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安徽省阜阳市地面沉降模拟 摘要 由于地下水不合理开采而导致诸如地面沉降等环境地质灾害，已经成为全 球的普遍性问题；地面沉降不仅因为地面变形对沉降区域的建筑物产生严重影 响，而且还因为地面失高导致沉降区防洪标准降低，在沿海地区还可能因为地 面失高而导致大陆面积的减少；因此，关于地面沉降问题的研究，现已经受到 科学界的高度关注。 阜阳市地面沉降，是典型的因为开采含水层中地下水而导致相邻粘性土层 产生固结的问题，在进行地面沉降模拟时，必须要对含水层中地下水流场变化 进行模拟；而要模拟含水层中地下水流场的变化，又不可忽略相邻粘性土层固 结而产生的“压密释水”。目前，关于地面沉降过程模拟与预测的有效途径之一 是流固耦合理论，其中b i o t 流固耦合理论应用最为广泛；但由于b i o t 流固耦合 模型涉及的参数过多，且有些参数难以确定，所以目前在实际中广泛应用还有 一定困难；另外，当产生固结的粘性土层中的地下水流是非d a r c y 流时，b l o t 流固耦合理论还难以直接应用；除b i o t 理论外的另外一些流固耦合方法，大多 都相对偏重固结的机理与变化过程，而将渗流模拟仅仅作为计算固结沉降的辅 助过程，实际上，要实现这种条件下的地下水流系统模拟是比较困难的。 本文在研究阜阳市地面沉降问题时，通过建立固结量与压密释水量的关系 方程，并利用分步计算方法，将粘性土层的太沙基一维固结方程与含水层中的 拟三维渗流方程实现了间接的耦合。将1 9 9 7 年1 月至1 9 9 9 年1 2 月的水位测 验数据和地面沉降中心的实测沉降量用于模型的识别、检验，识别与检验过程 中将1 9 9 7 年1 月水位分布状态作为模型的初始流场，计算步长为4 个月。利 用识别检验后的耦合模型，预测了未来8 年的沉降量。 关键词：地面沉降流固耦合渗流方程一维固结方程间接耦合分步计算 s i m u l a t i o no ng r o u n ds u b s i d e n c ei nf u y a n g ，a n h u i p r o v i n c e a b s t r a c t g e o l o g i c a ld i s a s t e rc a u s e db yu n r e a s o n a b l ee x p l o i t a t i o no fg r o u n d w a t e rh a sb e c o m ea g l o b a li s s u e n eg r o u n dd e f o r m a t i o nh a ss e r i o u si m p l i c a t i o n so nt h eb u i l d i n g si nt h e s u b s i d e n c ea r e a s g r o u n ds u b s i d e n c ea l s oc a u s e de l e v a t i o nr e d u c t i o nr e s u l ti nl o w e r i n g f l o o dc o n t r o ls t a n d a r d s e l e v a t i o nr e d u c t i o nm a yl e a dt ol o s sa r e ao fm a i n l a n di nc o a s t a l a r e a s t h e r e f o r e ，t h es c i e n t i f i cc o m m u n i t yn o wh a sb e e ng r e a tc o n c e r no nt h ep r o b l e mo f g r o u n ds u b s i d e n c e d u r i n gs i m u l a t i o no ng r o u n ds u b s i d e n c ei nf u y a n g ，a sat y p i c a le x a m p l et h a t e x p l o i t a t i o no fg r o u n d w a t e rl e a d e dt ot h ec o n s o l i d a t i o ni na d j a c e n ta q u i f e r 。t h e g r o u n d w a t e rf l o wc h a n g ei n t h ea q u i f e rm u s tb ec o n s i d e r e d 。