥 Toluca 流域[5]以及国内 的华北平原及沿海软土地区等[6-14])，较少考虑区域 地面沉降对线状工程的影响。随着我国高速铁路建 设的快速发展，一些高铁线路不得不穿越原来地面 沉降较严重地区，因此区域地面沉降成为影响我国 高铁建设和安全运营的重大工程地质问题之一。
第 30 卷 第 9 期 2011 年 9 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.30 No.9 Sept.，2011
京沪高铁沿线某地地下水开采与地面 沉降关系分析
胡卸文 1，2，宋大各 1，王帅雁 1，李 扬 3，孙敏辉 4，钟生军 1，胡恒洋 5
(1. 西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031；2. 西南交通大学 抗震工程技术四川省重点实验室，四川 成都 610031； 3. 北京中交建设工程招标有限公司，北京 100101；4. 四川省蜀通岩土工程公司，四川 成都 610041； 5. 西南交通大学(峨眉校区) 土木工程系，四川 峨眉山 614202)
京沪高速铁路 DK119～DK123 段位于天津市 西青区杨柳青镇，区域内覆盖层为第四系粉砂、砂、 亚黏土、粉质黏土和黏土地层，厚度 400～470 m，
• 1740 •
岩石力学与工程学报
2011 年
为一套第四系陆相–海相–陆相沉积、更新统陆相 松散沉积物。表层大部分为杂填土，工程地质性质 较深部地层差，多属于中等压缩性地层[16]，通过对 研究区内土层埋深与压缩系数的关系进行分析 (见图 2)，表明浅部地层固结程度相对深部地层要 差。在开采地下水条件下，以黏性土与砂层交互发 育为主的浅部地层形成双面排水的地层结构。这 导致了同样厚度的地层在相同的水位下降条件 下，浅部地层引起的局部不均匀沉降比深部地层要 严重得多。
文章编号：1000–6915(2011)09–1738–09
ANALYSIS OF CORRELATION BETWEEN GROUNDWATER EXPLOITATION AND LAND SUBSIDENCE IN CERTAIN AREAS ALONG
BEIJING—SHANGHAI HIGH-SPEED RAILWAY
Abstract：Except the impact of soft soil，the main influencing factor of land subsidence is the long-term overexploitation of groundwater along Beijing—Shanghai High-speed Railway(BSHR). Combining with the results of DInSAR and precise ground leveling，taking the land subsidence anomalous area(caused by deep-well pumping in a thermal plant) in Yangliuqing town，Xiqing district of Tianjin for example，through the analysis of geological structure and hydrogeological conditions of the pumping wells region，the hydrogeological conceptual model is established；and the numerical simulation research on groundwater level variation caused by groundwater exploitation is carried out with Visual Modflow software. Based on the research above，according to the correlation between land subsidence and groundwater level variation，the land subsidence under different groundwater exploitation amounts and different exploitation times are calculated；and the land subsidence amplitude and velocity under BSHR
而引起上述地区地面沉降的根本原因主要是地
下水的过量开采。结合刘国祥和丁晓利[15]DInSAR 卫星遥感与地面精密水准测量技术对华北平原天津 段的遥感解译和测量显示(见图 1)，京沪高速铁路天 津段 DK119～DK123 段附近存在沉降异常区，与其 他部位相比，沉降量明显偏大。经实地调查表明， 该沉降与一电厂深井开采大量地下水密切相关。本 文以该抽水井部位为典型研究区域，采用 Visual Modflow 软件，系统分析不同抽水量、开采时间导 致的地下水渗流场变化特点，得出地下水位变化， 进而结合土体渗透固结理论，预测相应的地面沉降 量，其研究思路、方法和认识不仅对深化京沪高铁 部位地面沉降研究具有理论和实际意义，而且将为 京沪高铁及其他软土地区地面沉降评价提供指导和 借鉴。
