抽水地面沉降数学模型的研究现状与展望

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第13卷 第2期2002年6月中国地质灾害与防治学报

TheChineseJournalofGeologicalHazardandControlVol.13 No.2Jun.2002

抽水地面沉降数学模型的研究现状与展望

张 云,薛禹群

(南京大学 地球科学系,江苏南京 210093)

摘要:在综合已有文献的基础上,分析了最近几十年来用于模拟抽取地下水引起地面沉降的数学模型,按照水流模型和土体变形模型的结合方法将地面沉降模型归纳为三种类型,即由水流模型获得各土层的水头变化、再根据水头变化计算土层变形的两步模型;仅考虑垂直方向变形与孔隙水压力变化的相互作用,而水平方向只考虑渗流、不考虑变形的部分耦合模型;考虑孔隙水压力变化和土体变形的相互影响和作用的完全耦合模型。论述了每种类型模型的主要特点、代表性模型及其不足之处,并指出三维渗流和变形的耦合分析是地面沉降模型进一步研究的方向,同时作为检验模型合理性和适用性的手段,还应加强地面沉降的室内模型试验。关键词:地面沉降;抽取地下水;土体变形;数学模型文章编号:1003-8035(2002)02-0001-06

中图分类号:P642126

文献标识码:A

1 前言

人类利用地下水已有悠久的历史,随着抽水时间的延长、抽水量的增加,人们逐渐觉察到过量抽水引起地面沉降的一些迹象。但直到1924年,日本为研究1923年的关东地震后地壳变动而进行的重复精密水准测量才肯定了地面沉降与抽取地下水之间的关系

[1]

设的发展,地下水的需求量激增,伴随着过量开采地下水引发地面沉降的地区日益增多,成为制约当地可持续发展的一个重要因素,因此建立合理的数学模型,对地下水开采可能引起地面沉降的大小和分布作出预测,为制定合理的地下水开采规划提供可信的理论依据是非常有意义的,也是迫切需要解决的一个问题。

地面沉降是土层中孔隙水承担的孔隙水压力和土骨架承担的有效应力发生变化的结果。处于平衡状态的含水系统,当地下水被抽出后,孔隙水压力减小,原先的土、水平衡状态被破坏,有效应力发生变化,土体产生变形。由于土体的非线-弹性及其多孔性,土体的力学性质、贮水性和透水性都将随之变化。地面沉降是土和水相互作用、内部应力发生变化的外在表现。它与土的变形特性和水的渗流情况密切相关。因此地面沉降的数学模型应包括水流模型和土体变形模型两大部分。

。此后世界许多国家的城市都陆续发现了

这一问题,如意大利威尼斯、美国加利佛尼亚圣华金(SanJoaquin)谷地、中国上海、泰国曼谷等。

最初,由于地下水的取用量较少,地面沉降的速率和数量都不大,对过量开采地下水引起地面沉降的认识主要局限于现象的描述,而对沉降的形成机理、沉降量及其沉降发展过程预测的研究基本没有开展。随着城市化、工业化的发展,对地下水的需求量急剧增加,在1950~1970年,地面沉降的发展达到了顶峰,如圣华金谷地的沉降量达到9m,沉降的影响范围达到9900km

2[2]

。地面沉降给人们

的生产和生活造成了极大的不便,引起了各国政府和学者的重视,一方面努力控制地下水的抽水量,一方面积极开展地面沉降的研究,分别于1969、1976、1984、1991、1995、2000年召开了6届地面沉降国际讨论会,进行了专门的交流和探讨。地面沉降模型是地面沉降研究的重要内容,从在东京举行的第一届地面沉降国际会议开始,地面沉降模型的研究就从未间断过。我国的上海、天津均进行过有2 水流模型和土体变形模型

211 水流模型

水流模型要求有再现地下水系统的能力,能真实地刻画实际地下水系统中发生的物理过程,如由抽、注水引起的系统内水压力的变化情况。地面沉

收稿日期:2001-09-03;修回日期:2001-10-11

作者简介:张云,女,副教授,博士,主要从事土力学教学

和研究.

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