f 场e ny o us i m u l a t e g r o u n d w a t e rf l o wc h a n g ei na q u i f e r , t h e c o n s o l i d a t i o nw a t e r r e l e a s i n gf r o ma d j a c e n tc l a y l a y e rc a nn o tb ei g n o r e d a tp r e s e n t ，t h et h e o r yo ff l u i d - s o l i dc o u p l i n gi st h ee f f e c t i v ew a y t or e s e a r c ht h eg r o u n ds u b s i d e n c ea n db i o tf l u i d s o l i dc o u p l e di su s e dw i d e l y h o w e v e r ， t h ep a r a m e t e r so fb i o tf l u i d s o l i dc o u p l e da r ee x c e s s i v e ，a n ds o m ep a r a m e t e r sa r ed i f f i c u l t t od e t e r m i n e 1 1 m s ，i ti sc o n s i d e r a b l ed i 伍c u l t yt ob ew i d e l ya p p l i e di np r a c t i c e i na d d i t i o n ， t h ef i l t r a t i o ni nc l a yl a y e ri sn o tf i tt ot h ed a r c yf l o w t h e r e f o r e t h eb i o tf l u i d s o l i d c o u p l e da l s oi sd i 伍c u l tt od i r e c ta p p l i c a t i o n i na d d i t i o nt ob i o tt h e o r y , o t h e rf l u i d s o l i d c o u p l e dm e t h o d sa r em o r eb i a s e dt o w a r d st h em e c h a n i s mo fc o n s o l i d a t i o na n dt h ec h a n g e o fp r o c e s s 1 1 1 es i m u l a t i o no fs e e p a g ew i l lb eo n l yu s e da sas u p p l e m e n tw a yt oc a l c u l a t e t h ec o n s o l i d a t i o n i nf a c t ，t oa c h i e v et h i ss i m u l a t i o nu n d e rs u c hc o n d i t i o n so ft h e g r o u n d w a t e rf l o ws y s t e mi sm o r ed i 缅c u l t w h e nt h i sp a p e rs t u d i e dt h ep r o b l e mo fg r o u n ds u b s i d e n c ei nf u y a n gc i t y , t h e r e l a t i o n s h i pe q u a t i o nb e t w e e n c o n s o l i d a t i o nw a t e r a n dc o n s o l i d a t i o nv o l u m e a r e e s t a b l i s h e d ， a n dd e c o u p l e dm e t h o di su s e df o rc o m p u t a t i o n a sar e s u l t ，t h e o n e d i m e n s i o n a lc o n s o l i d a t i o na n dt h r e e d i m e n s i o n a lf l o we q u a t i o n sa c h i e v ei n d i r e c t c o u p l i n g t h em o n i t o r i n gd a t ao fw a t e rl e v e la n dt h em e a s u r e dd a t ao fg r o u n ds u b s i d e n c e f r o mj a n u a r yi n19 9 7t od e c e m b e ri n19 9 9a r eu s e df o rm o d e li d e n t i f y i n g i nt h ec o u r s eo f i d e n t i f y i n g ，t h ew a t e rl e v e li nj 1 1 1 y 19 9 7i st a k e na st h ei n i