唐山沿海地区地面沉降渗流固结耦合模拟研究.pdf

书书书 工程地质学报 （ ） ： 唐山沿海地区地面沉降渗流固结耦合模拟研究 李 铎 刘 洋 方晓峰 （ 石家庄经济学院 石家庄 ） （ 河北省水资源可持续利用与开发重点实验室 石家庄 ） 摘 要 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 个含水层、 个弱透水层， 共 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 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 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 ， 沉降 ， 沉降速率为 ； 当地下水的开 采量在现有开采量的基础上增加 时， 沉降中心累计达 ， 沉降 ， 沉降速率为 ；当地下 水的开采量在现有开采量的基础上减小 时， 沉降中心累计达 ， 沉降 ， 沉降速率为 。 增大 的地下水开采量， 地面沉降量增加 ； 减少 的地下水开采量， 地面沉降量减少 。因此， 控制地下水开采量是控制地面沉降的有效方法。 关键词 唐山 地面沉降 耦合模型 释水系数 中图分类号： 文献标识码： 书书书 收稿日期： ；收到修改稿日期： 基金项目： 国家 计划项目（ 编号： ） ，河北省水资源可持续利用与开发重点实验室项目（ 编号： ） 资助 第一作者简介： 李铎（ ） ， 男， 博士， 教授， 从事地质工程方面研究 ： （ ， ） （ ， ） ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 引 言 地面沉降是常见的主要地质灾害之一， 这种灾 害发生的时间长、 面积大、 恢复难， 对人类和社会产 生的危害大且漫长。严重的地面沉降， 对我国东部 地区造成较大的危害， 对当地生态环境均造成很大 影响。 地面沉降是地下流体渗流与岩土受力变形耦合 作用的结果， 地面沉降预测模型是建立渗流与沉降 计算的流固耦合的水土模型。水土模型包括水流模 型和土体压缩模型。针对地面沉降的水流模型主要 有相关模型、 准三维流模型和真三维流模型。土体 变形计算模型包含两部分： （ ） 含水层压缩计算； （ ） 黏土层压缩计算。含水层压缩计算采用弹性模 型， 黏土层压缩计算常采用渗透固结模型、 流固耦合 模型、 非线性黏性模型、 弹塑性模型和体积系数模型 （ 郑铣鑫等， ） 。地下水流模型与土体变形模型 的耦合， 按结合形式分为两步计算模型、 部分耦合模 型和完全耦合模型（ 张云等， ） 。 地面沉降模型的建立多数为准三维水流模型和 一维地层压缩耦合模型， 如， 陈崇希等（ ） 建立 了上海地面沉降模型， 崔小东等（ ） ， 郭占荣等 （ ） 建立了天津地面沉降数值模型， 崔亚莉等 （ ） 建立了北京地面沉降数值模型， 魏加华等 （ ） 建立了山东济宁地面沉降数值模型， （ ）建 立 了 美 国 休 斯 敦 地 面 沉 降 模 型， （ ） 建立了意大利拉温纳地面沉 降模型。近年来有学者建立了真三维水流模型和一 维地层压缩耦合模型， 如， 李文运等（ ） 建立了 天津地面沉降数值模型， 董少刚等（ ） 建立了太 原地面沉降数值模型。骆祖江等（ ） 建立了吴 江市地下水开采与地面沉降控制三维全耦合模型。 在唐山南部沿海地区已形成宁河唐海地下水 漏斗， 唐山境内地下水位埋深达 ， 地面沉降最大 深度已大于 （ 张洪波等， ） 。唐山沿海地 区有关地面沉降模型的研究只有田宝柱等（ ） 建立了水位变化的解析解模型和地面沉降的一维线 性模型。随着环渤海的经济发展， 地下水开采必然 会加大， 从而加剧地面沉降， 因此， 在唐山沿海地区 应用数值法建立三维地下水流和一维地层压缩完全 耦合模型， 加强地面沉降研究， 预防或减缓地面沉降 的发展， 对保护该区生态环境和促进经济发展有着 十分重要的意义。 研究区水文地质条件 唐山沿海地区第四系含水层可划分为 个含水 岩组。第 含水岩组底界埋深 ， 近地表 有近 厚的弱透水层；第 含水岩组底界埋深 ；其下为第 含水岩组。含水岩组之间 由弱透水层相隔， 厚度大约为 。各含水岩 组和弱透水层的空间分布状况（ 图 ） 。