地下水位与环境岩土工程：第四讲地下水位波动与地面沉降

简要讨论了地下水与区域性地面沉降之间的关系，主要论未固结松散含水层中抽汲地下水引起地面沉降的机制及其研究方法。介绍几类代表性的预测井点降水引起的地面沉降的计算模型。     

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。     

城市地面沉降与地下水位变化关系的数学模拟

根据滨海平原多个城市多年城市地表沉降及城市地下水位监测资料，系统地分析了地下水位变化与城市地衾沉降的关系，并利用计算机模拟的方法，给出了该类城市地表沉降的数学模型。     

广州金沙洲岩溶区地下水位变化与地面塌陷及地面沉降关系探讨

金沙洲可溶性灰岩分布面积广,岩溶洞隙发育,洞隙及地下水的连通性强,上覆第四系松散土体中软土广泛分布,客观存在岩溶地面塌陷及地面沉降的地质环境条件。2007年4月起,受某高铁隧道施工抽排地下水的影响,金沙洲地下水出现异常波动,引发了地面塌陷及地面沉降。文章根据监测数据,经对比分析结果表明,区内岩溶地面塌陷及地面沉降受控于地下水位的变化,地下水位波动至基岩面附近时,是地面塌陷较活跃的时期,地面沉降与地下水位变化呈正向相关。文章进一步对地面沉降与地下水位变化关系的机理进行了探讨,认为目前地下水位尚未恢复正常的区域仍存在地面塌陷及地面沉降的隐患。     

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。     

北京地区基于不同地面沉降阈值的地下水位控制分析

城市地面沉降是对城市规划建设、经济发展和人民生活构成威胁的地质灾害。为了探究地下水位与地面沉降的关系,本文对北京顺义地区天竺地面沉降监测站多年分层地面沉降及对应含水层组地下水位监测数据进行统计分析,建立了该地区基于累计沉降量与含水层组水位标高、水位变幅及水位波动的多元回归模型,并对所建立的回归方程进行了检验,研究分层地面沉降与地下水位变化的定量关系,并结合《全国地面沉降防治规划(2011—2020)》中北京市的控沉目标,设置该地区不同地面沉降速率控制阈值,计算得到各层位达到控制阈值时所对应的地下水位,为下一步合理调整地下水开采层位,开展地面沉降防控工作提供科学依据。     

上海地下水流场变化及其对地面沉降发展的影响

地下水开采导致的水位下降是含水层系统流场变化的关键,也是地面沉降形成与发展的重要因素。上海目前深部含水层开采日趋集中水位持续降低,浅部含水层大规模工程降：水以及邻省地下水开采等,使地下水渗流场出现新的变化,并对地面沉降控制造成不利影响。切实加强地下水管理,严格控制地下水位,是深化地面沉降有效防治的重要环节。     

地下水位变化对桂林地区地基基础的影响

不同季节桂林地区的地下水位变化较大。通过分析发现,地下水位的变化对地基的稳定不利。地下水位上升将降低地基土承载力特征值f a 和软弱下卧层地基承载力特征值f az ,并影响到地基换土垫层的处理设计; 而地下水位下降将加大地基沉降。因此,《地基规范》第5. 3. 5条地基变形验算没有考虑地下水位变化的影响是不合适的。为此,建议对于受地下水位影响的地基,宜按分层总和法进行地基变形计算。此外,由于桂林漓江沿岸不少的地基主要由砂砾土组成,地下水位上升还会增加砂、砾石土地基基坑主动土压力,但对于粘性土的基坑土压力则影响不明显。      

地面沉降对工程沉降监测数据的影响及分析

该文通过对工程沉降监测中的作业方法及其监测数据进行分析，由此得出在工程沉降监测中，地面沉降的影响因素不容忽视。     

地面沉降的预测与防治措施

在总结国内各主要地面沉降区现状及成因的基础上,探讨了地面沉降的机理,重点利用灰色系统理论研究了地面沉降和地下水之间的相互关系,以沧州地面沉降中心为例建立了带有时间延迟的多项式拟合公式并对其地面沉降进行了预测,最后提出了地面沉降的防治措施.     

地面沉降对高速铁路的影响分析

北京平原区快速发展的地面沉降对高速铁路的发展构成了威胁,地面沉降与过量开采地下水造成的水位下降关系密切,为此有针对性地开展基于高速铁路的地下水动态与地面沉降相关关系研究对于高铁安全运行意义重大,特别是对于制定高铁沿线地下水开采方案、地面沉降减缓措施和工程措施至关重要。基于其对高速铁路的影响模式,本文将地面沉降分为区域沉降和局部沉降两种类型。针对区域沉降,利用Logistic方程,使用天竺、望京及王四营分层地面沉降和地下水位数据,构建了不同层位地下水水位变化与地面沉降之间的相关关系模型,通过ABAQUS计算局部地区,对于6m高路堤和15m CFG桩处理深度的地基而言,当渗透系数k=2m／d,距离线路边缘25m处浅层地下水下降10m将产生约61—85mm的沉降。     

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。     

Characterization of land subsidence in the Choshui River alluvial fan,Taiwan

Land subsidence in Taiwan has increased rapidly over the past four decades, owing to heavy withdrawal of groundwater. Leveling surveys, layer compressions and groundwater level in individual layers were continuously monitored in the Choshui alluvial fan, western Taiwan. It was found that ground subsidence and layer compression were consistent with the variation of groundwater level. From multi-level compression monitoring, the layers with major compression deformation were identified. Clayey and sandy layers exhibited significant compression deformation. Conceptual models of compression behavior for clays and sands were studied based on the field data. The compression behavior of clays agreed with the Terzaghi consolidation theory. Notable, irrecoverable volumetric strains were also observed in sandy layers. They exhibited obvious elasto-plastic mechanical behavior. The high compressibility of the sand layer in the alluvial fan was attributed to the flaky sand grains in this geological region.     

