【类型】期刊

【作者】吴静红，姜洪涛，苏晶文，施斌（南京大学地球科学与工程学院；南京大学地理与海洋科学学院；中国地质调查局南京地质调查中心）

【作者单位】南京大学地球科学与工程学院；南京大学地理与海洋科学学院；中国地质调查局南京地质调查中心

【刊名】工程地质学报

【关键词】 地下水抽取；地面沉降；第四纪沉积层；分布式光纤监测；压缩度

【资助项】国家自然科学基金重点项目；国家自然科学基金项目；地质矿产调查评价专项

【ISSN号】1004-9665

【页码】P56-63

【年份】2019

【期号】第1期

【期刊卷】1;|7;|8;|2

【摘要】苏州地区广泛分布松散第四纪沉积物,大量抽取地下水导致了苏州大范围的地面沉降,严重影响了该区经济发展。本文在苏州盛泽200m钻孔内安装了分布式感测光纤,采用BOTDR及FBG等分布式光纤感测技术(DFOS),对第四纪沉积层压缩及地面沉降进行了长期的监测分析。分析结果表明:苏州盛泽地区第四纪土层可分为3个含水层(Af)及4个弱透水层(Ad),现阶段含水层压缩已不明显,主要压缩层为与抽水含水层相邻的两个隔水层,且与抽水含水层距离越近的部位压缩越明显;第四纪沉积层的变形与抽水含水层孔隙水压变化基本一致,呈现出夏季压缩,冬季略回弹的趋势,并且存在滞后现象;定义压缩度为各层累计压缩量与其自身厚度的比值,即每米压缩量。各土层沉降趋势可用压缩度判断,对于黏土隔水层沉降程度Ad2>Ad3>Ad4>Ad1,对于含水砂层,Af2为主要变形层,Af1及Af3变形基本稳定。DFOS技术为研究地面沉降机理,评价土层压缩变形潜力提供了十分先进的监测手段。

【全文】 文献传递



基于DFOS的苏州第四纪沉积层变形及地面沉降监测分析*

吴静红①　姜洪涛②　苏晶文③　施　斌①

(①南京大学地球科学与工程学院　南京　210023) (②南京大学地理与海洋科学学院　南京　210023) (③中国地质调查局南京地质调查中心　南京　210016)

摘　要：苏州地区广泛分布松散第四纪沉积物，大量抽取地下水导致了苏州大范围的地面沉降，严重影响了该区经济发展。本文在苏州盛泽200m钻孔内安装了分布式感测光纤，采用BOTDR及FBG等分布式光纤感测技术(DFOS)，对第四纪沉积层压缩及地面沉降进行了长期的监测分析。分析结果表明：苏州盛泽地区第四纪土层可分为3个含水层(Af)及4个弱透水层(Ad)，现阶段含水层压缩已不明显，主要压缩层为与抽水含水层相邻的两个隔水层，且与抽水含水层距离越近的部位压缩越明显； 第四纪沉积层的变形与抽水含水层孔隙水压变化基本一致，呈现出夏季压缩，冬季略回弹的趋势，并且存在滞后现象； 定义压缩度为各层累计压缩量与其自身厚度的比值，即每米压缩量。各土层沉降趋势可用压缩度判断，对于黏土隔水层沉降程度Ad2>Ad3>Ad4>Ad1，对于含水砂层，Af2为主要变形层，Af1及Af3变形基本稳定。DFOS技术为研究地面沉降机理，评价土层压缩变形潜力提供了十分先进的监测手段。

关键词：地下水抽取　地面沉降　第四纪沉积层　分布式光纤监测　压缩度

0　引　言

随着经济的飞速发展，人口的日益增加，地表水源的供给已不能满足人们日渐剧增的水量需求，地下水作为补给水源被大量开采。由于大量开采地下水导致的地面沉降可能引起海水入侵，地裂缝，建筑物沉降，对人类生活、经济产生了巨大危害，已经成为全球范围内关注的问题(Chen et al.，2003; Galloway et al.， 1998; Hung et al.，2012; Modoni， 2013; Pacheco￣Martínez et al.，2013)。