该地区开采 井深均在 之间， 深层淡水主要开采层为 第 含水岩组。 图 唐山南部地区水文地质剖面图 含水层； 弱透水层； 弱隔水层； 隔水层； 含水组界限； 岩性界限； 咸淡水界限 工程地质学报 地面沉降概念模型 水文地质概念模型 模拟区域 唐山沿海地区地面沉降主要发生在唐海县城以 西至唐山与天津交界地区， 因此本次模拟的范围以 重点沉降区为中心向外扩大到沉降量较小的地区。 北部边界为西起丰南市玉兰庄的董代庄东至滦南县 青坨营的甸子；东部边界北起滦南县青坨营的甸子 至滦南县柳赞；南部边界东起滦南县柳赞沿海边至 丰南市黑沿子的涧河；西部边界为唐山与天津交 界， 南起丰南市黑沿子的涧河北至丰南市玉兰庄的 董代庄。模拟区面积 （ 图 ） 。 含水层及弱透水层的概化 模拟区概化为 个含水层和 个弱透水层。在 这多层结构的系统中， 地下水为三维流。含水砂层 的弹性释水与弱透水层中黏性土的压密释水同时存 在。 图 模拟区范围及长观孔分布图 边界条件概化 模拟区远离天然边界， 所以计算区边界人为划 定， 且几个含水层的边界在同一位置上， 计算区内的 地下水与计算区外的地下水具有密切的水力联系， 因此， 计算区边界均概化为流量边界。 水文地质概念模型 研究区水位随时间变化， 水文地质参数随空间 变化， 参数在水平上各向异性差异不大， 在垂直方向 与水平方向上有明显差异， 地下水流模型概化为三 维非均质各向异性的非稳定地下水流系统。 土层压缩概念模型 初始状态下， 上覆地层的自重由孔隙水压力和 有效应力共同承担。抽水引起孔隙水压力下降， 有 效应力增大， 土层在有效应力增量的作用下产生压 缩变形。 随着地下水的抽取， 处于第 、 含水组之间的 第 弱透水层和第 、 含水组之间的第 弱透水 层， 它不仅是两含水组水量交换的纽带， 而且具有双 面排水的性质；底部边界为第 含水组底板， 将其 视为不透水边界。 经过概化后， 水文地质模型中的第 弱透水层、 第 含水组、 第 弱透水层、 第 含水组、 第 弱透 水层和第 含水组分别成为研究区的 、 、 、 、 、 压缩层。 数学模型的建立 地下水流数学模型 根据水文地质概念模型， 其数学模型为： () () () （ ， ， ） ， （ ， ， ， ） （ ， ， ） （ ， ， ） ， （ ， ， ， ） （ ， ， ） ， 式中， 为水头（ ） ； 为介质垂向渗透系数；为 介质水平渗透系数（ ） ； 为含水介质储水率 （ ） ；为含水层的源汇项； 为时间（ ） ；为 二类边界；为渗流计算区域； 为单位面积边界 流量（ ） 。 土层压缩数学模型 土层的弹性压缩同有效应力变化成正比， 方程 为： 式中， 为压缩层的压缩量， 正值表示压缩， 负值表 示膨胀（ ） ； 为地下水位的变化值（ ） ； 为 骨架的弹性释水系数（ ） ； 为压缩层的厚度 （ ） 。 非弹性压缩量可用下式表示： （ ） 李 铎等：唐山沿海地区地面沉降渗流固结耦合模拟研究 式中， 为压缩层非弹性压缩量（ ） ； 为骨架 非弹性释水系数（ ） 。 地下水流动模型与土层压缩模型耦合 利用释水系数， 可以将地下水流动模型与土层 压缩模型耦合起来。地下水流方程右边表示单元水 量的变化量。即： 应用在差分方程中得： （ ） （ ） （ ） 式中： 为 时刻计算单元的前期固结水头 （ ） 。 模型调试与识别 空间离散 采用 矩 形 网 格 剖 分。东 西 向 网 格 边 长 为 ， 南北向网格边长为 ， 剖分为 行 列， 垂向分为 层， 单元总数 个， 有效单元 个。 初始条件 根据收集的水准点测量、 水位、 水量资料， 本区 水准点测量资料有 期， 分别为 年、 年、 年， 因此， 模拟从 年 月开始， 到 年 月结束， 时间 。选用 年 月初的流场作 为初始流场。 该区降雨和开采均有季节性， 第一、 四季度为平 水季节， 第二季度为枯水季节， 第三季度为丰水季 节。农业开采， 第一、 三季度为开采较小的季节， 第 二、 四季度为开采较大的季节。因此， 本次计算的时 间步长取一个季度， 共 计算步。 地下水位模拟 选取 个观测孔的水位观测资料为拟合依据， 其中第 含水组为 个， 第 含水组为 个， 第 含 水组为 个（ 图 ） 。以 年实测的流场与计算 流场进行平面流场拟合。经统计计算值与实测值得 平均误差为 ， 达到较好的拟合， 模型稳定性较 好。 