上海地面沉降模型研究及存在問(wèn)題

上海地面沉降模型研究及存在問(wèn)題中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地面沉降研究中心二OO二年五月九日十九世紀(jì)初的外灘今天的外灘上海地面沉降的顯著表現(xiàn)防汛墻位置：1920年4.7米、1956年*、1962年5.2米、1974年5.8米、1992年6.9米。潮位的位置：高潮位5.72米、平均高潮位3.12米、平均低潮位1.28米?，F(xiàn)在的馬路路面標(biāo)高：2.77米。地面沉降主要變化階段根據(jù)上海地面沉降發(fā)展速率和變化趨勢(shì)，主要經(jīng)歷了四個(gè)階段其中，尤以1957-1961年沉降量為最大，年平均沉降量達(dá)110毫米注：國(guó)內(nèi)外較多使用準(zhǔn)三維水流—一維耦合沉降計(jì)算模型1.水文地質(zhì)、工程地質(zhì)概念模型（1）水文地質(zhì)模型概化根據(jù)上海地區(qū)地層巖性、時(shí)代、分布規(guī)律以及地下水動(dòng)態(tài)特征，可以將含水層系統(tǒng)概化為非均質(zhì)多層結(jié)構(gòu)（六個(gè)含水層及其間的隔水層或弱透水層），地下水流概化為服從達(dá)西定律且為非穩(wěn)定的一維垂向滲流和二維平面滲流（即準(zhǔn)三維流）。（2）一維土層變形模型概化研究以地下水動(dòng)力條件改變引起土層有效應(yīng)力的改變而造成土層變形為目的，并只考慮主固結(jié)沉降，即符合太沙基理論。二、準(zhǔn)三維水流——一維耦合沉降計(jì)算模型、

及上海市地下水可開(kāi)采資源量計(jì)算的主要內(nèi)容（3）.水流—沉降（回彈）耦合模型當(dāng)孔隙壓力改變引起飽和土層釋水（吸水），從而導(dǎo)致土層壓密（回彈）變形，并且土層變形與釋水（吸水）是同時(shí)發(fā)生，亦具有耦合性。（4）．計(jì)算區(qū)邊界概化本次計(jì)算區(qū)范圍為上海市，故以本市自然邊界作為計(jì)算區(qū)邊界的基礎(chǔ)。2.數(shù)學(xué)模型3.模型離散a.平面離散及參數(shù)分區(qū)對(duì)六個(gè)含水層（其中1個(gè)潛水含水層，五個(gè)承壓含水層）作點(diǎn)面相同剖分，每層為859個(gè)結(jié)點(diǎn)，1621個(gè)面元。根據(jù)各采灌水量、水位、分層標(biāo)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布狀況進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并考慮各層的厚度、富水性、導(dǎo)水性和埋藏條件進(jìn)行參數(shù)分區(qū)。b.時(shí)間離散根據(jù)上海地區(qū)采、灌水量資料是以月為統(tǒng)計(jì)單位的，水位動(dòng)態(tài)變化大部分具有明顯的周期性，預(yù)測(cè)期和檢驗(yàn)期同樣以每月為1個(gè)時(shí)段。4.邊界條件a.邊界條件模擬期間（1961年~1998年）取為第一類(lèi)邊界。利用在計(jì)算區(qū)邊界附近的水位觀測(cè)孔確定整個(gè)模擬期間的邊界水位值，對(duì)于邊界結(jié)點(diǎn)無(wú)觀測(cè)孔的則進(jìn)行差值。第五承壓含水層南邊由于含水層缺失，取為隔水邊界（即第二類(lèi)邊界=0），其余北、東、西為１類(lèi)水位邊界。在檢驗(yàn)期和各方案預(yù)測(cè)期采用第二類(lèi)邊界，其值選用模擬期的第一類(lèi)邊界計(jì)算出邊界各結(jié)點(diǎn)的流量統(tǒng)計(jì)值并進(jìn)行適當(dāng)修正。b．源匯項(xiàng)處理源匯項(xiàng)抽水量、回灌量是根據(jù)各開(kāi)采、回灌井的位置按三角形面積比例分配在生產(chǎn)井所在單元的三個(gè)結(jié)點(diǎn)上，對(duì)于彈性釋?zhuān)ㄎ┧考霸搅鲄^(qū)的越流量者直接賦給其所在結(jié)點(diǎn)上。5.沉降模型離散各粘土層平面上分為9個(gè)區(qū)同水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)不同。第一、二、三軟土層、第二硬土層又根據(jù)各層的厚度、巖性、物理力學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行垂向分段,第一、二、三軟土層分別為２、３、２段，第二硬土層為１段。為了刻劃粘土層內(nèi)孔隙壓力的變化，提高計(jì)算精度，每個(gè)參數(shù)段又分為數(shù)個(gè)小段，第３軟土層以下地層，第二~五含水層及其間的隔水層由于受觀測(cè)資料所限，每層作為一整體考慮，不分段。單位：水位孔（米）；分層標(biāo)（毫米）特別指出：對(duì)上海地區(qū)在擬合、檢驗(yàn)期的所有觀測(cè)資料，包括地下水位、孔隙水和分層標(biāo)全部參于模型擬合，不是進(jìn)行人為的刪選，對(duì)個(gè)別異常擬合點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)的解釋。擬合誤差綜合統(tǒng)計(jì)表6.計(jì)算結(jié)果第2~5含水層擬合曲線(xiàn)F1分層標(biāo)擬合曲線(xiàn)水文參數(shù)變化初探n≈(0.12975n02+0.080249n0+0.79)n0

