專(zhuān)利名稱(chēng)：地面沉降控制施工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種建筑施工技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種結(jié)構(gòu)性地層中地下流體開(kāi)采時(shí)地面沉降控制施工方法。

背景技術(shù)：
地面沉降是一種由于地震，地下流體資源開(kāi)采等自然或人為原因改變地層中的應(yīng)力狀態(tài)而導(dǎo)致的大范圍的地質(zhì)災(zāi)害。地面沉降可能造成地面塌陷、道路不平、地下管道折斷，建筑物不均勻沉降，海水倒灌等危害，因此必須采取措施以控制地面沉降。目前國(guó)內(nèi)外控制地下流體開(kāi)采引起地面沉降的技術(shù)措施主要包括減小開(kāi)采量，增加回灌量以及調(diào)整開(kāi)采層次。這些措施雖然在一定程度上起到了緩解地面沉降的作用，但是盲目性較大，難以事先定量。在控制地面沉降的過(guò)程中，一些城市出現(xiàn)了短期突沉或回灌失效的現(xiàn)象。所謂短期突沉現(xiàn)象是指在某地下流體開(kāi)采區(qū)域，地面沉降以每年幾乎相等的速率下沉，但某一時(shí)間突然有多于以往數(shù)倍的沉降發(fā)生，而這時(shí)地下流體的開(kāi)采量并沒(méi)有顯著增加，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)地震等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。所謂回灌失效是指回灌注水不僅不能減輕沉降的發(fā)生，反而使沉降在短期內(nèi)大幅度增大。發(fā)生上述現(xiàn)象的主要原因是由于天然沉積巖土的結(jié)構(gòu)性所致。
已有研究成果表明，絕大多數(shù)天然沉積巖土都具有結(jié)構(gòu)性。Hong等在《GeotechnicalEngineering，Proceeding of ICE》(2007，Vol.160，No.3pp.153-159)上發(fā)表的“Lossof soil structure for natural sedimentary clays(天然沉積黏土的結(jié)構(gòu)性喪失)”表明，對(duì)于天然沉積結(jié)構(gòu)性土，在固結(jié)應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時(shí)，巖土的壓縮性能非常小，當(dāng)固結(jié)至屈服應(yīng)力后，其壓縮性顯著增大。這時(shí)會(huì)發(fā)生巖土的結(jié)構(gòu)性喪失，而且結(jié)構(gòu)性喪失是不可逆的。在結(jié)構(gòu)性巖土層中開(kāi)采地下流體資源時(shí)，有兩種可能情況會(huì)使巖土的結(jié)構(gòu)性發(fā)生破壞，其一為過(guò)量開(kāi)采，其二為地下流體的回灌壓入。過(guò)量的開(kāi)采，使地下儲(chǔ)藏層中流體的壓力水頭下降量過(guò)大，并使有效應(yīng)力的增加超過(guò)屈服應(yīng)力，從而導(dǎo)致作用于巖土層上的固結(jié)壓力超過(guò)其屈服應(yīng)力，造成巖土的結(jié)構(gòu)性破壞，從而產(chǎn)生突沉現(xiàn)象。因此，控制地下水位的降深是地面沉降控制且不發(fā)生結(jié)構(gòu)性喪失的關(guān)鍵所在。
經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，沈水龍等提供了一種根據(jù)年地面沉降量與抽水量確定地下水可開(kāi)采量的方法(ZL200510110425.9)，方法確定了年地面沉降量與年地下流體開(kāi)采量的相關(guān)關(guān)系，并結(jié)合了土體固結(jié)試驗(yàn)中的孔隙比變化與固結(jié)壓力的關(guān)系，提出了控制年地下水開(kāi)采量的方法，但是該方法需要收集大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有數(shù)十年以上的地面沉降量與開(kāi)采量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)根本無(wú)法預(yù)測(cè)，因此在缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的沉降地區(qū)適用性較差。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種地面沉降控制施工方法，通過(guò)地質(zhì)調(diào)查的方法確定地層的結(jié)構(gòu)性性狀，控制地下水位使其不致于降到臨界水位以下，由此控制地下流體的開(kāi)采量并及時(shí)調(diào)整開(kāi)采及回灌的時(shí)間，從而有效地控制地面沉降。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟 第一步，檢測(cè)待施工地面沉降區(qū)的水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件 1.1)采用現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取土的方法劃分待施工地面沉降區(qū)的土層，通過(guò)對(duì)各沉降區(qū)鉆孔后取出土的觀察及試驗(yàn)確定地面標(biāo)高及各土層的底板標(biāo)高，記錄匯總并制成沉降區(qū)標(biāo)高圖。
