京沪高速铁路沿线地面沉降与地下水位变化关系探讨

文章选择京沪高速铁路沿线的北京、廊坊、天津、沧州、德州等几个沉降中心的监测数据及研究资料,对比分析发现地面沉降发展与地下水位变化密切相关,依此建立了地面沉降与地下水位变化的经验关系,进一步分析预测了华北平原各主要沉降区地面沉降发展趋势。结果表明:北京地区地面沉降变化与水位变化线性相关明显,地面沉降对地下水位变化反应较灵敏,无明显临界水位;廊坊、天津及沧州地区显示指数相关,有较明显的临界水位,沉降过程存在初期缓慢沉降和快速沉降两个阶段;德州市在监测时段内显示二次函数相关,可能存在临界水位,但不如天津至沧州地区明显。各主要沉降区除天津市区地面沉降已经得到有效控制外,随着地下水资源的不断超采,过量消耗深层地下水储量,其它沉降区的地面沉降将持续发展,地面沉降灾害问题也必将日趋严重。     

长江三角洲南部地面沉降与地裂缝

过量开采地下水导致长江三角洲南部产生严重的地面沉降和地裂缝,造成巨大的经济损失。地面沉降和地裂缝的发生和发展在时空上与地下水开采具有密切联系,在地下水开采高峰期,地面沉降速率明显增加,在地下水位稳定期和回升期,地面沉降速率显著减小,甚至出现少量回弹。平面上,地面沉降分布形态与主采层地下水位分布形态具有很强的关联性;垂向上,地面沉降分布形态与沉降层、主采层及土层的厚度、压缩性等有关,弱透水层和含水层都可能成为主要沉降层。开采地下水条件下土层的变形与其经历的地下水位变化过程有关,不仅弱透水层存在塑性和粘塑性变形,在一定水位变化条件下含水砂层也存在塑性和粘塑性变形。地面沉降是地表下所有受影响土层的变形之和,为了控制地面沉降和地裂缝的发展,应限制地下水的开采量,尤其是避免出现地下水位低于土层历史上曾经达到的最低水位。     

华北平原典型地段地面沉降演化特征与机理研究

华北平原是世界上最大的地下水系统之一,地面沉降问题突出。由于沉积环境变化多样、地质条件差异性显著和人类开采活动强烈,使得该地区地面沉降成因机理复杂。本文采用卫星对地观测技术与传统手段相结合,监测地面沉降灾变过程,分析华北平原地面沉降发展历史和现状。结合应力-应变图解法及土工实验研究地面沉降差异性特征及滞后变形成因机理。取得了以下关键认识:(1)华北平原地面沉降空间分布差异性明显,沉降主要分布在平原区第四纪沉积凹陷,呈现东西分带、南北分段特点。地面沉降空间发展部分受到北东向和北西向构造控制。在沧县隆起区,地面沉降也比较发育,主要原因是沧县隆起在第四纪时期构造运动相对不活跃,沉积了较厚的第四系;存在与构造走向一致的3期古河道,该地区赋存丰富的地下水资源并被大量开采。(2)地面沉降发生发展与地下水开采历史密切相关,沉降主要压缩贡献层随地下水开采层位变化而变化。北京平原100 m以深地层对地面沉降贡献呈增加趋势。天津平原目前地面沉降的主要贡献层来自300 m以下地层。(3)气候干旱导致地下水补给量减少,同时增加了地下水的开采,因而是引起地面沉降的重要间接驱动因素。高层建筑荷载、基坑降排水、地热开采对地面沉降的影响应引起足够重视。(4)地面沉降具有很强的滞后性,最大滞后时间可达25年。除了渗透固结成因以外,土体蠕变是另外一个重要原因。更新世地层在不同荷载下,蠕变特征明显。沧县隆起晚更新世地层次固结可达到总变形28.3%。(5)土的物理性质、地下水位变化模式对土层变形特征具有重要影响。不同埋深地层在地下水位变化条件下的变形特征存在较大的差异(弹性、黏弹性、黏弹塑性)。浅部含水组呈现以弹性为主的变形特征。     

