地下水位变化诱发的地面沉降机理研究
发布时间：2020-06-26 22:51
【摘要】：地面沉降是一种影响范围广、持续时间长的环境地质灾害。其前期难以察觉,但在后期易引发较为严重的沉降灾害链,已成为影响城市基础设施长期稳定运行和制约经济快速发展的重要因素。在我国东部沿海软土地区,地面沉降问题已由来已久,随着近些年来人口数量的急剧增加,导致该地区地下水资源需求与地面沉降防控之间的矛盾变得越来越突出。因此,本论文以沿海软土地区地面沉降为研究背景,主要采用理论分析和数值模拟,研究在地下水位变化作用下的沉降机理,并探讨不同采灌模式对于地面沉降的抑制效果。本论文中主要的研究内容和研究成果如下:(1)基于Biot流固耦合理论,考虑流体渗流的各向异性,利用Laplace-Hankel联合积分变换对粘土层在下卧含水层水位变化作用下的固结问题进行了求解,研究了定降深和定流速两种水力边界对于粘土层固结特性的影响。其中对于定降深边界主要对比了常降深和循环降深的作用效果,而对于定流速边界则重点探讨了土性参数变化的影响。结果表明前者作用下的位移随时间会最终趋于稳定,而由后者引起的位移则一直在增加。(2)基于Biot流固耦合理论,考虑抽水井长度以及渗流各向异性的影响,利用LaplaceHankel联合积分变化以及解析层元法对成层地基在抽水井降压作用下的固结问题进行了求解,研究了层间土性参数相对变化以及不同采灌模式对于整个地基系统以及每层土压缩变形行为的影响。结果表明忽略抽水井竖向尺度会极大地增加沉降预测值,采取回灌浅部含水层或者间歇性采灌的措施能有效减小抽水引发的沉降。(3)通过引入各向异性张量以及旋转硬化法则,建立了适用于软粘土循环荷载分析的各向异性边界面塑性模型,并利用完全隐式应力积分算法,实现了该本构模型在ABAQUS中的二次开发,最后利用室内三轴试验获取材料参数并验证该本构模型的适用性。结果显示自行编写的UMAT子程序能与ABAQUS中的孔压单元相连用,且该本构模型能够较好地刻画出软粘土在循环荷载所用下产生的塑性累积变形。(4)通过引入上述开发的各向异性边界面塑性模型以及非线性渗流模型,建立了三维完全耦合地面沉降弹塑性有限元模型,分析了土性参数变化以及不同采灌模式对于地面沉降发展的影响。结果表明粘土层的沉降量远大于砂土层,且粘土层中以塑性变形为主。采取滞后回灌或者间歇性采灌的方式能有效抑制地面沉降的发展。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P641;P642.26
【图文】：
图 1-1 国内地面沉降分布图Figure 1-1 The distribution of domestic land subsidence（1）长江三角洲地区上海市最早于 1921 年根据水准测量结果发现该地区出现了地面沉降的现象。在 192年至 1965 年间，由于过度开采地下水，上海市区累计平均地面沉降量达到 1.69m，年均沉降量为 37.6mm，最大累计沉降量则高达 2.63m。1965 年后，通过压缩地下水开采量、调整开采层次以及采取人工回灌等措施，地面沉降得以有效控制。在 1966 年至 1988 年间，上海中心城区地面平均累计沉降量为 44mm，沉降速率为 2mm/a。从 1989 年开始至 20 世纪90 年代末，随着上海开展大规模的工程市政建设，市区地面沉降又出现了加速现象（如图1-2 所示）。从 2000 年开始，上海开展了长期的地面沉降防治工作，使得上世纪末期沉降加剧的趋势得以遏制，并使之持续减缓。至 2015 年末，上海市区年均地面沉降量已减小至6mm 以下。但此时，上海市区大范围的地面沉降逐步转变为局部地面沉降次中心，这主要是由于地下水开采与人工回灌格局发生了变化，尤其是叠加了深基坑降排水的影响，使地面沉降在空间上的差异性体现得更为明显[13-15]。
图 1-3 美国由于地下水开采诱发的地面沉降区域分布Figure 1-3 The distribution of land subsidence induced by groundwater pumping inAmerica圣克拉拉流域河谷位于旧金山东南部，从 20 世纪初期开始，由于大量开采地下水用业灌溉，该地区开始出现地面沉降。1912 至 1933 年期间，部分地区沉降量达到 1.265 年后，由于采取了地下水回灌等措施，地面沉降速率开始减缓；至 1969 年，南部累计沉降量为 0.6~2.4m。1910 至 1995 年期间，该地区最大沉降量为 4.3m[3]。