天津地区新生代地层工程特性与固结特征研究
doi: 10.20008/j.kckc.202503024
黄猛1,2 , 胡海博1,2 , 吕潇文1,2 , 贾晓青1,2 , 牛毅1,2 , 张姣姣1,2 , 张学斌1,2 , 薛敬凤3 , 白晋斌1,2
1. 天津市地质环境监测总站(天津市地质调查研究院),天津 300191
2. 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
3. 天津市御花园地矿科技服务中心,天津 300191
基金项目: 本文受陈塘庄分层标监测站重建工程(国土房任〔2015〕5号)资助
Study on engineering characteristics and consolidation characteristics of Cenozoic strata in Tianjin Area
HUANG Meng1,2 , HU Haibo1,2 , LYU Xiaowen1,2 , JIA Xiaoqing1,2 , NIU Yi1,2 , ZHANG Jiaojiao1,2 , ZHANG Xuebin1,2 , XUE Jingfeng3 , BAI Jinbin1,2
1. Tianjin Institute of Geological Environment Monitoring, Tianjin 300191 , China
2. Hebei Cangzhou Groundwater and Land Subsidence National Observation and Research Station, Cangzhou 061000 , Hebei, China
3. Tianjin Yuhuayuan Geological Technology Service Center, Tianjin 300191 , China
摘要
以往对地面沉降机理研究主要集中于地下水开采和工程活动对地面沉降的影响,深部孔隙型地热水开采诱发地面沉降的程度及规律研究尚不清晰,深部地层土体的工程特性和固结特征的研究对深层地下水资源和地热资源的合理开发利用具有重要意义。本文利用天津市中心城区施工的一眼揭穿新生代地层的全取心钻孔,系统研究了新生代土层的沉积环境和工程特性,初步探讨了地面沉降临界水位。研究结果表明,沉积环境对地层的物理力学性质和固结特征有一定程度的影响,湖相及海相地层含水率、孔隙比及液性指数相对偏高,密度较低,洪泛盆地沉积则与之相反。高压缩性及欠固结地层多出现在湖相及海相沉积物中,而超固结地层主要出现在洪泛盆地沉积物中。0~160 m段地层为正常固结状态,不存在临界水位。160~630 m段地层,为超固结状态,为防止地面沉降水位应在控制临界水位深度内。630~1300 m 段地层为欠固结—正常固结状态,不存在临界水位,孔隙型地热资源开发利用应严格采取回灌措施,保证水位稳定,避免产生地面沉降。
Abstract
Previous studies on the mechanism of ground subsidence mainly focused on the influence of groundwater extraction and engineering activities on ground subsidence. The degree and law of ground subsidence induced by deep porous geothermal water extraction are still unclear. The research on the engineering characteristics and consolidation features of deep stratum soil is of great significance for the rational development and utilization of deep groundwater resources and geothermal resources. In this paper, by using the full core drilling that can expose the Cenozoic strata at a glance during construction in the central urban area of Tianjin, the sedimentary environment and engineering characteristics of the Cenozoic soil layer were systematically studied, and the critical water level of ground subsidence was preliminarily discussed. The research results show that the sedimentary environment has a certain degree of influence on the physical and mechanical properties and consolidation characteristics of the strata. The water content, porosity ratio and liquid property index of lacustrine and Marine strata are relatively high, and the density is relatively low. The deposition in floodplain basins is the opposite. High compressibility and underconsolidated strata are mostly found in lacustrine and Marine sediments, while over-consolidated strata are mainly present in floodplain basin sediments. The strata in the 0-160 m section are in a normal consolidation state and there is no critical water level. The stratum in the 160-630 m section is in a super-consolidated state. To prevent ground subsidence, the water level should be within the control critical water level depth. The strata in the 630-1300 m section are in an under-consolidated-normally consolidated state, and there is no critical water level. For the development and utilization of pore-type geothermal resources, recharge measures should be strictly adopted to ensure the stability of the water level and avoid ground subsidence.