t i a lh e a da n dt h ec a l c u l a t i o ns t e p i s4m o n t h s a tl a s t u s et h ei d e n t i f i e dc o u p l e dm o d e lt of o r e c a s tf o rt h en e x te i g h ty e a r so f s u b s i d e n c e k e yw o r d s ：g r o u n ds u b s i d e n c e ；l i q u i d - s o l i dc o u p l e d ；f i l t r a t i o ne q u a t i o n s ； o n e d i m e n s i o n a lc o n s o l i d a t i o ne q u a t i o n ；i n d i r e c tc o u p l i n g ；d e c o u p l e dm e t h o d 插图清单 图2 1主固结和次固结流变模型l o 图2 2 饱和土的渗透固结模型1 1 图2 3圆形基础荷重下土层的固结1 2 图2 4单向固结问题示意1 4 图3 1 本文算法节点流程2 l 图3 2 单一压缩土层示意2 2 图3 3多层压缩土层示意2 3 图4 1 阜阳市水源地水文地质概化模型2 4 图4 2 阜阳市地面沉降等值线图2 5 图4 3 阜阳市地面沉降与开采关系2 6 图4 4 阜阳市中心地面沉降量与承压水水位埋深、开采量关系图2 8 图4 5单位变形量变化曲线3 0 图4 6 地面沉降随地下水位季节性变化关系图3 1 图4 7超固结土固结曲线3 2 图4 8 模拟区域范围示意3 3 图4 9 模拟区域阜阳城区范围示意3 4 图4 1 0 模拟区域井点布置示意3 4 图4 1 1 模拟区域横向网格剖分3 5 图4 1 2 模拟区域纵向网格剖分3 6 图4 1 3 模拟区域纵向网格剖分2 3 6 图4 1 4 主要压缩层物理力学性质指标3 7 图4 1 5 中心累计沉降量随之间变化3 9 图4 1 6 中心第一粘性土层水头降深随之间变化一4 0 图4 1 7 中心第二粘性土层水头降深随之间变化4 0 图4 1 81 9 7 0 年一1 9 9 0 年1 月阜阳市地面沉降形态4 l 图4 1 91 9 7 0 年一1 9 9 9 年1 月阜阳市地面沉降形态4 1 图4 2 0 沉降体积量的简化计算示意4 2 表格清单 表1 1地面沉降危险性分级标准3 表4 - 1 表4 - 2 表4 _ 3 表4 - 4 表4 _ 5 表4 6 表4 7 表4 8 表4 9 表4 1 0 表4 1 1 表4 1 2 表4 1 3 表4 1 4 地面沉降坡度一览表2 6 部分地面沉降监测点沉降量变化情况表2 7 部分地面沉降监测点沉降速率变化情况表2 7 阜阳市区历年承压水开采量统计。2 9 各井点大地坐标3 5 工程地质参数表3 7 沉降中心第一粘性土层沉降量统计3 8 沉降中心第二粘性土层沉降量统计3 8 沉降区边缘处第一粘性土层沉降量统计3 8 沉降区边缘处第二粘性土层沉降量统计3 9 1 9 7 0 年一1 9 9 0 年9 月地面沉降体积量统计4 2 1 9 7 0 年一1 9 9 9 年1 月地面沉降体积量统计4 3 未来8 年中心最大沉降量预测4 3 中心最大沉降量预测4 3 独创性：声二明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金月墨王些友堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：懒，安字吼孵月o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金照王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘；r 允许论文被查阅或借阅。本人授权佥罡王些太堂可 以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 籼一研肺成名：确局 签字日期枷幺年j l ! 口日 签字日期。侈年月f 口日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 本文的研究工作是在陶月赞教授的悉心指导下完成的。在三年的研究生学 习期间，他在学习和生活各个方面给予我无私的帮助和鼓励，为我最终顺利完 成论文倾注了大量的精力和心血。他渊博的专业学识、严谨的治学态度、敏锐 的思维以及求实的精神深深的影响着我，使我受益匪浅。在此特向他致以最衷 心的感谢和由衷的钦佩! 三年来，要衷心感谢姚梅、曹彭强同门，研究生期间的互相探讨、相互促 进也是我论文得以完成的重要因素。还要感谢蒋玲、汪佳师妹、殷玉忠、杨杰、 汪凯举、黄金书师弟在学习和生活上给予我的支持和帮助。 另外，我还要由衷的感谢我的父母和亲朋。