京沪高速铁路是目前世界上标准最高、规模最 大、建成里程最长的高速铁路，也是我国投资规模 最大的铁路建设项目。京沪高速铁路纵贯北京、天 津、上海三大直辖市和河北、山东、安徽、江苏 4 省。在铁路途经的各省市中，地面沉降是控制线路 安全运营的首要关键问题，沉降严重地区主要有北 京市东部及南部，天津市武清、西青、静海及滨海 地带，河北省沧州，山东省德州等市及附近地区[6-9]， 江苏苏(州)、(无)锡、常(州)地区[10-11]以及上海地 区[12-13]。各地面沉降区内的沉降幅度及沉降历史均 有所不同，尤其以天津和江苏苏、锡、常地区最为 严重。
京沪线
沉降量/mm
－35～－25 －25～－20 －20～－15 －15～－10 －10～0
图 1 京沪高铁 DK119～DK123 段 2009 年 5～9 月地面沉降 实测分布图
Fig.1 Measured distribution diagram of land subsidence in DK119–DK123 along BSHR from May to September，
收稿日期：2011–02–24；修回日期：2011–05–06 基金项目：国家自然科学基金资助项目(40972175)；NSFC–云南联合基金重点项目(U1033601)；中央高校基本科研业务费专项资金(SWJTU11ZT14) 作者简介：胡卸文(1963–)，男，博士，1985 年毕业于成都理工大学(原成都地质学院)水文系水文地质专业，现任教授、博士生导师，主要从事工程 地质、环境地质方面的教学与研究工作。E-mail：huxiewen@163.com
软件对研究区地下水位变化进行数值模拟。在此基础上，结合该地区地面沉降量与地下水位变化间的相互关系，
计算出不同开采量、开采时间下的地面沉降量，得出京沪高速铁路穿过部位的沉降量预测，为高铁安全运营采取
处理对策提供依据。
关键词：工程地质；高速铁路；地下水位；地面沉降；数值模拟
中图分类号：P 642
文献标识码：A
2009
2 研究区地质概况
2.1 区域地质 天津市位于华北平原东北部，海河流域下游，
水系和支流呈树枝状分布。地势总轮廓从北向南逐 级下降，从西向东缓慢倾斜，地貌形态似簸箕形。 天津市处于第三纪以来连续下沉压实的沉积盆地地 区，该盆地自中生代末期整体拗陷形成构造盆地以 来，连续下沉和沉积，成为统一的沉积盆地，上覆 巨厚的具有高含水量和高压缩性的软土及含水砂层 第四系松散沉积物[14]。因此天津及渤海沿岸地区成 为华北新构造沉降中心，监测资料显示因构造运动 造成的地面年沉降速率为 1.3～2.0 mm。
HU Xiewen1，2，SONG Dage1，WANG Shuaiyan1，LI Yang3，SUN Minhui4，ZHONG Shengjun1，HU Hengyang5
(1. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu，Sichuan 610031，China； 2. Sichuan Provincial Key Laboratory of Aseismic Engineering Technology，Southwest Jiaotong University，Chengdu，Sichuan
摘要：京沪高速铁路沿线地面沉降除受软土本身性质影响外，主要受沿线地区长期过量开采地下水的影响。结合
DInSAR 与地面精密水准测量结果，选取京沪高速铁路天津段西青区杨柳青镇沉降异常区(火电厂深部抽水井所致)
为研究区域，通过分析抽水井所在部位地质结构和水文地质条件，建立水文地质概念模型，采用 Visual Modflow
610031，China；3. Beijing Zhongjiao Construction Engineering Tendering Co.，Ltd.，Beijing 100101，China；4. Sichuan Shቤተ መጻሕፍቲ ባይዱtong Geotechnical Engineering Company，Chengdu，Sichuan 610041，China；5. Department of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University(Emei)，Emeishan，Sichuan 614202，China)
are predicted. The countermeasures can be put forward for the safety of high-speed railway according to the research. Key words：engineering geology；high-speed railway；groundwater level；land subsidence；numerical simulation
0 40 80 120 160 200 240 280 320 土层埋深/m
第 30 卷 第 9 期
胡卸文等：京沪高铁沿线某地地下水开采与地面沉降关系分析
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1引言