1.2)結(jié)合常規(guī)測(cè)井和流體測(cè)井的方法判斷地下水類(lèi)型，劃分待施工地面沉降區(qū)的含水層及隔水層。
1.3)采用薄壁取土器獲取待施工地面沉降區(qū)的天然原狀土的試樣，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)制得整理成土工試驗(yàn)成果總表。
所述的室內(nèi)試驗(yàn)包括固結(jié)試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)和密度試驗(yàn)，其中 所述的固結(jié)試驗(yàn)是指確定土體各級(jí)固結(jié)壓力P作用下土樣壓縮至穩(wěn)定的孔隙比e的變化，繪制土體的ln(1+e)lgP曲線(xiàn)。采用三軸儀測(cè)定土體的靜止側(cè)壓系數(shù)K0。
所述的剪切試驗(yàn)是指通過(guò)不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)確定土體的黏聚力c； 所述的密度試驗(yàn)是指通過(guò)環(huán)刀法等密度試驗(yàn)方法測(cè)得各土層的濕密度ρ，并計(jì)算相應(yīng)的重度γ； 第二步，根據(jù)雙對(duì)數(shù)法確定待施工地面沉降區(qū)的各土層的屈服應(yīng)力以及對(duì)應(yīng)于屈服應(yīng)力的臨界水位； 所述的雙對(duì)數(shù)法是指 Pc′＝ln(1+e)-lgP， 其中P是指固結(jié)壓力，土層的壓縮曲線(xiàn)用雙直線(xiàn)表示，對(duì)應(yīng)于雙直線(xiàn)交叉點(diǎn)的應(yīng)力即為屈服應(yīng)力Pc′； 所述的臨界水位滿(mǎn)足以下公式 其中P′ci第i層土的屈服應(yīng)力、γj為第j層土的重度、hci為第i層土的臨界水位、Zj為第j層土層底板標(biāo)高、Z0為地面標(biāo)高、γw水的重度。
第三步，在待施工地面沉降區(qū)內(nèi)設(shè)置若干監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)到的水位調(diào)整地下流體的開(kāi)采和回灌； 所述的監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)是指按地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)要求(DD2006-02)和地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)規(guī)程(DZ/T0133-1994)設(shè)置，位于待施工地面沉降區(qū)內(nèi)各個(gè)不同程度開(kāi)采地下水的含水層位置，進(jìn)行地下水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)并記錄各含水層每個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)刻的水位。
所述的監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)的水位監(jiān)測(cè)孔包括勘探鉆孔、地下水監(jiān)測(cè)孔和多級(jí)完整監(jiān)測(cè)井。
所述的監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)頻率為每5天監(jiān)測(cè)一次。
所述的調(diào)整地下流體的開(kāi)采和回灌是指比較監(jiān)測(cè)時(shí)刻的即時(shí)水位與臨界水位 當(dāng)即時(shí)水位＜臨界水位時(shí)，不調(diào)整地下流體的開(kāi)采量； 當(dāng)即時(shí)水位≥臨界水位時(shí)，停止相應(yīng)含水層的開(kāi)采并對(duì)該含水層進(jìn)行回灌。
所述的回灌包括以下步驟 3.1)確定回灌壓入時(shí)各土層的劈裂壓力 Pf＝σh+c， 其中σh為土層的最小主應(yīng)力，c為土層的黏聚力。
3.2)確定土層最小主應(yīng)力 σh＝K0γz， 其中K0為土層的靜止側(cè)壓系數(shù)，γ為土的容重，z為計(jì)算點(diǎn)的深度。
3.3)停止含水層的開(kāi)采，將已有的單一抽水井改造為采灌兩用井，然后采用深井水泵加壓回灌，控制回灌壓力大小使其小于3.1)中確定的相應(yīng)土層的劈裂壓力。
