岩溶区线性工程影响下的地下水监测及数值模拟研究——以广州市金沙洲为例

以广州市金沙洲地区的水文地质条件及地下水位监测结果为基础,应用地下水数值模拟FEFLOW 软件建立了金沙洲地区的地下水系统的数值计算模拟模型。模拟结果表明:（1） 高铁金沙洲隧道施工降水是引起金沙洲地下水流场变化的主要原因,高铁隧道施工大量抽排地下水时,地下水位变化形成以抽水点为中心的降落漏斗;（2） 随着抽水量的加大,形成水位下降漏斗及地下水强径流排泄带,加速地下水对泥沙的搬运动力,增大对岩土体结构的冲刷作用,使与岩溶管道连通的土洞及覆盖层稳定性受到破坏,从而导致地面塌陷的发生;（3） 随着地下水水位的下降,金沙洲一带的软弱淤泥土容易出现排水固结沉降和失托沉降,从而产生地面沉降灾害。      

广州金沙洲地面沉降成因分析

广州金沙洲是地面沉降危害较严重的地区之一,目前已形成7个沉降区域,沉降总面积约71×104m2,2007年起至2009年3月,是金沙洲地面沉降地质灾害的高发期,这一时期正是某高铁隧道在金沙洲施工阶段。据广州市地质调查院地下水动态监测及地面沉降监测结果,地下水的波动变化与地面沉降具有良好的对应关系,沉降区域沿区内北东向断裂带展布,地面沉降量等值线的展布方向与断裂走向大致一致。各沉降区域沉降中心大多位于断裂带或断裂的交汇部位等特点,据调查,金沙洲地面沉降与软土、正长斑岩风化土、砂土、断裂构造及地下水等因素有关。研究结果表明:复杂的地质环境条件是金沙洲发生地面沉降的客观因素,某高铁隧道施工大量抽排地下水是诱发和加剧地面沉降的主要因素。     

特殊地质城市地下空间开发利用面临的问题与挑战

我国地质环境十分复杂,地面沉降、地裂缝、活动断裂及岩溶等特殊地质现象十分发育,是世界上地质灾害最为严重的国家之一,这给我国目前大规模城市地下空间开发利用尤其是城市轨道交通和地下综合管廊的建设带来了前所未有的地质挑战。文中论述了我国城市地面沉降、地裂缝、活动断裂及岩溶等特殊地质现象的分布与发育状况及危害,明确指出了上述特殊地质环境下城市地下空间开发利用中面临的诸如监测缺乏系统性、缺少评价与安全利用理论方法和技术支撑、特殊地质与地下空间相互作用机制不明以及规划缺乏前瞻性等关键问题和挑战,建议尽快开展我国特殊地质城市地下空间开发利用的适宜性评价理论方法、规划设计理论、探测与监测技术方法以及城市地下空间资源评价、安全利用与防治关键技术等方面的研究,为我国地面沉降、地裂缝、活动断裂以及岩溶等特殊地质城市地下空间开发利用与安全运营提供重要科学依据与技术指导。     

北京加快建地质资源环境承载力监测预警平台

本刊讯（段金平 周楚军）北京今年将加快建设首都地质资源环境承载能力监测预警平台,目前,规划建设的8大平台已运行3个。北京市地勘局近年来与市国土资源、规划、建设、环保等部门密切配合,在国内率先建设地质资源环境承载能力监测预警平台。该平台包括八大监测预警系统。目前地面沉降监测预警系统、地下水环境监测预警系统、地热与浅层地温能开发利用地质环境影响监测预警系统已建成并投入运行;突发地质灾害监测预警系统、平原区活动断裂监测预警系统正在建设中;此外还有3个拟建系统：土壤地质环境监测预警系统、重大建构筑物及地下空间地质安全监测预警系统、重大线性工程地质安全监测预警系统。     

应用短基线集技术监测河南北部平原区地面沉降

为研究河南北部平原区地面沉降特征和成因,应用短基线集技术获取地表形变数据,总结地面沉降空间分布特征,分析地面沉降与地质环境因素关系。结果显示:2014—2016年研究区均是沉降区,大部分属于地面沉降严重程度较低的地区,局部沉降较严重。最大沉降速率114.85 mm/a,划分出8个重点沉降区。研究区地面沉降最主要原因是地下水超量开采,地面沉降还受到区域构造活动、软弱土层分布、城镇化发展和矿业资源开发等因素影响。     

