北京平原地面沉降数值模拟情景分析

地下水严重超采给北京带来了一系列诸如地面沉降等生态环境问题。为研究北京平原地面沉降的发展趋势,在地下水模型基础上设计了5个情景,对北京平原区域及沉降中心的沉降速率进行了模拟。结果表明:(1)在保持现状和考虑地下水回灌的情景下,中远期的区域及沉降中心的沉降速率均无法达标;(2)对沉降中心进行不同程度减采的情景下,中远期的区域沉降速率均达标,除昌平八仙庄外的沉降中心的沉降速率在中远期均达标;(3)通过以上分析,设计出合理的情景:5区(八仙庄)、6区(天竺)和7区(王四营)的工业和城市生活用水每年分别减采0.51亿m3(100%减采)、0.12亿m3(20%减采)和1.76亿m3(50%减采),共减采2.39亿m3,总开采量19.28亿m3,该情景可以使得北京平原的区域及沉降中心的沉降速率均达标,是北京平原未来应采取的地下水开采情景。     

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.      

北京地下水系统演化与地面沉降过程

采用地下水动态监测网、GPS监测网数据、气象监测数据与SAR数据、GIS等技术相结合,建立地下水系统演化与地面沉降过程模型,系统分析了北京地区地下水降落漏斗区地面沉降的形成过程。研究表明:降雨量呈逐年下降趋势,地下水开采量随之增大;平原区地下水位呈下降趋势,间接导致了地下水降落漏斗和地面沉降的形成演化。地面沉降对地下水降落漏斗的响应模式存在着季节与年际差异性,时空分布上存在不均匀性,最大地面沉降速率约为41.43 mm/a;揭示了地下水降落漏斗与地面沉降漏斗空间展布特性存在一致性,但并非完全吻合。     

上海市城市化进程引起的地面沉降因素分析

20世纪90年代上海中心城区的地面沉降在地下水开采量没有增加的情况下出现了新一轮的增长。与此同时,上海进行了大规模的城市化建设。通过对中心城区地面沉降量与工程建设进行相关性分析发现,近年来中心城区的地面沉降量与工程建设具有相关性。目前城市化建设引起地面沉降的现象已受到关注,但尚缺乏对城市化进程引起地面沉降机制的系统研究。针对上海市城市化进程引起地面沉降的因素进行分析探讨,城市化进程引起的沉降包括建筑物荷载及交通荷载等外荷载引起的沉降,基坑开挖、降水及隧道施工等工程施工引起的土体压缩,以及隧道渗漏,周边地区对地下水补给量的减小,地下构筑物挡水效应等引起的地下水位持续下降而诱发的沉降     

宁波平原地面沉降全耦合数值模拟研究

宁波地面沉降已有半世纪,随着城市化快速推进,地表动静荷载剧增,地面沉降已从地下水不合理开采的区域性地面沉降逐渐向大规模地表荷载和基坑降排水造成的工程性地面沉降转变。自2008年底市区地下水实施禁限采后,地面沉降漏斗仍继续缓慢扩张,监测中心沉降量持续增加,并相继出现了多个新型小漏斗。在充分论述工程性因素在宁波平原区域地面沉降中作用和特征的基础上,基于有限差分法,建立参数随应力应变变化的地下水开采和区域建筑荷载双重作用下的全耦合动态地面沉降方程。通过实测数据和模拟结果的对比研究,显示模型良好的拟合关系,并预测了2012～2015年地面沉降发展趋势,为宁波地面沉降防治及中心城区城市化建设、海洋经济发展提供依据。     

北京房山区城市化进程与土地储备管理

结合北京市房山区发展规划,针对区内土地储备工作及土地开发项目实际,分析土地开发过程中存在问题,探讨土地储备与城市化进程关系,提出新的土地开发模式以及有效缓解土地资源供求矛盾的相关建议。房山区位于北京市西南部,总面积为2019km^2,山区、丘陵、平原各占三分之一,．常驻人口91．2万人。根据北京2005～2020年总体规划,房山区被赋予首都西南枢纽、友好产业新区、山水文化名城的功能定位,确定了“三化两区”的新思路和构建“两轴、三带、五园区”的区域发展新格局[1]（图1）,为首都城市发展新区及生态涵养发展区。推进房山区新型城市化进程,是实现既定发展目标的必要过程。     

