地下水開采引起的地面沉降

1、地下水開采引起的地面沉降周載陽建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計院有限公司目nnnnn錄0.引言1.潛水水位下降引起的地面沉降2.承壓水水頭降低引起的地面沉降3.其他情況下的地面沉降4.結(jié)論目nnnnn錄0.引言1.潛水水位下降引起的地面沉降2.承壓水水頭降低引起的地面沉降3.其他情況下的地面沉降4.結(jié)論0引言n我國地面沉降最早發(fā)生于上世紀20年代的上海和天津地區(qū)，目前全國已有70多個城市發(fā)生了不同程度的地面沉降，沉降面積已達6.4萬平方公里，沉降中心最大沉降量超過2米的有上海、天津、太原、西安等城市。過量抽取地下水是當(dāng)前產(chǎn)生地面沉降最主要的原因之一，關(guān)于地下水位降低引起地面沉降的機理，目前學(xué)術(shù)界公認的是由

2、于地下水位降低，引起土中孔隙水壓力降低，從而使土層的有效應(yīng)力增加，進而產(chǎn)生固結(jié)變形。對于承壓水容易理解，因為在承壓含水層水頭降低的過程中，土層中總應(yīng)力保持不變，孔隙水壓力減小，故而土層中有效應(yīng)力增加。但對于潛水或?qū)娱g無壓水來說，問題就復(fù)雜得多，地下水位降低一方面引起土中孔隙水壓力減小，另一方面也造成總應(yīng)力減少，土層中有效應(yīng)力是增是減則不能一概而論。n自然條件下，地下水往往是分層存在的，多層地下水的水頭分布受地質(zhì)條件及邊界條件的影響和控制。穩(wěn)定滲流條件下，在含水層中，孔隙水壓力即壓力水頭呈靜水壓力分布，在兩個含水層之間的弱透水層即相對隔水層中，孔隙水壓力由其上下兩個含水層的壓力水頭決定。根據(jù)達西

3、定律及水流連續(xù)原理，均質(zhì)土層中孔隙水壓力分布為線性。典型的孔隙水壓力分布見圖1。圖1潛 水含 水 層相 對 隔 水 層層 間 無 壓 水含 水 層承 壓 水 頭相 對 隔 水 層含 水 層相 對 隔 水 層0很顯然，隨著地下水位或水頭的變動，土層中的孔隙水壓力會發(fā)生變化，當(dāng)總應(yīng)力不變時，其有效應(yīng)力也會隨之改變。地下水開采引起地下水位或水頭下降，相關(guān)土層中孔隙水壓力減小，當(dāng)產(chǎn)生有效應(yīng)力增加時，就會發(fā)生土層的固結(jié)變形，從而造成地面沉降。由于潛水水位和承壓水水頭變化影響的范圍和內(nèi)在機理不同，產(chǎn)生的后果亦有很大的差異，以下分別討論。目nnnnn錄0.引言1.潛水水位下降引起的地面沉降2.承壓水水頭降低

4、引起的地面沉降3.其他情況下的地面沉降4.結(jié)論1 潛水水位下降引起的地面沉降圖2n多含水層條件下，假定只開采潛水含水層，其它含水層水位或水頭不變，潛水水位大面積下降前后，各土層均達到穩(wěn)定滲流狀態(tài)。潛水水位下降前，土中各點自重狀態(tài)下的總應(yīng)力、孔隙水壓力和有效應(yīng)力如下：初始狀態(tài)各點應(yīng)力狀態(tài)潛 水 初 始 水 位承 壓 含 水 層OFABD、初 始 孔 隙 水 壓 力 分 布相 對 隔 水 層、潛 水 含 水 層潛 水 下 降 后 水 位水 位 下 降后 孔 隙 水壓 力 分 布承 壓 水 水 頭O點：總應(yīng)力；孔隙水壓力有效應(yīng)力為F點：總應(yīng)力孔隙水壓力有效應(yīng)力A點：總應(yīng)力孔隙水壓力有效應(yīng)力初始狀態(tài)各