北京温榆河冲洪积扇地面沉降特征及机理研究

北京区域地面沉降呈快速发展趋势,局部最大形变速率超过13cm/a,严重威胁城市安全。掌握地下水开采条件下的分层地面沉降特征,是定量揭示地面沉降机理和缓解沉降灾害的前提。以北京最大的地面沉降区温榆河冲洪积扇地区的八仙庄沉降区为研究对象,分析了该地区地下水开采、地下水位动态特征与分层压缩量的关系,基于分层沉降数据得出该地区土体释水形变以浅部地层、深部地层的弹性形变以及中深部地层的弹塑性形变为主,并从地层条件、固结历史和物理力学性质方面对压缩特性的影响因素进行了分析,得出以地面沉降为约束条件的地下水开采主要调控层分布。     

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。     

地下空间形态描述方法研究

地下工程施工、开发地下资源(包括开采地下水)都会引起地面发生沉降,导致位于地面的城市、交通线路及水体随之沉降。这种工程性沉降问题产生的根本原因在于地下出现了空间,而非层状(即不规则形状)空间环境是一种普遍存在的情况,与层状空间环境的地面沉降机理不同。当地下出现非层状空间环境时,目前还没有实用的地面沉降预测模型,否则,把非层状地下空间简化为层状情形进行处理。基于地下出现褶皱层状空间环境时的地面沉降规律,研究非层状地下空间形态的表述和处理方法。     

基于MODFLOW地下水数值模拟对济南北部地区地面沉降的预测①

为查明济南北部地区深层地下水开采影响地面沉降的成因机理,在综合分析区内水文地质、工程地质、地下水开采等资料的基础上,基于VisualMODFLOW三维有限差分地下水流动模型,对深层地下水降落漏斗发育情况进行了数值模拟,得出地下水流场时空动态分布规律,建立了流-固耦合模型,并对区内地面沉降发展趋势进行了预测。经验证,预测沉降速率与InSAR监测地面沉降速率基本吻合,预测结果基本可靠,具有较高的研究意义和应用前景。     

真空预压软基处理沉降监测分析

在天津滨海新区某真空预压处理现场进行了地面沉降和分层沉降监测,地面沉降总量80～160mm左右,由工前沉降和施工沉降组成;分层沉降监测资料揭示了沉降量主要产生在吹填土和海相沉积软弱地层中,而且埋设分层沉降观测设施在软弱地层形成的扰动带,会产生难以避免的误差。由于塑料排水带的存在,增加了真空预压场地中软土的渗透性,通过理论推导和具体算例,提出了利用沉降观测资料计算土体固结度需考虑其瞬时沉降,建议计算采用地基处理手册相关公式为宜。     

中国沿海地区地面沉降问题思考

中国沿海地区地面沉降主要发生在大河三角洲及沿海平原区。文章主要以我国两大沿海城市——上海及天津为例，分析和阐述了沿海地区发生地面沉降的机理以及影响地面沉降发生发展的诸多因素。指出，孔隙水承压含水层中抽取地下水将引起承压水位降低进而引起土颗粒承担的有效压力的增大，从而使土层压缩。影响沿海地区地面沉降的因素有新构造运动、全球海平面上升、软土地基自然沉降、过量抽取地下流体以及建筑施工造成的局部沉降等。文章认为，在诸多影响因素中，人类过量开采地下流体是导致地面沉降发生的主要原因，人类应在资源利用和环境保护方面力争双赢。     

隐伏岩溶区地下空间探测技术方法研究——以武汉市为例

岩溶地面塌陷是城市隐伏岩溶区地下空间开发过程中常见的地质环境问题,具有隐蔽性和突发性,开展隐伏岩溶区地下空间结构探测技术方法研究可以有效指导地下空间开发利用。以武汉市为例,分析武汉市岩溶地面塌陷的成因机理,提出岩溶发育程度、覆盖层厚度和结构、地下水是岩溶地面塌陷的原生地质条件,也是隐伏岩溶区地下空间探测的特征因子。通过对比分析地质雷达、高密度电阻率法、浅层地震、微动、混合源面波、瞬变电磁法、孔间层析成像和地面核磁共振法等技术方法在武汉市隐伏岩溶区地下空间探测的适用性。结果表明:地质雷达适用于浅部土层扰动探测,小极距的高密度电阻率法和混合源面波适宜于覆盖层的厚度和结构探测,浅层地震、微动和孔间层析成像适宜岩溶发育特征探测,地面核磁共振法可通过岩溶地下水的富水性辅助岩溶发育程度探测。     