地下水位变化模式下含水砂层变形特征及上海地面沉降特征分析

土体变形特征与其经历的应力状态有关。由于抽灌水位置和水量的变化,同一土层中不同时期的地下水位可以呈现不同的变化模式,土层表现出不同的变形特征。论文根据上海1400多个水位孔近40a的水位观测资料和各土层的变形资料,从土层变形角度将地下水位的变化方式划分为5种模式。分析了每种地下水位变化模式下土层的变形特征,并进一步分析了上海地面沉降在时间和空间上的特征。分析结果表明:地下水位的变化模式对上海土层的变形有显著影响。同一土层在不同的水位变化模式下可表现为弹性、弹塑性或粘弹塑性的变形特征;地面沉降与地下水开采量、地下水开采层次与主要沉降层具有密切的关系,开采地下水是上海地面沉降的主要原因;与现阶段含水层的水位变化模式相联系,第四承压含水层是上海最近几年来地面沉降的主要沉降层。     

南水北调前后北京平原区地下水和地面沉降演变特征

超量开采地下水引发的地面沉降已成为制约北京区域社会经济可持续发展的重要因素之一。2014年12月,南水北调中线工程正式通水,每年向北京输水超过10×108 m3,改变了北京供水格局,也为地下水压采、涵养及控制地面沉降创造了条件。本文利用多种监测数据,分析南水进京前后,北京平原区地下水和地面沉降的变化;研究不同水位变化模式下不同岩性及深度土层的变形特征;计算土层不同变形阶段的弹性和非弹性储水率;并对黏性土层产生较大残余变形和滞后变形的原因进行了探讨。结果表明：① 2015～2020年,平原区大部分地区第一至第四含水层组地下水位逐渐上升,地面沉降呈减缓的趋势。② 第二和第三压缩层组是沉降主要贡献层,除平各庄和榆垡站外,其余各站第三压缩层组沉降占比逐渐增大,沉降主控层有向深部转移的规律。③ 平原区北部和东部,第二和第三压缩层组对应的地下水位由降转升。在水位下降阶段,土层呈塑性和蠕变变形;水位上升阶段,土层以塑性变形为主,部分时间出现弹性变形,具有黏弹塑性。平原区南部,地下水位始终持续下降,土层变形始终呈塑性和蠕变变形。含水砂层则主要呈弹性变形。④ 土层变形的不同阶段,弹性和非弹性储水率并不是恒定的,随着地下水位下降,储水率呈减小的趋势。⑤ 黏性土层存在较大残余变形和变形滞后的原因,一是非弹性储水率大于弹性储水率,二是黏性土层的弱渗透性。     

北京潮白河冲洪积扇地面沉降时空异质性特征及驱动因素分析

为了研究地面沉降的时空分布模式、机理机制,选择北京典型沉降区——潮白河冲洪积扇为研究区,采用PS-InSAR技术、莫兰指数及地理探测器,分析了研究区地面沉降的空间异质性特征,探测了不同特征下的地面沉降的主要驱动因素。结果表明：2017-01—2019-01研究区内地面沉降时空分布特征以一般沉降为主,沉降速率为[-133,3] mm/a,最大累积沉降量为261 mm,呈北部轻微、中部较严重、南部较轻的分布状态,其中,严重、极严重等级地面沉降主要分布在中游顺义后沙峪东部等地区及中下游交界地带的潞城镇;不同地区地面沉降呈现不同的空间异质性特征,即不均匀地面沉降分布特征明显,中游、下游均表现为低—低集聚;不同分布特征下地面沉降主要驱动因素不同,中游地区主要驱动因素为第二承压水水位变化和可压缩层厚度,下游主要驱动因素为浅层地下水水位变化和第一承压水水位变化。莫兰指数能够有效分析地面沉降空间异质性,识别集聚特征;地理探测器可以探明沉降空间异质性成因,获得其主要驱动因素。     

