天津滨海地区晚新生代地层自然固结与地面沉降研究

天津滨海地区地处渤海湾西岸,晚新生代沉积了巨厚的松散沉积物。地下水位下降、地层自然固结、地表载荷的加速增长等复合因素造成了严重的地面沉降。利用在天津滨海新区塘沽地区施工的一眼1 226 m全取芯钻孔,通过原状样品测试分析,系统研究了晚新生代土层的物理力学性质、黏性土固结特征,并结合欠固结黏性土层沉降量计算等方法阐述了土层固结状态空间特征,探讨了土层固结特征与地面沉降的相关关系。结果表明：该地区0～100 m深度土层具有低天然密度、高孔隙比、高含水率、高压缩性等特点,表现出软土的性质,在地表荷载增大的情况下,易发生地面沉降;100～550 m的黏性土大都处于超固结和微超固结状态,主要是由于过去地下水的大量开采造成的;550 m以下的黏性土多为正常固结,局部存在欠固结黏性土夹层。钻孔中存在合计约218 m的欠固结黏性土夹层,这些欠固结黏性土夹层在自重应力下的最终沉降量为1 985 mm,沉降量最大的土层对应于第1、6含水组,分别达614 mm和665 mm,这一沉降过程完成所需时间为数十年甚至上百年。     

唐山沿海地区地面沉降渗流固结耦合模拟研究

唐山沿海地区经济在迅速发展,沿海地区城市化规模在扩大,地下水开采量增大,地面沉降加剧.文中分析了唐山沿海地区的水文地质条件,概化为3个含水层、3个弱透水层,共6个压缩层.建立了三维地下水流和垂向一维压缩完全耦合模型.采用25a的观测资料校正模型,计算值与实测值拟合较好,模型具有较高的仿真性和适用性.预测了10a末的地面沉降;当地下水以现有开采量开采时,沉降中心累计达1192.3mm, 10a沉降352.3mm,沉降速率为35.23mma-1;当地下水的开采量在现有开采量的基础上增加10%时,沉降中心累计达1260.8mm, 10a沉降420.8mm,沉降速率为42.08mma-1; 当地下水的开采量在现有开采量的基础上减小10%时,沉降中心累计达1088.7mm, 10a沉降247.9mm,沉降速率为24.79mma-1.增大10%的地下水开采量, 10a地面沉降量增加68.5mm;减少10%的地下水开采量, 10a地面沉降量减少104.4mm.因此,控制地下水开采量是控制地面沉降的有效方法.     

太原市地层空间异质性对地面沉降分布的影响

对比1956～2000年太原市地下水位与地面沉降资料发现,该区地面沉降漏斗与地下水位降落漏斗的空间分布基本相近,但不完全吻合,局部地区存在偏移。通过对黏性土层累计厚度分布、黏性土层与粗颗粒土层的组合特征、不同分区各深度处土的力学特征值与上述偏移的对比分析,认为太原市地层的空间异质性对地面沉降分布有如下影响：（1）与地下水位降落漏斗相比,地面沉降漏斗偏向于黏性土层较厚的一侧;（2）地层组合（黏性土的夹层数、单层厚度等）对地面沉降的空间分布影响较大,沉降多发生在黏性土夹层多、单层厚度较小的地区;（3）土的力学性质的差异是影响沉降分布的重要因素。     