在过去的几十年，针对抽水引起的地面沉降问题，已有许多学者开展了研究。Poland et al.(1969)证明了美国加州圣克拉拉谷地面沉降的中心与抽水漏斗中心的一致性； Bell et al.(1986)认为此类地面沉降是由于松散沉积物在释水过程中有效应力增加而导致的固结作用。近年来，地面沉降的研究重点集中于地面沉降发展趋势的监测与预测。Ikehara et al.(1992)第1次将GPS用于Antelope Valley， Mojave Desert， California地区抽水引起的地面沉降监测； Sato et al.(2003)利用GPS监测了1996.4～1998.12日本新泻县的地面沉降，监测结果发现每年冬天沉降约7cm，且与水位线监测结果一致。远程大地测量技术在监测地表位移方面有着优越性，如InSAR技术被广泛用于监测与抽取地下水有关的地表空间变形(Galloway et al.， 1998; Hooper et al.，2004)； Hung et al.(2010)运用水准测量、GPS、多层地陷监测井以及DinSAR多种技术监测了台湾地区含水系统的压缩及地面沉降，监测结果显示沉降以城市为中心出现沉降漏斗，沉降主要发生在地下200m以下。然而，水准测量费用高，GPS精度差，远程大地测量技术精度受多种误差限制，并且这些监测方法通常测得的是地表位置的相对位移，无法准确掌握深部地层变形规律，而了解深部地层变形规律是掌握地面沉降机理的关键。

目前，对于深部土体的变形监测，主要采用分层沉降标。王光亚等(2009)分析了1984～2002年常州市分层标资料，监测结果显示常州区主要压缩层为抽水含水层顶板弱透水层； 王巍等(2014)通过分层标监测系统将天津市含水层当前沉降状态与水位变化相结合，制定了有效的沉降治理措施。但分层沉降标监测结果受到点位数量和分布的限制，只能获取有限层位间的位移变形(张诗玉等， 2008)，不能对地层内部变形进行精细化的观测； 另一方面，在分层沉降标实际监测过程中，发现这一技术施工工艺复杂、测井深度受限制、稳定性和测量精度等常受前期埋设及人工操作影响大。光纤感测技术作为一种新型监测手段，已被广泛应用于各类结构健康监测(Li et al.，2004; Wang et al.，2009; 张丹等， 2004)，其分布式、长测距、抗干扰性强、耐腐蚀、可远程感测等优点在岩土工程监测中具有较大优势。Kunisue et al.(2010)证实了在钻孔中铺设光纤传感器监测不同深度地层压缩的可行性，但此项技术用于含水层系统的变形监测还未见相关报道。

本文采用BOTDR及FBG等分布式光纤感测技术(DFOS)，利用苏州盛泽中学内一个200m的钻孔，安装了分布式感测光缆，对第四纪沉积层的变形及地面沉降进行了长期的监测分析，获得了整个钻孔剖面地层变形的分布式信息，据此，对地面沉降的机理和地层压缩潜力进行了分析。

1　钻孔地层岩性与分布

本次研究所采用的钻孔位于江苏省苏州市盛泽中学内，该区位于长江下游冲积平原，第四纪地层深厚且分布广泛，具有典型的松散砂层和黏土层交替互层的特点。这些松软土层在强烈开采地下水作用下极易产生压密固结而引发地面沉降，在1980～1997年间苏州最大累计沉降甚至达到了1m(Chen et al.，2003)。政府采取了一系列措施，苏州市地面沉降整体上得到了缓解， 2007年市区年沉降量小于5mm，但盛泽地区年沉降量达54mm，沉降最为严重(江苏省国土资源厅， 2007)。据此，本文将地面沉降观测孔钻探地点选在苏州盛泽。钻孔位于北纬30°53′23.96″，东经120°40′47.11″(图1)，采用钻机钻孔，孔径为129mm。钻孔过程中全取心钻进，并对土层进行了详细的编录，最终钻孔深度为200m。依据钻孔土样的埋藏条件和水理特征，将钻孔第四纪多层含水层系统划分为3个承压含水层组，包括3个承压含水层和4个弱透水层。表1给出了各含水层组深度及划分，其中Ad代表弱透水层，Af代表含水层。目前，该地区主要的抽水层为Af2(伍洲云等， 2003)。

2　基于DFOS的监测方案

2.1　监测技术

在本次监测中，采用了准分布式的FBG渗压计和全分布式的BOTDR两种DFOS技术，分别对钻孔土层中的孔隙水压力和土层应变进行了精细化的监测。

2.1.1　FBG渗压计

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，缩称FBG)是一种在感测光纤上刻制而成的波长选择反射器，其工作原理见图2。刻制的栅距(周长)Λ和纤芯的有效折射率neff决定了背向反射光中心波长λb，λb的漂移量与光纤轴向应变和沿线温度变化存在线性关系(Kersey et al.，1997; 魏广庆等， 2009)。在拉、压应变作用下引起中心波长漂移可表示为：

