Biot固结理论在地面沉降计算中的应用

在回顾地面沉降研究现状的基础上,提出采用Biot固结理论进行由降水形成的渗流场与应力场的耦合分析,并运用二维Biot固结平面有限元程序计算因开采地下水而引起的地面沉降问题,最后通过工程实例验证了该方法的可行性。     

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.      

江苏松散沉积层地区地下水资源评价模型发展趋势

江苏松散沉积层厚度大、结构复杂、容易发生固结压缩,地下水可采资源量评价具有较大的不确定性,容易造成重复或缺失,地下水的过量开采又容易引发地面沉降地质灾害。针对以上问题,提出了地下水资源评价的地下水渗流三维数学模型及其地下水渗流与地面沉降耦合模型。地下水渗流三维数学模型可以将整个松散沉积层作为一个统一的水文地质体进行计算,对不同水力性质的含水层同时进行刻画描述,克服了以往二维或准三维模型将各含水层之间的粘性土层概化为越流层给评价结果带来的重复或缺失。地下水渗流与地面沉降耦合模型可以结合地面沉降环境控制,评价出地下水的可采资源量,尤其是以比奥固结理论为基础,考虑了土体的非线性特征及土的渗透性随应力状态的动态变化的全耦合模型,使评价结果更趋科学、合理。     

开采浅层地下水对高速铁路工程的影响分析

本文根据浅层地下水的性质，阐述了抽水引起的地面沉降机理和计算方法，结合实例计算了由于抽取浅层地下水引起的小范围地面沉降和影响范围，分析了这种小范围地面沉降对客运专线路基、桥梁、轨道工程的影响。     

地下水开采与地面沉降控制三维全耦合模型研究

针对第四纪松散沉积层中地下水开采所引起的地面沉降问题,以比奥固结理论为基础,考虑到土体的非线性特征及土体的渗透性随应力状态的动态变化,引入邓肯-张非线性模型和渗透率动态模型,将地下水渗流场和土体应力场耦合起来,并以吴江市浅层地下水开采为例,建立了浅层地下水开采与地面沉降三维全耦合数值模型。在对模型进行校正、识别的基础上,以微承压含水层未来10 a内地下水位埋深不低于含水层顶板、地面沉降量不超过50 mm为约束条件,预测了吴江市各镇的地下水可采资源量合计为1 203.59×10⁴m³/a。     

考虑流变特性的流固耦合地面沉降计算模型

本文根据流固耦合力学的理论与方法,研究地面沉降问题,即将地面沉降过程视为一个动态耦合作用过程,通过建立渗流－变形－沉降耦合模型,同时对渗流、变形和沉降过程进行仿真模拟,从而对地面沉降进行计算和预测。由于软粘土的流变变形量在地面沉降中占有明显的份量,因此本文在模型中充分考虑软粘土的流变特性,建立了包括主固结又考虑次固结的计算模型,特别适用于采、灌过程中不同受力阶段的流变特性。其特点：三维渗流与三维固     

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。     

基坑抽水引起周围地面沉降机理及防治措施

抽水引起周围地面沉降和构筑物地基沉降已成为工程建设中的一个环境灾害问题。根据抽水引起周围地面沉降的机理分析,提出了由抽水引起地下水水头压力变化、含水层颗粒迁移、含水层压缩和水体的膨胀的更具普遍意义的地下水运动方程,该方程可以简化成Biot和Helm的地下水运动方程。在此基础上,通过实例分析和方案对比,提出了抽水引起周围地面沉降的防治措施,并分析了各种措施的适用范围及优缺点。     

上海地区第三硬土层间粉土夹层抽水沉降效应分析

现场对上海第三硬土层间粉土夹层即第⑩夹层承压含水层实施抽水试验,对水位、地表沉降及深层沉降进行观测,采用三维渗流及比奥固结理论模拟,分析了深层承压水抽水过程中的地层垂向变形与地下水水位变化之间的关系,为超深基坑地下水控制提供了依据。     

基于一维和三维固结挤土桩沉降时效计算分析

饱和软黏土地基中的挤土桩,施工引起的桩侧土体超孔隙水压力消散和竖向荷载引起的桩底土体固结是导致其沉降的主要因素。基于三维固结理论,研究了桩侧地基土再固结沉降的变化规律,并从桩-土相互作用的原理出发,结合边界条件,推导出了在桩侧地基土再固结沉降的作用下挤土桩沉降的计算公式。运用太沙基一维固结理论并采用分层总和法计算竖向荷载作用下桩底土体的沉降。提出了饱和软土中挤土桩沉降时效的计算方法。并对工程实例进行了计算分析,其结果符合工程实际沉降规律。     

GIS-based spatial and temporal prediction system development for regional land subsidence hazard mitigation

An integrated GIS-based approach for establishing a spatial and temporal prediction system for groundwater flow and land subsidence is proposed and applied to a subsidence-progressed Japanese coastal plain. Various kinds of fundamental data relating to groundwater flow and land subsidence are digitized and entered into a GIS database. A surface water hydrological cycle simulation is performed using a GIS spatial data operation for the entire plain, and the spatial and temporal groundwater infiltration quantity is hereby obtained. Through the data transformation from the GIS database to a groundwater flow code (MODFLOW), a 3D groundwater flow model is established and unsteady groundwater flow simulation for the past 21 years is conducted with results which compare satisfactorily with observed results. Finally, a Visual Basic code is developed for land subsidence calculations considering aquifer and aquitard deformation. Future land subsidence in the plain is predicted assuming different water pumping scenarios, and the results provide important information for land subsidence mitigation decision-making.     

