地下水开采引起的地面沉降

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

B
孔隙水压力 有效应力
、 承 压 含 水 层
D
初始状态各点应力状态
O
潜 水 初 始 水 位 、 、
B点:总应力
孔隙水压力
有效应力 D点:总应力
潜 水 含 水 层
F A
潜 水 下 降 后 水 位
水 位 下 降 后 孔 隙 水 压 力 分 布
初 始 孔 隙 水 压 力 分 布
孔隙水压力
有效应力
相 对 隔 水 层 承 压 水 水 头 、
0引言

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。
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



0.引言
1.潜水水位下降引起的地面沉降 2.承压水水头降低引起的地面沉降 3.其他情况下的地面沉降 4.结论



0.引言
1.潜水水位下降引起的地面沉降 2.承压水水头降低引起的地面沉降 3.其他情况下的地面沉降 4.结论
O
潜 水 初 始 水 位 、 、
有效应力变化量
潜 水 含 水 层
F A
潜 水 下 降 后 水 位
水 位 下 降 后 孔 隙 水 压 力 分 布
初 始 孔 隙 水 压 力 分 布
相 对 隔 水 层 承 压 水 水 头 、
A点:总应力变化量
B
孔隙水压力变化量
、 承 压 含 水 层
有效应力变化量
D
潜水水位由O点下降到F点后各点应力变化量
孔隙水压力
0 ∆ℎ������w ������1 ������w ������B0w ������D0w
有效应力
������O0
′ ������O0 + ∆ℎ������1 ′ ������O0 + ������1 ������1
������O0 + ������1 ������1sat + ������2 ������2sat − ������B0w ������O0 + ������1 γ1sat + ������2 γ2sat + ������3 γ3sat − ������D0w
注:表中������������ 为第 i 土层的天然湿重度。
潜水位由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
潜水水位下降后土中各点应力变化量
点号
O F A B D
表3
有效应力变化量∆������ ′
0 ∆ℎ ∙ ∆ℎ ∙ ������r ∙ ������ + 1 ∙ ������w 1 + ������ ������r ∙ ������ + 1 ∙ ������w 1 + ������
总应力变化量∆������
0 −∆ℎ ∙ ������ ∙ (1 − ������r ) ∙ ������w −∆ℎ ∙ ������ ∙ 1 − ������r ∙ ������w −∆ℎ ∙ ������ ∙ 1 − ������r ∙ ������w −∆ℎ ∙ ������ ∙ 1 − ������r ∙ ������w
B
、 承 压 含 水 层
D
潜水水位由O点下降到F点后各点应力状态
O点:总应力
O
潜 水 初 始 水 位 、 、
孔隙水压力 有效应力为 F点:总应力
潜 水 含 水 层
F A
潜 水 下 降 后 水 位
水 位 下 降 后 孔 隙 水 压 力 分 布
初 始 孔 隙 水 压 力 分 布
孔隙水压力 有效应力 A点:总应力



0.引言
1.潜水水位下降引起的地面沉降 2.承压水水头降低引起的地面沉降 3.其他情况下的地面沉降 4.结论
1 潜水水位下降引起的地面沉降
图2
O
潜 水 初 始 水 位 潜 水 含 水 层 r1、 E 1 、 e 潜 水 下 降 后 水 位 水 位 下 降 后 孔 隙 水 压 力 分 布
进一步分析还可得出如下结论: 1)在 O 点至 F 点之间即潜水水位变动带,土层中总自重应力减小, 减小的数值呈线性分布且由 O 点至 F 点在 0~∆ℎ ∙ ������ ∙ 1 − ������r ∙ ������w 之间变动; 其有效自重应力增加,增加的数值呈线性分布且由 O 点至 F 点在 0~ ∆ℎ ∙
孔隙水压力变化量∆������w
0 −∆ℎ ∙ ������w −∆ℎ ∙ ������w 0 0
−∆ℎ ∙ ������ ∙ 1 − ������r ∙ ������w −∆ℎ ∙ ������ ∙ 1 − ������r ∙ ������w
注:表中������r 为水位下降后潜水含水层水位变动带的饱和度;������为潜水含水层的孔隙率;������为潜水含水层的孔 隙比。
再看一下有效应力的变化,O 点的有效应力不变;F 点和 A 点的 有效应力增加,需要注意的是增加量不是 ∆ℎ ∙ ������w 而是∆ℎ ∙
������r ∙������ +1 1+������

������w ;B 点和 D 点的有效应力减少,减少量为∆ℎ ∙ ������ ∙ 1 − ������r ∙ ������w 。
水 位 下 降 后 孔 隙 水 压 力 分 布
初 始 孔 隙 水 压 力 分 布
相 对 隔 水 层 承 压 水 水 头 、
B
式中:
、 承 压 含 水 层
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。
D
潜水水位由O点下降到F点后各点应力变化量
F点:孔隙水压力变化量
注:表中∆ℎ为水位下降高度; ������w 为水的重度;������������sat 为第 i 土层的饱和重度;������������′ 为第 i 土层的浮重度。
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
潜水水位下降后土中各点自重状态下的总应力、孔隙水压力和有效应力

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。
孔隙水压力
0 0 (������1 − ∆ℎ)������w ������B0w ������D0w
有效应力
������O0 ������O0 + ∆ℎ������1 ������O0 + ∆ℎ������1 + ������1 − ∆ℎ ������1sat − (������1 − ∆ℎ)������w ������O0 + ∆ℎ������1 + (������1 − ∆ℎ)������1sat + ������2 ������2sat − ������B0w ������O0 + ∆ℎ������1 + (������1 − ∆ℎ)������1sat + ������2 ������2sat + ������3 ������3sat − ������D0w
初始状态各点应力状态
O点:总应力
O
潜 水 初 始 水 位 、 、

孔隙水压力 有效应力为 F点:总应力
潜 水 含 水 层
F A
潜 水 下 降 后 水 位
水 位 下 降 后 孔 隙 水 压 力 分 布
初 始 孔 隙 水 压 力 分 布
孔隙水压力 有效应力 A点:总应力
相 对 隔 水 层 承 压 水 水 头 、
有效应力变化量
D

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 表 1
Hale Waihona Puke Baidu点号
O F A B D
总应力
������O0 ������O0 + ∆ℎ������1sat ������O0 + ������1 ������1sat ������O0 + ������1 ������1sat + ������2 ������2sat ������O0 + ������1 γ1sat + ������2 ������2sat + ������3 ������3sat
点号
O F A B D
表2
总应力
������O0 ������O0 + ∆ℎ������1 ������O0 + ∆ℎ������1 + (������1 − ∆ℎ)������1sat ������O0 + ∆ℎ������1 + (������1 − ∆ℎ)������1sat + ������2 ������2sat ������O0 + ∆ℎ������1 + (������1 − ∆ℎ)������1sat + ������2 ������2sat + ������3 ������3sat
图1
潜 水 含 水 层
相 对 隔 水 层
0
层 间 无 压 水
含 水 层
承 压 水 头 相 对 隔 水 层
含 水 层
相 对 隔 水 层
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。
B点:总应力变化量
O
潜 水 初 始 水 位 、 、
潜 水 含 水 层
孔隙水压力变化量
有效应力变化量
F A
潜 水 下 降 后 水 位
水 位 下 降 后 孔 隙 水 压 力 分 布
初 始 孔 隙 水 压 力 分 布
相 对 隔 水 层 承 压 水 水 头 、
D点:总应力变化量
B
孔隙水压力变化量
、 承 压 含 水 层
H2
H1
h
F A
承 压 水 水 头
相 对 隔 水 层 r 2、E 2
初 始 孔 隙 水 压 力 分 布
B
H3
r 3、 E 3
承 压 含 水 层
D

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 力见表1:
初 始 孔 隙 水 压 力 分 布
孔隙水压力
有效应力
相 对 隔 水 层 承 压 水 水 头 、
B
、 承 压 含 水 层
D
潜水水位由O点下降到F点后各点应力变化量
O
潜 水 初 始 水 位 、 、
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
潜 水 含 水 层
F A
潜 水 下 降 后 水 位
������r ∙������ +1 1+������
∙ ������w 之间变动;
2) 在 F 点至 A 点之间,即潜水水位变动带以下的潜水含水层中,土 层中总自重应力减小, 减小的数值为定值∆ℎ ∙ ������ ∙ 1 − ������r ∙ ������w ; 其有效自重 应力增加,增加的数值为定值∆ℎ ∙
相 对 隔 水 层 承 压 水 水 头 、
B
孔隙水压力 有效应力
、 承 压 含 水 层
D
潜水水位由O点下降到F点后各点应力状态
O
潜 水 初 始 水 位 、 、
B点:总应力
孔隙水压力
有效应力 D点:总应力
潜 水 含 水 层
F A
潜 水 下 降 后 水 位
水 位 下 降 后 孔 隙 水 压 力 分 布
现在我们进行详细的分析。先来看一下总应力的变化,由表 3 可见, 潜水水位降低后,除 O 点保持不变外,A、B、D、F 各点的总应力均减小, 且减小量相等,为∆ℎ ∙ ������ ∙ 1 − ������r ∙ ������w ,这正是潜水水位下降∆ℎ时含水层 单位面积内排出的地下水重量,������ ∙ 1 − ������r 即为潜水含水层的给水度。
相关文档
最新文档