地面沉降是一种由多种因素引起的地面标高缓 慢降低的地质灾害现象，通常受人类活动和地质作 用控制，而其中过量抽取地下水则是最主要的原因 之一。地面沉降作为一种常见地质灾害，不同国家 学者对其成因、沉降量监测技术、沉降预测等领域 开展了广泛而深入的研究，但其中尤以地下水过量 开采最为普遍。H. Yazdani 等[1]提出了地下水位波 动导致黏土层有效应力发生变化，从而导致连续沉 降，并推导出考虑循环加载及土体的可压缩性和渗 透性变化的方程式，采用孔隙比–有效应力和孔隙 比–渗透系数之间的关系，分析黏土固结特性，通 过有限差分法分析预测地面沉降；T. J. Burbey[2]通 过对地面沉降诱发次生灾害研究，揭示地面沉降产 生的水平向应变在引发地裂缝变形时起到了关键作 用，并得出在局部差异沉降突出区域最易诱发地裂 缝，因此抽水引发的地裂缝区距离抽水中心区域较 远，且该区域地下水位降幅较小；S. A. Masoudzade 等[3]开展了地面沉降增大与非饱和渗流之间的一维 渗透分析，表明地下水位抬升仍然可能产生沉降， 主要是由于当水位抬升时在非饱和土层向下渗流的 水产生渗透力，从而使有效应力增加引发沉降。但 国内外以往对地面沉降的研究大多针对于某一区域 (如意大利拉韦纳[4]，墨西哥 Toluca 流域[5]以及国内 的华北平原及沿海软土地区等[6-14])，较少考虑区域 地面沉降对线状工程的影响。随着我国高速铁路建 设的快速发展，一些高铁线路不得不穿越原来地面 沉降较严重地区，因此区域地面沉降成为影响我国 高铁建设和安全运营的重大工程地质问题之一。
第 30 卷 第 9 期 2011 年 9 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.30 No.9 Sept.，2011
京沪高铁沿线某地地下水开采与地面 沉降关系分析
胡卸文 1，2，宋大各 1，王帅雁 1，李 扬 3，孙敏辉 4，钟生军 1，胡恒洋 5
(1. 西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031；2. 西南交通大学 抗震工程技术四川省重点实验室，四川 成都 610031； 3. 北京中交建设工程招标有限公司，北京 100101；4. 四川省蜀通岩土工程公司，四川 成都 610041； 5. 西南交通大学(峨眉校区) 土木工程系，四川 峨眉山 614202)
京沪高速铁路 DK119～DK123 段位于天津市 西青区杨柳青镇，区域内覆盖层为第四系粉砂、砂、 亚黏土、粉质黏土和黏土地层，厚度 400～470 m，
• 1740 •
岩石力学与工程学报
2011 年
为一套第四系陆相–海相–陆相沉积、更新统陆相 松散沉积物。表层大部分为杂填土，工程地质性质 较深部地层差，多属于中等压缩性地层[16]，通过对 研究区内土层埋深与压缩系数的关系进行分析 (见图 2)，表明浅部地层固结程度相对深部地层要 差。在开采地下水条件下，以黏性土与砂层交互发 育为主的浅部地层形成双面排水的地层结构。这 导致了同样厚度的地层在相同的水位下降条件 下，浅部地层引起的局部不均匀沉降比深部地层要 严重得多。
文章编号：1000–6915(2011)09–1738–09
ANALYSIS OF CORRELATION BETWEEN GROUNDWATER EXPLOITATION AND LAND SUBSIDENCE IN CERTAIN AREAS ALONG
BEIJING—SHANGHAI HIGH-SPEED RAILWAY
Abstract：Except the impact of soft soil，the main influencing factor of land subsidence is the long-term overexploitation of groundwater along Beijing—Shanghai High-speed Railway(BSHR). Combining with the results of DInSAR and precise ground leveling，taking the land subsidence anomalous area(caused by deep-well pumping in a thermal plant) in Yangliuqing town，Xiqing district of Tianjin for example，through the analysis of geological structure and hydrogeological conditions of the pumping wells region，the hydrogeological conceptual model is established；and the numerical simulation research on groundwater level variation caused by groundwater exploitation is carried out with Visual Modflow software. Based on the research above，according to the correlation between land subsidence and groundwater level variation，the land subsidence under different groundwater exploitation amounts and different exploitation times are calculated；and the land subsidence amplitude and velocity under BSHR
而引起上述地区地面沉降的根本原因主要是地