0 引言
在地质作用和人类活动作用下,天津地区产生了严重的地面沉降(王家兵等,2007),并造成了市政设施破坏、防潮堤抵御风暴潮能力降低、城市内涝等一系列问题(王若柏等,1994董克刚等,2007黄龙, 2016)。引发地面沉降的因素可归纳为人为因素和自然因素两大类(段晓峰等,2014王双等,2019)。人为因素包括地下水开采、油气资源开采、大规模工程建设;自然因素包括构造活动、地表土自然压密。其中地下水开采是引发地面沉降的最主要因素。
目前,国内外关于新生代地层工程特性的研究,主要聚焦于两大领域:工程地质效应及油气资源开采。在工程地质效应方面,研究重点集中在浅部工程地质问题的预防与治理,确保工程安全(Albrecht and Benson,2001冷挺等,2018张永雨等, 2020梁瑜,2022王文韬和郭明伟,2022)。在油气资源开采方面,新生代地层中的疏松砂岩石油天然气开采面临诸多技术难题,致力于提高油气资源开采效率和经济效益(Wrona et al.,2017)。国内已有的地面沉降机理研究多集中在浅部地层(张光辉等,2005王巍等,2014高俊杰,2017郭海朋等, 2021),对地下水开采及工程活动与地面沉降的关系(王巍等,2014)、地下水位驱动下黏土和砂土变形规律(郭海朋等,2017)、地面沉降临界水位(牛修俊,1998)等进行了研究,其中天津市地层固结特征和地面沉降临界水位的研究成果有效支撑了天津市的地面沉降防控工作(白晋斌和牛修俊,2010),但对整个新生代地层的地面沉降机理研究相对较薄弱。天津市在地下水压采政策逐步实施后,地下水开采引发的地面沉降呈逐渐减小的趋势,深部孔隙型地热水开采诱发地面沉降的程度及规律研究尚不清晰,在缺少直接监测数据的条件下,深部地层土体的工程特性和固结特征研究对深层地下水资源和地热资源的合理开发利用具有重要意义。
地面沉降的发生与地层颗粒结构、工程物理指标、土体压缩特性等密切相关,本文利用天津市中心城区施工的一眼揭穿新生代地层的全取心钻孔(CTZ01孔),系统研究了新生代土层的工程特性,对在不同深度土体的压缩特征及固结特征进行了研究,分析了沉积环境对物理力学性质和固结特征的影响,初步讨论了临界水位值。本研究进一步拓展了工程地质特性研究的应用领域,特别是在区域地面沉降防控和地热资源分层管理方面,提出了具有创新性的见解和应用策略,为相关领域的研究和实践提供了有益的参考。
1 地质概况
天津地处华北陆块的东北部,北部为燕山—辽西裂陷带,南部为华北盆地,Ⅳ级构造单元自西向东分为冀中坳陷、沧县隆起和黄骅坳陷(天津市地质调查研究院,2019)。新生代以来,在强烈的构造沉降影响下,松散沉积物不断加积,沉积了巨厚的新生代沉积物(Xu et al.,2018)。隆起区新生代沉积厚度为800~1300 m,坳陷区范围约为3000 m×6000 m。第四纪以来沉降进一步加速,形成了一套以湖相为主,间夹河流相及海相的沉积体系(黄猛等, 2019)。地面沉降主要分布在宝坻断裂以南的广大平原地区,以地质分层为基础,依据水文地质特征以及开发利用状况等,将第四系及新近系明化镇组上部孔隙水划分为若干个含水组,明化镇组下部及馆陶组为地下热水。第 1 含水组大部分为咸水,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(王家兵,2013)。天津市孔隙型地热资源开采主要集中在中心城区、滨海新区塘沽城区和武清区(茹洪久等,2018)。
1CTZ01钻孔位置图
2 样品采集与测试
CTZ01 孔位于沧县隆起内(图1),揭穿了新生代沉积物,钻遇基岩为奥陶纪北庵庄组白云岩,基岩埋深 1331.10 m。钻孔中共采集粒度测试分析样品 1240 件,土工试验原状土样 207 件,对颗粒组成与沉积环境、物理力学性质及黏性土固结特征进行了分析。为了最大程度减小土样扰动,防止土样氧化及孔隙水蒸发,所采原状样土柱均用铝皮包装并腊封,测试前于4~6℃保存。
2.1 粒度测试与沉积环境分析
粒度测量在泰山学院使用英国MALVERN公司的 Mastersiez2000 激光粒度仪完成,仪器测量范围为 0.01~1000 μm,主要测量样品各粒级百分含量、中值粒径、平均粒径、标准偏差等指标。利用沉积物的颜色、岩性、沉积结构、构造及包含物等沉积特征,并结合粒度测试指标,宏观判断沉积相和沉积环境。