地下水渗流与地面沉降耦合模拟

为了准确模拟由地下水开采导致渗流场和应力场发生变化而引起的地面沉降问题,根据Terzaghi有效应力原理,建立了地下水三维渗流与一维垂向固结的地下水渗流与地面沉降耦合数值模拟模型和以比奥固结理论为基础,并结合土体非线性流变理论,将土体本构关系推广到粘弹塑性,同时考虑土体力学参数及水力参数的动态变化关系的地下水渗流与地面沉降三维全耦合数值模拟模型.通过对比分析,结果表明:基于Terzaghi有效应力原理建立的地下水三维渗流与一维垂向固结地下水渗流与地面沉降耦合数值模拟模型模拟所得地面沉降与地下水位呈现出同步变化的趋势,并且当地下水位逐步回升至初始水位时,地面沉降也逐步回升到初始的零沉降状态.而以比奥固结为基础建立的地下水渗流与地面沉降三维全耦合数值模拟模型模拟所得的地面沉降变化趋势滞后于地下水位的变化趋势,并且当地下水位逐步回升至初始水位时,地面沉降虽也逐步得到回升,但回不到初始的零沉降状态,存在一个永久的残余沉降量.在土体参数变化方面,土体的孔隙度、渗透系数及泊松比均呈现先减小后增大的变化趋势,而弹性模量则呈现先增大后减小的变化趋势,与地面沉降的变化相对应.      

考虑变渗透系数的饱和黏土一维流变固结分析

为进一步探讨饱和黏性土的弹黏塑性和变渗透性对一维固结进程的影响,引入考虑时间效应的统一硬化（UH）本构模型描述饱和黏土的弹黏塑性,并用Taylor的经验关系式表示其渗透系数与孔隙比的关系,修正了太沙基一维固结理论,并利用有限差分法对方程进行求解。通过与一维流变固结试验结果对比,验证本文计算方法的有效性以及UH模型的适用性。在此基础上,讨论了UH模型参数、压缩指数与渗透指数的比值以及荷载强度等对固结过程的影响。计算结果表明:饱和黏土的黏滞性使得在固结初期地基内部出现了孔压升高现象,并减缓了固结中后期地基孔压的整体消散,增大了地基的沉降量,并且这种现象随着初始超固结参数的增大而更明显;另外,随着压缩指数与渗透指数比值的减小,地基固结进程会加快,但地基最终沉降量不受影响;同时,在固结后期,当压缩指数不大于渗透指数时,较小荷载强度对应的地基内孔压消散较慢,然而,当压缩指数大于渗透指数时,荷载强度对孔压消散的影响则相对很小。     

苏锡常地区非线性地面沉降耦合模型研究

长期过量开采地下水所引发的地面沉降是一个复杂的非线性变化过程,对其进行数值模拟时,如不考虑沉降发展过程中模型参数的非线性变化,会给预测带来很大误差。本文依据苏锡常地区实际资料,通过典型钻孔土力学试验,确定出土体在不同荷载条件下的弹塑性和蠕变特征方程以及土体渗透系数随孔隙度变化的关系式。在此基础上建立了研究区三维变系数地下水流模型及考虑土体垂向不同变化特征(弹塑变或蠕变)的一维区域沉降模型,并采用多尺度有限单元法对模型进行了真正意义上的耦合求解。     

江苏省徐州市睢宁县城区地面沉降稳定性分析与评价

根据江苏省徐州市睢宁县城区内可压缩土层的类型、空间分布特点及压缩变形等特征,建立了本区地面沉降计算地质模型。利用该模型计算出城区2013年累计地面沉降量3.08~380.60 mm,平均为162.41 mm,最大沉降量发生在城区西北部,该区域可压缩土层、黏性土的累计厚度大,地下水水位下降幅度较大。根据预测2030年地下水位埋深条件,采用地面沉降地质模型计算得出城区累计地面沉降量,在此基础上对区内地面沉降危险性进行分区,从而为地下水开采总量的控制及地面沉降监测控制提供相关建议措施,以避免城区2030年后地面沉降地质灾害逐步发展为特大型地质灾害。     

