基于随机介质理论的抽水地表变形时空耦合预测模型

抽取地下水引起的地表变形对地面建(构)筑物的正常使用和结构安全构成了严重威胁。深入研究抽水地表变形预测理论对于沉降灾害防治具有重要意义。由于土体模型选择和土工参数测定上的困难,基于比奥固结理论的数值求解方法在计算抽水地表变形上尚未取得理想效果。文章将随机介质理论与一维固结理论结合,建立了新的抽水地表变形时空预测模型。首先,利用一维固结微分方程,建立反映地面沉降时间效应的半经验计算模型;其次,在分析抽水地面沉降空间分布规律的基础上,利用随机介质理论研究抽水地面沉降空间分布特征;再次,综合考虑抽水地面沉降的时间效应和空间分布形态,建立抽水地面沉降的时空耦合预测模型及抽水地表倾斜、水平移动、水平变形、曲率的时空计算模型。利用这些模型计算地表变形共需5个计算参数,介绍了参数求解方法。最后,利用上述时空耦合计算模型预测某地单井抽水引起地表变形的时空规律。研究表明,所建立的抽水地表变形预测模型能准确地反映抽水地表变形的时空规律,能方便、快捷地预测地下水开采引起的地表变形。     

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。     

抽水引致的地面沉降的参数敏感性分析

目前对地面沉降的研究和计算中,由于地质情况复杂、土体的变异性不容易掌握,对于土体参数的选取多数是根据经验值,具有不确定性。特别是在大面积的地面沉降计算中,这种不确定性更为严重。采用数值分析法,以Biot固结理论为基础,应用有限元软件Adina,建立了单井抽水的地面沉降模型,分析各参数在抽水过程中对地面沉降的影响,从而确定敏感参数,以期对地面沉降研究中的参数选取提供有价值的指导。     

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。     

采水地面沉降时空预测模型研究

地下水开采引起的地面沉降对地面建（构）筑物的正常使用和结构安全构成了严重威胁,深入研究采水地面沉降预测理论对于沉降灾害防治具有重要意义。针对本构模型和土体参数确定上的困难,采用力学推理和数学统计相结合的方法,建立了新的采水地面沉降时空预测模型。首先,利用太沙基固结微分方程,建立了反映地面沉降时间效应的半经验计算模型;其次,在分析采水地面沉降空间分布规律的基础上,利用随机介质理论研究了采水地面沉降空间分布特征;再次,综合考虑采水地面沉降的时间效应和空间分布形态,建立了采水地面沉降的时空预测模型。利用该模型计算地面沉降共需4个计算参数,介绍了参数求解方法。最后,利用时空计算模型预测了某地单井采水引起地面沉降的时空规律。研究表明,所建立的采水地面沉降预测模型能准确地反映采水地面沉降的时空规律,能方便、快捷地预测地下水开采引起的地面沉降。     

线状和面状群井抽水导致场外地面沉降呈s-lnr线性关系

在单井抽水造成地面沉降符合s-lnr线性关系的基础上,应用积分的方法,对线状和面状群井抽水产生的地面沉降进行推导,得出群井抽水导致地面沉降的积分公式。对于场外远处,即距抽水中心距离远大于抽水区域长度或宽度的情况,对沉降积分公式进行简化,仍可得到场外地面沉降呈s-lnr线性关系的结果。选取第三方文献中的理论解、数值解和工程实例对以上研究成果进行拟合验证,相关系数分别为99.91%、98.67%、96.60%、99.63%、99.43%,所以线状和面状群井抽水导致场外地面沉降呈s-lnr线性关系的理论分析结果得到极好验证。     

周期性开采和回灌条件下浅层地下水位变化特征研究——以天津滨海新区为例

针对天津滨海新区进行的周期性抽水与回灌试验,根据抽水试验计算了含水层的渗透系数和抽水的影响范围,并据此分析了抽水与回灌试验的叠加效应;根据实测数据分析了抽水回灌周期、流量、不同采灌方式等因素对地下水位埋深的影响。不论是连续式还是间歇式的周期性抽水与回灌方式,产生的地面沉降量都很小,并且间歇式周期性抽水回灌方式优于连续式周期性抽水回灌方式。试验结果表明采用周期性抽水与回灌的方法建立人工渗流场可有效减小地源热泵工程中的地面沉降。     