珠三角地区岩溶分布特征及发育规律

在综合分析区域构造、地层岩性与岩溶发育关系的基础上,结合钻探资料,系统总结出珠三角地区的岩溶分布特征和发育规律。结果表明:珠三角地区的岩溶分布可分为3个条带,形成发育分为3个阶段,分别受地质构造、古水文网和地下水控制。岩溶横向发育规律受地质构造和岩石化学性质综合控制,岩石化学性质为内在因素,起决定性作用,地质构造为地下水提供通道,起主导作用;区内强岩溶发育带集中分布在石炭系的壶天组和石磴子组中,国土空间规划布局和工程建设选址应重点评价。岩溶纵向发育分为4层,最深可达标高400 m以下,其中标高-35~-80 m为岩溶极强发育带,地下空间开发利用应尽量避让,而标高-35 m以上和-100 m以下岩溶发育较弱,在适当采取工程措施后,较适宜开发利用。      

北京平原区地面沉降分布特征及影响因素

地面沉降是北京平原区主要地质灾害之一。文中采用永久散射体差分干涉测量(PS-InSAR)技术获取平原区地面沉降空间分布特征,基于GIS空间分析平台,将多种地面沉降影响因素分别与PS-InSAR获取的地面沉降场形变信息进行耦合研究,查明地面沉降与多种影响因素之间的响应关系。研究发现:(1)北京市地面沉降发育较为严重的地区主要出现在平原区东部、北部以及南部等地,存在多个沉降中心,最大沉降速率达到152mm/a,区域不均匀沉降现象明显,并且有连成一片的趋势。(2)地面沉降分布具有明显的构造控制特性,沉降区多位于几大活动断裂交接部位的沉积凹陷地区,与第四纪沉积凹陷十分吻合。地面沉降的发展趋势与活动断裂的走向具有明显的对应关系,在有活动断裂通过的区域,地面沉降剖面线上表现出明显的转折或突变,断裂两侧区域不均匀沉降十分明显。(3)地面沉降分层沉降量与对应层位上黏性土占比呈正比例关系,其空间分布特征及变化趋势与平原区的地层结构及可压缩黏性土层厚度具有很好的一致性,沉降范围整体由北西向的单一结构区向南东方向的多层结构区扩张。沉降速率大于50 mm/a的沉降区大多分布在黏性土层厚度大于100 m的地区,几大沉降中心与黏性土层厚度较大地区吻合较好。(4)第二承压含水层(顶底板埋深100~180 m)地下水开采对地面沉降影响最大,沉降中心与该层位地下水位降落漏斗区高度吻合,是地面沉降的主要贡献层位。     

厚覆盖层矿山地下开采地表塌陷机制分析

随着矿山开采深度的不断增加,厚覆盖层成为部分深部地下矿山的主要特点。以物探调查、变形监测以及理论分析为手段,对某典型厚覆盖层金属矿山地下开采初期地表塌陷的成因与机制进行了分析。结果表明,厚覆盖层中存在的大面积采空区为地表塌陷变形提供了空间,采空区顶板厚度较小为地面塌陷的发展提供了条件,采空区的存在是地表塌陷的主要原因。地表出现塌陷以后,塌陷范围以塌坑为中心继续向外扩展,受覆盖层内采空区走向,断层和岩层分界面等地质缺陷影响,塌坑向西、向南与向北三个方向上的扩展较向东快得多。降雨会增大塌坑向外扩展的速度,因为地表水的下渗加快了塌坑周围岩土体向塌坑方向的移动和下沉。     