基于TOUGH2-FLAC~(3D)耦合的三维地面沉降数值模拟及控制策略研究

地下水开采引发的地面沉降是一种多场耦合的复杂问题,土体变形过程中渗流与应力应变相互影响。采用部分耦合原理,通过渗流和变形过程中的相关状态变量来耦合成熟的商业软件TOUGH2和FLAC~(3D)进行三维变参数的地面沉降数值模拟研究,其中TOUGH2模拟渗流,FLAC~(3D)模拟土体变形,并以此为工具探讨地面沉降的控制策略。基于弹性模型承压含水层抽水的理想算例进行了变参数条件下的模拟计算,发现顶底板水平变形未被约束时水平位移不可忽略,其峰值距离抽水井有一定距离,且水平位移峰值大于垂向位移峰值;此外,由于地面沉降过程中渗透系数及孔隙率减小,导致近井区域渗流量增加,变参数模型位移量大于定参数。将以上方法应用于地面沉降控制策略研究,通过控制抽水流量及抽水时间,发现限制开采速率能控制沉降量,缩短抽水时间能控制沉降范围;对比脉冲式抽水及抽水—回灌常用地面沉降控制策略,发现抽水时采取合理的回灌措施能有效控制沉降量及沉降范围,而脉冲式抽水使得近井处弹性沉降量未得到明显控制,沉降影响范围反而更大。     

衡水地面沉降区黏性土体渗透特征研究

弱透水层或(和)弱透水性夹层中低渗透性黏土体的存在是地面沉降赖以形成的物质基础,其渗透特征是影响地面沉降评价、模拟与预测的最基本参数之一。本文以华北平原衡水沉降中心区的钻孔黏性土样为对象,利用高压三轴渗透试验仪进行了土样的渗透试验。结果表明:黏性土体的渗透系数随土体埋深和渗透压力增加而呈现总体逐渐减小的趋势,在时间上总体表现为开始时迅速减小而后逐渐趋于稳定的特点,但是由于地下水位季节性波动或者地下水大量被抽取,部分地层黏土其渗透系数与总体趋势有所差异。最后文章结合电镜扫描试验及分形技术分析了土体微观结构对其渗透特征的控制作用。     

基于变渗透系数的地下水开采-地面沉降三维模拟研究

在地面沉降过程中伴随着土体孔隙率和渗透系数的变化,但在模拟计算中为了降低计算量而忽略其变化,因而在一定程度上造成模拟结果与实际偏离。为了研究地面沉降数值模拟过程中孔隙率和渗透系数变化对模拟结果的具体影响,在Biot固结理论的基础上,耦合了Kozeny-Carman方程,建立了考虑固结过程中渗透系数变化的三维固结模型。以北京平原区的典型含水层结构为模拟对象,分别在考虑和忽略渗透系数变化的情况下进行抽水模拟,发现在考虑渗透系数变化的情况下,抽水后地层的渗透率体现了不均匀变化,在抽水井井壁附近渗透系数有所降低;考虑渗透系数变化下的地表最终形变量大于忽略渗透系数变化的情况;忽略渗透系数变化导致的模拟误差在沉降初期较小且具有继续发展的趋势,中后期较大并逐渐趋于平稳,且这一误差与抽水量正相关,与承压含水层压缩模量和渗透系数负相关,且随着承压含水层厚度的增加呈现先增大后减小的趋势。     

Evaluation of a pumping test of the Snake River Plain aquifer using axial-flow numerical modeling

The Snake River Plain aquifer in southeast Idaho is hosted in a thick sequence of layered basalts and interbedded sediments. The degree to which the layering impedes vertical flow has not been well understood, yet is a feature that may exert a substantial control on the movement of contaminants. An axial-flow numerical model, RADFLOW, was calibrated to pumping test data collected by a straddle-packer system deployed at 23 depth intervals in four observation wells to evaluate conceptual models and estimate properties of the Snake River Plain aquifer at the Idaho National Engineering and Environmental Laboratory. A delayed water-table response observed in intervals beneath a sediment interbed was best reproduced with a three-layer simulation. The results demonstrate the hydraulic significance of this interbed as a semi-confining layer. Vertical hydraulic conductivity of the sediment interbed was estimated to be about three orders of magnitude less than vertical hydraulic conductivity of the lower basalt and upper basalt units. The numerical model was capable of representing aquifer conceptual models that could not be represented with any single analytical technique. The model proved to be a useful tool for evaluating alternative conceptual models and estimating aquifer properties in this application. Electronic Publication     