7.地下水可開(kāi)采量預(yù)測(cè)

a.第二類(lèi)邊界條件下的可開(kāi)采量計(jì)算值

根據(jù)本市以往歷年采、灌條件及地面沉降控制要求，水資源計(jì)算應(yīng)考慮水位及沉降控制條件下的可開(kāi)采資源，根據(jù)控制條件，由程序按水動(dòng)力條件，自動(dòng)選擇最優(yōu)開(kāi)采布局，計(jì)算可開(kāi)采量。在上述開(kāi)采條件下，到2020年地面總沉降量將控制在250mm左右。地下水可開(kāi)采資源量單位：米3/年立體顯示圖在上述開(kāi)采條件下，到2020年地面總沉降量將控制在250mm以?xún)?nèi)的全市等值線(xiàn)圖8.各期地下水可開(kāi)采資源對(duì)比上海市各承壓含水層地下水可開(kāi)采量的計(jì)算，自1987年以來(lái)一直在進(jìn)行計(jì)算論證，并不斷改進(jìn)研究方法，其主要成果見(jiàn)下表。

各階段水資源計(jì)算值不斷減少至少說(shuō)明三個(gè)問(wèn)題

（1）控制條件的不同，結(jié)果也不同

（2）含水層的富水性在不斷的變化，開(kāi)采—回灌—開(kāi)采導(dǎo)致富水性不斷變差

（3）如再不有效地控制開(kāi)采地下水，地面沉降量將不斷加大單位：（億米3／年）三、模型研究中有待解決的問(wèn)題1.邊界條件的假設(shè)和處理此問(wèn)題在預(yù)測(cè)時(shí)顯得特別重要a.模型模擬時(shí)，邊界條件可以處理，而當(dāng)用于預(yù)測(cè)時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，如：選擇第一類(lèi)邊界明顯不合適；選擇第二類(lèi)邊界其補(bǔ)給量的保證程度評(píng)定；選擇可移動(dòng)邊界受區(qū)域資料限制等。b.懸河問(wèn)題，如上海的黃浦江、蘇州河、淀山湖等大型河流，它們的水位經(jīng)常高出地面，其對(duì)周?chē)拖虏康臐B透、滲漏如何考慮。c.地面頂部邊界，下雨與蒸發(fā)2.建立完整的三維模型，資料數(shù)據(jù)需求量相當(dāng)大，如何在現(xiàn)有條件下，補(bǔ)充最小的工作量，使研究得以進(jìn)行，并在開(kāi)采水量與沉降模型中考慮以下問(wèn)題：土的自然固結(jié)，流變淺部軟土層更應(yīng)考慮工程建設(shè)（點(diǎn)、線(xiàn)、區(qū)狀）影響效應(yīng)，特別是長(zhǎng)期載荷效應(yīng)跨黃浦江大橋水準(zhǔn)點(diǎn)沉降曲線(xiàn)點(diǎn)狀問(wèn)題線(xiàn)狀問(wèn)題小區(qū)開(kāi)發(fā)的沉降問(wèn)題區(qū)狀問(wèn)題3.土的彈性、彈塑性、塑性變形、滯后效應(yīng)及蠕變上海地區(qū)深部土層，根據(jù)近十年的資料已明顯反映該現(xiàn)象淺部軟土層塑性變形中部第二、三含水層彈性變形特征明顯調(diào)整開(kāi)采層次后，使深部第四、五含水層產(chǎn)生塑性變形特征明顯東部西部市區(qū)地下水受區(qū)域開(kāi)采影響，依然在持續(xù)下降近幾年略有回升，但土層壓密依然嚴(yán)重2.減少開(kāi)采地下水是控制地面沉降的有效手段，而地下回灌只能起到緩解的作用近幾十年上海市區(qū)的回灌量已大于開(kāi)采量，而效果只在50%左右，說(shuō)明殘余變形量非常大。華漕衛(wèi)生院F14分層變形曲線(xiàn)綜合作用影響地面沉降1.工程建設(shè)影響，主要是建成后的淺部軟土層壓密，滯后效應(yīng)及蠕變延續(xù)時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，且其總沉降量也相當(dāng)大2.深部地下水開(kāi)采引起土層壓密3.土的彈性—彈塑性—塑性變形現(xiàn)象明顯1.在國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)資料中沒(méi)有工程建設(shè)、建筑物以及地下水開(kāi)采對(duì)地面沉降的模型研究