(1)

式中，Δε是轴向应变，Pe为有效光弹系数。

FBG是一种准分布式监测传感技术，将不同的FBG传感器连接在同一根光缆上即可得到不连续的特殊点的相关信息。利用FBG这一监测原理，将FBG放入渗压计腔体中，水经渗水石过滤后进入腔体中，受压后FBG周期Λ改变，从而导致反射光波长发生改变，经过调制解调器即可测出测点处水压值。

2.1.2　BOTDR应变感测技术

布里渊光时域反射计(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer，缩称BOTDR)是一种基于自发布里渊背向散射的分布式光纤应变传感技术，其工作原理(图3)。光纤上任意一点至入射端的距离L可以由式(2)计算得到：

(2)

式中： c为光速； n为光纤折射率；T为自激光发射与接收到布里渊散射光所经历的时间。

布里渊散射对应变和温度同时敏感，当光纤存在轴向应变或者光纤沿线温度发生变化时，布里渊背向散射光的频率漂移量与光纤应变和温度的变化存在良好的线性关系(Garus et al.，1996； Bao et al.，2001; 张丹等， 2004)。但温度对布里渊频移的影响较变形的影响小得多，因此，如果温度的变化小于5℃，一般可以忽略(张丹等，2004)。布里渊频移与光纤应变的关系如式(3)：

(3)

式中： νB(ε)表示光纤受到ε应变时的布里渊频率漂移量； νB(0)表示测试环境温度下光纤自由状态时的布里渊频率漂移量；为应变系数； ε为光纤实际应变量(索文斌等， 2006)。根据这一关系，就可以对感测光纤沿线的应变进行分布式测量。

2.2　监测方案

为了监测钻孔各土层在地下水变化作用下的变形规律，课题组设计了相应的DFOS监测系统，监测方案(图4)。为了监测钻孔各土层的变形，选用金属基索状感测光缆作为应变感测光缆，其基本参量(表2)。将感测光缆中部缠绕在配重导锤上 (图4d)，在导锤两侧对称部位形成一个“U”字型回路，并用热缩管对导锤头部的光缆绑扎部位进行热缩保护； 此外，在87.7m处放置一个FGB渗压计，以监测承压含水层孔隙水压力的变化 (图4c)； 最后回填钻孔 (图4e)。通过室内试验将各配合比试样的抗压强度与原状土的抗压强度相对比，选取最佳级配细砂-砾石-膨润土配合比进行钻孔回填(杨豪等， 2012)。回填过程中，尽量保持感测光缆处于拉直的状态。回填后，在孔口架设一个滑轮，固定住感测光缆，在一定程度上减少钻孔中的光缆在周围土的固结过程中被扭曲。待回填土料自身固结，在地下围压下与周围土体耦合后，通过BOTDR解调仪测量感测光缆上的应变分布，获得钻孔相应位置的应变分布。由于地温场在地表10m以下基本不变，因此，在此次监测中温度的影响可以忽略不计。

基于DFOS技术的地面沉降监测系统在2012年11月25日铺设完成，经过钻孔回填土1个月的完全固结后，12月25日开始测量，每隔1～2月监测一次，截止2014年7月11日已进行了11次的数据采集。

3　监测结果与分析

3.1　钻孔土层压缩变形

将2012年12月25日采集的数据作为初始数据，之后监测周期测得的数据减去原始数据，即得各监测周期应变随深度的变化(图5)。

根据BOTDR监测所得数据可以发现，在200m深度范围内应变变化明显区域主要有3个。在地表至地下10m范围内压应变和拉应变交替出现，且波动较大，这主要是地表受大气温度变化频繁影响所致； 在42.35～74.35m以及87.7～111.5m范围内，即与Af2相邻的两个隔水层Ad2和Ad3，光纤监测到明显的压应变，且随时间压应变呈现逐渐增大趋势。说明苏州盛泽地面沉降区现阶段主要的压缩地层为与主要抽水层相邻的隔水层Ad2及Ad3，且仍在继续压缩。应变监测结果符合有效应力原理，抽水含水层Af2孔隙水压力减小有效应力增加，产生弹性变形以及不同程度的塑性变形，使含水层本身压密； 抽水含水层水头下降使含水层上下渗透性较差的黏土隔水层Ad2及Ad3垂向向含水层Af2排水，释水固结形成不可逆的沉降变形(刘府生， 2011)。从应变曲线还可以看出与抽水含水层Af2距离越近的部分压缩程度越大，说明由抽水引起的地层压缩在垂向上是不均匀的。这是由于黏土层中各点与抽水含水层的距离不相同，对应的水力梯度和渗透速度也不同，孔隙水渗流从距抽水含水层Af2较近的一侧开始，滞后地向远离Af2的另一侧发展(曹文炳， 1983)。

