地面沉降的预测
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发布时间：2022-05-16 22:22
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时间：2023-09-13 17:33
20世纪70年代以前，地面沉降的预测预报工作处于探索阶段，主要是采用太沙基一维固结理论预测法及相关分析法来刻画开采量、回灌量、沉降量之间的关系。70年代以后，随着对地面沉降机理认识的深化及计算机的广泛应用，数学模型预测法开始用于地面沉降的预测预报工作。日本学者柴琦达雄等人（1976），开始将反映抽水引起地面沉降的准三维地下水流动模型和垂直二维多层模型运用于地面沉降的预测预报和地下水盆地管理中，以解决东京、千叶县等地因开采地下水引起的地面沉降问题（柴琦达雄，1982）。我国在80年代开始运用数学模型预测法进行地面沉降的预测预报工作。上海环境地质站、天津地质环境总站先后采用反映抽水引起地面沉降的三维地下水流动模型及垂向水流-沉降耦合模型，进行地面沉降的预测预报、调整开采层位和确定合理开采量等工作，均取得了很好的效果。下面将介绍主要的地面沉降预测预报方法。
1.太沙基一维固结理论预测法
在地面沉降预测预报中常用太沙基一维固结理论来对地层的沉降量进行预测，预测精度取决于地层的工程地质特征和选用的参数是否正确。一般来说，对次固结作用不明显的正常固结土预测精度较好，而对次固结作用明显的正常固结土或者欠固结土则预测误差较大。预测计算中，水位下降值（Δh）可由水位动态分析、非稳定流水位预报、数值法水位预报等方法给出；土力学计算参数采用从分层标观测获得的参数。计算公式如下。
（1）粘性土层计算公式
生态水文地质学
式中：S 为土层最终变形量（mm）；
aV为压缩系数，压缩时为aVC，回弹时为aVS （Pa-1 ）；
e为孔隙比；
ΔP为水位变化施加于土层上的荷载（Pa）；
M为计算的土层厚度（cm）；
Δh 为t1—t2 时刻含水层的水位变幅（m）；
γw为水的密度（g/cm3）。
生态水文地质学
式中：N=
St为t时刻土层变形量（mm）；
U为固结度（%）；
N为时间因数；
t为时间（月）；
h为双面排水时取土层厚度的一半，单面排水时取土层的全厚度（cm）；
CV为固结系数，压缩时为CVC，回弹时为CVS，（cm2/s）。
（2）含水层及超固结土计算公式
含水层及超固结土的变形基本与水位变化同步进行，无滞后效应，属弹性变形，可用下式计算
生态水文地质学
式中：S为土层的变形量（mm）；
E为土层的变形模量，压缩时为EC，回弹时为ES（Pa）。
2.数学模型预测法
在地面沉降定量预测预报中常用到数学模型预测法。开采孔隙承压含水系统过程中，既有地下水流的水平流动，也有粘性土层压密释出的水进入含水层的垂向流动，地下水的流动呈三维流动状态，为反映这一流动特征，通常使用三维地下水流动模型及垂向水流-沉降耦合模型。
1）三维地下水流动模型：
生态水文地质学
式中：SS为单位释水系数；Kx、Ky、Kz分别为x、y、z三个方向上的渗透系数；WS为源、汇项；H为含水层水头。
2）土层的总沉降量公式为：
生态水文地质学
式中：aV为压缩系数；P为水压值；P0为初始水压值。
三维地下水流动模型主要预测含水系统的水位变化，可采用有限单元法或有限差分法计算。首先，根据含水系统的含水层和粘性土层空间分布特征，将其概化成水文地质模型，按选定计算方法的要求，进行离散，在平面和剖面上剖分成若干个单元和节点；然后，根据地层的水文地质参数和工程地质参数分布特征，将单元相似的土层归并为同一参数组，构成参数分区。计算时，每个分区的参数（K、Ss）先根据抽水试验和土工试验数据给出，水位采用地下水长观网实测数据，通过不断调整参数（K、Ss），直到计算水位与实际水位基本相同为止；在此基础上，进行回灌、调整开采量、调整开采层位等不同条件下水位变化预测。
土层的沉降量计算利用直线相邻两节点有限单元模型进行，它把粘性土层（弱透水层）的垂向压缩与垂向水流耦合起来，上述三维地下水流动模型的预测水位作为一维粘性土柱模型的水压边界条件，该水压条件是随时间变化的。由于土层在压缩过程中土的水动力参数和力学参数是变量，因此，计算时还要不断地调整参数，使计算压缩量与实际压缩量达到最佳拟合。
三维地下水流动模型及垂向水流-沉降耦合模型计算工作量比较大，尤其是在模拟计算过程中，调参拟合工作量不仅较大，而且也较为繁琐。模拟计算精度和预测效果取决于水文地质概念模型、参数分区及取值对含水系统真实性的描述程度，仅这一点，就需要以大量深入细致的水文地质、工程地质基础工作和长期观测工作为依托。因此，这项工作的开展必须建立在扎实的水文地质、工程地质及长期观测工作的基础上，才能取得良好的效果。