华北平原鲁北地区地下水超采导致地面沉降区域特征及演化趋势预测

鲁北地区作为华北平原地面沉降的重要组成部分,其地面沉降问题日趋严重。以滨州博兴县为工程背景,基于研究区详细水文地质与工程地质资料以及历年地面沉降监测数据,系统分析该地区地下水动态分布及地面沉降分布演化特征。以Biot多孔介质固结理论为基础,建立博兴县地面沉降三维流 固耦合数值模型,还原地面沉降发展过程并预测分析不同地下水开采方案下的沉降演化规律。研究结果表明：博兴县浅层地下水位降幅呈现南大北小特点,深层地下水形成了以县城区为中心的椭圆形地下水区域降落漏斗;地面逐渐形成了分别以博兴县城区、湖滨镇和店子镇为沉降中心的三个小型沉降区,且有相互关联扩展的趋势;地面沉降三维流固耦合模型较为理想还原了研究区地面沉降发展过程,预测在现状地下水开采方案下未来10年内地面沉降仍以较大速率继续发展,累计沉降量超500mm的区域面积不断扩大,当减小20%现状地下水开采量时是较为合理有效的开采方案。     

关于由抽水或灌水引起的隔水层的一维固结问题

在总结以往大量的野外实测资料和室内试验资料的基础上,〈抽、灌水作用下上海土层变形特征的探讨〉一文,已阐明了地下水位的升降变化是导致上海地面沉降或回弹的主要原因,并已分析了上海市区各土层的变形的基本特征,本文将从理论上进一步研究因抽、灌水而引起的地面沉降或回弹的机理及其过程,本文分析了由抽、灌水而引起的地面沉降或回弹的一维固结问题,指出了因抽、灌水而引起的地面沉降回弹的机理及其发展过程,给出了沉降量的计算公式,所得结果与实测的结果基本相符。     

水位变化下可压缩土层的黏弹性耦合变形分析

地下水开采等人类工程活动会引起地下水位变化,从而导致地面沉降问题。地面沉降具有土层变形长期发展的特点,土体的蠕变性是导致这一现象的重要原因之一。为此,针对基于Biot理论的地面沉降耦合模型,利用半解析数值原理和黏弹性流变理论,推导了可压缩土层黏弹性耦合变形的求解格式,该计算方法无需数值积分,且具有很好的解耦并行性。在此基础上,编制了FORTRAN计算程序,通过与已有解答的对比验证,说明了方法及程序的合理性,计算结果可以正确反映土体黏滞性所导致的变形滞后效应。最后通过数值算例,进一步探讨了渗透性、孔隙流体可压缩性和土体黏滞性等因素对土层长期变形的影响规律。     

水位变化下可压缩土层的黏弹性耦合变形分析

地下水开采等人类工程活动会引起地下水位变化，从而导致地面沉降问题。地面沉降具有土层变形长期发展的特点，土体的蠕变性是导致这一现象的重要原因之一。为此，针对基于Biot理论的地面沉降耦合模型，利用半解析数值原理和黏弹性流变理论，推导了可压缩土层黏弹性耦合变形的求解格式，该计算方法无需数值积分，且具有很好的解耦并行性。在此基础上，编制了FORTRAN计算程序，通过与已有解答的对比验证，说明了方法及程序的合理性，计算结果可以正确反映土体黏滞性所导致的变形滞后效应。通过数值算例，进一步探讨了渗透性、孔隙流体可压缩性和土体黏滞性等因素对土层长期变形的影响规律。     

广州南沙区地面沉降分布特征及成因

广州南沙区地面沉降已经影响到城市发展和人民生命财产安全,为了制定科学有效的措施防止地面沉降进一步发展,文中基于InSAR监测数据和水准监测数据,总结分析了地面沉降分布特征,地表形变多为小范围的、局部地区的剧烈沉降。在此基础上,针对6个沉降严重区域,采用机理模型定量估算了各因素引起的地面沉降量及所占比重,得可压缩土层引起的沉降量为34.43～96.97 mm/a,所占比重在37.07%～75.67%,地下水水位和地面荷载的最大影响比重分别为26.28%和52.40%。并且通过研究分析地面沉降主要因素及影响程度,为科学防治该地区地面沉降提供科学依据。     

