城市地下水开采引起地表沉降关系论述

【关键词】地下水开采；地表沉降；动态监测；gps 

1 地表沉降 

1.1 地表沉降的涵义 

地表沉降系指地壳表面在自然力作用下或人类经济活动影响下造成区域性的总体下降运动。其特点是以向下的垂直运动为主体，而只有少量或基本上没有水平方向位移。其速度和沉降量值以及持续时间和范围均因具体诱发因素或地质环境的不同而异。目前国内外工程界所研究的地表沉降主要是指由抽取液体（以地下水为主，也包括油、气）所引起的区域性地面沉降。本文的地表沉降是指我国《岩土工程勘察规范》中规定的：在较大面积内由于抽取地下水引起水位下降而造成的地面沉降。 

1. 2 地表沉降的危害特点 

(1）沿海、沿江城市区域潮水上岸，潮水可能漫溢市区的道路、工厂、商店及村庄、农田，经济损失严重； 

(2）城市下水道排水不畅，降雨积水成灾，发生大面积内涝灾害； 

(3）河道桥下净空减少，过航能力降低，影响交通运输； 

(4）城镇区内，建筑物由于地面沉降影响产生不均匀变形，危及稳定安全； 

(5）既有河海堤坝或防汛墙，其防洪朝的能力降低，致使城市抵御自然灾害的能力降低； 

(6）港口码头失效，作用功能降低； 

(7）道路设施以及地下管道遭受破坏； 

(8）地下水取水设备失效。 

1.3 地表发生沉降的原因分析 

1.2.1 自然因素分析 

（1）新构造运动可使地面随基底面升降 

（2）强烈地震对地表沉降的影响 

（3）土层的天然固结 

1.2.2 人为因素分析 

（1）抽取地下气、液体的影响 

因各种目的而进行的浅层疏干排水和抽取深层的气、液体，使地层内的气、液压降低，土粒间的有效应力增加，地层压密，形成区域性碟形洼地。这种因抽取地下水而形成的地表沉降，是地表沉降现象中发育最普遍，危害最严重的一类。由于城市的快速发展，对地下水的需求急剧增加，因此地下水的开采量也成倍的增加，由此引起的地表沉降成为了当前城市地面沉降的最主要因素。 

（2）大面积地面堆载的影响 

分布有巨厚的高压性淤泥和淤泥质土的低洼地区，随经济建设的开放，需在洼地上大面积的堆填。其软土在堆载荷重的作用下，产生一堆压缩固结，可形成地区性的地面沉降。此类沉降，受场地软土的工程特性、层厚和堆载大小的控制，是构成滨海平原城市总地表沉降的一个组成部分，是不容忽视的。 

1.4 地表沉降发生的机理 

地下水经过抽水后使地层压密，是由于含水层水位下降引起土层中空隙水压力降低，颗粒间有效应力增加的缘故。因此，有效应力原理使抽水引起土层压密。 

图1 抽水后土层有效应力的增加 

图（1）中p为土层的总压力，c为抽水前的有效应力，b为抽水前的孔隙水压 

力，抽水前上述诸力处于平衡状态，即 

p = c + b(1.1) 

抽水后随着水压下降了a，土层中孔隙水压力随之下降，颗粒间浮托力减小，但由于抽水过程中土层的总压力基本保持不变，故此下降了的a值即转化为有效应力增量。 

p = ( c + a ) + ( b – a )(1.2) 

在大多数情况下可以认为这种压密是一维的。压密的时间延滞将随土层的透水性而异。 

2 地下水开采与地表沉降的关系 

2.1 城市地下水位变化信息与地表沉降信息的采集方法 

（1）地下水位变化信息的采集方法 

地下水位数据是利用城市水利部门的地下水位测报记录,在地形图上绘制出地下水位等值线图,地面上同点不同时期的地下水位差即为地下水位降低量w。 

（2） 地表沉降信息的采集方法 

地表沉降数据根据城市测量部门定期的水准复测原始记录(非最终平差后的结果)获取,要求城市测量部门在水准点复测过程中必须按国家3等水准测量(含3等)以上的精度进行。水准点复测的基准点必须是远离城区的岩基国家水准点,基准点的个数不得少于3个,当基准点间高差符合基准点稳定判别准则的要求后，取其中1个基准点作为最终基准点(即城市水准点的高程起算点)。若城市周边无岩基水准点应自己埋设岩基水准点,岩基水准点最好直接嵌固在基岩出露地区的岩石上。根据水准复测原始记录及高程起算点高程获取城区各水准点的真实高程h′,同一水准点不同复测期的高程差即为该水准点处的城市地表下沉量h′,根据城市地表下沉量h′即可绘制出城市地表下沉等值线图,在等值线图上即可以确定城市任一位置的地表下沉量h。 

（3） 分析用数据点的选择方法构建地下水位变化与城市地表沉降数学模型(简称数学模型)时采用的数据点一般选择在周边没有大的景观改变位置(即在数据分析年限内基本没有土方工程、土建工程和拆迁工程),数据分析年限是指从资料收集开始到资料收集结束期间的时间跨度,也就是说数据点应位于未改造的老城区内。 

（4） 地表沉降监测与地下水位监测的匹配数学模型构建采用的数据必须是同期的地表沉降监测结果和地下水位监测结果,也就是说地表沉降监测与地下水位监测必须同步进行。同一数据点(坐标相同)不同年份同步地表沉降监测与地下水位监测结果,即构成该数据点的数据分析链。 

2.2城市地下水位降低与城市地表沉降关系的数学分析 

利用计算机模拟的方法得出地表沉降与地下水位降低的关系 

h=2.7113 ** ln(w/100+1)+0.0031 (2.1) 

式中,h为地表沉降量(单位为m),w为地下水位降低量(单位为m),e为地表到硬岩间土层的加权平均压缩模量(单位为mpa),d为地表到硬岩间的铅直距离(即地表到硬岩间的土层厚度,单位为m)。参见下图2： 

图2 城市地表沉降相关示意图 

在上式中 

e =/ (2.2) 

=d (2.3) 

式中ei为各土层的压缩模量,di为与对ei对应的土层厚度。 

2.3 gps技术用来观测地表沉降的原理 

2.3.1 gps的系统组成及其测量坐标系统 

（1）gps定位技术的发展 

gps是全球定位系统(global positioning system)的英文缩写，它是随着现代化科学技术的发展而建立的新一代精密卫星定位系统，指人类利用人造地球卫星确定测站点位置的技术。在利用人造地球卫星进行测量的初期，人造地球卫星仅仅作为一种空间的观测目标，由地面的观测站对卫星的瞬时位置进行摄影测量，测定测站点至卫星的方向，建立卫星三角网。同时也利用激光技术测定观测站至卫星的距离，建立卫星测距网。用以上两种观测方法，均可解决常规大地测量难以实现的远距离联测定位问题。