地下水开采引起的地面沉降
合集下载
相关主题
- 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、"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、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
目
录
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
目
录
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
目
录
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。