华北平原德州地面沉降成生机理、监测预警与可控性研究

【摘要】地下水开采引发的地面沉降严重影响区域经济、社会的可持续发展和生态文明建设,自上世纪50年代以来,地面沉降问题作为一种缓变地质灾害现象越来越受到全世界的广泛关注。地面沉降会对高速铁路、城市环境及生态、生命线工程、建筑物及基础设施等产生重大的不良影响。截至2011年12月,中国有90余个城市出现地面沉降,长三角地区、华北平原和汾渭盆地已成重灾区,沉降面积达9万平方公里,并伴生了地裂缝灾害。在山东省范围内,地面沉降主要发生在鲁北、鲁西等深层地下水开采量较大、地表建筑较为集中的德州、滨州、东营、济宁、菏泽、济南(部分)、淄博(部分)和潍坊(部分)等平原城市的中心城区和部分县城城区。德州所在的鲁北平原地面沉降存在发展空间大、发展趋势强、地下流体采源深和影响因素复杂等特点,对工农业生产、水利设施、城市建设、高速公路、京沪高速铁路建设和运行等造成了一定的影响,已成为影响鲁北区域经济社会可持续发展的重要因素之一。德州深层地下水最大开采深度已达940m,是华北平原目前地下水开采最深的层位。德州市城区由于长期超量开采深层地下水,形成了区域性的深层地下水降落漏斗,地面沉降、(地下)咸水界面下侵、南移等地质环境问题业已出现。现在随着德城区深层地下水位降漏斗深度与广度的不断加大,与周边的沧州漏斗、衡水漏斗、文安-大成漏斗、天津漏斗、临邑漏斗联为一片,形成区域性复合式深层地下水位降落漏斗分布区,成为华北大漏斗的一部分。德州漏斗是华北平原最为典型的深层地下水降落漏斗之一。黄河三角洲高效生态经济区、山东半岛蓝色经济区部分地段、黄河沿线、小清河以及一些重要工矿区也位于华北平原(山东部分)地面沉降区(或易发区)范围内,也是地面沉降重点防控区；京沪高铁、京沪高速公路、南水北调输水工程纵贯鲁北平原区,高铁、水利、市政等建设项目应严格控制地面沉降量。德州市区(德城区为主)是鲁北平原地面沉降出现最早、影响最大、最为严重的地区。本课题研究的目标是以德城区为背景,综合水文地质、工程地质学、地下水动力学和岩土力学等学科,通过现场监测、室内试验、理论研究、数值分析等手段,研究该区域地下水流场时空动态分布规律、地下水开采引发的地面沉降成生发展演化的宏细观机理及规律、基于层次分析法的可拓学易发性分区研究、三维流固全耦合本构模型等关键科学问题,研究具有一定创新性。并通过比较调整开采量、开采层位、开采井布局等方案,为区域地面沉降的防治提供理论依据,提出可以经济、合理、高效的控制地面沉降的工程、非工程措施。本次研究重点开展了地面沉降调查、水文地质钻探、物探测井、抽水试验、岩土力学测试、地面沉降监测(GPS测量、二等水准测量)、地下水动态监测、地面沉降预警预报模型建设和数值计算等工作,主要成果如下：(1)通过现场钻探进行深部地层勘查,准确确定研究区域的地层结构分布,钻孔全孔取芯,并对各地层取样,对试样进行室内试验,测定各地层的物理力学参数和水文地质参数；同时对关键压缩层岩芯进行电镜扫描等测试,获得该层位岩土体的微观结构参数。(2)通过现场抽水试验及原有资料分析,建立地下水三维非稳定流数值模型,预测地下水流场的时空动态分布规律。(3)利用地下水开采动态资料和地面沉降监测资料,结合研究区域的水文地质资料,以达西定律、Biot固结理论等为基础,运用COMSOLMultiphysies软件,建立渗流场和应力场相互耦合的三维地面沉降的预警预报数值模型。(4)根据现场实验、室内试验、理论分析、数值分析的结果,初步确定德州地区地下水开采诱发地面沉降的规律。通过数值模拟试验,比较调整开采量、开采层位、开采井布局和回灌地下水等方案对控制德州市地面沉降作用效果,为德州市地面沉降的防治提供理论依据,并提出了可以经济、合理、高效的控制地面沉降的工程、非工程措施。本次研究工作对德州市的地面沉降防治工程具有重要的理论和实际意义,不仅为区内重大基础工程的结构安全稳固性提供技术依据,对于维护人民群众生命财产安全具有重要意义,对于德州市的城市规划及建设具有重要的指导意义,对于山东省其他地区的地面沉降防治工作具有示范效应,完善和推动了地面沉降领域的理论发展和工程实践应用。研究成果可为地质环境保护、促进地质环境和生态文明的良性发展提供依据,促进经济社会又好又快地可持续发展。
【作者】张永伟；
【导师】唐春安；李术才；
【作者基本信息】山东大学，岩土工程，2014，博士
【关键词】地面沉降；成生机理与监测预警；流固耦合；可拓学；可控性研究；

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