所述的采灌兩用井包括泵管系統(tǒng)、出水系統(tǒng)和進(jìn)水系統(tǒng)，其中泵管系統(tǒng)包括壓力表、控制閥門(mén)、井管和泵管，壓力表安裝在泵管上以監(jiān)測(cè)回灌壓力；出水系統(tǒng)包括出水水表、出水閥門(mén)和出水管道，出水水表用來(lái)測(cè)定開(kāi)采水量；進(jìn)水系統(tǒng)包括進(jìn)水閥門(mén)、進(jìn)水水表和進(jìn)水管道，進(jìn)水水表用來(lái)測(cè)定回灌水量。
本發(fā)明在實(shí)際應(yīng)用中，避免了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)收集的困難。傳統(tǒng)的e-lgP曲線(xiàn)的最大曲率點(diǎn)難以確定，采用Casagrande方法確定屈服應(yīng)力容易失真，本發(fā)明采用ln(1+e)-lgP雙對(duì)數(shù)法確定天然沉積土的屈服應(yīng)力?；毓嘧⑺畷r(shí)由于控制了回灌壓力，避免了回灌壓力過(guò)大導(dǎo)致巖土產(chǎn)生劈裂現(xiàn)象而結(jié)構(gòu)性破壞。由于天然沉積產(chǎn)生的巖土都帶有一定的結(jié)構(gòu)性，所以本發(fā)明無(wú)論從社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益、還是技術(shù)效益上來(lái)說(shuō)，都具有很大的應(yīng)用價(jià)值。本發(fā)明適用于結(jié)構(gòu)性巖土地區(qū)地下流體開(kāi)采引起地面沉降的控制問(wèn)題。



圖1為孔隙比與固結(jié)壓力的關(guān)系曲線(xiàn)圖。
圖2為結(jié)構(gòu)性地層沉降經(jīng)時(shí)曲線(xiàn)圖。
圖3為采灌兩用井管路系統(tǒng)示意圖。
圖中壓力表1、控制閥門(mén)2、井管3、泵管4、出水水表5、出水閥門(mén)6、出水管道7、進(jìn)水閥門(mén)8、進(jìn)水水表9、進(jìn)水管道10。

具體實(shí)施例方式 下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
某天然水溶性天然氣田，水溶性天然氣儲(chǔ)存于地下500～3500m深的含水層中，含水層由膠結(jié)良好的沉積砂巖與泥巖交互構(gòu)成。在天然氣的開(kāi)采中有300m以上的地下水頭變化，有效應(yīng)力變化高達(dá)3MPa，巖層的屈服應(yīng)力為1～3MPa。在地下水溶性天然氣的開(kāi)采中，曾經(jīng)為減小沉降的發(fā)生采用過(guò)地下水回灌的措施，但是回灌不僅沒(méi)有起到減緩沉降的作用，反而使沉降在短期內(nèi)有所增加。
第一步，查明某地面沉降區(qū)的水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件。
①采用現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取土的方法劃分土層，地表標(biāo)高為20m，基巖上土層共劃分為11層，表層1為沖積層，其下的2～9層為第四紀(jì)沉積層，10～11層為第三紀(jì)沉積物，其土質(zhì)為透水的砂巖與難透水的粉性土質(zhì)泥巖交互構(gòu)成。各土層底板標(biāo)高為0、-75、-150、-750、-900、-1050、-1500、-1650、-2500、-2750、-3000m。
②結(jié)合常規(guī)測(cè)井和流體測(cè)井的方法判斷地下水類(lèi)型，劃分含水層與隔水層。1，2層的地下水為淡水，3、10、11層為含鹽量低的鹽水，4～9層為含鹽量高且含有可溶性天然氣的鹽水。初始水位標(biāo)高為0m。
③用薄壁取土器在鉆孔中取天然原狀土的試樣進(jìn)行土工室內(nèi)試驗(yàn)。通過(guò)固結(jié)試驗(yàn)，確定土體各級(jí)固結(jié)壓力P作用下土樣壓縮至穩(wěn)定的孔隙比e的變化，繪制土體的ln(1+e)-lgP曲線(xiàn)。采用三軸儀測(cè)定土層的靜止土壓力系數(shù)K0分別為0.53、0.38、0.38、0.45、0.36、0.45、0.43、0.45、0.43、0.38、0.43，通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)確定各土層的黏聚力c分別為20、15、15、15、15、15、15、15、15、15、15kPa。通過(guò)環(huán)刀法密度試驗(yàn)方法測(cè)得各土層的濕密度，并計(jì)算相應(yīng)的重度？分別為15.3、16.3、17.5、17.4、18.4、18.1、18.5、17.6、18.8、19.7、19.7kN/m3。
如圖1所示，第二步，根據(jù)ln(1+e)-lgP雙對(duì)數(shù)法確定各土層的屈服應(yīng)力PC。土層的壓縮曲線(xiàn)用雙直線(xiàn)表示，CCLB為土樣屈服前雙對(duì)數(shù)壓縮指數(shù)，CCLA為土樣屈服后雙對(duì)數(shù)壓縮指數(shù)。對(duì)應(yīng)于雙直線(xiàn)交叉點(diǎn)的應(yīng)力即為屈服應(yīng)力各土層屈服應(yīng)力Pc′分別為4293、4223、5908、9005、10005、12120、15008、16805、25012、26314、28533kPa。