地面沉降对京津城际铁路工程稳定性影响的数值分析

地面沉降的快速发展对京津城际铁路的安全运行构成潜在威胁,特别是差异沉降较大的地段,对铁路桥梁及轨道稳定性产生较大影响。利用ABAQUS有限元,分析了局部抽水引起的地下水位下降和地面沉降对铁路桥梁桩基承载力和轨道混凝土支承层的影响,探讨了作用方式和影响程度,从而为制定高速铁路地面沉降防治工程措施提供技术依据。     

Mechanics of land subsidence due to groundwater pumping

This paper presents the formulation of the basic mechanics governing the changes in stress states from groundwater pumping and comparisons among predicted land subsidence from this mechanics with existing analyses and field data. Land subsidence is a growing, global problem caused by petroleum and groundwater withdrawal, mining operations, natural settlement, hydro‐compaction, settlement of collapsible soils, settlement of organic soils and sinkholes. This paper is concerned with the land subsidence due to groundwater level decline by groundwater pumping. It is shown that the stress state consists of asymmetric stresses that are best simulated by a Cosserat rather than a Cauchy continuum. Land subsidence from groundwater level decline consists of vertical compression (consolidation), shear displacement and macro‐rotation. The latter occurs when conditions are favorable (e.g. at a vertical interface) for the micro‐rotation imposed by asymmetric stresses to become macro‐rotation. When the length of the cone of depression is beyond √2 times the thickness of the aquifer, simple shear on vertical planes with rotation is the predominant deformation mode. Otherwise, simple shear on horizontal planes is present. The predicted subsidence using the mechanics developed in this paper compares well with data from satellite‐borne interferometric synthetic aperture radar. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于地下水渗流方程的三维地面沉降模型

针对地下水抽取引起的大面积地面沉降的问题,提出了一种计算方法。该方法基于饱和与不饱和岩土介质中地下水渗流理论,计算出三维状态下的大面积地面沉降。提出的方法被结合到地下水渗流的三维有限元法分析中,计算时考虑了地层的可压缩性,并被用来分析软土的固结,将该法与太沙基理论及固结试验的结果进行比较,结果表明其误差小于2 %。该法还被用来分析单井抽取承压地下水引起的周围地基的沉降及承压水层由于挡水板的阻断作用而引起的下游侧的地基的沉降。     

湛江市区滨海平原地面沉降现状与防治对策

湛江市区地面沉降自20世纪80年代发生以来,随着地下水开采深度的增加,地面已出现了不同程度的沉降,影响了社会的稳定和经济的可持续发展。文章根据多年来的地面沉降与地下水动态监测、调查成果,对湛江市区滨海平原地面沉降历史与现状、地面沉降基本规律进行总结,提出了地面沉降防治措施建议,为地方制定水资源规划和地下水资源的管理决策提供科学依据。     

对"用调整地下水开采层次方法控制地面沉降"的质疑

据不完全统计,至今我国已有90余个城市和地区相继发生不同程度的地面沉降,长江、黄河、珠江三角洲、华北平原、松辽平原及沿海许多地区,地面沉降正在发生和发展之中,尤其以上海为中心的长江三角洲及以天津为中心的华北平原,成为我国两片最大的沉降地区。地面沉降对这些地区社会和经济的可持续发展带来严重影响。几十年来,这些地区一直将“调整地下水开采层次”作为控制地面沉降措施之一。该文章认为“调整地下水开采层次”并非一种理想的控沉措施,不仅值得商榷,甚至为应该被否定的控沉措施。依据：①一般情况下,随深度增加,地层的压缩性会渐下;但是开采同量的地下水,其水位下降的速率及幅度深部含水组比浅部含水组要大的多,两者引起的沉降量不会有明显的差别;②从地下水开采资源组成与地面沉降关系分析,含水层深度越深,其中的压密释水量所占的比例也越大,造成的地面沉降也越严重;③地层的物理力学性质及固结状态,随深度的增加,也不完全是越来越好。     

控制地面沉降条件下天津深层地下水资源持续利用

天津平原大强度开采深层地下水引发严重的地面沉降.根据地下水位和地面沉降监测结果分析,第四系中更新统和下更新统是深层地下水持续利用的最佳层位.当水位埋深控制在35～40m,引发的地面沉降量小于10mrrda,深层地下水开采资源为26 755×104m3/a,平均资源模数为2.90×104m3/(a·km2).与1991-2000年平均开采量相比,资源量减少了43.1%,而地面沉降量可以减少68.3%.长期大强度开采深层地下水提高了粘性土的固结程度.保持历史开采层位,稳定开采量,使水位稳定在地面沉降临界水位附近,是深层地下水资源持续利用,控制地面沉降的有效措施.