抽水地面沉降模型研究的回顾与展望

本文综合了地面沉降机理及最近几十年来用于模拟抽取地下水所致地面沉降的数学模型,分析了一维垂直渗流一垂直固结模型、三维水流模型一垂直固结的准三维模型(两步模型)和考虑孔隙水压力变化和土体变形的祸合效应的完全祸合模型,论述了每种类型模型的主要特点、不足,指出三维渗流和三维变形的祸合模型是地面沉降模型进一步研究的方向和将会面对的困难。     

中国城市地面沉降研究的有关问题

根据作者近年来参与地面沉降研究及管理的实践,对国内地面沉降研究中出现的有关问题作了分析探讨,并对目前国内使用的地面沉降计算模型作了评述,指出了地面沉降研究应进一步深化的几个方向。     

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。     

城市地面沉降研究现状与展望

第四届地面沉降国际讨论会及我国“八五”科技攻关成果表明，我国地面沉降研究及防治工作，由于引进系统思维方式、非线性科学的新理论与方法及计算机技术，融地球科学、环境科学和社会科学为一体进行综合研究，成果显著，目前已进入以数学模型预测为主的动态微量控沉阶段。这要求我们加深沉降机理研究。抽汲地下水形成的地面沉降研究的核心与难点是粘性土中孔隙水运移问题，它也是土体环境地质和外动力地质灾害研究的前缘热点，应引起人们的高度重视。     

大面积地面沉降研究现状

总结世界各国一些城市由于地下水过量开采而产生地面沉降的情况及其引起的危害；回顾已有的一些地面沉降预测的理论与方法和控制地面沉降的有关措施，对正在发展中的大小城市有计划地开采地下水资源，预测防治地面沉降有一定的参考价值。     

论地下水超采与地面沉降

地面沉降是地面高程缓慢降低的环境地质现象,严重时就会演变成一种地质灾害。造成地面沉降的原因有天然和人为因素,常见的地面沉降绝大部分属于人为因素。由于地下水过量开采,从而造成地面沉降变形、出现裂缝、导致地面建筑物破坏等,影响人们的正常生活,危害巨大。控制地面沉降主要因素在于加强地下水资源的管理,科学合理开发利用,建立区域地面沉降模型,预测不同地下水开采方案和开采量所可能带来的沉降量,优化最佳开采量,有效防控地下水超采引起的地面沉降。     

华北平原地下水位驱动下的地面沉降现状与研究展望

华北平原年地面沉降量大于50 mm的严重区面积超过全国总量的80%,防治形势严峻,需要开展有针对性的研究,为有效防控地面沉降提供科学依据。华北平原建立了较完善的地面沉降监测网络,基本掌握了地面沉降现状及演化规律,但受华北平原含水层系统影响因素复杂与时空变化大等因素制约,对地下水位变化驱动下的土层变形特征及其机制研究迄今仍比较薄弱,限制了对地面沉降发展趋势的科学研判和预测预警。在总结国内外地面沉降研究进展、基于高时空分辨率监测数据分析华北平原地面沉降现状和发展趋势的基础上,提出了地下水位变化影响下的地面沉降研究方向。目前,华北平原地面沉降出现减缓态势,天津、沧州、衡水等重点城市主城区地面沉降得到有效控制,但华北平原尤其是河北平原地面沉降总体上仍然处于较快发展阶段,主要原因是农业灌区地下水开采得不到有效控制。未来华北平原地面沉降研究应聚焦地面沉降机理和预测预警、地下水位回升驱动下的土层变形规律及其对环境的影响、地面沉降区地下水资源属性及地热开发与地面沉降关系等方面。     

江苏常州地区地面沉降变形特征与生命过程研究

系统分析了江苏常州地区近40年的地面沉降分层标沉降与水位监测数据,掌握了地下水禁采前后的土体变形特征。1983-2005年地面沉降主要层位为第二承压隔水顶板（累计压缩327.74 mm,占比58.3%）与第二承压含水砂层（累计压缩68.34 mm,占比12.2%）;1995-2001年第二承压含水砂层与隔水顶板压缩速率呈逐年减小,表明在该水位埋深状态下（70～80 m）含水砂层固结接近完成,隔水顶板也由主固结阶段进入次固结阶段;2005年地下水全面禁采完成后,地下水位持续回升,含水砂层与隔水层均出现回弹,表现为弹性形变,其中第二承压隔水顶板是主要回弹贡献层,2006-2020年累计回弹44.82 mm（占比53.5%）。从生命周期的角度将常州地区地面沉降生命过程划分了五个阶段,识别出三个临界水位,其对地面沉降防治与地下水科学利用具有重要意义。     

阜阳市的地面沉降与对策

本文对阜阳市的地面沉降的成因进行了系统的分析论证，并按现状开采条件下对未来的沉降量进行了预测，对此提出了防治环境地质继续恶化的对策。     

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.     

