地下水开采引起的地面沉降.pdf

1、地下水开采引起的地面沉降周载阳建设综合勘察研究设计院有限公司目 录n0.引言n1.潜水水位下降引起的地面沉降n2.承压水水头降低引起的地面沉降n3.其他情况下的地面沉降n4.结论目 录n0.引言n1.潜水水位下降引起的地面沉降n2.承压水水头降低引起的地面沉降n3.其他情况下的地面沉降n4.结论0引言n我国地面沉降最早发生于上世纪20年代的上海和天津地区，目前全国已有70多个城市发生了不同程度的地面沉降，沉降面积已达6.4万平方公里，沉降中心最大沉降量超过2米的有上海、天津、太原、西安等城市。过量抽取地下水是当前产生地面沉降最主要的原因之一，关于地下水位降低引起地面沉降的机理，目前学术界公认的

2、是由于地下水位降低，引起土中孔隙水压力降低，从而使土层的有效应力增加，进而产生固结变形。对于承压水容易理解，因为在承压含水层水头降低的过程中，土层中总应力保持不变，孔隙水压力减小，故而土层中有效应力增加。但对于潜水或层间无压水来说，问题就复杂得多，地下水位降低一方面引起土中孔隙水压力减小，另一方面也造成总应力减少，土层中有效应力是增是减则不能一概而论。n自然条件下，地下水往往是分层存在的，多层地下水的水头分布受地质条件及边界条件的影响和控制。稳定渗流条件下，在含水层中，孔隙水压力即压力水头呈静水压力分布，在两个含水层之间的弱透水层即相对隔水层中，孔隙水压力由其上下两个含水层的压力水头决定。根据

3、达西定律及水流连续原理，均质土层中孔隙水压力分布为线性。典型的孔隙水压力分布见图1。图1潜 水层 间 无 压 水承 压 水 头含 水 层相 对 隔 水 层含 水 层相 对 隔 水 层相 对 隔 水 层含 水 层0 很显然，随着地下水位或水头的变动，土层中的孔隙水压力会发生变化，当总应力不变时，其有效应力也会随之改变。地下水开采引起地下水位或水头下降，相关土层中孔隙水压力减小，当产生有效应力增加时，就会发生土层的固结变形，从而造成地面沉降。由于潜水水位和承压水水头变化影响的范围和内在机理不同，产生的后果亦有很大的差异，以下分别讨论。目 录n0.引言n1.潜水水位下降引起的地面沉降n2.承压水水头

4、降低引起的地面沉降n3.其他情况下的地面沉降n4.结论1 潜水水位下降引起的地面沉降潜水水位下降引起的地面沉降 图图2 n多含水层条件下，假定只开采潜水含水层，其它含水层水位或水头不变，潜水水位大面积下降前后，各土层均达到稳定渗流状态。潜水水位下降前，土中各点自重状态下的总应力、孔隙水压力和有效应力如下：初始状态各点应力状态潜 水 初 始 水 位承 压 水 水 头潜 水 含 水 层相 对 隔 水 层承 压 含 水 层潜 水 下 降 后 水 位OFABD、初 始 孔 隙 水 压 力 分 布水 位 下 降 后 孔 隙 水 压 力 分 布O点：总应力 ；孔隙水压力 有效应力为 F点：总应力 孔隙水压

5、力 有效应力 A点：总应力 孔隙水压力 有效应力 初始状态各点应力状态潜 水 初 始 水 位承 压 水 水 头潜 水 含 水 层相 对 隔 水 层承 压 含 水 层潜 水 下 降 后 水 位OFABD、初 始 孔 隙 水 压 力 分 布水 位 下 降 后 孔 隙 水 压 力 分 布 有效应力 D点：总应力 孔隙水压力 有效应力 B点：总应力 孔隙水压力 潜水水位由O点下降到F点后各点应力状态潜 水 初 始 水 位承 压 水 水 头潜 水 含 水 层相 对 隔 水 层承 压 含 水 层潜 水 下 降 后 水 位OFABD、初 始 孔 隙 水 压 力 分 布水 位 下 降 后 孔 隙 水 压 力

6、分 布O点：总应力 孔隙水压力 有效应力为 F点：总应力 孔隙水压力 有效应力 A点：总应力 孔隙水压力 有效应力 潜水水位由O点下降到F点后各点应力状态潜 水 初 始 水 位承 压 水 水 头潜 水 含 水 层相 对 隔 水 层承 压 含 水 层潜 水 下 降 后 水 位OFABD、初 始 孔 隙 水 压 力 分 布水 位 下 降 后 孔 隙 水 压 力 分 布 有效应力 D点：总应力 孔隙水压力 有效应力 B点：总应力 孔隙水压力 潜水水位由O点下降到F点后各点应力变化量潜 水 初 始 水 位承 压 水 水 头潜 水 含 水 层相 对 隔 水 层承 压 含 水 层潜 水 下 降 后 水 位