西安典型段地面沉降分层标观测及数值模拟

根据西安地下水监测和详细的地层剖面资料,采用比奥固结理论和不连续面的接触分析,建立了含2条地裂缝的典型地段的二维抽水沉降计算模型,对先存断裂存在时抽水作用下的地面沉降进行了尽可能精细地模拟计算。结合该计算段的监测资料,分析了西安市抽水作用下地层压缩量垂向上的分布特点及地面沉降水平位置上存在差异的原因。研究认为,西安市的地面沉降量主要由100～300 m深度范围内土层的压缩量组成,地裂缝的出现不单是地层厚度不同产生的差异沉降引起的,先存断裂面的作用也很大。由于断裂的存在以及其正断层的特点,沉降过程中上盘（南盘）的沉降得到了放大,而下盘（北盘）沉降缩小,不同结果导致地面沉降在断裂位置出现差异放大现象,导致地裂缝越来越严重。研究成果很好地解释西安地裂缝附近地面沉降的反常差异现象,对于进一步确定地裂缝的成因、预测其发展变化规律具有一定的作用。     

上海地区地面沉降新特征的发生机制分析

近年来上海地区的地面沉降出现了第四承压含水层持续变形及滞后的新特征,传统土力学已不能完全解释其机理。针对上海地面沉降发展新变化,已有的研究从如下方面进行了探讨:针对沉降加剧现象,分析了城市化建设对地面沉降的影响;从砂土材料的蠕变性状出发,分析深部含水层过大变形的现象。上述两方面虽在一定程度上可解释沉降新特征,但还是不能完全阐明其发生机理。基于此,本文提出考虑含水层抽水后受力状态随空间与时间再分布的两种动态传力机理分析方法:(1)基于Cosserat力学体系的地面沉降模型考虑了水力梯度变化在砂土层中产生的剪应力,给出了考虑固结效应的Cosserat介质力学模型,可以很好地从含水层受力机理的角度解释含水层持续变形增大和变形滞后的发生机理;(2)水的渗透会对土骨架产生拖曳力,使粘性土的细颗粒在粗颗粒构成的孔隙中移动,发生内部侵蚀流动造成细颗粒流失,阐述了考虑细颗粒流失作用对地面沉降的影响及其地面沉降在含水层空间与时间重分布的发生机理。     

地面沉降计算的回顾与展望

本文回顾了３０年来由抽水引起的地面沉降计算,简单介绍了一维固结理论的解析方法和考虑反复荷载因素的次固结计算模型,对计算参数进行了讨论,并指出了今后的方向。     

随机介质理论预测斜巷道开挖引起的地表变形

针对斜巷道开挖会对地表产生不同的地表移动与变形问题,采用随机介质理论,推导出了巷道半圆拱形开挖断面引起的地表移动与变形公式。分别对一斜巷道的不同剖面位置进行了地表移动与变形的计算,得到了不同位置地表的最大下沉、最大倾斜、最大曲率及最大水平变形值,分析了不同巷道位置对地表的影响范围。计算结果可为电厂工程的规划设计提供一定的指导。     

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。     

Ground Subsidence in Areas of Loose Porous Aquifers

Groundwater is one of the important water resources in northern China's plain areas. Many severe geological hazards have occurred in these areas due to ground subsidence which is caused by over exploitation of groundwater. This paper introduces and analyses the ground subsidence caused by groundwater exploitation and its mechanism in the northern China's plains. A ground subsidence prediction model has been developed based on the consolidation theory. The authors have tested this model in a case study of Fuyang City, Anhui Province, where ground subsidence is a severe environmental problem. In the case study, the model results match very well with those of the actual measurement. Two schemes of groundwater exploitation are assessed. The conclusion from the study could be used in the long-term water and economical management planning. The strategies for the control of ground subsidence are discussed.     