第三步，確定各土層對(duì)應(yīng)于屈服應(yīng)力的臨界水位hc。按有效應(yīng)力的定義確定各土層對(duì)應(yīng)于屈服應(yīng)力的臨界水位hc分別為-398.7、-344.5、-456.7、-322.4、-296.4、-386.4、-292.7、-358.4、-431.1、-318.8、-298.2m。
第四步，在沉降區(qū)內(nèi)不同程度開(kāi)采利用地下水的范圍內(nèi)布設(shè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)，對(duì)地下水及主要開(kāi)采層進(jìn)行地下水位動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，并記錄各含水層每個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)刻的水位。按地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)要求(DD2006-02)和地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)規(guī)程(DZ/T0133-1994)布設(shè)地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)并監(jiān)測(cè)地下水位。水位監(jiān)測(cè)孔盡量利用已有的勘探鉆孔和地下水監(jiān)測(cè)孔，并采用多級(jí)完整監(jiān)測(cè)井。每5天監(jiān)測(cè)一次，豐水期或水位急驟變化期增加監(jiān)測(cè)頻率。
如圖2所示，第五步，根據(jù)水位的大小調(diào)整地下流體的開(kāi)采和回灌。比較各個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)刻t各土層相應(yīng)的水位hi與第三步中確定的臨界水位hc的大小。hi＜hc時(shí)為沉降緩慢階段，不調(diào)整地下流體的開(kāi)采量和開(kāi)采層；hi≥hc時(shí)沉降急劇增加，此時(shí)須停止相應(yīng)含水層的開(kāi)采，并采取對(duì)該含水層回灌的措施?；毓嗟木唧w實(shí)施步驟如下 ①確定回灌壓入時(shí)各土層的劈裂壓力Pf分別為181.4、313.7、531.1、2684.0、2594.4、3824.7、5294.6、6113.0、9055.6、8927.2、11166.4kPa。
②調(diào)查沉降區(qū)內(nèi)現(xiàn)存的抽水井，將已有的單一抽水井改造為采灌兩用井。采灌兩用井構(gòu)造如圖3所示，采灌兩用井由泵管系統(tǒng)、出水系統(tǒng)和進(jìn)水系統(tǒng)三部分構(gòu)成。
③回灌前關(guān)閘停泵，然后關(guān)閉控制閥門(mén)2和出水閥門(mén)6，停止含水層的開(kāi)采。
④開(kāi)足進(jìn)水閥門(mén)8，緩慢打開(kāi)控制閥門(mén)2，采用深井水泵加壓使回灌水通過(guò)進(jìn)水水管10進(jìn)入泵管4，通過(guò)壓力表1測(cè)定回灌壓力，控制回灌壓力大小小于①中確定的相應(yīng)土層的劈裂壓力Pf，回灌水量由進(jìn)水水表9確定。
上述天然水溶性天然氣田地層深地下壓力大，大規(guī)模的回灌壓入不太經(jīng)濟(jì)。采用本實(shí)施例方法后，由于及時(shí)控制地下流體的開(kāi)采量，減小了回灌壓入量，而且在回灌時(shí)控制了回灌壓力，避免了回灌失效的現(xiàn)象，因而有效地減小了地面沉降量。
權(quán)利要求
1.一種地面沉降控制施工方法，其特征在于，包括以下步驟
第一步，檢測(cè)待施工地面沉降區(qū)的水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件；
第二步，根據(jù)雙對(duì)數(shù)法確定待施工地面沉降區(qū)的各土層的屈服應(yīng)力以及對(duì)應(yīng)于屈服應(yīng)力的臨界水位；
第三步，在待施工地面沉降區(qū)內(nèi)設(shè)置若干監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)，比較監(jiān)測(cè)時(shí)刻的即時(shí)水位與臨界水位
當(dāng)即時(shí)水位＜臨界水位時(shí)，不調(diào)整地下流體的開(kāi)采量；
當(dāng)即時(shí)水位≥臨界水位時(shí)，停止相應(yīng)含水層的開(kāi)采并對(duì)該含水層進(jìn)行回灌。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地面沉降控制施工方法，其特征是，所述的第一步具體包括以下步驟
1.1)采用現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取土的方法劃分待施工地面沉降區(qū)的土層，通過(guò)對(duì)各沉降區(qū)鉆孔后取出土的觀察及試驗(yàn)確定地面標(biāo)高及各土層的底板標(biāo)高，記錄匯總并制成沉降區(qū)標(biāo)高1.2)結(jié)合常規(guī)測(cè)井和流體測(cè)井的方法判斷地下水類(lèi)型，劃分待施工地面沉降區(qū)的含水層及隔水層；
