抽取地下水引起的地面沉降机理研究

在沿海地区对地下水开采量不断增加的同时,也导致了地面沉降现象越来越严重。地面沉降不但会使地面的稳定性失去平衡,还会因其房屋倒塌、倾斜以及墙体开裂等问题,甚至还会影响到海水的回流,使其造成不能挽回的灾害,可以说当前发生地面沉降的主要原因就是因为人们对地下水的抽取。因此,本文就重点从地下水抽取而引发的地面沉降机理进行了分析与研究,以便为解决抽取地下水和地面沉降两者之间的关系,进一步的为有关工程落实提供可靠依据。     

京津高铁北京段地面沉降监测及结果分析

京津高铁是我国第一条高速运行的城际铁路,其安全运行对轨道变形有着严格的要求.京津高铁北京段经过平原区的沉降区域.地面沉降,尤其是不均匀地面沉降已经引起了部分地段路基和桥梁变形,威胁着高铁的运营安全.因此,需要高精度监测铁路路基和桥梁沉降,分析其原因,进而才能提出缓解沉降灾害的合理措施,保证京津高铁安全运行.本文采用时序干涉测量技术、水准测量技术和分层标监测、地下水分层监测手段相结合,对京津高铁北京段地面沉降进行监测,并利用监测结果分析其差异性沉降成因.结果表明:沿线区域地面沉降发展一定程度上受到来广营凸起、南苑—通县断裂和大兴隆起构造控制;地下水超采是区域地面沉降的主要驱动因素,同时第四系沉积环境、地层岩性和补给条件等共同作用,使得地面沉降发展在空间上存在一定差异性,可以分为微小沉降区(DK0-DK9段)、严重沉降区(DK9-DK27段)和一般沉降区(DK27-DK50);沿线区域地面沉降主要贡献层为中深部地层(50~147.5m),该层黏性土厚度较大,且主要呈现弹塑性形变,占总沉降量的76%左右,是未来地面沉降调控的主要层位.     

华北地区地下水开采对地壳应力的影响

近50年来华北地区遭受持续大面积过量开采地下水,已形成区域地下水漏斗、地面沉降、地陷地裂等地质灾害.然而,地下水的抽取减小了地壳的载荷,造成地壳应力场变化,这一点至今尚未被充分认识.为探索华北地区地下水超采对地壳应力场的影响,本文建立了二维有限元模型,定量计算地下水超采引起地壳变形和应力场变化.结果表明:华北地区地下水开采会引起地表抬升达+12.4cm;漏斗区上、中地壳的水平拉应力增量分别达到70kPa和35kPa;而在地下水开采区外围,水平压应力增量达20kPa;而华北地区构造主压应力积累速率约为0.5kPa·a-1.通过对比华北地区1980年前后5级以上地震的分布状况,本文认为地下水开采对区域构造应力场的扰动不可忽略,其卸载过程可能对华北地区大地震孕震过程存在减缓作用.     

西安市地热水开采与地面沉降、地裂缝关系的分析

西安市地面沉降和地裂缝在空间分布上有明显的一致性 ,它们的发展过程和强度变化在时间上也有明显的同步性。诱发地面沉降的主因是过量开采承压水导致承压水位下降 ,含水层介质的孔隙压力减小 ,黏性土层释水压密导致地面永久性的沉降 ,而且浅层的释水压密量大于深层 ;不均匀的地面沉降又诱发了地裂缝。无论是地热井水位或热水开采量的变化 ,还是分层沉降量的观测资料都表明 ,目前西安市深层热水开采还没有加剧西安市的地面沉降和地裂缝活动。控制并减少承压水的开采量 ,是减弱西安市地面沉降和地裂缝活动的最有效的方法     