随机介质理论在盾构法隧道纵向地表沉降预测中的应用

将盾构法施工隧道开挖引起的地表下沉以及盾构挤压引起的地表隆起均视为一随机过程,应用随机介质理论,对隧道施工所引起的纵向地表沉降进行了分析,推导出了相应的计算公式。工程实例分析表明,该方法效果良好,具有一定的实用价值。     

榆神府矿区地面塌陷特征及环境问题

在遥感解译的基础上,实地调查了神木县煤矿开采区地面塌陷现状,阐述了地面塌陷分布、发育特征及发育规模。共发现大面积地面塌陷30处。地面塌陷规模以中型为主,稳定性以较差为主,险情等级以小型为主,均为高强度采煤造成。单个塌陷区最大面积27.67 km2,煤炭开采强度与塌陷发育程度关系密切。论述了石圪台村、榆神路煤矿、蛇疙瘩村、榆家梁煤矿、后柳塔村、沙沟茆村等典型村镇地面塌陷特征。地面塌陷导致的地质环境问题日益突出,截至2015年4月30日,已经导致了48次1.5~3.3级的塌陷地震,诱发区域性地下水水位下降、井泉干涸与河流断流、水域面积萎缩,并进而产生一系列生态环境问题。      

挤压式盾构隧道施工引起的地表移动及变形

视挤压式盾构施工隧道引起的地表移动为一随机过程,应用随机介质理论对所引起的地表移动和变形进行了分析。工程实例分析表明,该分析方法效果良好。     

一个计算因开采承压含水层地下水产生地面沉降的数学模型

借用地下水动力学中贮水系数的概念,建立了一套利用贮水系数计算因过量开采地下水而产生的地面沉降量的方法,并利用唐山沿海地区地下水长期观测资料对这一地区因地下水位持续下降产生的地面沉降进行了估算。     

吴江市地面沉降与开采地下水关系的研究

通过对吴江市地面沉降与开采地下水关系的研究，证实地面沉降在时空分布上与地下水开采量基本一致，地面沉降速率与地下水位呈明显的相关性，地下水累计开采量与地面累计沉降量有较好的相关性，运用太沙基的有效应力原理及一维团结理论，对地面沉降极限量进行估量，提出控制地面沉降的措施。     

基于PSInSAR技术的唐山南部沿海地区地面沉降研究

唐山南部沿海地区是唐山市地面沉降灾害较严重的地区,地面沉降的快速发展对唐山世界级重化工业基地的功能发挥构成严重威胁,全面了解唐山南部沿海地区地面沉降的分布演化态势及其发育主导因素至关重要。基于中高分辨率雷达数据,采用PSInSAR技术获取唐山南部沿海地区地面沉降场的分布及演化信息,可以发现这一地区的区域地面沉降漏斗与地下水位下降漏斗具有良好的对应关系,且沉降区范围沿区内基底断裂带一侧展布。但在曹妃甸工业区,地面沉降特征与过量开采地下水引起的地面沉降特征有所不同,地面沉降区呈点状、斑状分布,沉降区范围较小,沉降中心的沉降梯度大。据调查,特殊的地质环境是该区地面沉降发育的基础条件,地下水超采、大规模工程扰动是诱发和加剧地面沉降的外在动力。     

Land subsidence due to water withdrawal in the vicinity of Pecos, Texas

Analysis of repeated levelings conducted by the National Geodetic Survey indicates a zone of anomalous relative subsidence in the vicinity of Pecos, Texas. The subsidence appears to have resulted from the decline of water level due to pumping from unconsolidated stream-deposited alluvium of Cenozoic age. Maximum observed vertical ground movement relative to benchmarks outside the zone of pronounced subsidence exceeded 200 mm between 1934 and 1956. The decline in the water table was as much as 60 m during approximately the same period. The subsiding region is about 30 km wide and 50 km long.