浅层地下水开采对高速铁路路基的影响

1272014·Vol.35·№.4ShanghaiLand&Resources上海国土资源浅层地下水开采对高速铁路路基的影响黄路炜，肖宏，韩宇刚，陈民子（北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044）摘要：地下水开采造成的地面沉降会使高速铁路路基产生较大变形，进而影响行车安全。为研究在高速铁路附近开采浅层地下水对路基变形的影响，本文结合土体渗透固结理论，利用有限元软件ABAQUS建立三维流固耦合模型，系统分析不同抽水速度和与抽水井不同距离条件下的路基变形。分析结果表明：抽水速度和抽水井距离对高速铁路路基的变形具有显著影响。当抽水速度一定时，路基的变形随着与抽水井的距离增大而减小；当与抽水井的距离一定时，路基的变形随抽水速度增大而增大。故为减小地下水位下降对路基的影响，应严格禁止在铁路附近增加新的开采井，严格控制在影响范围内开采地下水。关键词：地下水开采；路基沉降；高速铁路；数值模拟中图分类号：P642.26文献标志码：A文章编号：2095-1329(2014)04-0127-03doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2014.04.030我国是世界上高速铁路运营里程最长、在建规模最大的国家。高速铁路对路基变形要求十分严格，《高速铁路设计规范》规定，当列车运营速度达到300km/h时，有砟轨道路基工后沉降量不应大于5cm，桥台台尾过渡段路基工后沉降量不应大于3cm，沉降速率不应大于2cm/a；无砟轨道路基工后沉降应满足扣件调整和线路竖曲线圆顺的要求，工后沉降一般不应超过扣件允许的沉降调高量15mm[1]。目前很多高铁穿越地面沉降严重地区[2~5]，如京沪铁路途经的北京、天津、河北沧州、山东德州、江苏苏锡常、上海等地的地面沉降均很明显[6~10]。地面沉降与地下水开采有着直接关系，由于超量开采地下水而产生的区域地面沉降与路基工后沉降的耦合，使得上部结构可能会产生过大沉降和不均匀沉降以及附加坡度等[11,12]，这些都会严重影响列车的安全可靠运行。因此，严格控制路基变形对高速铁路的运营有着重要意义。1模型构建1.1影响范围与抽水速度的确定（1）抽水影响范围对于开采浅层地下水，抽水影响半径可由抽水试验确定，这里由下述经验公式进行估算：（1）式中：S为水位降深（m），K为含水层渗透系数（m/s），R为影响半径（m）。（2）抽水速度模型建立一个半径为r的抽水井，根据实际工况假定地下水位为地表以下3m，抽取深度为整个含水地层（深度为3~17m），则水井表面的抽水速度可由下式得出[13]：（2）式中：Q为抽水量（m3/d），r为抽水井半径（m），n为孔隙率，l为抽水井滤水管长度（m），v为经过滤水管表面的水流速度（m/d）。1.2几何模型本文采用ABAQUS软件建立三维流固耦合模型。构建有限元模型时，根据上文计算所得抽水的影响范围，考虑到有限元模型中边界效应的影响，模型的大小以较抽水影响范围略大为宜。经过试算，当有限元模型的长宽均取300m时，边界的影响可降至较低水平。路基与水井的相互关系如图1，路基左侧（无抽水井）为50m，路基右侧250m，其中抽水井距边界50m，线路纵向长度为300m。图1路基与抽水井的相互关系（单位：m）Fig.1Relationshipbetweensubgradeandpumpingwell(unit:m)地层28m深度内分为3层，线路为双线无砟轨道。路基面宽度为13.6m，路基厚度为4.2m，路基边坡坡度为1:1.5。收稿日期:2014-06-15修订日期:2014-09-05作者简介:黄路炜(1991-),男,硕士生,交通运输工程专业.电子邮箱:13125839@bjtu.edu.cn联系电话:152105673921282014·Vol.35·№.4上海国土资源ShanghaiLand&Resources路基与地基土体的物理力学指标如表1所示。表1路基与地层基本参数Table1Parametersofsubgradeandstratuminresearcharea层位厚度(m)密度(kg/m3)孔隙比杨氏模量(N/m2)泊松比渗透系数(m/s)路基4.221000.41.5E80.254.0E-6回填土322300.47.0E60.304.0E-7砂土1417000.31.0E90.255.0E-5黏土1118000.92.5E70.301.0E-9三维有限元模型采用C3D8P（8节点完全积分孔隙流体单元），假设计算边界处水头压力不变，模型中不考虑孔隙介质孔隙比的变化。设置孔压边界条件，利用Distribu-tion空间分布函数在周围含水层的边界上设置随深度线性增加的静水孔压边界模拟地下水位，其余边界设为不排水边界。建立的有限元计算模型如图2所示。图2三维有限元模型示意Fig.2Ske