基于FLAC3D和DEM数据的缓倾斜煤层开采沉陷分析

宁夏石嘴山矿区位于西部黄河流域,其煤矿采空区沉陷导致地表生态和环境问题频发,对其采煤沉陷分析将对西部黄河流域煤矿区的环境修复有一定的积极作用。为研究缓倾斜煤层采空区围岩应力与位移场演化特征,以宁夏石嘴山矿区为对象,基于FLAC3D数值模拟软件,建立缓斜煤层开采三维数值模型,计算分析采空区围岩应力、塑性区及位移变化规律,并基于两时相DEM叠加统计分析地表位移变化,与数值模拟结果进行相互验证。结果表明:地下开采引起应力重分布,采空区顶板及煤柱出现明显的应力集中现象,最大主应力呈现从煤层顶板向地表递减的变化趋势;越靠近采空区顶部的岩层垂直位移越大,随着远离采空区逐渐减少,开采完成后地表垂直位移最大值约12 m;随着采空区面积的不断增大,采空区四周及角隅处塑性区逐步延伸扩大,且以剪切破坏为主;地面沉陷盆地不对称,2个沉降中心均发生在沉陷盆地中部且偏下山方向,下山方向比上山方向影响范围更大;数值模拟计算的沉降量与两时相DEM叠加统计分析的变化量结果及趋势基本一致,研究成果可为煤炭安全开采提供参考依据,为地表沉降监测提供新方法。      

探讨变雨强条件下的入渗过程及影响因素

以积水条件下Green-Ampt入渗模型为基础,拓展其在变雨强中入渗率和累积入渗量计算形式。结合上述理论基础,选用饱和-非饱和土壤水、热和溶质运移模拟软件Hydrus-1D,探讨了常降雨与变雨强的入渗差异和饱和导水率、土壤类型对变雨强入渗过程的影响。研究表明：相对于常降雨,变雨强更利于雨水入渗,累积入渗量显著增加;其他水力参数不变,饱和导水率越大,入渗率与变雨强随时间变化曲线重合率越高,雨强控制时间越长,累积入渗量相应也越大;其他水力参数作用效果不容忽视,其影响作用可与饱和导水率达到相似效果。正确了解变雨强下入渗过程及影响因素,有助于准确地把握实际降雨入渗情况,对指导水力工程有重要的实际意义。     

均质非饱和土一维稳态流水头垂直分布的解析解

渗流场水头分布计算是进行渗流量和渗流水力坡降计算的基础,准确、有效地求取渗流场水头分布是渗流计算的关键环节。对均质非饱和土体一维稳态流的流动方程进行分析,考虑到渗透系数是与基质吸力相关的函数,通过数学变换,给出了稳定渗流场的解析通式,并基于渗透性函数中的Gardner模型,给出了非饱和土一维稳态流水头垂直分布的解析解。该解析通式表明,均质非饱和土一维稳态流水头垂直分布主要受地表水头、深度和流动率3个因素控制。分别计算了一维稳态蒸发条件下粉土和黏土两种典型土类水头沿垂直方向的分布。计算结果表明：稳态蒸发条件下粉土层和黏土层内的水头分布表现出相似的变化规律,即自地表至地下水位处随着土层深度的增加,水头分布呈现出加速递减的趋势;在相同的蒸发条件下,对于相同深度处的黏土和粉土而言,黏土层内水头更高些;对同一种土类而言,在较大的蒸发状态下同一深度处土层内水头更高。反之,则较低。     

A modified inverse procedure for calibrating parameters in a land subsidence model and its field application in Shanghai,China