基于SBAS-InSAR技术的豫北平原地面沉降监测

豫北平原是河南省平原地区地面沉降灾害较严重地区之一,快速全面掌握豫北平原地面沉降信息、有效防控地面沉降的持续快速发展对中原城市群建设至关重要。本文借助中高分辨率RADARSAT-2雷达数据,基于SBAS-InSAR技术获取了豫北平原2014-2016年的地面沉降监测数据。监测结果表明：两年内豫北平原地面整体下沉,区内共圈定8个较明显的沉降区,总面积约3 006 km²,各沉降区沉降速率在25.00~114.85 mm/a之间;其中,除安阳县白壁镇-内黄县沉降区和辉县沉降区最大沉降速率分别达到95.36和114.85 mm/a之外,其余6个沉降区最大沉降速率均小于73.58 mm/a。根据沉降区现场实地调查和综合分析发现,豫北平原地面沉降主要是活动断裂、松软岩土、地下水超采、城市建设活动、石油和地热资源开采等共同作用的结果。建议将豫北平原地面沉降的防控重点放在人类活动引起的地下水超采和城市建设引发的松软岩土层超量堆载等方面。     

河北平原地面沉降调查与监测主要进展及成果

介绍了“河北平原地面沉降调查与监测”项目的研究背景、研究思路、完成的主要工作量及研究的意义,并总结了河北平原地下水状况、地裂缝状况及地面沉降监测网特点,分析研究了地面沉降的分布规律、影响因素、成因机制及危害特征,预测了河北平原地面沉降中心沧州市的地面沉降发展趋势,针对地面沉降现状,提出了合理的防治对策。     

基于光纤传感的石膏矿地面塌陷监测预警系统

近年来,江苏省邳州市北部石膏矿区发生了20多起采空塌陷灾害。由于传统的采空区地表土体变形监测方法均难以满足采空区地面塌陷监测超前预报的要求,为解决石膏矿区采空塌陷监测预警机制缺乏的问题,邳北石膏矿区开展了基于光纤传感技术的监测预警工作。根据前期调查分析和数值模拟等成果推导石膏矿地面塌陷机理,并采用光纤传感器对采空区上覆...     

The development and control of the land subsidence in the Yangtze Delta,China

Land subsidence in China occurs predominantly in 17 provinces (cities) situated in the eastern and middle regions of the country, including Shanghai, Tianjin and Jiangsu, and Hebei provinces. It is primarily caused by groundwater overpumping. One of the areas most severely affected by land subsidence is the Yangtze Delta, most of which consists of Shanghai City, the Su-Xi-Chang area (Suzhou, Wuxi and Changzhou cities) of Jiangsu Province, and the Hang-Jia-Hu area (Hangzhou, Jiaxing and Huzhou cities) of Zhejiang Province. The excessive exploitation of groundwater forms in a large regional cone of depression and, consequently, land subsidence is also regional, currently centered in the Shanghai and Su-Xi-Chang areas. In 2002, the maximum cumulative subsidence of Shanghai, Su-Xi-Chang and Hang-Jia-Hu were 2.63 m, 2.00 and 1.06 m, respectively. The land subsidence area is continuing to expand throughout the Yangtze Delta. To study the characteristics and the pattern of this land subsidence, the government has implemented a monitoring system involving the placement of 37 groups of extensometers (layers marks) and drilling of more than 1000 observation wells. These provide an invaluable historical record of deformation and pore water pressure and facilitate studies on the special features of soil deformation when the groundwater level changes due to pumping. Several measures have been taken in recent years to control the development of the land subsidence in the different areas; these include groundwater injection, prohibition of pumping deep confined groundwater, and an adjustment of the pumping depth and magnitude of the groundwater withdrawn. At present, although the subsidence area is still increasing slowly, the subsidence rate is controlled.     