城市浅层地热能开发地质环境问题研究

本文就浅层地热能开发利用过程中出现的生态环境和地质环境问题从客观因素和人为因素进行了详细的研究,借助土壤温度的测试和地层冷热平衡的监测,分析在地源热泵运行过程中造成的热污染、地下水位下降、地面沉降、地下水质恶化污染等问题。研究认为长期利用地源热泵开发利用系统,如设计不合理或地下水回灌率低,将破坏地层的冷热平衡。北方地区供暖期大于制冷期时,地层温度将逐年下降,N2O和CH4会集中释放,造成生物生长速度缓慢。地下水源热泵运行时,如地下水回灌困难,将导致地下水资源浪费、水位下降等生态环境问题以及路面塌陷、地面沉降等地质环境问题。供暖期、制冷期运行时间差别较大时,将导致地下水温度的变化,直接影响地下水中污染物的降解,间接影响地下水的水质。抽取、回灌地下水的过程会造成空气中的氧气随之溶解于水中,导致地下水质的变化。通过分析浅层地热能开发利用存在的突出问题和影响因素,可为其科学合理开发利用提供科学依据和技术支撑。     

淮南采煤沉陷区积水来源的氢氧稳定同位素证据

淮南是我国东部重要的能源基地,由于长期地下采煤,地表形成大面积的采煤沉陷区并积水,造成严重地质灾害。针对于此,部分学者提出利用采煤沉陷区建立"平原水库"解决周边地区干旱年份农田缺水问题的设想。然而,一方面,由于煤层上覆几百米厚的新生代沉积,采煤塌陷形成的沉陷裂隙是否沟通了不同含水层之间的水力联系,并因此改变了这个地区的地下水系统,成为区域水资源评价需要了解的一个重要科学问题;另一方面,建立"平原水库"需要有稳定的补给水源,采煤形成的沉陷裂隙如果沟通了地下不同深度含水层的水力联系,是否使地下水成为塌陷区除降雨外的重要补给来源,这就成为评价"平原水库"水资源潜力的重要参考依据。氢氧稳定同位素是示踪天然水体水来源的重要手段,笔者在淮南矿区采集了旱季和雨季的浅层地下水、河水、雨水、沉陷区的积水等不同水体的水样23件,分析了其氢氧稳定同位素组成并与深层地下水进行对比。结果表明:雨季和旱季,该地区采煤沉陷区积水的氢氧稳定同位素组成都非常接近大气降水的氢氧稳定同位素组成,而与深层地下水的氢氧稳定同位素组成相差较大,说明采煤沉陷区的积水来源主要是大气降水补给。采煤沉陷区的沉陷裂隙贯穿了整个新生代地层,使地表水发生下渗与在深部与深层地下水发生不同程度的混合,而深层地下水尚不是"平原水库"的稳定补给源。     

南京地铁运营隧道变形的工程地质机理研究

根据南京地区的工程地质与水文地质条件和多年隧道结构变形的监测资料,系统分析了不同地貌单元内隧道结构的变形特征,指出影响南京地铁隧道结构变形的主要工程地质因素是盾构隧道的软土问题和矿山法隧道的水文地质问题。结果表明:南京地区发育不同成因类型的软土,特别是长江河谷平原区软土,具有高孔隙比、高含水量、高压缩性、结构性强等特性,易导致隧道结构发生不均匀沉降。同时,穿越丘岗地区的矿山法隧道,一旦上游水源补给量超过正常值时,易导致隧道结构的衬砌逐渐抬升变形甚至引发运营中断事故。这一研究成果为南京地铁运营隧道结构变形分析提供了工程地质方面的理论基础,以便采取针对性的措施及时控制变形,确保安全营运。     

城市地下工程中的环境岩土工程问题

近年来, 随着城市人口的急剧增长, 交通与住房拥挤状况日趋突出, 在我国一些大中城市中, 道路交通隧道、地铁工程、地下商城等地下工程建设项目在逐年增多。由于城市工程环境特殊性和地下工程的特点, 在其施工过程中经常出现基坑失稳 (明挖 )、地面沉降、岩溶塌陷、洞室失稳、巷道突水等多种环境岩土工程问题, 不仅严重影响地下工程建设和周围建筑物环境安全, 而且给国家造成重大经济损失。这一问题已引起岩土工程领域很许多专家的关注, 并成为该领域的研究热点。本文结合南京市区地下工程建设的实际情况, 探讨城市地下工程环境岩土工程问题的特点和形成机理, 并提出解决地下工程环境岩土工程问题的方法和建议。