5、點應(yīng)力狀態(tài)潛 水 初 始 水 位承 壓 含 水 層潛 水 下 降 后 水 位OFABD、潛 水 含 水 層、初 始 孔 隙 水 壓 力 分 布相 對 隔 水 層、水 位 下 降后 孔 隙 水壓 力 分 布承 壓 水 水 頭D點：總應(yīng)力孔隙水壓力有效應(yīng)力B點：總應(yīng)力孔隙水壓力有效應(yīng)力潛 水 初 始 水 位承 壓 含 水 層OFABD、初 始 孔 隙 水 壓 力 分 布相 對 隔 水 層、潛 水 含 水 層潛 水 下 降 后 水 位水 位 下 降后 孔 隙 水壓 力 分 布承 壓 水 水 頭潛水水位由O點下降到F點后各點應(yīng)力狀態(tài)O點：總應(yīng)力孔隙水壓力有效應(yīng)力為F點：總應(yīng)力孔隙水壓力有效應(yīng)力A點：總

6、應(yīng)力孔隙水壓力有效應(yīng)力潛水水位由O點下降到F點后各點應(yīng)力狀態(tài)潛 水 初 始 水 位承 壓 含 水 層潛 水 下 降 后 水 位OFABD、潛 水 含 水 層、初 始 孔 隙 水 壓 力 分 布相 對 隔 水 層、水 位 下 降后 孔 隙 水壓 力 分 布承 壓 水 水 頭D點：總應(yīng)力孔隙水壓力有效應(yīng)力B點：總應(yīng)力孔隙水壓力有效應(yīng)力潛水水位由O點下降到F點后各點應(yīng)力變化量潛 水 初 始 水 位承 壓 含 水 層潛 水 下 降 后 水 位OFABD、潛 水 含 水 層、初 始 孔 隙 水 壓 力 分 布相 對 隔 水 層、水 位 下 降后 孔 隙 水壓 力 分 布承 壓 水 水 頭O點：總應(yīng)力變化

7、量孔隙水壓力變化量有效應(yīng)力變化量F點：總應(yīng)力變化量式中：為潛水含水層的孔隙率；為潛水含水層的孔隙比；為潛水水 位下降后，水位變動帶的飽和度。承 壓 水 水 頭承 壓 含 水 層OFABD相 對 隔 水 層、潛 水 初 始 水 位、潛 水 含 水 層潛 水 下 降 后 水 位水 位 下 降后 孔 隙 水初 始 孔 隙 水 壓 力 分 布壓 力 分 布潛水水位由O點下降到F點后各點應(yīng)力變化量F點：孔隙水壓力變化量有效應(yīng)力變化量A點：總應(yīng)力變化量孔隙水壓力變化量有效應(yīng)力變化量承 壓 水 水 頭承 壓 含 水 層OFABD相 對 隔 水 層、潛 水 初 始 水 位、潛 水 含 水 層潛 水 下 降 后

8、 水 位水 位 下 降后 孔 隙 水初 始 孔 隙 水 壓 力 分 布壓 力 分 布孔隙水壓力變化量有效應(yīng)力變化量D點：總應(yīng)力變化量孔隙水壓力變化量有效應(yīng)力變化量潛水水位由O點下降到F點后各點應(yīng)力變化量B點：總應(yīng)力變化量n直觀起見，將各點自重狀態(tài)下地下水位下降前后總應(yīng)力、孔隙水壓力和有效應(yīng)力及其變化量列表如下：潛水水位下降前，各點自重狀態(tài)下的總應(yīng)力、孔隙水壓力和有效應(yīng)力潛水水位由O點下降到F點后，各點自重狀態(tài)下的總應(yīng)力、孔隙水壓力和有效應(yīng)力潛水位由O點下降到F點后，各點自重狀態(tài)下總應(yīng)力、孔隙水壓力和有效應(yīng)力的變化量目nnnnn錄0.引言1.潛水水位下降引起的地面沉降2.承壓水水頭降低引起的地面

