華北平原德州地面沉降成生機理、監(jiān)測預(yù)警與可控性研究.pdf

1、地下水開采引發(fā)的地面沉降嚴(yán)重影響區(qū)域經(jīng)濟、社會的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)，自上世紀(jì)50年代以來，地面沉降問題作為一種緩變地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象越來越受到全世界的廣泛關(guān)注。地面沉降會對高速鐵路、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，中國有90余個城市出現(xiàn)地面沉降，長三角地區(qū)、華北平原和汾渭盆地已成重災(zāi)區(qū)，沉降面積達9萬平方公里，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、下水開采量較大、地表建筑較為集中的德州、濱州、東營、濟寧、菏澤、濟南（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)展趨勢強、地下流體采源深和影響因素復(fù)雜等特點，對工農(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)和運行等造成了一定的影響，已成為影響魯北區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。德州深層地下水最大開采深度已達940m，是華北平原目前地下水開采最深的層

3、位。德州市城區(qū)由于長期超量開采深層地下水，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)濟區(qū)、山東半島藍(lán)色經(jīng)濟區(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)、地下水動力學(xué)和巖土力學(xué)等學(xué)科，通過現(xiàn)場監(jiān)測、室內(nèi)試驗、理論研究、數(shù)值分析等手段，研究該區(qū)域

5、地下水流場時空動態(tài)分布規(guī)律、地下水開采引發(fā)的地面沉降成生發(fā)展演化的宏細(xì)觀機理及規(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)問題，研究具有一定創(chuàng)新性。并通過比較調(diào)整開采量、開采層位、開采井布局等方案，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、合理、高效的控制地面沉降的工程、非工程措施。
　　本次研究重點開展了地面沉降調(diào)查、水文地質(zhì)鉆探、物探測井、抽水試驗、巖土力學(xué)測試、地面沉降監(jiān)測（GPS測量、

6、二等水準(zhǔn)測量）、地下水動態(tài)監(jiān)測、地面沉降預(yù)警預(yù)報模型建設(shè)和數(shù)值計算等工作，主要成果如下:
　　(1)通過現(xiàn)場鉆探進行深部地層勘查，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，并對各地層取樣，對試樣進行室內(nèi)試驗，測定各地層的物理力學(xué)參數(shù)和水文地質(zhì)參數(shù);同時對關(guān)鍵壓縮層巖芯進行電鏡掃描等測試，獲得該層位巖土體的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　(2)通過現(xiàn)場抽水試驗及原有資料分析，建立地下水三維非穩(wěn)定流數(shù)值模型，預(yù)測地下水流場的時空動態(tài)分布

7、規(guī)律。
　　(3)利用地下水開采動態(tài)資料和地面沉降監(jiān)測資料，結(jié)合研究區(qū)域的水文地質(zhì)資料，以達西定律、Biot固結(jié)理論等為基礎(chǔ)，運用COMSOLMultiphysies軟件，建立滲流場和應(yīng)力場相互耦合的三維地面沉降的預(yù)警預(yù)報數(shù)值模型。
　　(4)根據(jù)現(xiàn)場實驗、室內(nèi)試驗、理論分析、數(shù)值分析的結(jié)果，初步確定德州地區(qū)地下水開采誘發(fā)地面沉降的規(guī)律。通過數(shù)值模擬試驗，比較調(diào)整開采量、開采層位、開采井布局和回灌地下水等方案對控制德州市地面

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、合理、高效的控制地面沉降的工程、非工程措施。
　　本次研究工作對德州市的地面沉降防治工程具有重要的理論和實際意義，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)，對于維護人民群眾生命財產(chǎn)安全具有重要意義，對于德州市的城市規(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)，完善和推動了地面沉降領(lǐng)域的理論發(fā)展和工程實踐應(yīng)用。研究成果可為