地下水开采引起的地面沉降

1、地下水开采引起的地面沉降,目 录,0.引言 1.潜水水位下降引起的地面沉降 2.承压水水头降低引起的地面沉降 3.其他情况下的地面沉降 4.结论,目 录,0.引言 1.潜水水位下降引起的地面沉降 2.承压水水头降低引起的地面沉降 3.其他情况下的地面沉降 4.结论,0引言,我国地面沉降最早发生于上世纪20年代的上海和天津地区，目前全国已有70多个城市发生了不同程度的地面沉降，沉降面积已达6.4万平方公里，沉降中心最大沉降量超过2米的有上海、天津、太原、西安等城市,过量抽取地下水是当前产生地面沉降最主要的原因之一，关于地下水位降低引起地面沉降的机理，目前学术界公认的是由于地下水位降低，引起土中孔

2、隙水压力降低，从而使土层的有效应力增加，进而产生固结变形,对于承压水容易理解，因为在承压含水层水头降低的过程中，土层中总应力保持不变，孔隙水压力减小，故而土层中有效应力增加。 但对于潜水或层间无压水来说，问题就复杂得多，地下水位降低一方面引起土中孔隙水压力减小，另一方面也造成总应力减少，土层中有效应力是增是减则不能一概而论,自然条件下，地下水往往是分层存在的，多层地下水的水头分布受地质条件及边界条件的影响和控制。稳定渗流条件下，在含水层中，孔隙水压力即压力水头呈静水压力分布，在两个含水层之间的弱透水层即相对隔水层中，孔隙水压力由其上下两个含水层的压力水头决定。根据达西定律及水流连续原理，均质土

3、层中孔隙水压力分布为线性。典型的孔隙水压力分布见图1,图1,很显然，随着地下水位或水头的变动，土层中的孔隙水压力会发生变化，当总应力不变时，其有效应力也会随之改变。地下水开采引起地下水位或水头下降，相关土层中孔隙水压力减小，当产生有效应力增加时，就会发生土层的固结变形，从而造成地面沉降。由于潜水水位和承压水水头变化影响的范围和内在机理不同，产生的后果亦有很大的差异，以下分别讨论,目 录,0.引言 1.潜水水位下降引起的地面沉降 2.承压水水头降低引起的地面沉降 3.其他情况下的地面沉降 4.结论,1 潜水水位下降引起的地面沉降 图2,多含水层条件下，假定只开采潜水含水层，其它含水层水位或水头不

4、变，潜水水位大面积下降前后，各土层均达到稳定渗流状态。潜水水位下降前，土中各点自重状态下的总应力、孔隙水压力和有效应力见表1,初始状态各点应力状态,o点：总应力,孔隙水压力,有效应力为,f点：总应力,孔隙水压力,有效应力,a点：总应力,孔隙水压力,有效应力,初始状态各点应力状态,有效应力,d点：总应力,孔隙水压力,有效应力,b点：总应力,孔隙水压力,潜水水位由o点下降到f点后各点应力状态,o点：总应力,孔隙水压力,有效应力为,f点：总应力,孔隙水压力,有效应力,a点：总应力,孔隙水压力,有效应力,潜水水位由o点下降到f点后各点应力状态,有效应力,d点：总应力,孔隙水压力,有效应力,b点：总应力

5、,孔隙水压力,潜水水位由o点下降到f点后各点应力变化量,o点：总应力变化量,孔隙水压力变化量,有效应力变化量,f点：总应力变化量,式中,为潜水含水层的孔隙率,为潜水含水层的孔隙比,为潜水水位下降后，水位变动带的饱和度,潜水水位由o点下降到f点后各点应力变化量,f点,孔隙水压力变化量,有效应力变化量,a点：总应力变化量,孔隙水压力变化量,有效应力变化量,潜水水位由o点下降到f点后各点应力变化量,孔隙水压力变化量,有效应力变化量,d点：总应力变化量,孔隙水压力变化量,有效应力变化量,b点：总应力变化量,直观起见，将各点自重状态下地下水位下降前后总应力、孔隙水压力和有效应力及其变化量列表如下,潜水水

6、位下降前，各点自重状态下的总应力、孔隙水压力和有效应力,潜水水位由o点下降到f点后，各点自重状态下的总应力、孔隙水压力和有效应力,潜水位由o点下降到f点后，各点自重状态下总应力、孔隙水压力和有效应力的变化量,目 录,0.引言 1.潜水水位下降引起的地面沉降 2.承压水水头降低引起的地面沉降 3.其他情况下的地面沉降 4.结论,2 承压水水头降低引起的地面沉降 图3,对于承压含水层，如图3所示，假定只开采该层承压水，其它含水层水位或水头不变，承压水水头大面积降低前后，各土层均达到稳定渗流状态,初始状态各点应力状态,初始状态各点应力状态,承压水头由o点下降到f点后各点应力状态,承压水头由o点下降到

7、f点后各点应力状态,承压水头由o点下降到f点后各点应力变化量,承压水头由o点下降到f点后各点应力变化量,经分析计算后，各点自重状态下总应力、孔隙水压力和有效应力的变化量见表4,承压水头由o点下降到f点后，各点自重状态下总应力、孔隙水压力和有效应力的变化量,目 录,0.引言 1.潜水水位下降引起的地面沉降 2.承压水水头降低引起的地面沉降 3.其他情况下的地面沉降 4.结论,3 其它情况下的地面沉降,3.1.2当隔水底板为弱透水层其下为不透水基岩时，如图4所示，潜水水位降低前后，达到稳定渗流时，相对隔水层中的孔隙水压力均呈静水压力分布,图4潜水水位降低前后土层中孔隙水压力变化示意图,对比图2和图

8、4可见，o、f、a点的总应力、孔隙水压力和有效应力变化情况一致，b点不同。同样经计算，各点自重状态下总应力、孔隙水压力和有效应力的变化量见表5,3.2承压水头降低到隔水顶板以下的情况 如果承压水头降低较大，已经低于隔水顶板，原来的承压水变为层间无压水，此时可以分两步考虑，承压水头由开始降低到隔水顶板按承压水头降低考虑，其后按潜水水位下降考虑。最后将两步算得的固结沉降量相加,3.3承压含水层隔水顶板或底板为绝对隔水层的情况 由于承压水头降低时土层中的总自重应力不变，而绝对隔水层中孔隙水压力为0，因此绝对隔水顶板或底板中的有效自重应力就是其总自重应力，其值将不会发生变化，故而在绝对隔水顶板或底板中

9、不会产生固结沉降,目 录,0.引言 1.潜水水位下降引起的地面沉降 2.承压水水头降低引起的地面沉降 3.其他情况下的地面沉降 4.结论,4 结论,1) 潜水水位下降不影响原潜水水位以上的土层中的应力分布；在原潜水水位以下的潜水含水层中引起有效自重应力减小，产生土层固结沉降；多含水层达到稳定渗流条件下，在其下的隔水层中，存在中性点c，在c点之上的土层中有效自重应力增加，土层固结压缩。在c点之下的土层中有效自重应力减小，土层卸荷回弹；在更深处的土层中有效自重应力减小，土层卸荷回弹；单一含水层条件下，在含水层和相对隔水层中，有效应力增加，土层固结压缩，绝对隔水层中有效应力减小，岩土层卸荷回弹。地面沉降量为土层固结压缩量与回弹量的差,4 结论,4 结论,3) 在达到稳定渗流条件下，承压水头降低只引起该承压水含水层及其隔