下水的过量开采。结合刘国祥和丁晓利[15]DInSAR 卫星遥感与地面精密水准测量技术对华北平原天津 段的遥感解译和测量显示(见图 1)，京沪高速铁路天 津段 DK119～DK123 段附近存在沉降异常区，与其 他部位相比，沉降量明显偏大。经实地调查表明， 该沉降与一电厂深井开采大量地下水密切相关。本 文以该抽水井部位为典型研究区域，采用 Visual Modflow 软件，系统分析不同抽水量、开采时间导 致的地下水渗流场变化特点，得出地下水位变化， 进而结合土体渗透固结理论，预测相应的地面沉降 量，其研究思路、方法和认识不仅对深化京沪高铁 部位地面沉降研究具有理论和实际意义，而且将为 京沪高铁及其他软土地区地面沉降评价提供指导和 借鉴。
京沪高速铁路是目前世界上标准最高、规模最 大、建成里程最长的高速铁路，也是我国投资规模 最大的铁路建设项目。京沪高速铁路纵贯北京、天 津、上海三大直辖市和河北、山东、安徽、江苏 4 省。在铁路途经的各省市中，地面沉降是控制线路 安全运营的首要关键问题，沉降严重地区主要有北 京市东部及南部，天津市武清、西青、静海及滨海 地带，河北省沧州，山东省德州等市及附近地区[6-9]， 江苏苏(州)、(无)锡、常(州)地区[10-11]以及上海地 区[12-13]。各地面沉降区内的沉降幅度及沉降历史均 有所不同，尤其以天津和江苏苏、锡、常地区最为 严重。
京沪线
沉降量/mm
－35～－25 －25～－20 －20～－15 －15～－10 －10～0
图 1 京沪高铁 DK119～DK123 段 2009 年 5～9 月地面沉降 实测分布图
Fig.1 Measured distribution diagram of land subsidence in DK119–DK123 along BSHR from May to September，
收稿日期：2011–02–24；修回日期：2011–05–06 基金项目：国家自然科学基金资助项目(40972175)；NSFC–云南联合基金重点项目(U1033601)；中央高校基本科研业务费专项资金(SWJTU11ZT14) 作者简介：胡卸文(1963–)，男，博士，1985 年毕业于成都理工大学(原成都地质学院)水文系水文地质专业，现任教授、博士生导师，主要从事工程 地质、环境地质方面的教学与研究工作。E-mail：huxiewen@163.com
软件对研究区地下水位变化进行数值模拟。在此基础上，结合该地区地面沉降量与地下水位变化间的相互关系，
计算出不同开采量、开采时间下的地面沉降量，得出京沪高速铁路穿过部位的沉降量预测，为高铁安全运营采取
处理对策提供依据。
关键词：工程地质；高速铁路；地下水位；地面沉降；数值模拟
中图分类号：P 642
文献标识码：A
2009
2 研究区地质概况
2.1 区域地质 天津市位于华北平原东北部，海河流域下游，
水系和支流呈树枝状分布。地势总轮廓从北向南逐 级下降，从西向东缓慢倾斜，地貌形态似簸箕形。 天津市处于第三纪以来连续下沉压实的沉积盆地地 区，该盆地自中生代末期整体拗陷形成构造盆地以 来，连续下沉和沉积，成为统一的沉积盆地，上覆 巨厚的具有高含水量和高压缩性的软土及含水砂层 第四系松散沉积物[14]。因此天津及渤海沿岸地区成 为华北新构造沉降中心，监测资料显示因构造运动 造成的地面年沉降速率为 1.3～2.0 mm。
HU Xiewen1，2，SONG Dage1，WANG Shuaiyan1，LI Yang3，SUN Minhui4，ZHONG Shengjun1，HU Hengyang5
(1. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu，Sichuan 610031，China； 2. Sichuan Provincial Key Laboratory of Aseismic Engineering Technology，Southwest Jiaotong University，Chengdu，Sichuan
摘要：京沪高速铁路沿线地面沉降除受软土本身性质影响外，主要受沿线地区长期过量开采地下水的影响。结合
DInSAR 与地面精密水准测量结果，选取京沪高速铁路天津段西青区杨柳青镇沉降异常区(火电厂深部抽水井所致)
为研究区域，通过分析抽水井所在部位地质结构和水文地质条件，建立水文地质概念模型，采用 Visual Modflow
610031，China；3. Beijing Zhongjiao Construction Engineering Tendering Co.，Ltd.，Beijing 100101，China；4. Sichuan Shቤተ መጻሕፍቲ ባይዱtong Geotechnical Engineering Company，Chengdu，Sichuan 610041，China；5. Department of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University(Emei)，Emeishan，Sichuan 614202，China)
are predicted. The countermeasures can be put forward for the safety of high-speed railway according to the research. Key words：engineering geology；high-speed railway；groundwater level；land subsidence；numerical simulation