基于参数时变性的地面沉降演化及非工程控沉研究

作     者：张少鹏 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：贾超

授予年度：2021年

学科分类：081803[工学-地质工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

主      题：地下水开采 地面沉降 参数时变性 数值模拟分析 沉降时空演化 非工程控沉 

摘      要：近年来,地面沉降及其次生灾害给社会经济发展带来了巨大的损失。地面沉降的发生是由于土壤颗粒的不断运动和重组引起的。由于地层结构的复杂性和地面沉降过程的多变性,土体参数随压缩变形而动态变化。同时,地下水开采与地质灾害之间一直存在矛盾。如何同时保持地面沉降的速率在一定控制允许范围内的前提下,又可以满足地下水资源的可利用性和可控性,是一个非常关键的问题。基于对以上问题的考虑,本文详细分析了土体固结压缩过程中各物性参数的变化规律,构建了基于参数时变性的地面沉降数值计算模型,以山东省菏泽市牡丹区地面沉降为背景,开展了对该地区地面沉降发展趋势预测及非工程控沉措施的适宜性研究。本文的主要工作和结论如下:1.详细分析了地面沉降发展过程中土层各物性参数的变化趋势特征,构建了考虑参数动态变化规律的沉降计算模型,分析了在考虑参数动态变化前后的地面沉降发展趋势和物性参数的动态演化。可以发现,考虑物性参数动态变化时的最大沉降量大于未考虑时的情况,在停采后,后者会立即发生回弹现象,而前者则出现了短暂的沉降滞后现象。忽略物性参数动态变化产生的计算差距在沉降初期较小,中后期较大。2.收集整理了牡丹区水文地质、工程地质和钻孔资料,结合研究区地下水开采信息、地下水流场和地面沉降监测数据等资料,系统地总结分析了该地区地面沉降灾害的现状特征。可以发现,牡丹区地面沉降量正在逐年增加,有构成一个大型区域性地面沉降漏斗的趋势。3.综合运用了多学科交叉知识,考虑地层各参数的动态变化规律,基于合理的计算方法建立和验证了牡丹区地下水与地面沉降三维数值模型,并分别对保持现状地下水开采、规划分批次停采地下水及减小地下水开采量等不同开采工况下地面沉降的演化趋势做出了预测分析。如果保持地下水开采量不变,2029年时的最大地面沉降量约为2019年时的3.4倍。随着地下水开采井逐步封停,到2027年时累积地面沉降量减小到了 182.14mm,整个研究区沉降漏斗面积也有所缩小,并出现反弹的趋势。当减采量超过10%时,其沉降受灾区域面积减小的幅度明显增加。4.通过模拟预测大区域尺度下地面沉降的时空动态演化过程,量化了非工程控沉措施对地面沉降的影响程度,从累计沉降量和沉降量圈闭线面积两个角度评估控沉措施的效果,论证了较适宜的非工程控沉措施。结果表明,地面沉降并不随地下水开采量的减小而线性减缓。随着开采量的减小,沉降漏斗处累积地面沉降量均显著减小,但随着开采量的继续减小,累积地面沉降量的减小趋势逐渐减缓。考虑到牡丹区的实际用水需求,地下水减采量处于10%～30%时,地面沉降量减小量最为显著,对减缓地面沉降灾害效果也较适宜。