2.2 物理力学指标测试
物理力学指标包括土的颗粒组成、物理性质指标(含水率、密度、孔隙度、土体相对密度、塑限、液限、塑性指数、液性指数)、压缩性(压缩系数、压缩指数)。样品处理及测试过程严格按照《岩土工程勘察规范》GB 50021-2001(2019版)和《土工试验方法标准》GB/T50123-2019执行。
2.3 固结特征测试
100 m以浅土体的固结参数测试在固结仪上进行,100 m以深的土体在材料试验机(加载可达到20 t)上进行的。新生代地层厚度一般超过上千米,甚至达到几千米,已有仪器不能满足试验要求。为了获得更深层土的力学参数,研究地面沉降机理,开发了一套超高压固结仪。其基本特征是:(1)选用了材料试验机作为深层土的固结设备,加载可达20 t,固结应力可达 60 MPa;(2)选择 BK-2型精密传感器作为试验应力测量系统;(3)为了消除侧向变形问题,选用不锈钢材料参照常用的固结装置,制作了专门用于深层土固结试验的装置,圆截面面积为 28.27 cm2,高20 mm,容积为56.55 cm3;(4)制作了削切试件的环刀,用于切削土样成形,不参加固结试验过程。
3 测试结果
3.1 颗粒组成与沉积环境
CTZ01孔新生代沉积物颗粒主要由砂粒组(粒径大于 0.075 mm)、粉粒组(粒径大于 0.005 mm,小于 0.075 mm)和黏粒组(粒径小于 0.005 mm)组成,其中砂粒组和粉粒组占主要成分,两者之和平均值为76.6%。剖面自上而下由多个粒度逐渐变粗的旋回组成,旋回上部粉粒组和黏粒组减少较多,向下砂粒组分逐渐增多。
沉积物颗粒平均粒径(Mz)表示沉积物的粒度分布的集中趋势和趋向的平均值,它在一定程度上取决于物源区的类型和性质,同时也反映搬运介质的平均动能、沉积韵律和水动力能量大小。
Mz=Φ16+Φ50+Φ843
(1)
沉积物颗粒标准偏差(σ)是粒度分析中的一个重要参数,它用来表示沉积物粒度的分选程度,即颗粒大小的均匀性。标准偏差的数值越小,说明沉积物中的颗粒粒径越集中,分选程度越好;反之,标准偏差的数值越大,说明颗粒粒径分布越广泛,分选程度越差(表1)。
σ=Φ84-Φ164+Φ95-Φ56.6
(2)
1沉积物颗粒标准偏差等级
沉积物颗粒偏度(SK)是粒度分析中用来测量频率曲线的对称性的参数,它用来反映粒度分布的不对称程度,对于了解沉积物的成因有一定意义。正偏度通常表示沉积物中混入了粗组分,在河流沉积中较为常见。负偏度通常表示沉积物中混入了细组分,在海滩和沙丘环境中较为常见(表2)。
SK=Φ16+Φ84-2Φ502Φ84-Φ16+Φ5+Φ95-2Φ502Φ95-Φ5
(3)
2沉积物颗粒偏度等级
根据沉积物粒度分析计算结果,不同层位沉积物的平均粒径 Mz 为 1.38~7.79 Ф,多数为 2~7 Ф,主要岩性为细砂、粉砂和粉砂质黏土,表明天津地区晚新生代以来的沉积物颗粒相对较细,处于河流的下游。不同层位沉积物的颗粒标准偏差 σ 为 1.26~3.68,沉积物分选较差或较差,表明天津地区晚新生代以来的沉积物颗粒组成不均匀,级配不好,属于密实性较差的土。不同层位沉积物的颗粒偏度 SK 为-0.07~5.00,表现为正偏—极正偏,粒度较大的沉积物颗粒占优势,属于河流相或与河流作用相关的三角洲环境。
新近纪早期(600~1300 m)沉积物平均粒径Mz 平均值为4.54,标准偏差σ平均值为2.11,颗粒偏度 SK 平均值为 1.60,砂粒含量相对较高,沉积物多为灰色调,主要为一套扇三角洲、湖泊三角洲夹曲流河河道带、洪泛盆地沉积。新近纪晚期(210~600 m)沉积物平均粒径 Mz 平均值为 5.08,颗粒偏度 SK 平均值为2.16,标准偏差σ平均值为1.83,表明分选性呈现逐渐变好的趋势,砂粒含量变少,河流沉积增加,沉积物以黏性土为主,多为黄棕色、棕红色,为一套洪泛盆地夹曲流河河道带沉积。第四纪 (0~210 m)沉积物平均粒径Mz平均值为4.84,标准偏差 σ 平均值为 1.91,颗粒偏度 SK 平均值为 1.52,分选性再次变差,为一套曲流河河道带、洪泛盆地夹滨湖、滨海沉积。