基于时序InSAR技术的西安地铁沿线沉降监测及预测分析

城市轨道交通建设和运营造成的地铁沿线及周边区域的地表沉降,给地铁的安全运营带来极大的隐患,甚至造成严重的经济损失和不良的社会影响.本文以西安市地铁沿线地面形变现象为研究对象,利用覆盖西安市2017—2021年的44景Sentinel-1A影像数据,采用SBAS-InSAR方法获取地铁网络沿线的地表形变信息,并基于SVR模型和LSTM模型对典型地铁站点地面沉降进行预测分析.研究发现：(1)西安市地铁沿线呈现不同程度的地表形变现象,抬升区域主要集中在鱼化寨地区、电子城地区、西安城墙的南部,抬升速率最大为25 mm/a;(2) 2号线的南部、5号线的东西两段以及9号线的东段是沉降发生的主要路段,且5号线沿线整体不均匀沉降现象较为严重,最大沉降速率为32 mm/a,最大累积沉降量达130 mm;(3)通过不同预测模型实验对比,发现LSTM模型精度较高,预测结果显示2、5、9号线典型沉降区域未来四个月以每月约2.3 mm的最大速率继续沉降,需对典型沉降段进行持续监测．     

西安地裂缝带的基本特征与形成机制

用实地观察和测量资料描述了西安地裂缝带的基本特征，着重阐明了深井水位动态变化和地面不均匀沉降与地裂缝活动之间的时空关系。认为西安市区超采地下承压水导致地面大幅度下沉是西安地裂缝产生和发展的主要原因，而局部地质构造条件对地裂缝特征的形成有一定控制作用     

利用GPS与InSAR研究西安现今地面沉降与地裂缝时空演化特征

西安孕育严重的地面沉降及地裂缝灾害,严重制约着城市的现代化发展,本文采用GPS精密定位和InSAR遥感差分技术对西安地面沉降和地裂缝进行变形监测与分析,获取了西安地面沉降与地裂缝整体变形现状的珍贵信息,通过对这些变形信息的研究分析,揭示了西安现今地面沉降与地裂缝时空演化特征和机理：随着停止或限采地下水,西安地面沉降量级由20世纪90年代中期的最大年沉降速率20～30 cm/a减少到不足10 cm/a,且超过60%的沉降区域的年沉降速率已由90年代中期的5~8 cm/a减少到不足2 cm/a;原有的沉降中心大部分已不存在或大大减小;地裂缝在时空活动与分布上与地面沉降存在明显的关联性;地面沉降和地裂缝随着西安高新区的建设向南、西南、东南逐步扩展.     

呼图壁地下储气库部分区域地表垂直形变机理研究

利用在呼图壁地下储气库开展的2013~2015年7期二等水准测量获得的高差数据,对受地表气井压力变化影响而发生的地下储气库地表垂直变形进行了分析。研究表明,呼图壁地下储气库区的地表变形除了构造成因引起的盆地下沉以外,其他成因有2个方面:一个是呼图壁地区的地下水超采影响着该地区的地表垂直变化;另一个是储气库集采气期间受井口压力变化影响的地表沉降,根据计算,储气库每MPa气井压力变化影响到的地表变化为0.625~1.125mm。     

西安地裂成因力学问题初探

给出了西安地裂的构造模型,并用断裂力学原理分析了地裂的形成与扩展过程,准定量地比较了抽取地下水所引起的地面不均匀沉降以及构造运动所产生的地裂位移在地裂总位移中所占的比例。提出了构造对地裂发育不但有静态控制作用而且有动态控制作用。认为西安地裂是构造地裂,而西安地裂的致灾作用主要是由过量抽取地下承压水所引起的。     

区域网GPS观测得到的汶川大地震前后的地壳垂直运动

中国地壳运动观测网络1000个观测站的GPS非连续观测区域网分别在1999年、 2001年、 2004年、 2007年和2009年作了5次观测。 2008年5月12日汶川8.0 级地震震中(31.0°N, 103.4°E)恰好在区域网GPS观测站密集的地区。 区域网长期、 多期GPS观测可降低年周期变化影响, 有利于获取此次地震前后的垂直位移趋势变化。 简要讨论了GPS垂直位移观测的精度。 分析了垂直位移观测的主要干扰地面沉降, 特别是华北地区因大量抽取地下水产生的严重地面沉降。 为获取汶川地震前垂直运动信息, 首先剔除因大量抽取地下水产生的大幅度沉降干扰结果, 通过趋势面分析中国大陆垂直位移空间分布, 显示了3个垂直位移沉降最显著区域。 对比分析表明, 临近汶川震区的沉降区, 未见大量抽取地下水干扰影响。 汶川地震前1999—2007年区域网GPS观测站得到的垂直位移表明, 汶川地震紧临显著沉降区的西北侧, 龙门山断层北段垂直运动闭锁。 该沉降区与另两个沉降区的时空变化明显不同, 也与区域网水平应变异常区的空间分布不同, 但该沉降区与区域网水平应变异常区同时出现。 大幅度同震垂直位移集中在龙门山断层北段震前垂直位移闭锁区。 这些事实表明, 汶川地震前GPS观测到的紧临震中的沉降区及垂直运动闭锁区与汶川地震的发生存在密切关系。     