2.建筑物在建設(shè)過(guò)程中和建設(shè)后可以計(jì)算相對(duì)沉降量，但長(zhǎng)期的載荷作用應(yīng)對(duì)地面沉降有一定的貢獻(xiàn)

3.上海在對(duì)大量資料的統(tǒng)計(jì)后，認(rèn)為工程建設(shè)后產(chǎn)生的地面沉降占地面總沉降量的30%左右，但這僅是統(tǒng)計(jì)后的結(jié)果。如何處理好地下水開(kāi)采、工程建設(shè)和地面沉降三者關(guān)系，并用數(shù)學(xué)關(guān)系將其確切表達(dá)是城市地面沉降研究和控沉管理的重大問(wèn)題管理部門(mén)應(yīng)注重科研部門(mén)提出的控制開(kāi)采方案，嚴(yán)格依法加強(qiáng)管理（上海已建立了比較完整的地方法律、規(guī)定）采取措施，切實(shí)落實(shí)地下水開(kāi)采管理規(guī)定地面沉降監(jiān)測(cè)設(shè)施保護(hù)條例等等控制地下水開(kāi)采不是一個(gè)地方、一個(gè)城市的的事，它與整個(gè)地質(zhì)單元有關(guān)（地下水是流動(dòng)的），需各個(gè)地方政府一起來(lái)抓四、地面沉降防治工作中存在科學(xué)問(wèn)題1.加強(qiáng)地下水開(kāi)采管理雖然地下水開(kāi)采一般的管理模型可以建立，但是：2.自1963年起陸續(xù)開(kāi)展了地面沉降防治措施的試驗(yàn)研究，先后采取了限制地下水開(kāi)采，有計(jì)劃限制和壓縮地下水開(kāi)采量、進(jìn)行地下水人工回灌儲(chǔ)能、調(diào)整地下水開(kāi)采層次、制訂地下水管理法規(guī)和加強(qiáng)地面沉降監(jiān)測(cè)與研究，基本控制了市區(qū)的地面沉降，且為紡織、輕工、化工、儀表、電影、文化等系統(tǒng)的正常生產(chǎn)提供了地下水能源。雖然對(duì)同等的開(kāi)采量而言，深部較淺部的沉降量要小很多，但其不易恢復(fù)，長(zhǎng)期以往是產(chǎn)生彈塑性、塑性變型的主要原因，其后果將更嚴(yán)重。五、今后模型研究工作的目標(biāo)六、進(jìn)一步開(kāi)展模型研究的前期準(zhǔn)備1.建立工程地質(zhì)信息系統(tǒng)已將控制性鉆孔地層資料錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，可以方便地查閱地層條件，并將不斷錄入全部鉆孔地層資料2.建立地面沉降信息系統(tǒng)