十八年寒窗苦读，有我的辛勤 付出，更有他们的支持和理解，使我能够顺利的走到今天。 最后，衷心感谢评阅我硕士论文和出席论文答辩会的各位专家和老师，感 谢他们在百忙中给予我的指导。 作者：叶栋成 2 0 0 7 年1 2 月 第一章绪论 1 1 地面沉降规律及现状 地面沉降又称为地面下沉或地陷。地面沉降是由于地下支撑物的移动导致 的地面标高损失【1 1 ( g 三b e r t o l d i ) 。具体而言，地面沉降是在自然和人为因素作 用下，由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面标高降低的一种环境地质现象， 是一种不可补偿的永久性环境和资源损失，是地质环境系统破坏所导致的恶果 t 2 1 ( 郑铣鑫，1 9 9 2 ) 。地面沉降具有成生缓慢、持续时间长、影响范围广、成因 机制复杂和防治难度大等特点，是一种对资源利用、环境保护、经济发展、城 市建设和人民生活构成威胁的地质灾害。地面沉降现象很早就为史书所记载， 作为自然灾害，地面沉降的发生有着一定的地质原因。但是，随着人类社会经 济的发展、人口的膨胀，地面沉降现象越来越频繁，沉降范围也越来越大。在 人口密集的城市，地面沉降现象尤为严重。现在我们研究探寻地面沉降的原因 时，不难发现，人为因素已大大超过了自然因素。现在的地面沉降现象与其说 是自然灾害，倒不如称之为人为祸患。 目前，中国长江、黄河和珠江三角洲、松辽平原和环渤海地区及东南沿海 平原的大多数城市，地面沉降正继续在大面积发生和发展之中【3 1 ( 段永侯1 9 9 8 ) ， 危害在不断增大。河流三角洲地区、滨海地带、平原地区、内陆构造盆地等因 具有优越得自然地理条件，经常成为经济活动的中心；而其松散的第四纪地层 往往比较厚，其中既赋有丰富的地下水资源，也容易在抽汲地下流体的影响下， 产生土层固结压缩，从而导致地面下降。上述地区水文地质工程地质条件等地 质背景，以及伴随着城市化兴起与进程加速的人类经济工程活动的日益频繁与 强度增大，导致地面沉降产生的内外条件得到耦合，使之成为地面沉降的集中 地区。由此，地面沉降具有普遍性和易发性。 1 1 1 地面沉降的诱发原因 自然界发生的地面沉降大致有下列三种原因： 1 、地表松散地层或半松散地层等在重力作用下，在松散层变成致密的、坚硬或 半坚硬岩层时，地面会因地层厚度的变小而发生沉降： 2 、因地质构造作用导致地面凹陷而发生沉降； 3 、地震导致地面沉降。 地面沉降现象又与人类活动密切相关。尤其是近几十年来，人类过度开采石油、 天然气、固体矿产、地下水等直接导致了今天全球范围内的地面沉降。人为导致地面 沉降发生的原因可分为： 1 、抽汲地下水引起的地面沉降； 2 、采掘固体矿产引起的地面沉降； 3 、开采石油、天然气引起的地面沉降； 4 、抽汲卤水引起的地面沉降。 地面沉降在经济发达地区可能导致严重的财产和基础下部建筑的损失。最具有代 表性的地面沉降是由人为造成的，由于人为抽取地下水而导致含水层系统受压缩而产 生地面沉降。针对这种情况必须采取措施减少地下水的使用量，增加地面水补给。据 统计，我国每年因地面沉降导致的经济损失达l 亿元人民币以上。值得庆幸的是，我 国已开始重视这个问题，控制人口增长、合理开采地下水等一系列政策的出台使我国 很多地区的地面沉降现象已经或将得到控制。 1 1 2 地面沉降的危害 1 、城镇设施受到破坏：地面下沉的不均匀性容易使地表建筑物倾斜、墙壁开裂， 甚至引起建筑物的倒塌；地面沉降易造成路基变形下沉，使城市地下设施、公路、铁 路遭受不同程度的破坏，影响城市间的交通运输。另外，在水系发育丰富的河网地区， 地面沉降造成桥梁净空减小，使过桥能力大大地降低，同时也使城市的港湾、码头的 使用能力降低。 2 、水患的加剧：由于地面沉降，使抽水井管相对上升，导致抽水深井降低甚至失 去取水功能，从而加大农业用水的困难；地而沉降会使城镇排水系统的排水口处的标 高低于河水位，失去排水功能，易使地面标高降低地区在雨天常常积水；地面沉降会 使沿海城市的防汛堤( 墙) 高程降低，海平面相对抬升，容易造成海水入侵，大大降低 了沿海城市的防汛能力。 3 、引起其它地质灾害：地面沉降破坏了原有的地面标高，加大了沉降观测难度； 地面沉降常常伴有地裂缝，目前西安市己发现了1 0 余条活动性的地裂缝，过量开采地 下水正是主要原因之一；如果地面沉降下降程度很大，会使地面在水平方向上产生移 动，造成地表上下物体扭断破坏。 由上可以看出地面沉降对社会的稳定发展与国民财产的安全的危害是巨大的，仅 我国苏州市在1 9 8 3 1 9 8 9 年间，由于地面沉降造成的直接经济损失就高达2 6 亿元，全 国因地面沉降造成的直接经济损失年均达1 亿元以上，而造成的间接损失更是无法估 计。 1 2 地面沉降的评价 1 2 1 地面沉降调查 1 、综合分析已有资料，查明第四纪沉积环境、成因类型、地貌单元及洼地等微 地貌分布，古河道展布及其变迁，查明第四系岩性、地层结构、厚度和埋藏条件； 2 、查明第四系含水层水文地质特征、埋藏条件及水力联系，收集历年地下水动 态、开采量、开采层位和区域地下水位等值线图等资料； 3 、根据已有地面沉降监测资料和建筑物实测资料，调查地面沉降历史与现状， 初步圈定地面沉降范围和判定累计沉降量，并对地面沉降范围内已有建筑物损坏及地 面沉降的危害等进行调查。 