地面沉降模拟 对地面沉降的模拟采用点、 面结合的方法， 点就 是水准测量点。模拟的过程主要是根据土工测试数 据及地面沉降监测资料， 确定前期固结水位， 调整和 确定弹性及非弹性释水系数， 计算土层压密释水量。 选用了模拟 个计算时段累积沉降量作为模型调 试的拟合标准。前面已经提到， 水位动态与地面沉 降是互相影响的， 只有两者同时满足要求时， 模型的 校正工作才算全面结束。沉降拟合（ 图 ） 。地面沉 降的最大区域位于唐山沿海与天津的接壤处， 最大 点沉降速率为 。 图 地面沉降模拟拟合图 校正后的模型各层参数（ 表 ） 。 书书书 表 模型各层参数 模型层 释水率 研究区水文地质资料丰富， 水文地质条件清楚， 利用 个观测孔 的长期观测资料和平面流场 资料对模型进行校正， 模型计算值与实测值相近， 模 型可信度较高， 地面沉降渗流固结耦合模型具有较 强的适用性。 地面沉降预测 对该区地面沉降预测， 设置 个方案： 工程地质学报 方案 ， 在地下水现有开采量的条件下， 预报 末的地下水流场和地面沉降状况。预报的 末累积地面沉降量（ 图 ） 。 图 方案 末地面沉降等值线图 方案 ， 地下水在现有开采量的基础上增加 的条件下， 预报 末的地下水流场和地面沉 降状况。预报的 末累积地面沉降量（ 图 ） 。 图 方案 末地面沉降等值线图 方案 ， 地下水在现有开采量的基础上减少 的条件下， 预报 末的地下水流场和地面沉 降状况。预报的 末累积地面沉降量（ 图 ） 。 模拟区地面沉降的最大区位于唐山沿海与天津 交界处， 方案 预测的最大沉降为 ， 沉降 ， 沉降速率为 。方案 预测的最大沉降为 ， 沉降 ， 图 方案 末地面沉降等值线图 沉降速率为 。方案 预测的最大沉降 为 ， 沉 降 ， 沉 降 速 率 为 。 结 论 通过对水文地质条件的分析和概化， 合理地建 立了水文地质数值模型， 经分析研究得出以下结论： （ ） 通过研究唐山沿海地区的水文地质条件， 含水组的水文地质特征， 将模型在垂向上概化为 个含水层组和 个弱透水层组， 建立了相应的地下 水 流 数 学 模 型 和 地 面 沉 降 数 学 模 型。应 用 软件模拟地下水流和地面沉降， 并利用 释水系数， 将地下水流模型与土层压缩模型耦合起 来， 模型适用性较强。 （ ） 应用校正后的模型对未来地面沉降的演化 进行了预测， 在天津与塘沽接壤处地面沉降量最大。 当地 下 水 以 现 有 开 采 量 开 采 时， 沉 降 速 率 为 。当地下水的开采量在现有开采量的 基础上在增加 时， 末地面沉降累计可达 ， 沉降速率为 。方案 预测 的最大沉降为 ， 沉降速率为 。 （ ） 地下水以现状开采时， 地面沉降量 ， 增大 的地下水开采量， 地面沉降 量增加 ， 减少 的地下水开采量， 地 面沉降量减少 。因此， 控制地下水开采量 是控制地面沉降的有效方法。 （ ） 李 铎等：唐山沿海地区地面沉降渗流固结耦合模拟研究 参考文献 ， ， ， ： ， ， ， （ ） ： ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： ， ， ， ， ： ， ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ， （ ） ： ， ， （ ） ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： ， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： 陈崇希， 裴顺平 地下水开采 地面沉降模型研究 水文地 质工程地质， （ ） ： 崔小东 和 在天津地面沉降数值计算中的应 用与开发 中国地质灾害与防治学报， （ ） ： 崔亚莉， 邵景力， 谢振华 基于 的地面沉降模型研 究 以北京市区为例 工程勘察， （ ） ： 董少刚， 刘白薇， 唐仲华 太原市地面沉降数值模拟 水资 源保护， （ ） ： ， 郭占荣， 曲焕林， 崔小东， 等 天津市地面沉降数值模拟研 究 地球学报， （ ） ： 李文运， 崔亚莉， 苏晨， 等 天津市地下水流 地面沉降耦合模 型 吉林大学学报（ 地球科学版） ， （ ） ： 骆祖江， 曾峰， 李颖 地下水开采与地面沉降控制