库水位上升条件下边坡渗流场模拟

库水位的上升将导致边坡体内渗流场的变化,进而引起边坡的失稳破坏。边坡体内的渗流场是饱和渗流与非饱和渗流共同作用的结果,通过对库水位上升过程中坡体内地下水位线的位置变化及相应的渗流场参数的计算表明:由于上部松散堆积体与基岩渗透系数的差异,基岩内地下水位线的抬升速度明显滞后于上部松散堆积体;体积含水量、压力水头、流速和水力梯度等渗流参量在基岩中的变化幅度较小,而在上部松散堆积体中的变化幅度则相对较大。这说明库水位上升对上部松散堆积体的影响相对来说还是比较明显的。     

南水北调背景下北京地面沉降发展变化特征

南水进京后北京平原区地下水开采格局发生变化,使地下水位动态和地面沉降发育特征发生相应的改变。本文总结了北京平原区地面沉降发展历史特征的同时,分析了南水进京后主要沉降区、沉降中心和地下水漏斗的发展变化特征,在此基础上研究了天竺、八仙庄、平各庄和张家湾监测站不同压缩层组地下水位上升的过程中地面沉降响应特征。结果表明：北京平原区地面沉降范围已由南北部2个大区逐步收缩成多个独立沉降区,中心沉降速率呈线性下降趋势发展;地下水降落漏斗由扩张转变为收缩与地面沉降减缓范围分布高度吻合,地下水水位回升是抑制沉降速率快速发展的有效因素;地下水位回升的过程中不同层位土体形变特征表现出较大差异,第一压缩层组表现出由塑性形变转变为弹性形变特征,第二、三压缩层组表现出塑性变形包含蠕变变形特征和弹塑性变形特征。     

浙江省滨海平原地下水开采与地面沉降

浙江省滨海平原地面沉降自20世纪60年代发生以来，随着地下水的不断开采，造成洪涝灾害加剧、海潮上岸、城市排水排污能力削弱，内河通航能力下降、农田长年受淹等危害，影响社会经济的可持续发展。根据多年来的地面沉降与地下水动态监测、调查成果，对浙江省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，提出地面沉降防治对策建议     

地下工程渗流场有限元模拟研究

在水电、石油、交通等部门的地下工程中,经常会遇到地下水的渗流问题,如果处理不当,可能诱发应力恶化而影响结构稳定。本文以非饱和介质的渗流模型为基础,实现了地下洞室开挖过程中的非稳定渗流场解析。
按分期施工方案,在保持渗流场变化连续性的前提下,对各施工阶段进行了准稳定渗流分析,并在此基础上建立了地下工程非稳定渗流数值模型。其中,对于洞室系统,基于水量平衡原理,采用了子结构模型;对于防渗帷幕,采用了隔水层模型;对于排水井列,采用了杆单元模型。
根据上述模型,采用有限差分法作为数值模拟方法,编写了地下工程非稳定渗流场分析的有限元程序,实现了复杂渗流区域的渗流场的动态模拟。工程实例计算分析表明,用该模型计算的结果是合理的。      

黄岛地下储油库渗流场模拟

为预测黄岛地下水封油库洞库运营期间洞库涌水量和研究设置水幕的必要性,利用FEFLOW软件,首先对黄岛地下水封石油洞库分别建立无水幕和有水幕条件下的三维地下水数值模型,进而对两种条件下的洞库涌水量做预测以及洞库上方的水位变化分析,结果指出：洞库在无水幕条件下前期涌水量为530m^3／d,常规涌水量为249m^3／d。有水幕条件下前期涌水量为643m^3／d,常规涌水量为309m^3／d。相对于无水幕条件,有水幕条件下有力保证洞库的水封条件,水封效果较好,有力的保证了地下水封石油洞库的储油安全。     

线性回归模型在北京平原地面沉降预测中的应用

北京平原的地面沉降日趋严重,地面沉降问题已经成为北京平原区最主要的地质灾害。本文在一系列地下水开采量、地下水水位和地面沉降量实测数据的基础上,运用Excel软件建立了地下水开采量与沉降量、地下水位与沉降量之间的线性回归方程。基于地面沉降量和地下水开采量或地下水位之间的回归方程对地面沉降量进行预测,并对预测值的可靠程度进行了验证。本文利用所建立的线性回归模型对地面沉降量进行预测,可以为地面沉降的控制提供依据。     