地铁站施工荷载对软土地表沉降的数值分析

目前我国软土地区城市地下空间迅速发展,高层建筑的深基坑、地下轨道交通地铁车站及隧道区间的建设带来了一系列岩土工程问题。针对目前施工中的问题,本文结合宁波软土地区某地铁站深基坑工程,揭示随着地铁深基坑分层降水、分步开挖和分步支撑的施工步序,触发地面沉降的机理。采用有限元软件FLAC建立了考虑施工步序的宁波某地铁车站深基坑计算模型,计算分析不同施工步序下的地表沉降。研究结果表明,不同施工步序对地表沉降的影响作用不同,其中降水的影响作用随着开挖的加深而增强;在深基坑的开挖过程中,基坑外侧20m范围内的土体沉降急剧变化,工程技术人员比较重视,而20~30m范围内的土体沉降差异较大,也易引发工程事故,对此不容忽视;控制基坑外侧土体的水平位移能够有效减小地表沉降,保护周边建筑和市政管线。     

国内外地面沉降现状与研究

系统地介绍了国内外地面沉降的现状、引起沉降的原因、地面沉降的机理和地面沉降灾害预测与监测。特别针对上海地区随着大规模的城市建设产生的由工程环境效应引起的地面沉降及其监测与研究做了阐述。     

位错理论在西安地面沉降模拟中的应用

介绍了用位错理论研究地面变形的基本理论和方法.根据西安地面变形的地质模型,利用位错理论对西安市11条地裂缝活动与地面垂直变形的综合影响进行了数值模拟计算,并将计算结果与精密水准实测结果进行了对比分析.结果表明:位错理论模型数值模拟结果与实测的水准结果在空间分布具有很好的一致性.从理论上分析了西安地区的地面地面沉降除与抽取地下水,地面负荷等有关外,还与西安地区的地质构造特征有密切的关系.     

呼图壁地下储气库部分区域地表垂直形变机理研究

利用在呼图壁地下储气库开展的2013~2015年7期二等水准测量获得的高差数据,对由于地表气井压力变化影响而发生的地下储气库地表垂直变形进行了分析。研究表明,呼图壁地下储气库区的地表变形除了构造成因引起的盆地下沉以外,其他主要形变成因来源有2个方面：一个是呼图壁地区的地下水超采影响着该地区的地表垂直变化;另一个是储气库集采气期间井口压力变化影响下的地表沉降,根据计算,储气库每MPa气井压力变化影响到的地表变化约为0.625~1.125mm。     

呼图壁地下储气库重力变化及其影响因素初步分析

利用呼图壁地下储气库2013～2016年共7期流动重力、水准观测资料,对储气库地表重力场变化特征及其影响因素进行了初步分析。研究结果表明,影响地下储气库重力场的主要因素有地下介质密度变化、注采气压力变化、地下水位和土壤湿度变化和地表升降变化等。其中,重力场变化中占主导作用的影响因素为地表升降变化和地下水位的变化,储气库区内的测点重力变化主要来自于地表升降(储气库注采气压力变化导致的地表升降)和地下介质密度变化,储气库外部的测点重力变化主要来自于地表升降(季节性地表升降和地下水超采引起的地表沉降)和地下水位的变化。     

联合GRACE和GPS解译加州地下水储量变化

本文基于2002年04月—2016年08月共156月的GRACE时变重力场模型与地表水文模型,采用组合滤波与尺度因子法获取加州地下水储量变化,并联合EMD分解后的GPS测站垂向时间序列进行分析.结果显示:基于Swenson去相关与250 km高斯平滑半径组合滤波的GRACE地下水反演结果和GPS垂向时间序列季节性变化结果较好,与降水资料季节性变化特征明显,2002-2016年年均等效水高变化-9.4±2.1 mm/a.GPS测站垂向时间序列与附近水井相关性较好.通过深入分析发现地下水亏损是造成地表沉降的主要原因,且降水能够有效缓解以农业灌溉为主的地下水抽取.     