蒙脱石脱水作用与地面沉降关系的研究展望

粘土矿物在地面沉降中的作用、粘土矿物的脱水作用对地面沉降的影响等日益成为评价和防治地质、工程、水文、环境等问题的关键,也一直是相关领域的研究难题而逐渐引起高度重视。本文回顾了蒙脱石层间水性质、层间水化膨胀和脱水收缩的影响因素,提出蒙脱石层间的固溶体特征,在总结蒙脱石脱水作用与地面沉降关系研究成果的基础上,提出了用蒙脱石脱水作用研究地面沉降的思路。最后讨论了用蒙脱石的脱水作用研究地面滞后沉降及沉降趋势预测的可能性。     

Application of grey theory-based model to prediction of land subsidence due to engineering environment in Shanghai

Land subsidence is a common geological hazard. The long-term accumulation of land subsidence in Shanghai has caused economic loss to the city. Since the 1990s, the engineering structures have become a new cause of land subsidence. Many factors affect the process of land subsidence. Although such a process cannot be explicitly expressed by a mathematical formula, it is not a “black box” whose internal structure, parameters, and characteristics are unknown. Therefore, the grey theory can be applied to the prediction of land subsidence and provides useful information for the control of land subsidence. In this paper, a grey model (GM) GM (1, 1) with unequal time-intervals was used to predict the subsidence of a high-rise building in the Lujiazui area of Shanghai, and the results were compared with the monitored data. The prediction of subsidence was also corroborated by laboratory tests and the results were compared with measured data and the predicted data by the adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS). It is found that the GM (1, 1) with unequal time-intervals is accurate and feasible for the prediction of land subsidence.     

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。     

我国地面沉降模拟现状及需要解决的问题

我国现有模型有下列特点:水流模型都是准三维模型,模型中的参数都是常数,沉降模型采用线弹性模型,水流模型和沉降模型的耦合分二步进行.因此,模型还存在难以精确刻画由弱透水层释水引起的地面沉降,不符合准三维模型的应用条件.水流方程应是一个变系数的动态水流方程,渗透系数、贮水率不应视为常数.土层压缩非线性,有蠕变、塑性变形存在,沉降模型采用线弹性模型不适合,对土层厚度变化大的地区沉降模型必须是三维的,滞后现象必须克服.如何描述引起地裂缝的水平位移,分两步进行的耦合不合适,要做到水流模型与沉降模型的真正耦合等八个方面的步骤.本文提出分三步进行的解决方案:首先采用三维水流模型,以便不仅给弱透水层建立方程,还能考虑它的各向异性,参数值能随着土层的变形沉降而不断改变.沉降模型为能考虑蠕变、塑性变形的非线性模型;水流模型和沉降模型要做到能真正耦合.其次,解决滞后问题.最后,建立三维沉降模型,考虑水平位移和地裂缝问题.     

台湾地面沉降现状与防治对策

台湾地面沉降始于20世纪50年代初期的台北地区。随着地下水开发利用的普及与养殖渔业和相关耗水产业的移入，西部沿海平原区地面沉降现象普遍，尤以彰化、云林、嘉义、屏东等地显著，总沉降面积达1165km^2。约占台湾平原区的1／100其中屏东地区1970—2001年的累积沉降量达3．20m，最大沉降速率曾超过40cm／a(1979-1981年)。目前彰化地区的沉降速率最大，2000—2001年达17．6cm/a。其它绝大部分地区沉降速率在5cm/a以下。台湾地面沉降的主要原因系开采地下水引起的。仅屏东地区就有4000余口深井，地下水年均开采量1．65亿m^3，最高达3．2亿m^3以上。该岛第四纪地层厚800—1000m，沉降主要发生在60-300m土层内。目前沉降发展态势可分为暂时稳定、渐趋稳定、显著沉降和潜在沉降4类。台湾目前采用一等水准测量、GPS及一孔多标感应分层监测技术进行地面沉降监测。在主要沉降区均设有多处GPS固定站实行自动化监测，一孔多标土层分层监测共有19组。采用数值模拟对地面沉降进行分析与预测。通过用水规划的制定、督导和实施地面沉降的控制与管理。1995—2000年实施第一期地面沉降防治执行方案，2001-2004年实施第二期，针对不同地区沉降发展的不同态势采取相应对策，已取得良好的社会成效。     