9、沉降3.其他情況下的地面沉降4.結(jié)論2 承壓水水頭降低引起的地面沉降圖3n對于承壓含水層，如圖3所示，假定只開采該層承壓水，其它含水層水位或水頭不變，承壓水水頭大面積降低前后，各土層均達到穩(wěn)定滲流狀態(tài)。初始狀態(tài)各點應(yīng)力狀態(tài)初始狀態(tài)各點應(yīng)力狀態(tài)承壓水頭由O點下降到F點后各點應(yīng)力狀態(tài)承壓水頭由O點下降到F點后各點應(yīng)力狀態(tài)承壓水頭由O點下降到F點后各點應(yīng)力變化量承壓水頭由O點下降到F點后各點應(yīng)力變化量n經(jīng)分析計算后，各點自重狀態(tài)下總應(yīng)力、孔隙水壓力和有效應(yīng)力的變化量見表4：承壓水頭由O點下降到F點后，各點自重狀態(tài)下總應(yīng)力、孔隙水壓力和有效應(yīng)力的變化量目nnnnn錄0.引言1.潛水水位下降引起的地面沉

10、降2.承壓水水頭降低引起的地面沉降3.其他情況下的地面沉降4.結(jié)論3 其它情況下的地面沉降n3.1.2當(dāng)隔水底板為弱透水層其下為不透水基巖時，如圖4所示，潛水水位降低前后，達到穩(wěn)定滲流時，相對隔水層中的孔隙水壓力均呈靜水壓力分布。圖4潛水水位降低前后土層中孔隙水壓力變化示意圖n對比圖2和圖4可見，O、F、A點的總應(yīng)力、孔隙水壓力和有效應(yīng)力變化情況一致，B點不同。同樣經(jīng)計算，各點自重狀態(tài)下總應(yīng)力、孔隙水壓力和有效應(yīng)力的變化量見表5：n3.2承壓水頭降低到隔水頂板以下的情況如果承壓水頭降低較大，已經(jīng)低于隔水頂板，原來的承壓水變?yōu)閷娱g無壓水，此時可以分兩步考慮，承壓水頭由開始降低到隔水頂板按承壓水頭

11、降低考慮，其后按潛水水位下降考慮。最后將兩步算得的固結(jié)沉降量相加。n3.3承壓含水層隔水頂板或底板為絕對隔水層的情況由于承壓水頭降低時土層中的總自重應(yīng)力不變，而絕對隔水層中孔隙水壓力為0，因此絕對隔水頂板或底板中的有效自重應(yīng)力就是其總自重應(yīng)力，其值將不會發(fā)生變化，故而在絕對隔水頂板或底板中不會產(chǎn)生固結(jié)沉降。目nnnnn錄0.引言1.潛水水位下降引起的地面沉降2.承壓水水頭降低引起的地面沉降3.其他情況下的地面沉降4.結(jié)論4 結(jié)論n1) 潛水水位下降不影響原潛水水位以上的土層中的應(yīng)力分布；在原潛水水位以下的潛水含水層中引起有效自重應(yīng)力增加，產(chǎn)生土層固結(jié)沉降；多含水層達到穩(wěn)定滲流條件下，在其下的隔水層中，存在中性點C，在C點之上的土層中有效自重應(yīng)力增加，土層固結(jié)壓縮。在C點之下的土層中有效自重應(yīng)力減小，土層卸荷回彈；在更深處的土層中有效自重應(yīng)力減小，土層卸荷回彈；單一含水層條件下，在含水層和相對隔水層中，有效應(yīng)力增加，土層固結(jié)壓縮，絕對隔水層中有效應(yīng)力減小，巖土層卸荷回彈。地面沉降量為土層固結(jié)壓縮量與回彈量的差。4 結(jié)論4