3.2　地面沉降与地下水开采关系

光纤轴向的拉伸或压缩量可以通过BOTDR测得的光纤轴向应变值沿光纤长度积分获得(卢毅等， 2014)，根据定积分的定义，若函数ε(Z)在区间[Z1，Z2]上可积分，则有n等分的特殊分法，其计算公式可以表示为：

(4)

式中： ΔL 为光纤在Z1到Z2之间的压缩或者拉伸量； ε(Z) 为Z1到Z2之间各采样间隔点的应变值。根据不同的监测要求有不同采样间隔，本文采用的采样间隔为0.05m，即每等份长度0.05m。假定土体和光纤变形协调，理论上通过光纤应变分布沿光纤长度积分得到光纤的变形量，也即土层的变形量。对图5b应变沿深度方向进行积分，即可得到地层近似变形量。 图6 给出了5.3～165.1m第四纪沉积层在不同时期的累积变形量以及Af2附近孔隙水压力的变化。从图中可以看到，孔隙水压力在2013年3月8日至2013年9月11日逐渐减小，在2013年9月11日至2014年4月29日逐渐增加，之后又呈现减小趋势。这主要是因为夏天地下水开采量大，地下水位不断下降，孔隙水压减小，而冬天地下水开采量减小，地下水位有所回升，孔隙水压增大。第四纪沉积层变形与孔隙水压力变化具有一致性，呈现出先压缩后回弹再压缩的趋势。在2013年3月8日至2013年9月30日期间压缩明显，累积达到11.4mm，随着地下水位的回升，土层出现略微回弹，并存在滞后现象。截至2014年7月11日，第四纪沉积层累计压缩达到了12.1mm。值得注意的是，即使在2014年4月抽水含水层孔隙水压力已回升到初始状态，土层的最大回弹量也只有2.4mm，仅占压缩量的21%。

图7a和图7b分别给出了第四纪沉积层中3个含水层(Af1、Af2及Af3)及3个隔水层(Ad2、Ad3及Ad4)变形量与孔隙水压力变化的关系图。从图7a 中可以看出Af1和Af3变形基本稳定不变，而主要抽水含水层Af2变形趋势与其孔隙水压力变化基本一致，只在孔隙水压力回升阶段略有波动。这是由于Af1及Af3不是主要抽水层，水头基本稳定，在地质环境(地下水开采强度、土体成分差异、上覆压力)没有太大改变的情况下，固结已趋稳定。

从图7b中可以看到，Ad4远离抽水含水层Af2，基本不存在竖向排水，无压缩变形，Ad2和Ad3随时间呈现出压缩略回弹再压缩特征，与Af2孔隙水压力变化一致，且Ad2压缩变形量要大于Ad3的压缩变形量。

4　第四纪沉积层压缩趋势评价

对于不同的土层，地下水开采强度、土层应力历史、土体成分等诸多因素影响了沉积物在沉降过程中的压缩特性。地面沉降存在一个孕育-发展-消亡的生命过程，不同土层处在不同生命阶段且具有不同的压缩潜力及趋势(吴静红等， 2014)。

表3给出了各层压缩信息，累计压缩计算时间从2012年12月25日至2014年7月11日。从表中可以发现，Ad2厚度33.15m，压缩7.291mm，占总压缩量的60.40%； 其次是Ad3厚度50.2m，压缩2.79mm，占总压缩量的23.08%，抽水含水层Af2厚度13.35m，压缩1.503mm，占总压缩量的12.5%。可见在现阶段地面沉降中，黏土层的释水压缩是地面沉降的主因。定义压缩度为各层累计压缩量与其自身厚度的比值，即每米压缩量。压缩度可以判断现阶段压缩趋势。对于隔水层，Ad2>Ad3>Ad4>Ad1≈0，说明Ad2的压缩趋势较Ad3大，而Ad1和Ad4基本不发生压缩变形。这是由于Ad1以及Ad4远离抽水含水层Af2，基本不存在与含水层之间的竖向排水，在外界条件无改变时发生压缩变形可能性小，已经基本完成压缩固结； 对于含水砂层Af2的压缩度为0.11mm·m-1，而Af1和Af3基本没有发生形变，说明现阶段若开采条件不改变，Af1及Af3变形已经稳定。