基于Morlet小波技术的北京平原地面沉降周期性分析

北京市地面沉降自20世纪60年代发现以来一直呈快速发展的趋势。不均匀地面沉降导致建筑物开裂、地基下沉,损害地下管道工程等基础设施,威胁城市安全。为了研究地面沉降发展的特征,分析其演化趋势,本文选取2011—2014年的27景Radarsat-2数据,采用干涉点目标分析技术,获取该时段北京平原区地面沉降时序监测信息;在此基础上,结合Morlet小波分析方法,根据相干点密度差异选取4个典型地面沉降区,分析其地面沉降多尺度演变特征。结果表明：地面沉降速率在空间分布上存在差异性,最大沉降速率为162.70 mm/a,年均沉降速率50.08 mm/a;地面沉降在时间域具有明显的局部周期性变化特征。在28 T （1 T表示1个24 d的时间段）的时间尺度下,存在着约13.3月的时间周期,不同位置还存在不同的不稳定震荡周期。     

北京平原区域地下水流模拟

为深入研究北京平原地下水资源的现状及未来的变化趋势,探讨地下水资源可持续开发方案,文章建立了北京平原三维地下水流非稳定流模型。在充分分析北京平原区水文地质条件的基础上,建立了三维数字水文地质概念模型。从区域上将北京平原含水层系统划分为5个含水层和4个弱透水层互层的多层系统。在此基础上利用GMS模型软件建立了三维地下水稳定流模拟模型和非稳定流模拟模型。首先利用1995年丰水年的地下水均衡量建立和校正了稳定流模型。之后在稳定流模型的基础上建立和校正了非稳定流模型,非稳定流模型的模拟期为1995～2005年。最后用模型分析了北京平原区地下水流场的变化趋势。与20世纪60年代天然流场相比,北京市平原区区域地下水流场发生了巨大变化。除了区域地下水位整体下降外,在不同深度的含水层形成了规模不等的地下水位降落漏斗。自1999年以来的连续干旱,导致河流基本干枯,地下水补给量减少,加之应急水源地的投入运行,使地下水贮存量被持续地大量消耗,地下水位快速下降。长期以往,必将造成含水层地下水疏干。控制和减少地下水开采势在必行。     

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。     

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.     

地下工程复杂渗流场数值模拟研究与应用

结合地下工程复杂渗流场三维有限元分析的实际 ,用渗透张量模拟非均匀各向异性 ,用改进丢单元法迭代自由水面 ,用隐性的复合材料单元模拟断层 ,用隔水层模型模拟防渗帷幕 ,用以沟代井模拟排水井列。在此理论基础上编制了渗流分析的三维有限元计算程序。且用此程序成功求解了漫湾水电站二期工程地下厂房围岩的复杂渗流场 ,并在此基础上分析渗流场分布的主要影响因素的影响。结果验证了程序的合理性和实用性     

地面沉降模拟与预测

意大利帕多瓦大学的康普拉蒂教授是国际知名的地面沉降研究专家,特别是在地面沉降模拟预测领域学术造诣深厚,曾于2005年10月来沪出席"第七届国际地面沉降学术研讨会",现兼任联合国教科文组织地面沉降工作组副主席。2013年12月《上海国土资源》编辑部委托南京大学地球科学与工程学院教授、联合国教科文组织地面沉降工作组成员叶淑君博士利用在国外学术交流之机,向康普拉蒂教授当面转达了专访邀请,得到康普拉蒂教授的欣然接受。随后《上海国土资源》编辑部主任、中国地质调查局地面沉降研究中心秘书长龚士良教授通过电子邮件发送访谈议题,很快收到回复。现予刊发,以飨业界同行。     

面板堆石坝垂直缝破坏下三维渗流场有限元模拟

采用改进节点虚流量法求解无压稳定渗流场,并引入无厚度的裂缝模型对破坏的垂直缝渗流行为进行模拟,得到面板堆石坝裂缝渗流问题的有限元分析方法,并编制Fortran程序。以某混凝土面板堆石坝为例,计算了面板单一垂直缝破坏和多条垂直缝破坏条件下的三维渗流场,得到不同条件下渗流场的水头分布、浸润线以及渗漏量,系统分析了面板堆石坝在垂直缝破坏条件下的稳定渗流场规律和特点。结果表明,该方法能对渗流逸出点和浸润线进行准确定位,还能很好地模拟面板垂直缝破坏对坝区渗流场的影响,可以为面板堆石坝的接缝设计提供参考。     

天津平原地面沉降条件下的深层地下水资源组成

根据天津平原地面沉降监测结果,采用水量均衡法,计算出深层地下水开采量中,浅层地下水越流补给量占38.2%,粘土性压密释水量占41.3%,弹性释水量占 5.6%,侧向流入量占14.9%.在控制地面沉降的条件下,深层地下水持续利用的对策是调整开采三维布局,适度开发利用浅层地下水对深层地下水的越流补给.