[浅层地下水抽灌循环储能利用引发的地层竖向位移研究] 浅层地下水

　　摘要：根据天津滨海地区浅层地下水特征及区域地质特征，建立了浅层地下水综合循环利用储能的抽灌系统及地层竖向位移监测系统，在系统运行期对地层变形进行了长期监测。根据监测资料，对浅层地下水抽灌循环利用过程中引发的地层竖向位移进行了相应研究，探明了发生沉降的主要层位有含水层及浅部欠固结软土，同时也证实了通过抽灌结合的地下水利用方式对地面沉降起到了一定的缓减作用。
　　关键词：天津滨海地区；浅层地下水抽灌；地层竖向位移
　　中图分类号：TD325.2 文献标识码：A
　　1 引言
　　当前，社会经济发展迅猛，能源需求日益紧张，为了缓减发展带来的能源紧张局面，对浅层地下水储能方式的利用日渐盛行。但由于地下水的抽取可能引起地下水位下降，造成地面沉降等地质环境的变化。因此采用了抽灌结合的方式进行，以求在最大程度上减缓地面沉降带来的负面影响。对于浅层地下水的抽灌循环利用及其带来的地面沉降问题许多学者了也都进行了这一方面的研究。
　　吴建中等人[1]通过开展试验研究，改进了地下水人工回灌工艺流程，通过同步地面形变监测分析了浅层地下水人工回灌对控制地面沉降的作用效果，评价了浅层地下水人工回灌技术在防治工程型地面沉降中推广应用的可行性及适用性。王翠玲[2]等人从粘土层压缩变形的微观效应角度，揭示了回灌对沉降控制的机理，介绍了控沉中人工回灌方式，并对地下水回灌过程中存在的一些问题进行了论述，提出了相应的地面沉降控制措施，为实践提供有益的指导。张云[3]等人在抽灌水条件下根据上海砂土层的水位、变形观测资料，研究了上海含水砂层变形特征及其与地下水位变化的关系。根据实测的土层变形和水位数据，得到砂土层的变形参数，为地面沉降的计算提供依据。杨天亮[4]等人通过浅层地下水压力回灌对比试验研究，证实采用变压力、变流量地下水人工回灌可有效实现地下水位和地面沉降的双重控制，效果显著。
　　通过以上分析可知，抽灌循环利用地下水的方式已日渐普遍。天津滨海地区浅层地下水以往很少开采利用，几乎处于封闭状态，满足储能利用的基本条件，存在利用的潜在价值。本次研究以试验为基础，采取了抽灌结合的方式进行，利用特殊工艺将利用完毕的地下水全部循环灌入地下， 填补由于采取地下水而形成的降水漏斗，增加由于抽水减小的孔隙压力，研究了在此基础上的地层变形特征。
　　2 研究区域简介
　　2.1 研究区水文地质条件
　　研究区域位于天津滨海新区，区内分布的浅层地下水主要为第四系全新统及上更新统，该含水系统受多次海侵及后期改造形成，为孔隙型潜水。试点位于滨海新区于家堡金融区内，地质特征如图1。
　　2.2 研究区试验条件
　　试验研究区建设一间地下水循环利用室，可将浅层地下水抽取进行储能利用；建有水井3口，运行模式为一抽两灌，其平面示意图如图2；建有地层分层沉降标6组，埋设深度分别为3.7m、9.0m、14.5m、18.0m、24.0m、27.0m。可分别监测井深范围内不同地层竖向变形，详情如图1、图2。
　　3 研究方法
　　本次浅层地下水抽灌综合利用根据场区水文地质条件，结合区域地质特征，分别进行了水井建设及地面沉降监测系统的建设。研究方法如下：浅层地下水在综合利用过程中，利用其中一口井进行较深地下水抽取->将抽取的地下水进行冷热能综合利用->利用完毕后的地下水进行浅层排放回灌。整个循环过程中，进行地面竖向位移的监测，研究抽灌结合情况下地面竖向位移的变化特征。
　　根据表1，可知本次浅层地下水利用过程中发生沉降的地层主要有⑥1粉质粘土，⑥2淤泥质粘土，⑨2、⑩粉细砂。其中⑨2、⑩粉砂、细砂为咸水主要含水层，监测数据显示其竖向变形最大。⑥2淤泥质粘土层为软土层，监测数据显示竖向变形小于含水层。⑥1粉质粘土为表层天然沉积土层，排水后有一定程度的压缩。其余各土层监测显示竖向位移均较小，对地面沉降影响甚微。
　　另外，从图3中可以看出，随着地下水的回灌，各地层单次固结变形曲线出现波动，说明地下水的回灌在一定程度上能使地层恢复变厚，减缓由抽水带来的地面沉降。
　　4.3 地层竖向位移原因
　　本次浅层地下水利用过程中，涉及到的地层竖向变形有沉降及回弹两种情况。地层的沉降表现为地层压缩变薄，地层的回弹表现为地层的膨胀变厚。
　　地层的压缩变薄主要为浅层地下水利用所导致。根据有效应力原理，土的总应力（σ）等于由水承担的孔隙水应力（u）与土骨架承担的有效应力（σ’）之和，抽水使土体的孔隙水压力降低，上覆土层的总应力不变，因而有效应力增加，使土体颗粒重新排列，固结压密，进而表现为宏观上的地层压缩变薄。该有效应力原理可以很好的解释含水层粉细砂（⑨2、⑩）的沉降变形；地层压缩变薄的另一个方面就是欠固结软土的固结，欠固结软土具有含水量高、孔隙比大、压缩性大、强度低的特点，由于土的自重应力下尚未达到完全固结，在正常情况下也发生一定的压缩变形，加之排水的措施，软土的固结变形程度将更大。地层的膨胀变厚可解释为地下水抽取过程中，含水层首先排水，固结压缩，在应力向上传导过程中，由于含水层压缩变薄，对上层土约束减弱而导致上层土体回弹。
　　5 结语
　　浅层地下水利用过程中，产生了35.86mm的累积沉降，主要沉降层位为粉细砂含水层、欠固结软土、上部未很好固结的天然沉积土层，部分层位略有回弹。
　　地层的压缩变薄主要为浅层地下水利用所导致，有效应力原理可以很好的解释含水层粉细砂（⑨2、⑩）的沉降变形；地层压缩变薄的另一个方面就是欠固结软土的固结；地层的膨胀变厚可解释为地下水抽取过程中，含水层首先排水，固结压缩，在应力向上传导过程中，由于含水层压缩变薄，对上层土约束减弱而导致上层土体回弹。
　　监测资料显示，随着地下水的回灌，各地层单次固结变形曲线出现波动，说明地下水的回灌在一定程度上能使地层恢复变厚，减缓由抽水带来的地面沉降。
　　参考文献：
　　[1]吴建中，王寒梅，杨天亮，浅层地下水人工回灌应用于上海市工程性地面沉降防治的试验研究[J].现代地质，2009，23（6）：27～28.
　　[2]王翠玲，王 飞.地下水人工回灌对地面沉降控制的探讨[J].山西建筑，2007（33）：135～141.
　　[3]张 云，薛禹群，吴吉春，等.抽灌水条件下上海砂土层的变形特征和变形参数[J].水利学报，2006（5）：66～69.
　　[4]杨天亮，严学新，王寒梅，等.水位与沉降双控模式下浅层地下水压力回灌试验研究[J].上海地质，2010（4）：233～235.

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