5　结　论

本文首次将DFOS技术应用于地面沉降监测中，通过对苏州盛泽中学200m钻孔深度地层的分布式光纤监测，得到如下结论：

(1)苏州盛泽现阶段主要沉降层并非抽水砂层，而是与抽水含水层相邻的两个隔水层，其变形特征是：黏土隔水层中孔隙水压力的降低滞后于含水层的孔隙水压力变化。其释水压缩量在垂向上的分布是不均匀的，靠近抽水含水层处压缩大，远离抽水含水层压缩小，由近抽水含水层一侧向远离抽水含水层一侧慢慢发展。

(2)第四纪沉积层的变形与抽水含水层孔隙水压力变化相一致，且存在一定滞后性，呈现出夏季压缩，冬季略回弹趋势。

(3)现阶段各层沉降趋势可用压缩度判断，对于黏土隔水层Ad2>Ad3>Ad4>Ad1； 对于含水砂层，抽水含水层Af2为主要变形层，Af1及Af3基本无变形； 现阶段苏州地面沉降的主因是与抽水含水层相邻的黏土层的释水压缩而非抽水含水层自身压缩变形。

(4)DFOS技术具有突出的全分布式监测优势，可精细化测量钻孔土层垂向的压缩和回弹变形，为研究地面沉降机理，评价土层压缩变形潜力提供了十分先进的监测手段。

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DFOS-BASED MONITORING ON QUATERNARY SEDIMENTS DEFORMATION AND LAND SUBSIDENCE IN SUZHOU，CHINA

WU Jinghong①　JIANG Hongtao②　SU Jingwen③　SHI Bin①

(①School of Earth Sciences and Engineering， Nanjing University， Nanjing　210023) (②School of Geographic and Oceanographic Science， Nanjing University， Nanjing　210023) (③Nanjing Center， China Geological Survey， Nanjing　210016)

Abstract：Loose Quaternary deposits are widely distributed in Suzhou， where extracting groundwater has caused a large-scale land subsidence. The land subsidence influences the development of economy. Optical fibers are laid in a 200m borehole drilled in Shengze， Suzhou. Based on the BOTDR and FBG technologies， the Quaternary sediments deformation and land subsidence are long-term monitored. It is showed that Quaternary sediments can be divided into different aquifers(Af) and aquitards(Ad).The main compaction occurs at two thick aquitards which adjacent to the second confined aquifer. In addition， the shorter the distance between the aquitard and the pumping aquifer is，the greater the degree of compression of the aquitard is .The soil layer reaches the maximum compression in summer while a small rebound occurs in winter， showing the conformance with the pore water pressure of the pumping aquifer. We define the compression degree as the ratio of the accumulative compression and the thickness of this layer(i.e.，the unit compression).At this stage the subsidence trend can be judged by compression degree. For the aquitards， there is a tendency shows that Ad2>Ad3>Ad4>Ad1. For the aquifers， the Af2 is the main compaction layer while Af1 and Af3 remain almost constant. DFOS technique provides a very advanced monitoring method for the study of land subsidence mechanism and the evaluation of soil compression deformation potential.

Key words：Groundwater withdrawal， Land subsidence， Quaternary sediments， Distributed fiber optic monitoring， Compression degree

DOI：10.13544/j.cnki.jeg.2016.01.007

* 收稿日期：2014-10-31;

收到修改稿日期：2015-04-01.

基金项目：国家自然科学基金重点项目(No.41230636)，国家自然科学基金项目(No.41372265)，地质矿产调查评价专项(1212011220002)资助.

第一作者简介：吴静红(1989-)，女，博士生，主要从事城市环境岩土工程研究. Email: jhwunju@gmail.com

通讯作者：简介： 施斌(1961-)，男，博士，教授，博士生导师，长期从事环境工程地质研究. Email: shibin@nju.edu.cn

中图分类号：P642.26

文献标识码：A