3.2 物理力学特性指标
CTZ01 孔土体样品含水率、孔隙比、饱和度、液性指数等参数在垂向上整体呈现由浅至深逐渐减小的趋势,密度在垂向上整体呈现由浅至深逐渐增加的趋势(表3),局部存在波动。
3CTZ01孔物理力学特性指标
0~17.70 m 段主要为全新世(Qh)沉积物,为潜水含水层段,顶部和底部含水率、孔隙比及液性指数相对偏低,中间偏高,曲线形态呈纺锤形。 17.70~57.05 m 段主要为晚更新世(Qp3)沉积物,为区域第一含水层组,上部 18.40~24.50 m 含水率及孔隙比明显偏低,下部含水率相对较高。57.05~72.55 m段主要为中更新世(Qp2)沉积物,含水率、孔隙比值整体较低,密度相对较大。72.55~207.95 m 段为早更新世沉积物,为区域第二含水层组, 90.00~100.00 m 段含水率、孔隙比呈现明显增大。 207.95~459.00 m 段为新近纪晚期沉积物,为区域第三、四含水层组,含水率、孔隙比明显变小,饱和度略有降低,含水量降低,黏性土压缩性下降。 459.00~863.40 m 段为新近纪中期沉积物,为区域第五及以下含水层组,黏性土沉积以湖相为主,含水率、孔隙比、饱和度进一步降低。 863.40~1331.00 m段为新近纪早期沉积物,是孔隙型热储的主要开采层,含水率、孔隙比、饱和度、液性指数持续降低,1000 m以下明显减小。
3.3 黏土压缩性
工程上通常用压缩系数(a)和压缩指数(Cc)来表征黏性土的压缩性。压缩系数a表示单位压力增量所引起孔隙比的变化,实践中采用 P1=100 kPa 增加到P2=200 kPa是所求得的压缩系数压力区间所对应的 a1-2来评价土的压缩性(表2)。CTZ01 孔压缩系数试验结果显示,高压缩性土主要分布在 100 m 以浅,100 m以下多为中压缩性土和低压缩性土(图2)。
2CTZ01孔土体物理力学性质及固结特征随深度变化曲线
大量试验研究表明,e-lgp压缩指数曲线的后段接近直线,其斜率称为土的压缩指数 Cc,反映了土的压缩性(表4)。CTZ01 孔压缩指数试验结果显示,黏性土整体以中压缩性土为主,与压缩系数结果不同,除 100 m 以浅外,深部 800 m 以下也出现了高压缩性土(图2)。
4土体压缩性分类
3.4 固结特征
超固结比(OCR)判断固结特征的重要指标,通常用前期固结压力(Pc)与自重应力(P0)的比值来确定。根据地层的超固结比OCR的大小,可判别地层的固结状态,如表5所列,以此恢复地层的受力历史。
将CTZ01孔试验所得的超固结比(OCR)随深度变化(图2),可以看出,CTZ01 孔 160 m 以浅前期固结压力 Pc值均在 P0线左右,即 OCR=1,反映了地层基本处于正常固结状态,表明在现有地层的压力下,地层的主固结已经完成。160~630 m段前期固结压力 Pc值均大于 P0(OCR>1),表明该段地层为超固结地层。630~1300 m段前期固结压力 Pc值基本在 P0线两侧分布,OCR≈1,表明地层在自重压力下,地层的主固结已经完成,基本处于正常固结状态,但在 900~1300 m 段出部分样品 OCR<1,呈现出欠固结状态。
5土体固结状态分类
4 讨论
4.1 沉积环境对物理力学性质的影响
全新世中部,晚更新世中期和早期为三期海侵沉积,含水率、孔隙比及液性指数较相近层位的洪泛盆地沉积物偏高 20%~25%,而密度和饱和度则要偏低 6%~13%。早更新世早期 90~100 m 段为湖相沉积,含水率、孔隙比较上下层位呈现明显增大 20% 以上。新近纪下部 800~1300 m 段以曲流河、洪泛盆地夹湖相沉积为主,各项指标呈锯齿状变化,湖相地层的含水率、孔隙比相对较高,洪泛盆地沉积地层则相对较低。