郑州市地表形变与地下水位相关性分析

地下水资源的过度开采会直接导致地表沉降等问题,地下水位的变化与地表形变存在一定相关性.郑州虽然未进入地表沉降现象严重城市之列,但从20世纪末到现在正在遭受地表沉降危害.本文借助InSAR在地表形变监测中的优势,对郑州地区已有的数据进行分析,量化分析近些年郑州市地下水位变化趋势、地表沉降量走势及地区分布,得出地下水位变化与地表沉降量直接相关,探寻原因,提出合理化建议,有效采取一系列防护措施,从而既能解决目前由超采地下水和地表沉降所产生的问题,又能有效遏制该不良趋势的发展,对郑州地表形变防治规划具有重大意义.     

自然电场法勘探火山岩地区地下水的研究

多个火山岩地区找水的勘探实例表明,地表观测到的自然电位异常（简称SP）与地下非饱和区厚度相关。本文认为这种自然电位异常是由于雨水垂直向下流经非饱和区（渗流区）到达地下不透水界面引起,并提出产生自然电位异常的地下极化模型,进而根据静电场理论建立了水文地质模型与自电异常之间的理论关系。这一理论能够实现把一种波数域反演技术引进自然电位异常的反演,以便计算地下水的位置和深度。模型算例和勘探实例表明这一方法可以用于勘探火山岩地区地下水。     

宁波市地下水位动态与地面沉降预测分析

为了准确预测分析宁波市地下水位动态与地面沉降的发展趋势,建立了宁波市第四纪松散沉积层孔隙地下水流三维数值模拟模型和地面沉降与地下水位多元线性回归模型,预测了2009年底到2020年底的逐月地下水位动态和逐年地面沉降量的变化特征.结果表明,从2013年起,除山区沟谷孔隙潜水地下水位降落漏斗逐渐扩大外,其余孔隙水的地下水流场基本趋于稳定,地下水位年际变化很小,年地面沉降量也逐渐变小,由2012年的5.62 mm/a逐渐下降到2020年的5.54 mm/a,由地下水位下降引起的地面沉降基本得到控制.     

利用InSAR短基线技术估计洛杉矶地区的地表时序形变和含水层参数

美国南加州洛杉矶地区是自然和人为活动引起的地质构造活跃、石油及地下水抽取和回灌频繁的区域.本文利用19景ENVISAT ASAR降轨影像生成了71幅垂直基线小于300 m、时间间隔小于3年的解缠差分干涉图,并基于短基线集技术(SBAS),GPS和地下水水位数据估计了该区域2003年9月~2009年8月的地表时序形变及含水层贮水系数等物理参数.研究结果表明:(1)在InSAR干涉图中可以清楚的识别多处沉降明显的区域.例如,主要由于含水层地下水的抽取与回灌引起地表沉降的Pasadena盆地(~-2.5 cm/a)、San Gabriel流域(~-2 cm/a)、San Bernardino盆地(~-2.5 cm/a)、Pomona-Ontario盆地(~-4 cm/a)和Santa Ana盆地(~-2.5 cm/a),以及由石油抽取引起地面形变的Santa Fe Springs区域(~-1 cm/a)和Wilmington区域(~-1 cm/a)等;(2)InSAR时间序列形变与GPS投影在雷达视线方向上的形变结果具有较高的一致性,平均形变速率差异的均方差为0.39 cm/a;(3)InSAR时间序列形变与含水层地下水位的变化基本一致,并基于相关理论计算出了含水层的弹性贮水系数和非弹性贮水系数,分析了含水层的形变机理.