1 2 2 地面沉降监测 1 、对研究区的水准测量点定期进行测量； 2 、对含水层地下水开采量( 含回灌量) 及地下水位进行长期观测； 2 3 、室内试验和野外试验，包括常规试验、微观结构研究、高压固结、三轴剪切、 长期流变、孔隙水压力消散、室内模型试验等。野外试验主要有：抽水试验、回灌试 验、静力触探等。 4 、设立沉降标、孔隙水压力标和基岩标用以深入了解各上层和含水层的变形规 律及地下水位动态变化规律。 1 2 3 地面沉降控制 1 、地下水开采限制，在自来水管网到达的区域，除特殊情形外，不开采地下水； 2 、有步骤的人工回灌补充地下水，使含水层储能； 3 、调整含水层开采层次。 1 2 4 地面沉降危险性评估 平原区地面沉降危险性等级划分，可根据地面沉降中心累计沉降量及沉降速率进 行分级，分级标准见表1 。 表1 1 地面沉降危险性分级标准 危险性分级 地面累计沉降量( m m )沉降速率( m m a ) 备注： 现状评估以地面累计 大 8 0 0 3 0 沉降量为主，预测评估 中等 3 0 0 8 0 01 0 3 0 以地面沉降速率为主 小 3 0 0 0 。又从测压管测得的h ( 而算出“= ) ，w j j l 8 结求 图3 1本文算法节点流程 3 4 3 本文流固耦合模型的特点 假定材料为弹性，这就意味着多孔介质是可变形体，因此在渗流过程中多孔 介质和其中孔隙都将发生变形，因此在弹性多孔介质中渗流系数变化的敏感因 素，因此在弹性多孔介质中渗流是非d 口r c y 的、非线性的。理论与实验都表明3 9 ，4 0 】 了这点。文【4 0 】也已经证明，当渗透系数可变化时，即使一维稳定渗流，试件内的压 力梯度也不均匀。 虽然t e r z a g h i 单向固结理论、b i o t 固结耦合渗流理论是公认的较完善的经 典理论，并已得到了广泛应用【4 1 。4 5 】；但在这些固结理论用于研究渗流问题的初 2 l 期 4 6 。4 8 1 ，并没有考虑到渗透系数的改变对于沉降计算的影响，这可能与耦合渗 流理论是从b i o t 固结理论发展起来的经历有关，因为固结理论更多关心的是渗 流介质体的变形问题，至于介质体变形对渗流过程有多大影响则是相对次要的。 所以，这样的耦合模型并不完善。 现如今，流固耦合成为解决地面沉降的有效途径。其中，b i o t 流固耦合理 论逐渐成为研究的热点。但是，由于b i o t 流固耦合模型涉及的参数过多，且有些 参数难以确定，所以目前在实际中广泛应用还有相当的困难；另外，在类似研究区这 样的地质条件中，产生固结的粘性土层中的渗流也不一定是d a r c y 流；所以，b i o t 流固耦合模型还难以应用于本课题问题的研究中。 除b i o t 流固耦合理论外，另外一些研究方法，多偏重固结的机理与变化过程， 而将渗流模拟仅仅作为辅助过程用来计算固结层的应力变化；但实际上，由于固结层 中的渗流不一定是d a r c y 流，所以要实现这样条件下的地下水流系统的模拟是 比较困难的，目前还未见有很好地解决这一问题的相关文献。 此外，在以前众多的相关研究中，都没有涉及到压密释水量对于整个耦合 方程求解的影响。地面沉降必然引起内部孔隙水的消散，因此而产生的压密释 水量往往只是当作侧向补给被忽略了。但是，这样的压密释水量对于渗流方程 来说，确实是有影响的。现在简单举一例说明：如图3 3 所示为单层单向压缩 固结沉降。假定土体为饱和，则压缩后土体孔隙体积的变化量就等于孔隙水消 散的量。而消散的孔隙水就作为周边含水层的侧向补给，土体在纵向上呈压缩 状态。 压端前 图3 2 单一压缩土层示意 若目标压缩层为多层，且其间夹杂分布了含水层( 如图3 4 所示) ，这样 压密释水量就不完全是侧向补给了，还有一部分将补给到中间的含水层。因此， 而产生的结果就是：含水层中水量发生了变化，而导致的结果就是整个垂向渗 流方程的形态也将发生变化。也就是说，在这样的条件下，渗流方程与固结方 程是随时间是不断变化的动平衡状态。而开采地下水的目标本身就是粘土层中 所夹的那层含水层，所以研究区域沉降的地形分布与图3 3 是相似的。那么含 水层中水量的改变则必然引起整个耦合模型的变化，则需要引入压密释水这个 影响因子帮助完善模型。另外，还有一个值得注意的地方就是饱和土受到压缩 变形而产生的压密释水量。这样的一个量必然和固结有着某种联系。假定土体 饱和，则压密释水量应当大致等于土体固结沉降体积量。 。r 可压墙层 n q 一一o o f l 曩 钐 缆 压鳋酋 一 孔 一 缆 图3 3 多层压缩土层示意 在地下水流场的描述上，则可以这样刻画：含水层的水量一般由大气降水 直接补给，用似彭砂表示这种补给量( 耽阮彭砂也表示人工补给) ，它是位置 和空间的函数；在地下水开采过程中，假定抽水量用聊阮 砂表示不同的抽水 作用时间函数的抽水量的特性。 以上分析地面固结沉降而产生