7、OFABD、初 始 孔 隙 水 压 力 分 布水 位 下 降 后 孔 隙 水 压 力 分 布 O点：总应力变化量 孔隙水压力变化量 有效应力变化量 F点：总应力变化量 式中：为潜水含水层的孔隙率；为潜水含水层的孔隙比；为潜水水位下降后，水位变动带的饱和度。潜水水位由O点下降到F点后各点应力变化量潜 水 初 始 水 位承 压 水 水 头潜 水 含 水 层相 对 隔 水 层承 压 含 水 层潜 水 下 降 后 水 位OFABD、初 始 孔 隙 水 压 力 分 布水 位 下 降 后 孔 隙 水 压 力 分 布 F点：孔隙水压力变化量 有效应力变化量 A点：总应力变化量孔隙水压力变化量 有效应力变化量

8、 潜水水位由O点下降到F点后各点应力变化量潜 水 初 始 水 位承 压 水 水 头潜 水 含 水 层相 对 隔 水 层承 压 含 水 层潜 水 下 降 后 水 位OFABD、初 始 孔 隙 水 压 力 分 布水 位 下 降 后 孔 隙 水 压 力 分 布 孔隙水压力变化量 有效应力变化量 D点：总应力变化量孔隙水压力变化量 有效应力变化量 B点：总应力变化量 n直观起见，将各点自重状态下地下水位下降前后总应力、孔隙水压力和有效应力及其变化量列表如下：潜水水位下降前，各点自重状态下的总应力、孔隙水压力和有效应力潜水水位由O点下降到F点后，各点自重状态下的总应力、孔隙水压力和有效应力潜水位由O点下

9、降到F点后，各点自重状态下总应力、孔隙水压力和有效应力的变化量 目 录n0.引言n1.潜水水位下降引起的地面沉降n2.承压水水头降低引起的地面沉降n3.其他情况下的地面沉降n4.结论2 承压水水头降低引起的地面沉降承压水水头降低引起的地面沉降 图图3n对于承压含水层，如图3所示，假定只开采该层承压水，其它含水层水位或水头不变，承压水水头大面积降低前后，各土层均达到稳定渗流状态。初始状态各点应力状态初始状态各点应力状态承压水头由O点下降到F点后各点应力状态承压水头由O点下降到F点后各点应力状态承压水头由O点下降到F点后各点应力变化量承压水头由O点下降到F点后各点应力变化量n经分析计算后，各点自重

10、状态下总应力、孔隙水压力和有效应力的变化量见表4：承压水头由O点下降到F点后，各点自重状态下总应力、孔隙水压力和有效应力的变化量目 录n0.引言n1.潜水水位下降引起的地面沉降n2.承压水水头降低引起的地面沉降n3.其他情况下的地面沉降n4.结论3 其它情况下的地面沉降其它情况下的地面沉降n3.1.2当隔水底板为弱透水层其下为不透水基岩时，如图4所示，潜水水位降低前后，达到稳定渗流时，相对隔水层中的孔隙水压力均呈静水压力分布。图4潜水水位降低前后土层中孔隙水压力变化示意图n对比图2和图4可见，O、F、A点的总应力、孔隙水压力和有效应力变化情况一致，B点不同。同样经计算，各点自重状态下总应力、孔

11、隙水压力和有效应力的变化量见表5：n3.2承压水头降低到隔水顶板以下的情况 如果承压水头降低较大，已经低于隔水顶板，原来的承压水变为层间无压水，此时可以分两步考虑，承压水头由开始降低到隔水顶板按承压水头降低考虑，其后按潜水水位下降考虑。最后将两步算得的固结沉降量相加。n3.3承压含水层隔水顶板或底板为绝对隔水层的情况 由于承压水头降低时土层中的总自重应力不变，而绝对隔水层中孔隙水压力为0，因此绝对隔水顶板或底板中的有效自重应力就是其总自重应力，其值将不会发生变化，故而在绝对隔水顶板或底板中不会产生固结沉降。目 录n0.引言n1.潜水水位下降引起的地面沉降n2.承压水水头降低引起的地面沉降n3.

12、其他情况下的地面沉降n4.结论4 结论结论n1)潜水水位下降不影响原潜水水位以上的土层中的应力分布；在原潜水水位以下的潜水含水层中引起有效自重应力增加，产生土层固结沉降；多含水层达到稳定渗流条件下，在其下的隔水层中，存在中性点C，在C点之上的土层中有效自重应力增加，土层固结压缩。在C点之下的土层中有效自重应力减小，土层卸荷回弹；在更深处的土层中有效自重应力减小，土层卸荷回弹；单一含水层条件下，在含水层和相对隔水层中，有效应力增加，土层固结压缩，绝对隔水层中有效应力减小，岩土层卸荷回弹。地面沉降量为土层固结压缩量与回弹量的差。4 结论结论4 结论结论n3)在达到稳定渗流条件下，承压水头降低只引起该承压水含水层及其隔水顶板和隔水底板土层中的有效自重应力增加，产生土层的固结压缩，对其它土层无影响。n4)由于无论是潜水水位下降还是承压水水头降低其引起的土中自重应力变化均为线性分布，因此多层含水层水位均发生变化时，在达到稳定渗流条件下，土中自重应力的变化可以线性叠加，产生的固结沉降也可以线性叠加。谢谢大家！