沉积环境及其演化过程决定着沉积物的颗粒大小、矿物成分、化学成分和基本结构类型,从而控制着沉积物的基本性质(张宏等,2007)。一般颗粒越粗,透水性越强,与水的作用越弱,随粒径的由大变小,逐渐由无黏性、无塑性至具有较大的黏性和塑性以及吸水膨胀性等一系列特殊性质(徐元芹, 2012)。黏土矿物的晶体结构直接决定了其吸水性和孔隙(何满潮等,2008),不同黏土矿物组合的微观结构也影响着孔隙度的大小与吸附能力(周莉等,2009)。不同时代气候背景下,黏性土矿物组成差异(何良彪,1982),再搬运的沉积作用也不同,决定了沉积物的含水率、孔隙比的不同。干旱寒冷气候条件下,风化程度相对较弱,物源区多形成伊利石与绿泥石,沉积环境为曲流河与洪泛盆地,淡水环境中矿化度很低,黏土矿物也较为稳定。温湿气候条件下,风化程度较强,物源区多形成高岭石和蒙脱石,沉积环境以湖沼相及海相沉积,受黏土矿物粒度影响,相对粗粒的高岭石多在上游沉积,细粒的蒙脱石则在向海、向湖方向上逐渐富集(高翔, 2017)。海相沉积层中黏粒及盐分含量最高,促使颗粒絮凝结构比较发育,导致初始孔隙比e0最大(杨秀娟等,2009武朝军,2016),湖相地层也有类似的特点,靠近陆地方向,絮凝结构越来越减弱,因此 e0 逐渐降低,河流沉积地层中絮凝程度较低,孔隙比最低,含水率相应也低。
4.2 地层固结状态分析
超固结地层在历史上曾受到过比当前上覆土层有效压力 P0更大的竖向有效压力即先期固结压力 Pc,可分为上覆地层被剥蚀、冰川消融卸载、地下水水位下降等几种情况(罗嗣海,1991),以上所述的不同类型超固结成因,仅针对原始地层形成之后的固结状态变化进行了分析,而对于地层形成过程中的各种影响因素,尚未进行探讨。华北盆地新近纪以来,华北盆地整体沉降而形成统一的大型坳陷盆地(徐杰等,2011),持续接受周边山地地区物源供给,堆积了巨厚的沉积物,未经历过大规模的剥蚀过程,且中国东部低于2500 m以下的中低山区不存在冰川活动(施雅风,2011),超固结地层的形成基本排除了上覆地层被剥蚀和冰川消融卸载的影响,主要与地下水水位持续下降有关,而且超固结值(Pc-P0)的大小与水位下降幅度密切相关(赵慧等,2008)。天津市中心城区地下水水位监测数据显示第三、四含水组水位埋深在 20 世纪 80 年代达到最大值之后缓慢回升,历史水位最大埋深在80~100 m(王家兵,2013),即给地层增加了 0.8~1.0 MPa左右的附加应力,但CTZ01孔第三、四含水组相当层位的超固结值(Pc-P0)在 0.96~1.32 MPa,已经超过了理论附加应力,表明原始地层即处于超固结状态。CTZ01孔 900~1300 m 段为新近系热储层的主要开采层位,近年来开发强度呈逐年增大,热储压力逐年趋势,热储层水位也随之呈逐渐下降,热储水位普遍在 100 m 左右(阮传侠等,2017)。测试结果显示,该段地层部分样品在水位下降的情况下仍呈现出欠固结状态,表明原始地层即处于欠固结。
通过对比天津市不同构造单元地层固结状态与沉积环境特征可以发现,欠固结地层多出现在海相和湖相地层中(杨吉龙等,2014),而超固结地层多分布在洪泛盆地沉积地层中(图3),沧州地区、黄河三角洲不同地区土体固差异同样受沉积环境影响(魏蒙恩,2015代馨楠等,2020王云龙等,2023张建民等,2024),CTZ01孔也呈现出类似的结果,这与土体形成过程及后期的物理化学过程密切相关。洪泛盆地沉积根据季节和丰、枯水期的变化间歇性暴露于地表,基本处于强烈氧化的环境中,局部形成湿热的气候背景,使铁、铝氧化含量及Ca2+ 浓度相对增加,在淋溶淀积作用下形成结构性较强的胶结作用(廖义玲等,2006)。湖沼相及海相沉积环境中通常含有机质,黏土颗粒在富含有机质水环境中易形成具有高孔隙格架的土体(裴利华等,2022),且通过黏粒接触连接和水胶连接聚集成较大的絮凝体,具有一定的结构性,但结构强度不大且容易消失。同时有机质通常对水分子有较强的吸收能力,使得黏土颗粒形成开放结构,含水量通常较高。由于湖相和海相地层沉积时水体相对较深,同时沉积物颗粒较细,含砂量较低,透水性差等原因,即使在上覆地层自重压力下,土体孔隙中的流体排泄依旧不畅,极易形成异常高的孔隙水压力,出现欠固结地层。
3天津市不同构造单元前期固结压力特征
4.3 地面沉降临界水位
地层的3种固结状态对地面沉降的影响是截然不同的。欠固结地层在自重力作用下地层仍在固结压密,如果欠固结地层中地下水水位下降,地面沉降将进一步加重。正常固结地层中地下水水位下降,将破坏地层内的应力平衡,也将引起地面沉降,因此正常固结地层不存在临界水位值。超固结地层中当附加应力 ΔP 大于超固结值(Pc-P0)时,会产生压密变形而引起沉降(赵慧等,2008)。根据 CTZ01 孔土样试验结果,分析不同深度地层的前期固结应力和自重应力的关系(图3),计算不同深度地层释水压密度的理论临界水位值(表3)。