1.3)采用薄壁取土器獲取待施工地面沉降區(qū)的天然原狀土的試樣，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)制得整理成土工試驗(yàn)成果總表。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的地面沉降控制施工方法，其特征是，所述的室內(nèi)試驗(yàn)包括固結(jié)試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)和密度試驗(yàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地面沉降控制施工方法，其特征是，第二步中所述的雙對(duì)數(shù)法是指
Pc′＝ln(1+e)-lgP，
其中P是指固結(jié)壓力，土層的壓縮曲線(xiàn)用雙直線(xiàn)表示，對(duì)應(yīng)于雙直線(xiàn)交叉點(diǎn)的應(yīng)力即為屈服應(yīng)力Pc′。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地面沉降控制施工方法，其特征是，第二步中所述的臨界水位滿(mǎn)足以下公式
其中P′ci第i層土的屈服應(yīng)力、γj為第j層土的重度、hci為第i層土的臨界水位、Zj為第j層土層底板標(biāo)高、Z0為地面標(biāo)高、γw水的重度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地面沉降控制施工方法，其特征是，第三步中所述的監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)是指按地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)要求和地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)規(guī)程設(shè)置，位于待施工地面沉降區(qū)內(nèi)各個(gè)不同程度開(kāi)采地下水的含水層位置，進(jìn)行地下水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)并記錄各含水層每個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)刻的水位。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的地面沉降控制施工方法，其特征是，第二步中所述的監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)的水位監(jiān)測(cè)孔包括勘探鉆孔、地下水監(jiān)測(cè)孔和多級(jí)完整監(jiān)測(cè)井。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地面沉降控制施工方法，其特征是，第三步中所述的回灌包括以下步驟
3.1)確定回灌壓入時(shí)各土層的劈裂壓力
Pf＝σh+c，
其中σh為土層的最小主應(yīng)力，c為土層的黏聚力；
3.2)確定土層最小主應(yīng)力
σh＝K0γz，
其中K0為土層的靜止側(cè)壓系數(shù)，γ為土的容重，z為計(jì)算點(diǎn)的深度；
3.3)停止含水層的開(kāi)采，將已有的單一抽水井改造為采灌兩用井，然后采用深井水泵加壓回灌，控制回灌壓力大小使其小于3.1)中確定的相應(yīng)土層的劈裂壓力。
全文摘要
一種建筑施工技術(shù)領(lǐng)域的地面沉降控制施工方法，包括檢測(cè)待施工地面沉降區(qū)的水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件；根據(jù)雙對(duì)數(shù)法確定待施工地面沉降區(qū)的各土層的屈服應(yīng)力以及對(duì)應(yīng)于屈服應(yīng)力的臨界水位；在待施工地面沉降區(qū)內(nèi)設(shè)置若干監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)到的水位調(diào)整地下流體的開(kāi)采和回灌。本發(fā)明通過(guò)地質(zhì)調(diào)查的方法確定地層的結(jié)構(gòu)性狀，控制地下水位使其不致于降到臨界水位以下，由此控制地下流體的開(kāi)采量并及時(shí)調(diào)整開(kāi)采及回灌的時(shí)間，從而有效地控制地面沉降。
文檔編號(hào)E02D3/00GK101713185SQ200910310460
公開(kāi)日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月26日
發(fā)明者許燁霜, 沈水龍, 馬磊 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)