天津滨海地区晚新生代地层自然固结与地面沉降研究_杨吉龙

第35卷第9期岩土力学Vol.35No.92014年9月RockandSoilMechanicsSep.2014收稿日期：2013-05-13基金项目：中国地质调查局项目（No.1212011120170，No.1212011120089）资助。第一作者简介：杨吉龙，男，1980年生，硕士，助理研究员，主要从事水文地质和工程地质研究工作。E-mail:[e-mail]文章编号：1000－7598(2014)09－2579－08天津滨海地区晚新生代地层自然固结与地面沉降研究杨吉龙1，曹国亮2，李红1，李静3，胡云壮1，胥勤勉1，秦雅飞1，杜东1，方成1（1.天津地质矿产研究所，天津300170；2.北京大学工学院水资源研究中心，北京100817；3.中国地质大学（武汉）环境学院，武汉430074）摘要：天津滨海地区地处渤海湾西岸，晚新生代沉积了巨厚的松散沉积物。地下水位下降、地层自然固结、地表载荷的加速增长等复合因素造成了严重的地面沉降。利用在天津滨海新区塘沽地区施工的一眼1226m全取芯钻孔，通过原状样品测试分析，系统研究了晚新生代土层的物理力学性质、黏性土固结特征，并结合欠固结黏性土层沉降量计算等方法阐述了土层固结状态空间特征，探讨了土层固结特征与地面沉降的相关关系。结果表明：该地区0～100m深度土层具有低天然密度、高孔隙比、高含水率、高压缩性等特点，表现出软土的性质，在地表荷载增大的情况下，易发生地面沉降；100～550m的黏性土大都处于超固结和微超固结状态，主要是由于过去地下水的大量开采造成的；550m以下的黏性土多为正常固结，局部存在欠固结黏性土夹层。钻孔中存在合计约218m的欠固结黏性土夹层，这些欠固结黏性土夹层在自重应力下的最终沉降量为1985mm，沉降量最大的土层对应于第1、6含水组，分别达614mm和665mm，这一沉降过程完成所需时间为数十年甚至上百年。关键词：晚新生代；地面沉降；黏性土固结特征；欠固结黏性土压缩中图分类号：TU432文献标识码：AStudyofnaturalconsolidationofLateCenozoiceraclayandlandsubsidenceinTianjincoastalareaYANGJi-long1，CAOGuo-liang2，LIHong1，LIJing3，HUYun-zhuang1，XUQin-mian1，QINYa-fei1,DUDong1，FANGCheng1(1.TianjinInstituteofGeologyandMineralResources,Tianjin300170,China;2.CenterforWaterResearch,CollegeofEngineering,PekingUniversity,Beijing100871,China;3.SchoolofEnvironmentalStudies,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)Abstract:Tianjincoastalarea(TCA),locatedatthecoastalregiononthewestoftheBohaiGulf,hassufferedseverelandsubsidenceduetocompactionofthehugethickunconsolidatedsedimentsdepositedsinceLateCenozoicera.Severalfactors,includinggroundwaterleveldecline,clayeysoilsnaturalconsolidationandsurfaceloadingrapidincreasearetheprimarycausesoflandsubsidenceinthisregion.Aboreholewithdepthof1226misdrilledatTangguintheTCA;andcoresamplesareextractedatvariousdepths.Throughlaboratorytestoftheseundisturbedsoilsamples,thephysicalandmechanicanlpropertiesandtheengineeringgeologicalpropertiesofallkindsofclayeysoilsareanalyzed.Integratingestimationoftotalcompactionoftheunder-consolidatedclayeysoils,thespatialcharacteristicsofnaturalconsolidationoftheunconsolidatedsedimentlayersaredelineated;andtherelationbetweenconsolidationcharacteristicsandlandsubsidenceisdiscussed.Theresultsindicatedistinctcompactioncharacteristicsofsoillayersatdifferentdepths:clayeysoilsindepthlessthan100mshowthestatesoflownaturaldensity,highporosityratio,highmoisturecontentandhighcompressibilityofunder-consolidatedsoftsoil;clayeysoilsindepthof100－550mareinthestatesofover-consolidationorslightlyover-consolidation,whichiscausedbylong-termover-exploitationofgroundwaterinthepast;clayeysoilswithdepthgreaterthan550mshowthestateofnormalconsolidationandincludeunder-consolidatedclayeysoilsinterlayers.Thetotalthicknessofunder-consolidatedclayeysoilsintheborehoecoreisabout218m.Theseunder-consolidatedclayeylayersarepredictedtobringaboutcumulativecompactionof1985mminaperiodofseveraldecadestoacentury.Thefirstandsixthaquifer2580岩土力学2014年groupsaretheprimarycontributorstothiscompaction,withpredictedcompactionof614mmand665mmrespectively.Keywords:LateCenozoicera;landsubsidence;clayeysoilsconsolidationcharacteristics;compactionofunder-consolidatedclayeysoils1引言天津滨海地区地处渤海湾西岸持续沉降海岸带1－3，晚新生代沉积了大套粉细砂岩、中细砂岩和泥岩，主要为曲流河沉积和湖相沉积；第四纪主要以粉细砂和粉质黏土为主，主要为河流沉积，冲、洪积沉积和湖相沉积4－5。脆弱的地质条件，基地构造运动6，地下水、石油、地热及天然气开采，松散地层自然固结，地表载荷的加速增长等造成了天津滨海地区严重的地面沉降，至今最大累计沉降量已大于3.3m6。严重的地面沉降造成地表水路径改变、地下水水质恶化、城市内涝、防潮堤抵抗风暴潮能力减低、高速公路及建筑物遭受破坏等一系列环境地质问题7－10。过量开采地下水是引起天津滨海地区地面沉降的主要原因，同时巨厚松散地层的自然固结也是造成地面沉降的重要因素。关于地下水开采与地面沉降的关系，前人进行了大量监测、试验和研究工作，并取得了很多防治地面沉降的有效成果11－14，而对于地层自然固结与地面沉降的关系，目前研究较为薄弱，部分研究也主要是针对浅部地层开展15－18。本次研究利用在天津塘沽地区施工的一眼1226m全取芯钻孔（G2孔）（图1），系统研究了晚新生代不同沉积地层工程地质特性，并结合室内模拟试验、地层物理力学特性对比分析、欠固结黏性土层沉降量计算等方法阐述了晚新生代松散沉积物自然固结压缩的空间特征，探讨了地层自然固结与地面沉降的关系，以期能够为天津滨海地区地面沉降预测、防治以及防潮堤高度设计提供基础数据和理论支撑。2地质条件概况天津地处华北地堑系的东北部，北部为燕山台褶带，南部为华北断拗，Ⅲ级构造单元自西向东分为冀中坳陷、沧县隆起和黄骅坳陷，这些隆凹相间的盆岭式构造是在渐新始开始发育起来的，晚第四纪整个断陷系统在下沉。G2孔全取芯钻孔位于黄骅坳陷中的北塘坳陷区内，北塘坳陷北边界为汉沽断裂、西边界为沧东断裂，南边界为海河断裂，东边为渤海湾（图2）。天津基岩埋深在沧县隆起区约为1000m，坳陷区约为4000～5000m，地面沉降就分布在宝坻断裂以南的广大平原地区11,18。图1G2钻孔地理位置图Fig.1LocationofboreholeG2图2北塘坳陷A-A剖面图Fig.2A-Across-sectionofBeitangsag天津滨海地区地下水垂向上为咸-淡水双层结构。根据沉积物的组成、水文地质特征及地下水开发利用等条件可将地下水分为第四系内4个，新近系内4个，共8个含水组（表1）。明化镇组下伏地层为馆陶组，主要为地下热水。第1含水组为咸水，基本不开采，其他深层含水组均为淡水，各含水组都有不同程度的开采，不同区域地下水开发利用的程度也不同[19]。第8含水组以下的水，由于水温较高，划归为地热资源。过去天津滨海地区地下水以第2～5含水组开采为主，并且天津地面沉降是伴随着第2含水组开采出现的。Q+NmPzEPtPz—古生界；Pt—元古界02km010002000300040005000AA'Q+NmPtPzEC-PMz—中生界；MzC-PNgNm—中新统明化镇组；MzNgQ—第四系；C-P—石炭—二叠系；Ng—中新统馆陶组；E—始新统；深度/m117°118°N40°39°N40°39°E117°118°EG2天津蓟县三河玉田宝坻潮白新河塘沽海河武清永定河北运河宁河蓟运河廊坊杨柳青静海青县大港独流减河南运河子牙河渤海湾01224km第9期杨吉龙等：天津滨海地区晚新生代地层自然固结与地面沉降研究2581表1研究区晚新生代岩性特征和含水组划分Table1StratacharacteristicsandaquifersystemofLateCenozoicera含水组划分层底深度/m地层时代岩性特征地下水类型第1含水组60～90h+Q+3pQ黄灰、深灰、黑灰色粉质黏土、粉质砂土与细砂、粉砂组成不规则互层。区内普遍发育两层海浸层。地下水为咸水体占主导。潜水、微承压水第2含水组160～2602pQ灰色细砂、粉砂及灰、棕、灰绿色粉质砂土、粉质黏土，夹深灰、黑灰色黏土组成。地下水为淡水。承压水第3含水组270～3402pQ第4含水组370～4301pQ+N2棕黄、灰绿色黏土与砂、粉砂不规则互层，黏土为主，粉质黏土、粉质砂土少量。地下水为淡水。承压水第5及5以下含水组550～1300N2/Nm上部砂岩和泥岩互层，下部以棕红色泥岩为主，夹少量黄褐色、灰色粉、细砂岩。地下水为淡水。承压水地下热水含水组2100～2500N1/Ng杂色砾岩、灰白、灰色、灰绿色砂砾岩与灰绿、紫红、棕红色泥岩不等厚互层，底部发育一套燧石砾岩。地热水3样品采集与测试本次研究在1226m地质孔中共采集工程地质原状土样276个