应力历史对弱透水层参数影响试验研究

弱透水层储存的地下水是地下水资源的重要组成部分,弱透水层水文地质参数对地下水资源管理与评价以及地面沉降等具有重要意义。通过室内试验对定降深条件下弱透水层水流运移规律进行了研究,并探讨了弱透水层释水过程中的变形规律和释水规律。试验结果表明,在相邻含水层定降深条件下,弱透水层固结变形滞后于相邻含水层的降深变化,且变形速度逐渐变小并趋于零。基于室内试验,利用配线法求得弱透水层不同应力状态下的水文地质参数,对比分析,大变形和小变形试验中土层的渗透系数变化不大,但贮水率明显变小,土层的固结系数变大。因此,土层的应力历史对土层的渗透系数影响不大,而对贮水率有较大的影响。     

Regional land subsidence simulation in Su-Xi-Chang area and Shanghai City, China

Su-Xi-Chang area and Shanghai City, located in the south of Yangtze Delta, China, has subsided due to groundwater overpumping. Because of the regional scale of the groundwater exploitation, cone of depression and land subsidence at present, Su-Xi-Chang area and Shanghai City are treated as a single area for land subsidence study to avoid the uncertainty of boundary condition due to the regionalism. The characteristics of aquifer system compaction are complex because of the difference in the types, compositions and structures of the soils that the hydrostratigraphic units are composed of, and in the histories of groundwater level change the hydrostratigraphic units have experienced. Considering the fact that different hydrostratigraphic units have different kinds of deformation and that an identical unit may also present different deformation characteristics, such as elasticity, elasto-plasticity, and visco-elasto-plasticity, at different sites of the cone of depression or in different periods, corresponding constitutive laws have been adopted. This avoids the shortcomings of the previous research that the same constitutive law was adopted in all the hydrostratigraphic units during the entire time period. A coupled flow and subsidence model, which includes a three-dimensional flow model with variable coefficients and a one-dimensional (vertical) subsidence model, is built according to the complicated hydrological condition in the region. The simulation model is calibrated using observed data, which include compression of individual strata from groups of extensometers and groundwater levels from observation wells from 1995 to 2002. The model reproduced that the primary subsidence layer in Shanghai shifts from the shallow aquitard to the fourth confined aquifer because of the groundwater yield variations and the change of exploitation aquifers. However the third aquitard was the primary subsidence layer in Su-Xi-Chang area and the compaction deformation of the sandy aquifers was remarkable. The simulation results could provide some reasonable advice about groundwater exploitation in the future.     

上海市地下水位大幅抬升条件下土层变形特征分析

过去对地下水位持续下降条件的地面沉降研究较多,但对水位大幅持续抬升过程中的地面沉降研究较少。本文根据 上海大量地面沉降、水位观测和钻孔资料,系统分析上海市90年代末以来地下水位大幅抬升条件下各土层的变形特征。自 1998年以来,上海市通过大幅压缩开采量、回灌地下水等措施使第二、三、四和五承压含水层水位分别平均抬升2.1 m, 3.6 m, 12.4 m, 12.7 m。水位的抬升使上海市地面沉降平均速率由1998年的12.2 mm/a减小到2011年的1.83 mm/a,减少85%。 通过对27组分层标数据分析发现：现阶段主要压缩层位在第一、二软土层,年沉降速率为2~4 mm/a;而第二含水层以下土 层已经有少量回弹。在水位持续大幅抬升过程中,本文总结了两种变形特征：1） 变形和水位变化基本同步,残余变形量非 常小,变形可概化为线弹性变形,这种变形主要发生在第一、二、三和五承压含水层、第五和六弱透水层;2） 压缩速率逐 渐减小,无明显持续回弹趋势,有较大残余压缩量且存在变形滞后现象,变形可概化为弹塑性变形,这种变形主要发生在 地第二、三和四弱透水层。第四承压含水层变形较复杂,两种变形特征都有。其中较大残余变形量主要由塑性贮水率比弹 性贮水率大2个数量级引起;变形滞后主要由弱透水层中超孔隙水压力消散较慢引起。本文研究成果对于掌握水位抬升过 程中土层变形方式、发生发展机理、预测未来地面沉降及地下水科学管理和资源评价具有重要意义。     

