北京地面沉降控制区划及防控措施

地面沉降区划是地面沉降防控的基础性工作和措施制定的重要依据.目前北京区域平均地面沉降速率呈减缓趋势,但沉降中心年沉降速率依然较大.为实现地面沉降的全面有效控制,在综合比较地面沉降易发性分区、危险性分区和风险分区等区划评价指标和体系后,基于评价指标精简而典型、评价数据易获取、评价体系实用易操作的评价原则,建立了北京地面沉降控制分区的评价体系和分级标准.利用地面沉降发育程度分区和危害程度分区的GIS(Geographic Information System)叠加,将北京地面沉降区分为三级控制区,进行分区域差别化防控.一级控制区为地面沉降重点控制区,从城市规划、地下水管理、工程施工降水、地面沉降监测等方面提出了每一级控制区内的地面沉降防控措施,以期为政府的地面沉降防控决策提供技术支持.     

南通市高层建筑荷载对地面沉降的影响

针对长江中下游第四纪松散沉积层地区由高层建筑荷载引发的地面沉降问题,根据土体非线性流变理论,将比奥固结理论中的本构关系拓展到黏弹塑性,并考虑土体孔隙度、渗透系数及变形参数随有效应力动态变化的关系,建立了南通市高层建筑荷载、地下水渗流与土体变形三维全耦合数学模型.在对模型进行识别、验证的基础上,在地下水停采、仅有高层建筑荷载单独影响的条件下,模拟预测了2010年12月底到2025年12月底每年各含水层组地下水流场变化特征和地面沉降发展趋势.结果表明:南通市崇川区最大地面沉降量为55.28 mm,最大地面沉降速率为3.69mm·a~(-1);通州主城区最大地面沉降量为38.87 mm,最大地面沉降速率为2.59 mm·a~(-1);地面沉降量较大地区位于高层建筑荷载密集区.     

济宁市城区地面沉降的成因和规律性探讨

在阐述济宁市城区自然地理、地质概况、水文地质条件、岩土体物理力学特征的基础上,利用地下水开采情况、地下水位动态、沉降观测及各种地层的有关参数等资料,分析了地面沉降产生的原因、发展现状和发展阶段,并通过对地面沉降和地下水开采的相关分析,认为目前地面沉降正处于较明显沉降的发展阶段,其产生的原因主要在于对深层承压水的超采,与地壳新构造运动无关.地面沉降的分布和发展具有如下规律:(1)地面沉降的速率和分布范围与地下水位的下降一致;(2)地面沉降与地下水位变幅呈正相关;(3)地面沉降速率受岩土体类型的影响,沉降漏斗与粘性土地层厚度的分布基本是一致的;(4)地面沉降中粘性土层的塑性变形和砂性土层的弹性压密并存.图2,表1,参8.     

上海市控制地面沉降灾害的成本-效益分析

从 2 0世纪 6 0年代开始 ,上海市就积极开展地面沉降动态监测与研究 ,采取地下水人工回灌、限制地下水开采等有效措施 ,最大限度控制地面沉降 ,已取得显著成效 .控制沉降后 (196 5— 2 0 0 0年 )的年均沉降量从控制沉降前 (192 1— 196 4年 )的 37.93mm锐减至 6 .19mm .运用成本 -效益分析方法 ,对上海市控制地面沉降灾害的费用效益进行了探讨 .结果表明 ,上海市控制地面沉降灾害的投入为 16 .75亿元 ,取得的控制沉降经济效益高达 6 15 9.4 2亿元 ,年均控制沉降效益为 171.10亿元 ,控制 1mm地面沉降的经济效益为 5 .37亿元     

江苏沿海地区地面沉降约束下的地下水可采资源量评价

地面沉降是制约江苏沿海地区发展最主要的地质环境问题.基于水文地质条件和土体力学特征综合分析,深入研究区域地面沉降特征和机理,建立区域尺度的地下水-地面沉降耦合模型.基于耦合模型,设置符合区域地面沉降发展规划的约束条件,推算沿海各县市地面沉降约束下的地下水可采资源量.结果表明,在2020年沉降中心的沉降速率控制在15 mm·a~(-1),其他地区控制在10 mm·a~(-1)以内的约束条件下,沿海地区深层地下水可开采资源量达1.33×10~8 m~3·a~(-1).研究成果为地方制定科学合理的地下水配置方案提供科学依据.     

