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XX城地面沉降特征与机理分析及数值模拟研究

作　者: 雷宏武
导　师: 唐仲华
学　校: 中国地质大学
专　业: 地下水科学与工程
关键词: 地面沉降特征与机理地下水开采-地面沉降模型数值模拟
分类号: P642.26
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着高速的经济发展和大规模的城市建设,城市环境地质问题日益突出,并成为大众关注的焦点。作为环境地质问题之一的地面沉降,由于其持久性、大规模性、大破坏性和难治理而成为重点关注的焦点。因此,系统总结地而沉降特征,深入分析地面沉降的机理和原因,定量评价各因素对地面沉降的影响,对于制定合理的防范措施,控制地面沉降的发展,促进经济的可持续发展意义重大。XX城地面沉降开始于20世纪60年代,由于当时地下水大量开采导致地面沉降快速发展。在1984年建立沉降标房开始监测各个层位的地下水和地面沉降之后,地下水开采得到有效的监测和控制。虽然XX城对地面沉降给予了高度的关注和积极的研究,但是以往工作都局限于地下水和地面沉降监测,对地而沉降特征、机理和原因缺乏系统的分析和研究。本文在了解研究区自然、地理条件、区域地质条件和工程水文地质条件的基础之上,结合研究区地面沉降历史,对研究区地面沉降的特征和机理进行详细分析,建立了研究区地下水开采-地面沉降模型,并初步应用数值模拟技术对地面沉降进行了定量评价,主要研究结论：1.XX城平原在白垩系向斜盆地上堆积形成的,在陆相冲洪积作用和海相的多次海侵作用下形成了平均厚度为100米左右海陆交错的复杂第四系,由西南到东北厚度逐渐增大。根据地层的水力性质,第四系包含两个含水层：第Ⅰ含水层和第Ⅱ含水层,第Ⅰ含水层顶板埋深在50米左右,平均厚度为13米,第Ⅱ含水层顶板埋深在75米左右,平均厚度为10米。根据地层的变形力学性质,第四系可以分为六层：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。2.根据收集到的钻孔资料以及剖面信息,基于GMS软件采用TIN法建立了研究区含水层三维结构和岩性三维模型。通过三维模型可以看出：第Ⅰ含水层上部覆盖整个平原,第Ⅰ含水层下部以及第Ⅱ含水层在西南缺失；第Ⅰ含水层和第Ⅱ含水层岩性存在分带性,分带方向分别为西南-东北和西北-东南。3.研究区地下水漏斗面积从1983年到2008年整体趋势是减小的,漏斗中心主要在JD北段HF纱厂、JD南段WX纱厂和XM城区RF纱厂。2000年以前地面沉降漏斗和水位漏斗基本一致,反映地面沉降主要为地下水开采引起,2000以后开采漏斗和地面沉降漏斗发生偏移,东南、西南出现局部地面沉降漏斗,反映工程型地面沉降。4.地面沉降中心沉降量到2008年12月总沉降量达到258.5mm(相对1984.3),其中第一软土组、第二软硬层和第Ⅰ含水层为主要沉降层,比例分别占到67%、12%和11%,合计90%。5.各层土体变形特征存在差异,主要有弹性、塑性和弹塑性三种形式：整体上第Ⅱ含水层和第一硬土层为弹性变形,第四硬土层、第Ⅰ含水层和第二软硬层为弹塑性变形,第一软土组为塑性变形；弹塑性变形没有表现出考虑前期固结压力的非线性变形特征,而是表现出“之”字形态特征；土体变形特征表现出阶段性,第四硬土层、第Ⅰ含水层和第二软硬层分为两阶段：①1995年以前弹塑性变形②1995以后弹性变形；第一软土组整体上也分为两个阶段：①1997年以前缓慢变形②1997年以后快速变形；整体变形能力上第一软土组>第二软硬层>第硬土层>第四硬土层>第Ⅰ含水层>第Ⅱ含水层。6.地面沉降原因内因主要为土体性质,外因为地下水开采和地表动静荷载。第一软土组为欠固结土,极易沉降；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),地表动静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地表动静荷载双重影响。1984年到2008年地下水开采导致的地面沉降比例从92%逐渐减小到70%,地表动静荷载导致的地面沉降从9%逐渐增加到30%。7.基于地下水和地而沉降动态数据进行了弱透水层参数反求的解析研究,利用复函数分离变量法推导出弱透水层中水位和地面沉降的解析解,并反求出第四硬土层、第二软硬层和第一硬土层中的压力传播系数,分别为10 m2/month、3m2/month和400m2/month。8.根据前面的分析结果建立了重点区域的地下水开采-地面沉降耦合模型,并通过自编的程序初步计算了地下水水位和地面沉降,从一定程度上反映了前面的认识,为以后建立更为准确可靠的模型提供参考。

XX城地面沉降特征与机理分析及数值模拟研究

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