冲洪积平原地面沉降特征及主控因素——以北京平原为例

北京由于长期过量开采地下水,相继引发了一系列地质环境问题,其中地面沉降问题尤为突出。回顾了北京地面沉降发展历史,从平面和垂向上分析了地面沉降特征,在此基础上对北京冲洪积平原区沉降的主控因素进行了研究。结果表明:(1)平面上,沉降分为南、北2个大区,7个沉降中心。北区已由多个单独沉降中心区扩展成一个大区域,南区北扩明显;(2)垂向上,南区第一压缩层为沉降主贡献层,沉降占比42%,浅部地层沉降速率减小,深部地层沉降速率增加。土体变形特征为塑性变形,包含蠕变变形;北区第二压缩层为沉降主贡献层,沉降占比65%,浅部沉降量值很小且波动平缓,深部沉降量相对较大。土体变形特征为浅部以弹性变形为主,深部以塑性变形为主,包含蠕变变形;(3)沉降受构造作用及基底格架控制,北东方向受冲洪积扇上部单一砂卵砾石的地层条件控制扩展范围有限,沉降整体向北西、南东方向扩张;(4)地层结构决定沉降平面和垂向分布特征,尤其北部冲洪积与南部湖相沉积的差异,是产生深浅部地层沉降贡献率不同的重要因素;(5)地下水开采仍是沉降产生的主因,地下水漏斗的扩展和沉降中心的分布高度吻合,主要沉降层地下水位下降速率与沉降速率成正比。     

The state of land subsidence and prediction approaches due to groundwater withdrawal in China

This article gives a general introduction to land subsidence with the prediction approaches due to withdrawal of groundwater in three subsided/subsiding regions in China: the deltaic plain of Yangtse River (YRDP), North China Plain (NCP), and Fenwei Plain (FP). On YRDP, Shanghai is the typical subsided/subsiding city; on NCP Tianjin is the typical subsided/subsiding city, and on FP Taiyuan is the typical subsided/subsiding city. The subsided area with subsidence over 200 mm on YRDP is about 10,000 km² and the maximum subsided value reached 2.9 m at Shanghai; on NCP the subsided area reached 60,000 km² with the maximum subsidence of 3.9 m at Tianjing; on FP the subsided area is relatively smaller than that on the other two plains and is about 1,135 km² with maximum subsidence of 3.7 m at Taiyuan city. In order to protect the civil and industrial facilities, it is necessary to predict the future development of land subsidence based on present state. Many researchers proposed several approaches to predict the land subsidence due to groundwater withdrawal according to different geological conditions and groundwater withdrawal practice. This article classifies these approaches into five categories: (i) statistical methods; (ii) 1D numerical method; (iii) quasi-3D seepage model; (iv) 3D seepage model; (v) fully coupled 3D model. In China, the former four categories are presently employed in the prediction practice and their merits and demerits are discussed. According to the prediction practice, 3D seepage model is the best method presently.     

沧州市地面沉降灾害预测预警

为了准确模拟评价沧州市地下水开采对地面沉降的影响,为沧州市政规划和地下水资源管理提供决策依据,基于比奥固结理论,建立了地下水开采与地面沉降三维全耦合数学模型。在对模型进行识别和校正的基础上,模拟预测了在地下水现状开采情况下,从2010年12月31日至2025年12月31日逐年的地面沉降变化趋势,并根据地面沉降速率对地面沉降进行了地质灾害预警分区。结果表明,到2025年12月31日,沧州市累计最大地面沉降量为466.82 mm,最小地面沉降量为241.54 mm,大部分地区为四级预警区和五级预警区,仅肃宁县为三级预警区。     

北京平原区现阶段主要沉降层位与土层变形特征

超量开采地下水引发的地面沉降已成为北京平原区最主要的地质灾害之一.精准识别现阶段地面沉降主要贡献层位,查明不同水位变化模式下土层变形特征,对实现地面沉降精准防控,建立合适的地下水-地面沉降模型具有重要意义.本文根据北京市7个地面沉降监测站内分层标和水位近十几年观测资料,对不同深度土层沉降变化特征和主要沉降层位进行了精准...