考虑地面沉降约束的地下水模拟优化管理模型

为了解决地面沉降区地下水资源科学管理这一个重要的资源与环境地质问题,基于模拟优化(S-O)模型的思想,建立了考虑地面沉降约束的地下水模拟优化管理模型(SUBGO).模拟模型采用地下水模拟程序MODFLOW-2005中的地面沉降模拟子程序SUB-WT来模拟地面沉降过程.优化模型分别采用遗传算法(GA)和小生境Pareto禁忌遗传混合算法(NPTSGA)分别求解单目标和多目标的优化设计方案.将SUBGO管理模型应用于一个理想场地含水层中地下水开采方案和地面沉降控制的优化设计中,结果表明基于GA的单目标优化和基于NPTSGA的多目标优化均能搜索到全局最优解和全局分布的Pareto最优解,均能够在控制地面沉降的约束条件下,设计合理的地下水开采利用方案.与单目标相比,多目标优化能够为决策者提供多个解作为管理决策方案,同时多目标优化还提高了寻优的计算效率.     

基于SBAS技术的兰州新区地面沉降监测研究

利用小基线集合成孔径雷达干涉测量的方法和试验相结合的手段,获取兰州新区2015-2016年的地面沉降范围和速率情况,结合地质环境背景和人类工程活动,分析了地面沉降的发生规律.结果表明,地面沉降主要分布在新区南部、中东部和西北部,最大沉降速率达到55.0 mm/a.地面沉降与地层岩性和断层分布有密切联系,与地下水位变化呈弱相关关系,填方、建筑荷载、道路建设和农业灌溉加剧地面沉降发生;填土相对原生黄土具有更大的孔隙比和压缩系数,在水的作用下更易发生淋滤和溶蚀,发生湿陷并进一步导致不均匀沉降.建议在城市规划时要对高层建筑的施工建设(特别是填土区)进行控制,减少地面荷载和增加地面的承载力,从预防的角度减少地面沉降现象及其危害.     

北京东部区域地面沉降现状及其发展趋势预测

东部沉降区是北京地面沉降比较严重的沉降区之一.该区域是北京市未来发展的重点地区之一,包括了CBD及其东扩区,通州新城.通过对该区域内大量地面沉降历史观测数据、地下水位历史观测数据以及近几年的监测成果进行整理,分析总结了该区域内地面沉降发生、发展的特点及规律,并建立了适用于不同地层在多层地下水动态变化条件下的地面沉降计算方法,编制了计算程序.分析与计算结果表明:1)研究区的地面沉降总体上呈现自西向东,自北向南发展的趋势,由一个沉降中心逐渐出现多个沉降中心.2)近几年研究区的地面沉降呈现出沉降面积迅速扩大、沉降速率加快的发展趋势.3)未来5年内研究区西部地区地面沉降比较稳定,地面沉降继续向东部与南部移动.     

上海地面沉降对轨道交通安全运营风险评估

地面沉降灾害对基础设施的安全运营造成了很大的威胁.轨道交通作为一种线状结构穿越于上海软土地层中,地面沉降灾害不可避免地会对轨道交通的安全运营产生影响,轨道交通自建成以来长期遭受地面沉降灾害带来的风险.基于梯形模糊AHP(Analytical Hierarchical Process)和集对分析法,通过主客观相结合的方式,以GIS(Geographic Information System)平台为分析工具,对上海地面沉降造成轨道交通沉降风险进行全面综合的评估,从而得出以考虑基础设施安全为侧重点的地面沉降防治区划以及轨道交通沿线的沉降风险等级.分析表明,采用梯形模糊AHP与集对分析相结合的方法可以对区域地面沉降综合风险进行合理有效的评估,并对重要基础设施所在区域的风险等级进行合理的识别.轨道交通沿线沉降风险等级表明中心城区以北和靠近黄浦江地区的轨道交通相比于其他区域具有较高的沉降风险,建议对该部位的轨道交通线路采取必要的沉降监测及防治措施.     

基于KELM地面沉降替代模型的地下水多目标管理模型研究

基于核函数极限学习机(Kernelextreme learning machine,KELM)方法建立地下水-地面沉降耦合的替代模型,与混合多目标算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II,NSGAII)相耦合,实现在地面沉降约束下(沉降速率和地下水位红线)地下水资源合理开发利用和地面沉降防控减灾的多目标优化.以三维均质多层含水系统中抽水引发的地面沉降算例为对象,采用MODFLOW-2005中的地面沉降模拟子程序(Subsidence for the water table,SUB-WT)模拟地面沉降过程,基于KELM方法,采用线下和线上两种模式建立替代模型,分别构建了基于线下地面沉降替代模型的多目标管理模型(KELM model based multi-objective optimization model for land subsidence management,KELMMOLS)和基于自适应(线上)替代模型的多目标管理模型(Adaptive KELMMOLS,AKELMMOLS).模拟优化结果显示:(1)基于线上模式训练的替代模型的模拟精度更高,拟合相关系数达0.9988以上,基本接近SUB-WT模拟模型的评价精度;(2)KELMMOLS优化求解效率提高了15倍,但其搜索的Pareto解的质量最差,AKELMMOLS求解效率提高了3倍,同时保证了优化解的收敛性和精度.     

