地面沉降机理
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发布时间：2022-05-16 16:30
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时间：2023-10-31 14:19
1.基本原理
孔隙承压含水系统由含水层和粘性土组成，天然条件下，深度为h处地层所受的总垂直应力P，等于上覆地层自重压力的总和，即：
生态水文地质学
式中：γi为土的密度，潜水位以上地层取土的天然密度，潜水位以下地层取土的饱和密度；Mi为土的单层厚，i为第几层，n为层数。
地层所受的总垂直应力，一部分由孔隙中的水承受，这部分相当于孔隙水压力（u），任意一点的孔隙水压力等于该点的侧压高度与水的密度之积；另一部分则由土的骨架所承受，称为有效应力（PZ）。这就是著名的太沙基（Terzaghl）有效应力原理。可用下式表示：
生态水文地质学
也可写为
生态水文地质学
解决开采地下水引起的地面沉降问题时，可采用太沙基有效应力原理及方程。未开采前孔隙承压含水系统中各地层的水头处于平衡状态，开采后，含水层的水头下降，同时也引起周围地层中的水头下降。水头下降降低了土层中的孔隙水压力，一部分原来由水所承担的上覆地层自重压力转嫁到土的骨架上，引起有效应力增加，使土层压密，产生地面沉降。在这一过程中，由于含水层和粘性土层在成分组成、结构、渗透性等方面存在很大差异，其产生的地面沉降过程及结果也不尽相同。
2.承压含水砂层释水压密产生的地面沉降
为简化讨论，我们设定比较简单的条件：开采前，承压含水层和潜水含水层的水头相等（均为H1），开采后，承压含水层水头下降了Δh，潜水位保持不变，如图11-1（a）所示。图11-1（b）中，横坐标表示图11-1（a）中各对应点的深度（曹文炳，1983）。
天然条件下，含水系统中各地层处于力平衡状态，开采承压水后，含水层的水位下降了Δh，孔隙水压力相应减少了Δu=γwΔh，原来由水所承担的一部分上覆地层自重压力转嫁到砂层的骨架上，有效应力相应增加了ΔPZ，此时新的平衡可用下式表示：
生态水文地质学
其中：ΔPZ=Δu=γwΔh
含水砂层是通过砂粒接触点承受应力，有效应力增加使砂粒排列紧密，孔隙度变小，含水砂层压缩，地面相应沉降。停采后，水位恢复，则孔隙水压力增加，砂层承受的有效应力降低，砂层的颗粒排列恢复，地面出现回弹。开采引起水位下降，由于砂层压密产生地面沉降，当水位恢复后，砂层回弹，沉降消除，故含水砂层释水压密引起的地面沉降是暂时的，具有可恢复性。在水位反复升降的条件下，砂层中颗粒趋于最紧密排列，这部分压密产生的沉降是不可恢复的，但这部分压密量占可恢复量中的比例很小。总的来说，抽水引起的砂层释水压密大部分属于弹性变形，具有可恢复的特点。
3.粘性土层释水压密产生的地面沉降
未抽水前，含水层及相邻粘性土层的水头处于平衡状态，抽水后，承压含水层的水头降低，粘性土与含水层之间产生水头差，在水力梯度作用下粘性土中的水向含水层释出，由于粘性土渗透性差，孔隙水释出缓慢，渗流开始发生在靠近抽水含水层一侧，滞后的向含水层另一侧发展。分别于t1、t2、t3、t4时刻，影响到a、b、c、d各点，土中不同时刻的水头分布见图11-1（b）。随着各点的水头降低，孔隙水压力减小，有效应力增加，土体压密，随之产生地面沉降。该模式反映粘性土一侧水位下降，引起粘性土释水压密产生地面沉降的情况。开采孔隙承压含水系统时，粘性土与其相邻含水层之间水头变化条件不同，释水压密状况也不相同。可分为三种类型。
第一种类型：粘性土一侧含水层水位下降，而另一侧含水层水位保持不变。这种类型在前面已讨论过。
第二种类型：开采前，粘性土两边含水层水头相等，为H1；开采后，两个含水层水位等幅下降了Δh，如图11-2所示。粘性土中的水分别向两侧的抽水含水层释出。这时，粘性土中孔隙水压力降低及土体压密过程，由粘性土层两侧滞后地区向粘性土中心部分扩展，处于双面排水状态，其释水压密速率比第一种类型快。
图11-1 开采地下水时土层的单面释水压密
图11-2 开采地下水时土层的双面释水压密（混合开采）
第三种类型：抽水前，粘性土两边含水层水头不相等；开采后，两个含水层水位等幅下降了Δh2，如图11-3所示。粘性土中的水分别向两侧的抽水含水层释出。孔隙水压力降低及土体压密，由粘性土层两侧滞后地向粘性土中心部分扩展，在水位较低的一侧释水压密量要大一些。
从上述粘性土释水压密基本过程可看出：①含水层抽水时，相邻粘性土层释水压密在时间上是滞后的，由近抽水一侧向远侧滞后发生；②粘性土层释水压密状况与两侧含水层水头下降形成的边界条件有关，在粘性土处于双面排水状态下，其释水压密量要比单面释水大；③粘性土释水压密造成的粘性土变形，在微观上体现为粘性土内部结构体之间的相对位移及结构体内部粘土矿物定向排列、旋转、滑移使孔隙度变小，这些变形大部分是不可逆的塑性变形，即使在水位恢复后，土层也不会回弹，所引起的地面沉降是永久的，无法消除。
从水资源的角度来看，含水层与粘性土层中释出的水均属于储存资源。含水层在水位恢复后，其释出的水可重新得到补充，属可恢复的储存资源。而从粘性土层中释出的水在水位恢复后，则不能得到补偿，属不可恢复的储存资源，取用这部分水是以地面沉降为代价的。一般来说，开采孔隙承压含水系统中的地下水，不可避免地会引起粘性土层释水压密，而出现地面沉降。采出的水量中，有相当一部分是粘性土中释出的水量，在过量开采条件下，粘性土释水量在开采量中所占的比例很大，同时也表现得相当严重。天津市地质环境监测总站曾对开采量与粘性土释水量之间的关系作过研究，结果表明，在1986年过量开采期间，开采量为9.251×107m3，其中36%为粘性土释水量，相应的地面沉降速率为62mm/a；在控制开采后的1994年，开采量为3.286×107m3，其中粘性土释水量占开采量的14%；年平均地面沉降速率为14mm/a；在粘性土层厚、含水层薄的第三含水组中，粘性土释水量占开采量的比例最高，可达36%～95%。
图11-3 开采地下水时土层的双面释水压密（分层开采）
