荷载和地下水开采作用下的地面沉降数值模拟及应用研究

【摘要】不合理开采地下水和荷载是软土地区地面沉降的主要诱发原因。地面沉降作为一种地质环境问题,一直得到政府部门和科学人员的重视,无论是在机理、监测还是预测,地面沉降的研究都已经非常的深入了。然而,在过去的地面沉降数值模拟应用研究中,关注地下水开采引起的地面沉降问题较多,对于荷载作用引起的地面沉降研究较少,仍然存在较多需要研究的问题。根据文献调研,以下方面值得重视。(1)现有的地面沉降研究中,多是研究地下水开采导致的地面沉降,实际上,建筑荷载导致的工程性地面沉降所占的比例随着城市的建设发展越来越显著。因此,有必要开展荷载和地下水开采双重因素作用的地面沉降机理及其数值模拟理论方法研究,建立考虑荷载和地下水作用引起的宁波平原地面沉降数值模型。(2)固结作用将导致土层各参数发生变化,现有模型绝大多数认为参数在固结沉降中不变,这与实际不太符合。因此,在地面沉降研究中,结合研究区实际,建立参数模型是非常必要的。(3)土体应力应变模型通常情况下都是采用弹性模型,但实际土体应力应变特征却是非常复杂。结合研究区实际,建立符合实际的本构模型对于提高地面沉降模型仿真度是非常有意义的。(4)目前还没有考虑荷载和地下水开采的地面沉降模拟软件,开发符合机理、方便使用的考虑地下水开采和荷载作用的地面沉降模拟软件,对于相关研究是非常有帮助的。正是基于对这些问题的考虑,本文以宁波平原为例,开展考虑地下水开采和荷载作用的地面沉降数学模型和数值模拟研究,建立研究区的地面沉降数学模型和数值模型,预测不同条件下的地面沉降量,计算地下水开采和荷载两种因素对地面沉降的贡献率,为宁波平原重要地区地面沉降防治规划提供科学依据和技术支持。本文在分析宁波平原基础地质、水工环地质及地下水开采和地面沉降监测资料的基础上,总结分析了该地区地面沉降主要特征和主要土层的本构模型,对地面沉降的成因和影响因素进行了系统分析,研究提出了考虑荷载和地下水作用的地面沉降数学模型及数值方法,基于uGIS图形平台开发了相应的计算机软件,建立了宁波平原地面沉降数值模型,对主要沉降区地面沉降影响因素进行了模拟分析,并对地面沉降发展趋势进行了模拟预测,主要得到了以下结论、认识或成果：1、荷载和地下水开采作用下的地面沉降数值模拟方法及其软件开发根据宁波平原地面沉降影响因素和作用机理,以Biot理论为基础,构建了考虑荷载、地下水开采作用下的地面沉降数学模型。该模型采用渗流-管理模型对混合抽水井进行模拟计算。利用经验公式法和离散数值法处理水文地质参数及岩土力学参数随应力变化,然后采用模拟矫正法,最终确定各个参数值。利用Fortran语言编写地面沉降数值计算程序,基于GIS图形平台开发了数据输入和结果展示等模块。实现了地面沉降信息资料管理和地面沉降数值模拟分析一体化。2、宁波平原主要岩土分层及其应力应变特性通过收集整理研究区基础地质、水文地质、工程地质钻孔资料和前人研究成果,宁波平原是在白垩系向斜盆地上堆积形成的,由于陆相冲洪积作用和海相的多次海侵作用,该地区形成了平均厚度约为100m左右的海陆交错第四系,其厚度由西南向东北逐渐增大。根据各地层的水文地质性质,研究区第四系主要包含两个含水层：其厚度在10-15m左右,其顶板埋深分别在50m和80m左右。根据各地层的岩土力学性质,该地区第四系可以分为六个小层,分别为第一软土组、第一硬土层、第二软硬层、第Ⅰ含水层、第四硬土层和第Ⅱ含水层。基于地面沉降监测资料、地下水开采和降水入渗补给和岩土工程测试资料,总结了研究主要土层的变形特征和本构模型。其变形主要包括弹性、塑性、弹塑性三种形式。第Ⅱ含水层和第一硬土层主要表现为弹性变形；第Ⅰ含水层、第四硬土层和第二软硬层主要表现为弹塑性变形；第一软土组以塑性变形为主。3、宁波平原地面沉降数值模拟及应用研究利用本文研究开发的地面沉降数值模拟软件,建立了研究区荷载和地下水开采作用下地面沉降数值模型。通过数值模拟研究,结果表明：变参数的地下水开采-地面沉降耦合模型可以反映地下水开采引起的地面沉降,考虑参数变化虽然在理论上更加合理,但是否有明显的效果有待通过对比分析和实际应用来验证；验证了该地区地下水动态变化主要受地下水开采-回灌控制,以及第一软士组以下各层土体变形主要因素为地下水开采,第一软士组士体变形并非单一地下水开采引起。数值模拟结果表明,第一软土组为欠固结士,在荷载和自重作用下极易变形沉降,荷载主要影响浅层第一软土组的地面沉降；但第一软土组中、底部受地下水开采和荷载双重影响。地下水开采主要影响中深层层位的地面沉降(包括第一硬土层、第二软硬层、第Ⅰ含水层、第四硬土层和第Ⅱ含水层)。利用数值模型分别计算了地下水开采和荷载引起的地面沉降,评价了二者对该地区地面沉降的影响大小。利用数值模型预测了地下水开采和荷载作用引起的地面沉降。4、地面沉降防治建议为了更加有效控制该地区地面沉降,根据地面沉降分布特征及其影响因素和作用机理,建议在以下方面加强防治：(1)进一步优化控制地下水开采。虽然地下水开采是地面沉降的诱发因素之一,但不是完全不能开采,从资源利用的角度方面来说,合理开采地下水以满足一定的用水需求,如应急用水或某些特殊用水,还是非常有意义的。根据地面沉降监测分析来看,地下水水位应该控制在-20m以上。避免集中开采,优水优用,尽量不要混合开采。(2)优化地下水回灌。回灌既是控制地面沉降的方法,也是资源循环可持续利用的方法。通过回灌,应该保证一个水文年内水位能够恢复到正常水位,水质要优于原水质。(3)完善地下水和地面沉降监测网络。既要考虑重点区的监测,同时应该兼顾全区覆盖,自动化监测和人工监测相结合,适当考虑重点区的分层监测。(4)加强工程建设施工管理,以防由于施工造成的地面沉降灾害发生。由于资料的有限和本人水平与时间的限制,本论文存在一些不足,主要有：(1)荷载分布、加载时间、荷载大小等信息获取难度较大,具有很大不确定性因素,因此,对计算结果有较大影响。建议不断加强相关资料收集和调查,从而提高模型精度。(2)本文研究开发的荷载和地下水开采的地面沉降数值模拟软件,从方法原理上讲,更加符合机理,但是涉及到较多的岩土力学参数,参数的不确定性对模型的影响较大,网格尺度对模型的计算结果也有较大影响,建议在理论和实际应用中加强这方面的研究。
【作者】杨林权；
【导师】唐仲华；
【作者基本信息】中国地质大学，水文学及水资源，2014，博士
【关键词】地面沉降；荷载；地下水开采；数值模拟；宁波平原；

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