Land-subsidence prediction depends on an appropriate subsidence model and the calibration of its parameter values. A modified inverse procedure is developed and applied to calibrate five parameters in a compacting confined aquifer system using records of field data from vertical extensometers and corresponding hydrographs. The inverse procedure of COMPAC (InvCOMPAC) has been used in the past for calibrating vertical hydraulic conductivity of the aquitards, nonrecoverable and recoverable skeletal specific storages of the aquitards, skeletal specific storage of the aquifers, and initial preconsolidation stress within the aquitards. InvCOMPAC is modified to increase robustness in this study. There are two main differences in the modified InvCOMPAC model (MInvCOMPAC). One is that field data are smoothed before diagram analysis to reduce local oscillation of data and remove abnormal data points. A robust locally weighted regression method is applied to smooth the field data. The other difference is that the Newton-Raphson method, with a variable scale factor, is used to conduct the computer-based inverse adjustment procedure. MInvCOMPAC is then applied to calibrate parameters in a land subsidence model of Shanghai, China. Five parameters of aquifers and aquitards at 15 multiple-extensometer sites are calibrated. Vertical deformation of sedimentary layers can be predicted by the one-dimensional COMPAC model with these calibrated parameters at extensometer sites. These calibrated parameters could also serve as good initial values for parameters of three-dimensional regional land subsidence models of Shanghai.     

地下热水回灌过程中渗透系数研究

地下热水回灌是处理地热开发利用中所引发的热储层压力降低和弃水污染环境等问题的有效方法。第三系热储层的回灌过程中，由于物理阻塞和化学阻塞，导致热储层的渗透性下降。回扬可在短时间内消除或缓解堵塞问题，提高回灌效率。将利用回灌试验数据求得的渗透系数进行回归，得到渗透系数衰减方程。用数值方法模拟渗透系数对回灌的影响，对比渗透系数为常数与渗透系数变化两种情况，结果表明渗透系数衰减是第三系回灌能力下降的主要原因，渗透系数是影响回灌的重要因素。     

Application of viscoelasticity to study the time-dependent surface subsidence caused by underground mining

The time factor has been used to describe the surface movement process due to underground mining for many years, however, little is known about its physical interpretation and variations with local conditions. To study mining subsidence on the basis of rheology can, more effectively, reveal the nature of this process. With the aid of the viscoelastic theory and the correspondence principle, an important relationship between the time factor and the rheological parameters of the rock mass is established. Basedon this new relationship, it will be possible to determine the value of the time factor by means of laboratory or in situ tests.

Some practical examples are employed to compare the values of the time factor determined by mine surveys with those determined by rheological tests. It is worth noticing that the values of the time factor vary with the size of the tested objects. This is, perhaps, the reason why the time factor determined by subsidence surveys is variable for different mining depths.     

求解地面沉降预测模型参数的逆问题

地下流体的抽取所引起的地面沉降的预测依赖于所选理论模型中参数的量化。本文所建立的逆问题模型中涉及到压缩承压含水系统中5个控制地面沉降的参数：压缩弱透水层的垂向水力传导系数K＇、塑性贮水率S＇skv和弹性贮水率S＇ske、含水层的贮水率S＇S和弱透水层的前期最大固结压力p＇max0。逆问题模型由Newton-Raphson调整算法和Helm有限差分一维固结模型构成（COMPAC）,其中固结模型可用其他模型替代。文中用一个理想压缩承压含水系统对该逆问题模型进行检验,检验结果显示该模型能求解出理想压缩承压含水系统的K＇、S＇skv、S＇ske、S＇S和p＇max0的近似值,其中p＇max0和S＇skv是控制计算沉降量的两个最主要的参数。每个监测点计算压缩量的平均相对误差为7.8%,该误差仅由调整算法产生。该逆问题模型应用于上海F9地面沉降监测点上部承压含水系统参数的求解和变形量的预测,所求解出的K＇、S＇skv、S＇ske、S＇S和p＇max0的近似值分别为8.58×10-4 m/a、3.50×10-4 1/m、6.39×10-6 1/m、1.19×10-5 1/m和-2.50m、每个观测点计算压缩量的平均相对误差为13.7%。误差的来源除了调整算法外,还包括地下水位、压缩变形的观测误差以及模型概化所产生的误差。