渗透性水平向各向异性导致椭圆形地面沉降漏斗的一个性质

水平向渗透系数各向异性会导致抽水产生的水位降深等值线呈现椭圆形,进而产生椭圆形地面沉降漏斗,这种椭圆形地面沉降漏斗的现象在现实中广泛存在。渗透系数均质各向同性的圆形地面沉降漏斗中,地面某点沉降值s与该点至漏斗中心的距离r之间符合s- 线性关系,渗透性水平向各向异性导致的椭圆形地面沉降漏斗也具有s- 线性关系规律。应用地下水动力学相关理论,经过理论推导,得出了椭圆形地面沉降漏斗各径向线上半对数线性关系式 中常数项 、 与径向线方位角θ之间的函数关系式,即 、 与 或 的平方呈正比,该函数关系式得到中国、美国和印度共6个区域性地面沉降漏斗实例的有力验证。对公式验证回归所得的12个相关系数中,1个为87.19%,其余11个都在90%以上。以上渗透性水平向各向异性导致的区域性椭圆形地面沉降漏斗的性质,公式简单实用,可方便应用于椭圆形地面沉降漏斗中非监测点的沉降值推测,利于全面了解椭圆形沉降漏斗信息,具有广泛应用价值。     

弹塑性变形条件下抽水引起的地面沉降三维数值模拟

基于部分耦合原理,采用TOUGH2和FLAC3D建立抽水引起的三维地面沉降弹塑性模型,模型中综合考虑土体的弹塑性变形特征、渗流-应力的双向耦合作用以及参数的非线性,探讨了持续抽水和脉冲抽水两种抽水过程中地面沉降发展演化过程。研究结果表明:（1）集中抽水停止后地面沉降会发生回弹,抽水中心沉降量不断减小。由于水平方向存在水力梯度,地下水继续向地下水位漏斗中心渗流从而导致沉降漏斗的范围仍继续扩大;（2）脉冲抽水导致土体的孔隙水压力、渗透系数以及沉降量均呈周期性波动变化,地面沉降会局部回弹,但总体仍随着抽水的持续,沉降量不断增加;（3）在抽水量相同前提下,对比持续抽水与脉冲抽水两种方式引发的塑形沉降量可知,抽水速率小、脉冲式多次开采导致的塑性沉降量较小,持续抽水的抽水速率越小、脉冲抽水间隔越短越有利于控制地面沉降。研究成果为地面沉降数值模拟提供了一种新方法,其中算例研究能为抽水条件下地面沉降的控制提供参考。     

Land subsidence due to groundwater pumping and recharge: considering the particle-deposition effect in ground-source heat-pump engineering

With the rapid development and use of ground-source heat-pump (GSHP) systems in China, it has become imperative to research the effects of associated long-term pumping and recharge processes on ground deformation. During groundwater GSHP operation, small particles can be transported and deposited, or they can become detached in the grain skeleton and undergo recombination, possibly causing a change in the ground structure and characteristics. This paper presents a mathematical ground-deformation model that considers particle transportation and deposition in porous media based on the geological characteristics of a dual-structure stratum in Wuhan, eastern China. Thermal effects were taken into consideration because the GSHP technology used involves a device that uses heat from a shallow layer of the ground. The results reveal that particle deposition during the long-term pumping and recharge process has had an impact on ground deformation that has significantly increased over time. In addition, there is a strong correlation between the deformation change (%) and the amount of particle deposition. The position of the maximum deformation change is also the location where most of the particles are deposited, with the deformation change being as high as 43.3%. The analyses also show that flow of groundwater can have an effect on the ground deformation process, but the effect is very weak.     

天津滨海新区抽水引起地面沉降现场试验研究

在天津滨海新区中新生态城服务中心开展了承压含水层抽水引起地面沉降的现场试验,采用振弦式孔隙水压力传感器和一孔多标数据采集器实时监测孔隙水压力和分层标的变化,分析了土体的变形性质和分层沉降的规律。试验结果表明,黏土层变形明显滞后于承压含水层水位的变化,以塑性变形为主且存在蠕变现象,而砂层既存在弹性变形,也存在一定的塑性变形和蠕变性。短期抽取地下水会使抽水井附近承压含水层上覆土体出现上小下大的沉降规律,且最大沉降出现在有明显孔隙水压力变化的土层顶板位置。