基于SBAS和IPTA技术的京津冀地区地面沉降监测

京津冀位于华北平原北部地区,地下水的长期超量开采,造成了严重的区域地面沉降,对京津冀区域进行大范围地表形变监测已经成为一个值得关注的问题.基于相邻条带的RADARSAT-2数据,结合小基线集干涉测量技术和干涉点目标分析技术,获取京津冀地区2012-2016年地面沉降场时序信息.基于监测结果对研究区地面沉降发育情况进行初步探讨,并对沉降漏斗的时空演化特征进行分析.研究发现,京津冀地区发生地面沉降的区域较多,地面沉降不均匀性特征明显,地面沉降发育最严重的地区位于北京金盏一带,最大沉降速率达到130 mm·a~(-1);在多个沉降漏斗中,北京金盏沉降漏斗、天津王庆坨沉降漏斗发育最为严重,累计沉降量分别达到661 mm,658 mm.衡水市阜城县、景县沉降漏斗扩张趋势最为剧烈,累计沉降量大于200 mm的面积达到1494 km~2.     

区域性地面沉降形状参数c_1与c_2间线性关系研究

因抽水导致的区域性地面沉降及其带来的危害已成为全球性的地质灾害之一.区域性地面沉降具有s-lnr线性关系规律,基于此规律进一步研究c_1与c_2之间的函数关系,进而通过确定c_1,c_2取值,可得不同距离r处的地面沉降值s.通过对圆形和椭圆形地面沉降漏斗中c_1,c_2两参数的表达式进行分析,分析结果显示地面沉降漏斗中处在不同方位角θ径向直线上的c_1与c_2之间呈线性关系,与方位角θ取值无关.通过中国、美国和印度共六个抽水导致的区域性地面沉降实例对c_1与c_2之间的线性关系进行验证,六个验证实例的线性拟合相关系数都大于98.50%,拟合结果非常好.所以,抽水导致区域性地面沉降漏斗中不同角度径向直线上的c_1与c_2之间的函数关系是线性关系.该规律的确定,从单一径向直线上的沉降规律推进到各角度径向直线构成的沉降漏斗面上的沉降规律,进一步揭示了区域性地面沉降漏斗性质,对沉降漏斗性质的认识从一维推进到二维,对于研究地面沉降规律具有重要理论意义,对于预测地面沉降具有应用价值.     

高层建筑荷载、地下水开采与地面沉降耦合研究

针对城市化进程中高层建筑不断增加,由地下水开采和高层建筑荷载叠加作用共同引发的地面沉降问题,以比奥固结理论为基础,结合土体非线性流变理论,将比奥固结理论中的本构关系推广到黏弹塑性,并考虑孔隙度、渗透系数、土体变形参数随有效应力的动态变化关系,建立高层建筑荷载、地下水渗流与地面沉降有限元数值模型,详细研究了地下水开采及高层建筑荷载叠加影响下的地面沉降特征.结果表明:地下水开采和高层建筑荷载叠加作用下的地面沉降存在耦合效应,由地下水开采和高层建筑荷载叠加作用引起的地面沉降值小于同一条件单独抽水和仅存在高层建筑荷载作用下地面沉降值之和.耦合效应随着地下水开采层位埋深的变大而减弱.沉降初期,线性叠加效应明显,随着时间的延长,耦合效应趋于稳定.     

地面沉降对太原市城市建设的影响及防治对策

太原市地面沉降发展历史主要分4个阶段,通过对各阶段的各沉降漏斗中心地下水水位变化与地面沉降速率间关联性的分析,说明超采地下水是太原市地面沉降的主导因素,但仍然受地层岩性分布的深刻影响及其他因素的共同作用.从太原市建设现状与规划角度进行了地面沉降灾害分析,系统总结了太原市历年来地面沉降的防治措施并分析其效果,提出了太原市下一步需要加强及推动的地面沉降防治工作.     

深基坑降水与地面沉降模拟预测软件研制

以太沙基固结理论为基础,考虑孔隙度、渗透系数及储水率随含水层发生固结沉降的变化特征,建立了深基坑降水与地面沉降三维耦合模型.采用FORTRAN95语言将计算过程编制成程序,并使用VB6.0研发了深基坑降水与地面沉降控制模拟预测可视化操作软件.以图形化界面方式,模拟和表达深基坑降水与地面沉降的关系,据此提出深基坑降水的最优化方案.以南京地铁三号线柳州东路站深基坑降水工程为例,运用该软件对深基坑降水进行数值模拟.结果表明:采用15口井降水方案,降水10 d后,基坑内部地下水位维持在基坑底板1.0 m以下(埋深20.8 m);降水66 d后,基坑周围100.0 m处地面沉降量小于0.015 m,满足沉降控制要求.     