0~160 m段地层沉积环境以曲流河、洪泛盆地为主,夹湖沼相、海相沉积,该段地下水多为咸水— 半咸水,历史上开发利用程度较低,地层为正常固结地层,不存在临界水位,只要水位下降,就会引发地面沉降。
160~630 m段地层沉积环境多为洪泛盆地,沉积物颗粒较细,黏性土含量较高,同时受历史大规模地下水开采影响,水位反复升降过程之中,地层逐渐压缩,地层反复固结,压缩性降低,为超固结地层,该段地层存在临界水位,水位控制在临界水位深度内,不会引起明显的地面沉降。对比天津市不同构造单元地层固结压力特征,与该段地层相当的层位均呈现出超固结的特征,表明这一特征受区域地层结构的控制,具有一定的规律性(图3)。天津中心城区、塘沽多个分层标监测数据显示,当地下水水位恢复至临界水位以上,地面沉降会得到明显控制,甚至局部发生回弹,表明临界水位在控制地面沉降中具有实际意义(白晋斌和牛修俊,2010)。由于超固结地层的形成是物理化学综合作用的结果,包含了结构强度和力学强度,地面沉降临界水位的提出是基于力学理论提出,黏性土结构强度对临界水位的影响和控制研究较少,临界水位还应结合地下水开采历史和地面沉降分层标监测资料进行综合研究,提出建议临界水位(表6)。
630~1300 m 段地层沉积环境以湖相夹洪泛盆地沉积为主,孔隙比、含水率相对较高,缩性压缩指数 Cc显示深部 860 m以下也出现了高压缩性土,为欠固结—正常固结地层,不存在临界水位,只要水位下降,就会产生垂向附加应力,造成黏性土压缩而引发地面沉降,说明在深层地下水和地热资源开采造成水位下降的情况下,会引起一定程度的地面沉降。孔隙型地热资源开采若在 100%同层回灌条件下,水位能够保持基本稳定,地热水开采产生的地面沉降十分有限。
地面沉降临界水位受多种因素的共同影响。本次针对天津市 CTZ01 孔的试验结果进行深入分析,所得出的临界水位结果具有地域性,仅适用于本次研究的特定区域。对于其他地区,临界水位的确定需综合考虑实际地层特征、地下水开发历史以及其它相关地质与环境因素,以确保评估结果的准确性和适用性。
6CTZ01孔临界水位
5 结论与建议
(1)天津地区新近纪早期地层主要为一套扇三角洲、湖泊三角洲夹曲流河河道带、洪泛盆地沉积。新近纪晚期为一套洪泛盆地夹曲流河河道带沉积。第四纪为一套曲流河河道带、洪泛盆地夹滨湖、滨海沉积。含水率、孔隙比、饱和度、液性指数等参数在垂向上整体呈现由浅至深逐渐减小的趋势,密度在垂向上整体呈现由浅至深逐渐增加的趋势。沉积环境及其物理化学过程对沉积物的工程力学特征有一定的控制作用,湖相、海相地层黏性土含水率、孔隙比、液性指数、压缩指数相比洪泛盆地沉积物偏高,而密度和饱和度则偏低。
(2)地层固结状态除受地下水开采影响外,还受沉积环境和区域地层结构的影响,欠固结地层多出现在海相和湖相地层中,而超固结地层多分布在洪泛盆地沉积地层中,主要与土体形成过程及后期的物理化学过程密切相关。
(3)根据 CTZ01 孔土样前期固结应力特征,0~160 m段为正常固结地层,不存在临界水位,只要水位下降,就会引发地面沉降。160~630 m段为超固结地层,存在临界水位,临界水位值 21~130 m,水位控制在临界水位深度内,不会引起明显的地面沉降。630~1300 m 段为欠固结—正常固结地层,不存在临界水位,孔隙型地热资源开采应严格控制水位下降。
1CTZ01钻孔位置图
2CTZ01孔土体物理力学性质及固结特征随深度变化曲线
3天津市不同构造单元前期固结压力特征
1沉积物颗粒标准偏差等级
2沉积物颗粒偏度等级
3CTZ01孔物理力学特性指标
4土体压缩性分类
5土体固结状态分类
6CTZ01孔临界水位
Albrecht B A, Benson C H. 2001. Effect of desiccation on compacted natural clays[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental En-gineering, 127(1): 67-75.
Wrona T, Taylor K G, Jackson C A, Huuse M, Najorka J, Pan I. 2017. Impact of silica diagenesis on the porosity of fine-grained strata: An analysis of Cenozoic mudstones from the North Sea[J]. Geo-chemistry, Geophysics, Geosystems, 18(4): 1537-1549.
Xu Q M, Yang J L, Hu Y Z, Yuan G B, Deng C L. 2018. Magnetostratig-raphy of two deep boreholes in southwestern Bohai Bay: Tectonic implications and constraints on the ages of volcanic layers[J]. Qua-ternary Geochronology, 43: 102-114.
白晋斌, 牛修俊. 2010. 天津新生界固结特征与地面沉降[J]. 中国地质灾害与防治学报, 21(1): 42-46.
代馨楠, 贾永刚, 张少同, 张淑玉, 张皓清, 单红仙. 2020. 盐度影响沉积物抗侵蚀性的环形水槽试验研究[J]. 海洋地质与第四纪地质, 40(3): 222-230.
董克刚, 周俊, 于强, 郑玉萍, 徐冬, 朱庆川, 王淼. 2007. 天津市地面沉降的特征及其危害[J]. 地质灾害与环境保护, 18(1): 67-70.
段晓峰, 许学工, 王若柏. 2014. 天津沿海地区地面沉降及其影响因素[J]. 北京大学学报(自然科学版), 50(6): 1071-1076.
高俊杰. 2017. 天津市中心城区地面沉降机理及防治对策[D]. 北京: 中国地质大学(北京).
高翔. 2017. 黏土矿物学[M]. 北京: 化学工业出版社, 74-86.
郭海朋, 白晋斌, 张有全, 王丽亚, 石菊松, 李文鹏, 张作辰, 王云龙, 朱菊艳, 王海刚. 2017. 华北平原典型地段地面沉降演化特征与机理研究[J]. 中国地质, 44(6): 1115-1127.
郭海朋, 李文鹏, 王丽亚, 陈晔, 臧西胜, 王云龙, 朱菊艳, 卞跃跃. 2021. 华北平原地下水位驱动下的地面沉降现状与研究展望[J]. 水文地质工程地质, 48(3): 162-171.
何良彪. 1982. 海洋沉积岩心中黏土矿物变化与古气候变迁的关系[J]. 科学通报, 27(13): 809-812.
何满潮, 周莉, 李德建, 王春光, 聂雯. 2008. 深井泥岩吸水特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 27(6): 1113-1120.
黄龙. 2016. 地面沉降地区下穿河流隧道工程地质灾害危险性探讨[J]. 地质灾害与环境保护, 27(4): 44-51.
黄猛, 李明辰, 樊航宇, 张晓飞, 李继军, 胥勤勉. 2019. 渤海湾西北岸 QHJ01 孔记录的晚新生代气候与沉积环境演化[J]. 地质学报, 93(4): 899-914.
冷挺, 唐朝生, 徐丹, 李运生, 张岩, 王侃, 施斌. 2018. 膨胀土工程地质特性研究进展[J]. 工程地质学报, 26(1): 112-128.
梁瑜. 2022. 基于实际工程的场地黏土分析与评价[J]. 矿产勘查, 13 (6): 807-812.
廖义玲, 毕庆涛, 席先武, 赵坤. 2006. 关于红黏土先期固结压力的探讨[J]. 岩土力学, 27(11): 1931-1934.
罗嗣海. 1991. 不同成因超固结土的深度效应及其应用[J]. 勘察科学技术, (4): 29-32.