圣华金流域位于加利福尼亚州中央谷地的南部，该地区下部土体为海相沉积土，上体为陆相沉积土，其中超过一半的陆相沉积土为细粒的河流、湖泊沉积土。至 1970 年有超过 1.1×104km2的地区的累积沉积量大于 0.3m，最大沉降量达到 8.5m；至 1977 年地区形成了三个沉降中心，最大沉降量分别达到 9m、4.3m 和 2.8m。从 2008 年到 2，圣华金流域在春季时的地下水位持续低于历史最低水位，两个主要农业区的地面沉 50~540mm[31]。休斯顿-加尔维斯顿地区位于德克萨斯（Texas）州东南部，该地区分布着厚度不均匀土和砂土层，其中粘土层的主要矿物成分为高含水量的蒙脱石。最初该地区的地面沉由于油气开采所引发的。随着人口的增加，工业和农业对于与地下水的需求不断增 1906 年至 1943 年，地面累积沉降达到了 0.5m。由于 40 年代至 70 年代该地区用水量
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P641;P642.26
【图文】：
图 1-1 国内地面沉降分布图Figure 1-1 The distribution of domestic land subsidence（1）长江三角洲地区上海市最早于 1921 年根据水准测量结果发现该地区出现了地面沉降的现象。在 192年至 1965 年间，由于过度开采地下水，上海市区累计平均地面沉降量达到 1.69m，年均沉降量为 37.6mm，最大累计沉降量则高达 2.63m。1965 年后，通过压缩地下水开采量、调整开采层次以及采取人工回灌等措施，地面沉降得以有效控制。在 1966 年至 1988 年间，上海中心城区地面平均累计沉降量为 44mm，沉降速率为 2mm/a。从 1989 年开始至 20 世纪90 年代末，随着上海开展大规模的工程市政建设，市区地面沉降又出现了加速现象（如图1-2 所示）。从 2000 年开始，上海开展了长期的地面沉降防治工作，使得上世纪末期沉降加剧的趋势得以遏制，并使之持续减缓。至 2015 年末，上海市区年均地面沉降量已减小至6mm 以下。但此时，上海市区大范围的地面沉降逐步转变为局部地面沉降次中心，这主要是由于地下水开采与人工回灌格局发生了变化，尤其是叠加了深基坑降排水的影响，使地面沉降在空间上的差异性体现得更为明显[13-15]。
图 1-3 美国由于地下水开采诱发的地面沉降区域分布Figure 1-3 The distribution of land subsidence induced by groundwater pumping inAmerica圣克拉拉流域河谷位于旧金山东南部，从 20 世纪初期开始，由于大量开采地下水用业灌溉，该地区开始出现地面沉降。1912 至 1933 年期间，部分地区沉降量达到 1.265 年后，由于采取了地下水回灌等措施，地面沉降速率开始减缓；至 1969 年，南部累计沉降量为 0.6~2.4m。1910 至 1995 年期间，该地区最大沉降量为 4.3m[3]。圣华金流域位于加利福尼亚州中央谷地的南部，该地区下部土体为海相沉积土，上体为陆相沉积土，其中超过一半的陆相沉积土为细粒的河流、湖泊沉积土。至 1970 年有超过 1.1×104km2的地区的累积沉积量大于 0.3m，最大沉降量达到 8.5m；至 1977 年地区形成了三个沉降中心，最大沉降量分别达到 9m、4.3m 和 2.8m。从 2008 年到 2，圣华金流域在春季时的地下水位持续低于历史最低水位，两个主要农业区的地面沉 50~540mm[31]。休斯顿-加尔维斯顿地区位于德克萨斯（Texas）州东南部，该地区分布着厚度不均匀土和砂土层，其中粘土层的主要矿物成分为高含水量的蒙脱石。最初该地区的地面沉由于油气开采所引发的。随着人口的增加，工业和农业对于与地下水的需求不断增 1906 年至 1943 年，地面累积沉降达到了 0.5m。由于 40 年代至 70 年代该地区用水量
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 陶福平;陶虹;李辉;;西安市地面沉降数值模拟研究[J];地质学刊;2015年04期
2 熊志涛;叶腾升;文美霞;王伟;;武汉某地铁基坑降水引发的地面沉降数值模拟分析[J];资源环境与工程;2015年06期
3 罗美芳;;浙江温州永强平原地面沉降成因初探[J];中国地质灾害与防治学报;2015年03期
4 杨天亮;王寒梅;焦s
本文编号：2731004
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