苏州地区地面沉降的星载合成孔径雷达差分干涉测量监测

利用欧洲空间局ERS-1/2获取的苏州地区1993～2000年SAR数据,通过差分干涉测量处理,得到1993～1995,1995～1998和1998～2000年苏州市地面沉降场测量值.地面水准测量数据的验证分析表明,差分干涉测量值与水准测量值的相关度达0.943,标准误差均值为0.1706,雷达差分干涉测量精度可达5mm(以水准测量代表地面形变的真实情况).文中以7个水准测量基准点为例,分析上述3个时段的地面沉降速率,其总体趋势反映苏州市地面沉降速率趋于减缓,说明近年苏州的地面沉降得到了有效的控制.研究结果表明,SAR差分干涉测量技术进行城市地面沉降方面监测和时空演化特征研究具有很大的优势,同时可用于其他类型城市地质灾害的监测.     

地铁盾构施工引发地面沉降三维流固全耦合数值模拟预测

为了研究地下水影响下盾构施工引发的地面沉降,用比奥(Biot)固结理论,将土体本构关系推广到黏弹塑性,引入土体参数随着有效应力的动态变化关系,建立盾构施工引发地面沉降三维流固全耦合数学模型,并采用伽辽金加权余量法对数学方程进行离散,运用FORTRAN95语言研发有限元程序.以成都地铁4号线一期工程玉双路站至双林路站盾构区间段为例,通过对比实测地面沉降量和计算沉降量验证模型可靠性,并模拟预测了盾构施工过程中引发的地面沉降和土体中孔隙水压力的变化特征,同时模拟土体参数动态变化特征.结果表明:实测地面沉降量与计算值吻合较好,模型可靠,盾构隧道施工引发的地面沉降在左右线盾构隧道轴线之间较大,远离左右线盾构隧道轴线,地面沉降量减小,且随着盾构施工的进行,在开挖面处孔隙水压力降至最低,随着管片支护完成,孔隙水压力逐渐恢复.     

建筑荷载作用下城市地面沉降地理信息模型——以天津市东南部沉降区为例

密集建筑群以及高层建筑荷载引发的地面沉降是一个日益严重的城市灾害问题.本文以天津市东南沉降区为例,从地理信息模型基本理论和建筑荷载引发地面沉降的机制出发,综合考虑了建筑容积率、土壤竖向应力、压缩层厚度、土体压缩模量、地下水的埋深和弱透水层渗透性6个诱发因子对沉降的影响,构建了建筑荷载作用下城市地面沉降地理信息模型.通过实际应用和ROC检验,模型的AUC值达到0.85,证明此模型能够准确清晰地反映沉降变形的大小和趋势,从而为城市地面沉降的分析与计算、总结建筑荷载作用下城市地面沉降的变形规律奠定了基础.     

上海陆域地区地下水采灌与地面沉降的时空特征

上海市地面沉降防治已有显著成效,但在空间格局上地表变形的不均匀性较显著,地面沉降防治管理进入了分区管控的新时期.为配合分区管控,利用长时间序列的水位、地下水开采、分层标三类监测数据,结合区域地面沉降模型,探讨地下水采灌与地面沉降的时空特征.上海市经历了两次长时间大范围的地下水开采,每次旋回分别经历开采量从增加到逐渐减少(甚至回灌)两个阶段.第一旋回的时段是1860-1971年,地下水开采于1963年达到年度最大净抽水量,开采集中在核心区的浅部土层,导致了较严重地面沉降.第二旋回的时段是1972年至今,地下水开采于1998年达到年度最大净抽水量,开采层位集中在第四承压含水层.从1998年至2005年,此层逐渐减少地下水开采,未大量回灌,但地下水位抬升显著,说明此层地下水补给条件良好. 2006-2011年间,各土层的压缩已经大幅减小,宝山、嘉定和核心区的深部土层均有回弹,浅部土层虽然没有抬升,但压缩速率较小,最大沉降速率处于浦东区,为2.61 mm·a~(-1).     

城市地面沉降及其防治措施综述

地面沉降是世界性的难题,也是环境地质研究的主要内容之一.目前,经济发展对地下水的需求量的不断加大和地下水导致地面沉降制约经济的发展,已经成为一对不可调和的矛盾.本文在总结前人的研究成果的基础上,对地面沉降的防治措施提出了几点意见.