華北平原德州地面沉降成生機(jī)理、監(jiān)測(cè)預(yù)警與可控性研究.pdf

1、地下水開(kāi)采引發(fā)的地面沉降嚴(yán)重影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)，自上世紀(jì)50年代以來(lái)，地面沉降問(wèn)題作為一種緩變地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象越來(lái)越受到全世界的廣泛關(guān)注。地面沉降會(huì)對(duì)高速鐵路、城市環(huán)境及生態(tài)、生命線工程、建筑物及基礎(chǔ)設(shè)施等產(chǎn)生重大的不良影響。截至2011年12月，中國(guó)有90余個(gè)城市出現(xiàn)地面沉降，長(zhǎng)三角地區(qū)、華北平原和汾渭盆地已成重災(zāi)區(qū)，沉降面積達(dá)9萬(wàn)平方公里，并伴生了地裂縫災(zāi)害。在山東省范圍內(nèi)，地面沉降主要發(fā)生在魯北、魯西等深層地

2、下水開(kāi)采量較大、地表建筑較為集中的德州、濱州、東營(yíng)、濟(jì)寧、菏澤、濟(jì)南（部分）、淄博（部分）和濰坊（部分）等平原城市的中心城區(qū)和部分縣城城區(qū)。德州所在的魯北平原地面沉降存在發(fā)展空間大、發(fā)展趨勢(shì)強(qiáng)、地下流體采源深和影響因素復(fù)雜等特點(diǎn)，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水利設(shè)施、城市建設(shè)、高速公路、京滬高速鐵路建設(shè)和運(yùn)行等造成了一定的影響，已成為影響?hù)敱眳^(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。德州深層地下水最大開(kāi)采深度已達(dá)940m，是華北平原目前地下水開(kāi)采最深的層

3、位。德州市城區(qū)由于長(zhǎng)期超量開(kāi)采深層地下水，形成了區(qū)域性的深層地下水降落漏斗，地面沉降、（地下）咸水界面下侵、南移等地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題業(yè)已出現(xiàn)?，F(xiàn)在隨著德城區(qū)深層地下水位降漏斗深度與廣度的不斷加大，與周邊的滄州漏斗、衡水漏斗、文安-大成漏斗、天津漏斗、臨邑漏斗聯(lián)為一片，形成區(qū)域性復(fù)合式深層地下水位降落漏斗分布區(qū)，成為華北大漏斗的一部分。德州漏斗是華北平原最為典型的深層地下水降落漏斗之一。黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)、山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)部分地段、黃河

4、沿線、小清河以及一些重要工礦區(qū)也位于華北平原（山東部分）地面沉降區(qū)（或易發(fā)區(qū)）范圍內(nèi)，也是地面沉降重點(diǎn)防控區(qū);京滬高鐵、京滬高速公路、南水北調(diào)輸水工程縱貫魯北平原區(qū)，高鐵、水利、市政等建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)嚴(yán)格控制地面沉降量。德州市區(qū)（德城區(qū)為主）是魯北平原地面沉降出現(xiàn)最早、影響最大、最為嚴(yán)重的地區(qū)。本課題研究的目標(biāo)是以德城區(qū)為背景，綜合水文地質(zhì)、工程地質(zhì)學(xué)、地下水動(dòng)力學(xué)和巖土力學(xué)等學(xué)科，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)、理論研究、數(shù)值分析等手段，研究該區(qū)域

5、地下水流場(chǎng)時(shí)空動(dòng)態(tài)分布規(guī)律、地下水開(kāi)采引發(fā)的地面沉降成生發(fā)展演化的宏細(xì)觀機(jī)理及規(guī)律、基于層次分析法的可拓學(xué)易發(fā)性分區(qū)研究、三維流固全耦合本構(gòu)模型等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，研究具有一定創(chuàng)新性。并通過(guò)比較調(diào)整開(kāi)采量、開(kāi)采層位、開(kāi)采井布局等方案，為區(qū)域地面沉降的防治提供理論依據(jù)，提出可以經(jīng)濟(jì)、合理、高效的控制地面沉降的工程、非工程措施。
　　本次研究重點(diǎn)開(kāi)展了地面沉降調(diào)查、水文地質(zhì)鉆探、物探測(cè)井、抽水試驗(yàn)、巖土力學(xué)測(cè)試、地面沉降監(jiān)測(cè)（GPS測(cè)量、

6、二等水準(zhǔn)測(cè)量）、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、地面沉降預(yù)警預(yù)報(bào)模型建設(shè)和數(shù)值計(jì)算等工作，主要成果如下:
　　(1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆探進(jìn)行深部地層勘查，準(zhǔn)確確定研究區(qū)域的地層結(jié)構(gòu)分布，鉆孔全孔取芯，并對(duì)各地層取樣，對(duì)試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)定各地層的物理力學(xué)參數(shù)和水文地質(zhì)參數(shù);同時(shí)對(duì)關(guān)鍵壓縮層巖芯進(jìn)行電鏡掃描等測(cè)試，獲得該層位巖土體的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　(2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)及原有資料分析，建立地下水三維非穩(wěn)定流數(shù)值模型，預(yù)測(cè)地下水流場(chǎng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)分布

7、規(guī)律。
　　(3)利用地下水開(kāi)采動(dòng)態(tài)資料和地面沉降監(jiān)測(cè)資料，結(jié)合研究區(qū)域的水文地質(zhì)資料，以達(dá)西定律、Biot固結(jié)理論等為基礎(chǔ)，運(yùn)用COMSOLMultiphysies軟件，建立滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)相互耦合的三維地面沉降的預(yù)警預(yù)報(bào)數(shù)值模型。
　　(4)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值分析的結(jié)果，初步確定德州地區(qū)地下水開(kāi)采誘發(fā)地面沉降的規(guī)律。通過(guò)數(shù)值模擬試驗(yàn)，比較調(diào)整開(kāi)采量、開(kāi)采層位、開(kāi)采井布局和回灌地下水等方案對(duì)控制德州市地面

8、沉降作用效果，為德州市地面沉降的防治提供理論依據(jù)，并提出了可以經(jīng)濟(jì)、合理、高效的控制地面沉降的工程、非工程措施。
　　本次研究工作對(duì)德州市的地面沉降防治工程具有重要的理論和實(shí)際意義，不僅為區(qū)內(nèi)重大基礎(chǔ)工程的結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)固性提供技術(shù)依據(jù)，對(duì)于維護(hù)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義，對(duì)于德州市的城市規(guī)劃及建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義，對(duì)于山東省其他地區(qū)的地面沉降防治工作具有示范效應(yīng)，完善和推動(dòng)了地面沉降領(lǐng)域的理論發(fā)展和工程實(shí)踐應(yīng)用。研究成果可為