天津市地下水流-地面沉降耦合模型

天津市平原区地面沉降主要由地下水大量开采引起,影响范围广、危害大,已成为天津市主要的环境地质问题。分析了研究区的水文地质条件,结合地下水开发利用状况,将研究区概化为6个含水层组,地下水流考虑三维非稳定流,地面沉降选用一维固结压缩模型,运用地下水流模型Modflow 2005和地面沉降模拟模块 Sub,建立了天津市平原区地下水流-地面沉降数值耦合模型,模型面积为1.1×10⁴ km²,利用1998-2008年地下水位等值线、过程线、地面沉降过程线等资料对模型进行了识别。模拟期的地下水均衡分析表明,在多年开采条件下,越流补给、压缩释水、侧向边界流入分别占深层含水层补给量的41.84％、32.15％和24.17％。将调试后的模型应用于南水北调实施后地下水控采条件下的地面沉降趋势预测,显示出停采或减少地下水的开采,有利于减缓地面沉降下降速度,且表现出开采层位越往下,地面沉降恢复难度越大的变化趋势。     

天津平原地下水可开采量与确定依据

根据深层地下水开采对地面沉降的影响比较,天津中部平原和滨海平原第二、三含水层组深层地下水开采对地面沉降影响较小,为适宜开采层位。地面沉降控制在10 mm/a,第二、三含水层组深层地下水可开采量为2.68亿m3/a。中部平原浅层地下淡水、微咸水,在技术经济上鼓励开采,可开采量为1.64亿m3/a;山前平原地下水现状开采强度未引起明显的环境地质问题,开采强度适当,可开采量为2.79亿m3/a。天津平原生态环境保持良好,地下水总的可开采量为7.11亿m3/a。     

Pumping-induced Well Hydraulics and Groundwater Budget in a Leaky Aquifer System with Vertical Heterogeneity in Aquitard Hydraulic Properties

In groundwater hydrology, aquitard heterogeneity is often less considered compared to aquifers, despite its significant impact on groundwater hydraulics and groundwater resources evaluation. A semi-analytical solution is derived for pumping-induced well hydraulics and groundwater budget with consideration of vertical heterogeneity in aquitard hydraulic conductivity (K) and specific storage (Ss). The proposed new solution is innovative in its partitioning of the aquitard into multiple homogeneous sub-layers to enable consideration of various forms of vertically heterogeneous K or Ss. Two scenarios of analytical investigations are explored: one is the presence of aquitard interlayers with distinct K or Ss values, a common field-scale occurrence; another is an exponentially depth-decaying aquitard Ss, a regional-scale phenomenon supported by statistical analysis. Analytical investigations reveal that a low-K interlayer can significantly increase aquifer drawdown and enhance aquifer/aquitard depletion; a high-Ss interlayer can noticeably reduce aquifer drawdown and increase aquitard depletion. Locations of low-K or high-Ss interlayers also significantly impact well hydraulics and groundwater budget. In the context of an exponentially depth-decaying aquitard Ss, a larger decay exponent can enhance aquifer drawdown. When using current models with a vertically homogeneous aquitard, half the sum of the geometric and harmonic means of exponentially depth-decaying aquitard Ss should be used to calculate aquitard depletion and unconfined aquifer leakage.     

Land subsidence in China

Land subsidence in China occurs in different regions. It is primarily caused by excessive groundwater withdrawal. Other reasons for the subsidence include the oil, warm groundwater withdrawal and the neotectonic movement. The common characteristics of land subsidence in China are slow, accumulative, irreversible, and other unique properties. The range of subsidence still keeps extending and the accumulative subsidence increasing though some measures taken. Adjustment of the aquifer exploitation practice is a subsidiary way to control land subsidence, but it cannot solve this problem completely. In a specfic way of groundwater changing, the contribution of a certain soil layer to the total subsidence depends on its compressibility and thickness. Besides the elasticity, both cohesive soil layers (aquitards) and sand layers (aquifers) are observed to be plastic and creep when the groundwater level fluctuates in a specific way, which often leads to subsidence delay.     

吴江盛泽地区建筑荷载和地下水开采对地面沉降的影响

为了准确分析建筑荷载和地下水开采对地面沉降的影响,为吴江盛泽地区科学防控地面沉降提供决策依据,基于比奥固结和地下水渗流理论,建立了建筑荷载和地下水开采与地面沉降三维全耦合有限元数值模型,分别模拟预测了在建筑荷载单独作用、地下水开采单独作用及建筑荷载和地下水开采叠加作用三种情况下,2015-09-01—2030-08-31盛泽地区逐年地面沉降变化趋势。结果表明,建筑荷载对盛泽地区地面沉降的影响大于地下水开采。第Ⅰ黏性土弱含水层和第I承压含水层分别为建筑荷载和地下水开采单独作用下的主压缩层,单层压缩量占比分别为43.04%和54.06%;第Ⅰ承压含水层及其上覆第Ⅰ黏性土弱含水层是二者叠加作用引发土体变形的主压缩层,其压缩量之和占总压缩量的71.30%。建筑荷载和地下水开采单独作用下引发的地面沉降量的线性叠加之和大于二者叠加作用下引发的地面沉降量,建筑荷载和地下水开采叠加作用引发的地面沉降具有耦合效应。