牛修俊. 1998. 地层的固结特征与地面沉降临界水位控沉[J]. 中国地质灾害与防治学报, 9(2): 68-74.
裴利华, 杨醒宇, 桂跃, 王兆昌, 张毅. 2022. 有机质含量及组分对泥炭土物理力学性质影响[J]. 水文地质工程地质, 49(2): 77-85.
茹洪久, 刘东林, 胡慧川, 沈健. 2018. 天津地热资源评价与综合研究[J]. 中国地质调查, 5(2): 25-31.
阮传侠, 冯树友, 沈健, 林黎, 江国胜. 2017. 天津滨海新区地热资源循环利用研究——馆陶组热储回灌技术研究与示范[J]. 地质力学学报, 23(3): 498-506.
施雅风. 2011. 中国东部中低山地有无发育第四纪冰川的可能性?[J]. 地质论评, 57(1): 44-49.
天津市地质调查研究院. 2019. 中国区域地质志·天津志[M]. 北京: 地质出版社, 595-710.
王家兵. 2013. 天津地下水研究[M]. 北京: 地质出版社, 65-100.
王家兵, 王亚斌, 张海涛. 2007. 控制地面沉降条件下天津深层地下水资源持续利用[J]. 水文地质工程地质, (4): 74-78.
王若柏, 孙东平, 耿世昌, 韩月萍. 1994. 天津地区地面沉降及其对地理环境的影响[J]. 地理学报, 49(4): 317-323.
王双, 严学新, 揭江, 杨天亮, 吴建中, 王红珊. 2019. 珠江三角洲平原区地面沉降影响因素分析[J]. 中国地质灾害与防治学报, 30(5): 98-104, 112.
王巍, 朱庆川, 时绍玮, 徐冬, 高瑞芳. 2014. 天津西青区地下水开采与地面沉降的关系[J]. 地质灾害与环境保护, 25(1): 76-81.
王文韬, 郭明伟. 2022. 商丘市规划区工程地质分区及工程建设适宜性评价[J]. 矿产勘查, 13(1): 130-138.
王云龙, 陈晔, 郭海朋, 孟静, 王海刚, 臧西胜, 朱菊艳. 2023. 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, 50(4): 185-192.
魏蒙恩. 2015. 疏松砂岩工程地质特性研究[D]. 兰州: 兰州大学.
武朝军. 2016. 上海浅部土层沉积环境及其物理力学性质[D]. 上海: 上海交通大学, 212.
徐杰, 周本刚, 计凤桔, 高祥林, 吕悦军, 王明明, 陈国光. 2011. 渤海地区新构造格局[J]. 石油学报, 32(3): 442-449.
徐元芹. 2012. 中国近海典型区域粘性土工程地质特征的差异性及其成因研究[D]. 青岛: 中国海洋大学.
杨吉龙, 曹国亮, 李红, 李静, 胡云壮, 胥勤勉, 秦雅飞, 杜东, 方成. 2014. 天津滨海地区晚新生代地层自然固结与地面沉降研究[J]. 岩土力学, 35(9): 2579-2586.
杨秀娟, 贾永刚, 刘红军. 2009. 黄河三角洲粉质土前期固结压力的探讨[J]. 华东师范大学学报(自然科学版), (3): 146-152.
张光辉, 费宇红, 聂振龙, 申建梅, 李惠娣, 王金哲. 2005. 海河平原东部地区地面沉降机理与趋势[J]. 中国地质灾害与防治学报, 16 (1): 15-19.
张宏, 柳艳华, 杜东菊. 2007. 渤海湾西岸沉积物粒度参数特征及其工程性质分析[J]. 天津城市建设学院学报, 13(2): 104-110.
张建民, 单红仙, 王振强, 王志才, 王津津. 2024. 黄河三角洲潮滩表层沉积物在潮波和波浪作用下的孔压响应及固结机理现场试验研究[J]. 岩土工程学报, 46(10): 2111-2118.
张永雨, 高德, 王利超, 冯振华. 2020. 河南桥台高填方路基变形分析及处治[J]. 矿产勘查, 11(8): 1759-1765.
赵慧, 钱会, 彭建兵. 2008. 超固结土层垂向形变机理及临界水位控沉分析——以西安南郊钻孔土样研究为例[J]. 中国地质灾害与防治学报, 19(1): 124-127.
周莉, 杜文学, 韩雪, 李长凤. 2009. 黏土矿物微观孔隙结构的分形特征[J]. 黑龙江科技学院学报, 19(2): 94-96, 120.