地下水渗流环境改变引起含水层变形的机理及计算方法研究

摘要

本研究针对含水层中地下水开采及地下构筑物引起地下水渗流环境改变造成含水层变形的问题，应用理论分析、室内试验与数值分析相结合的方法研究其发生机理。通过拓展基于Cosserat连续体理论的Budhu地面沉降模型（以下简称Budhu模型），建立了可以分析承压含水层变形的含水层变形拓展模型（以下简称Budhu拓展模型）;通过室内试验证明了地下水开采及地下构筑物对地下水渗流环境的影响规律，同时对Budhu模型及拓展模型中的基本假设进行了验证;通过应用Budhu拓展模型分析上海市第Ⅳ承压含水层变形及常州市地面沉降问题。本研究的主要内容与创新性成果如下:
　　 (1)提出了含水层水位下降引起的土层中剪应力累积是造成含水层变形问题的主要原因:由于Cosserat连续体理论考虑了介质尺度的影响，可以计算连续体中的非对称剪应力分布，从而适用于研究复杂应力条件下土体变形的问题。
　　 (2)建立基于Cosserat连续体理论的Budhu拓展模型:基于Cosserat连续体理论的Budhu模型可用于分析非承压含水层变形，在该模型变形计算中不仅包含了土层的压缩变形，还考虑了由于应力分布不均匀引起的剪切及扭转变形。通过分析非承压含水层与承压含水层之间的区别，以及含水层水位随时间变化的规律，在Budhu模型的基础上建立Budhu拓展模型。
　　 (3)确立了地下水开采与地下构筑物对地下水渗流环境影响的发生机理:通过室内试验确立了地下水开采与地下构筑物对地下水渗流环境的影响规律，包括含水层水位及渗透系数两个方面。试验结果证明在含水层水位分布较均匀时，采用Budhu和Adiyaman提出的单一多项式拟合最终水位的方法是可行的;当含水层中存在地下构筑物造成水位突变时，采用联立多项式拟合效果更好。同时地下构筑物的存在也会影响一定范围内含水层的渗透系数，根据地下构筑物形式不同而有所区别。
　　 (4)建立了挡桩群存在时含水层等效渗透系数的计算方法:挡桩群对含水层渗透性的影响在减小渗流面积的同时还延长了渗流路径，因此挡桩群的布置形式会影响等效渗透系数的大小。引入等效渗透系数修正系数对基于有效介质理论所得到的等效渗透系数计算方法进行修正，得到考虑布桩形式后的含水层等效渗透系数计算方法。
　　 (5)应用本研究提出的Budhu拓展模型分析上海市第Ⅳ承压含水层变形及常州市地面沉降问题，结果如下:
　　 ①Budhu拓展模型可以较好地预测含水层变形的大小和趋势。Budhu拓展模型、渗流压缩模型、基于Cauchy连续体理论的轴对称模型三种模型的计算结果表明，传统模型无论从渗流角度或是土层材料性状角度出发，都无法考虑由于水力梯度引起土层中剪应力累积的过程，特别处于低水位处的剪应力值较大，所以对土层变形模拟结果均偏保守。而Budhu拓展模型由于考虑了上覆隔水层固结过程以及含水层中剪应力累积过程，模拟结果较好，并解释了变形滞后于水位的宏观现象。
　　 ②通过对上海市第Ⅳ承压含水层变形的分析，验证了长时间的循环荷载不是引起含水层变形的主要原因。通过对常州市国棉一厂到龙虎塘之间的地面沉降的分析，验证了在长距离多井抽水情况下，采用联立多项式拟合水位更为准确。并且在大范围地下水开采时，密集建造地下构筑物会明显加大地面沉降。

目录

声明

摘要

图表目录

符号说明

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究目的

1．3 研究内容

1．4 创新点

1．5 技术路线

1．6 论文结构

第2章 文献综述

2．1 引言

2．2 地下水渗流环境改变引起含水层变形的新特征

2．2．1 变形滞后

2．2．2 过大压缩变形及变形加速

2．2．3 变形引起的地裂缝

2．3 含水层变形的机理分析

2．3．1 材料特性

2．3．2 传力过程

2．4 含水层变形的预测模型

2．4．1 数理统计与经验模型

2．4．2 渗流压缩模型

2．4．3 结构性模型

2．4．4 砂土细颗粒模型

2．4．5 蠕变模型

2．4．6 基于Cosserat连续体理论的模型

2．5 小结

第3章 基于Cosserat连续体理论的含水层变形理论研究

3．1 引言

3．2 Cosserat连续体理论

3．2．1 基本概念及控制方程

3．2．2 与传统Cauchy连续体理论的异同

3．3 基于Cosserat连续体理论的Budhu模型

3．3．1 Budhu模型的基本假设及有效应力计算方程

3．3．2 Budhu模型的水位方程

3．3．3 Budhu模型的局限

3．4 基于Cosserat连续体理论的Budhu拓展模型

3．4．1 Budhu拓展模型的基本假设及有效应力计算方程

3．4．2 Budhu拓展模型的水位方程

3．4．3 Budhu拓展模型的长距离水位方程

3．5 Budhu模型及拓展模型中剪应力累积

3．6 小结

第4章 渗流环境变化的室内试验研究

4．1 引言

4．2 试验装置及设备

4．2．1 试验箱

4．2．2 水位控制系统

4．2．3 挡水装置

4．2．4 试验箱监测

4．2．5 土工试验

4．3 试验方案及步骤

4．3．1 隔断式挡墙试验方案及步骤

4．3．2 挡桩试验方案

4．4 试验结果

4．4．1 挡墙试验结果

4．4．2 挡桩试验结果

4．5 分析讨论

4．5．1 含水层水位拟合

4．5．2 渗透系数改变

4．5．3 等效渗透系数修正

4．5．4 地下水渗流方向引起的等效渗透系数改变

4．6 小结

第5章 上海市第Ⅳ承压含水层变形分析

5．1 引言

5．2 上海市第Ⅳ承压含水层变形现状

5．2．1 上海市地质构成特点

5．2．2 上海市地下构筑物分布及地下水开采现状

5．2．3 上海市第Ⅳ承压含水层的分布及变形

5．3 计算方法

5．3．1 基于Cosserat连续体理论的Budhu拓展模型

5．3．2 其他模型

5．4 结果分析

5．5 含水层中水位季节性波动动荷载引起的变形

5．6 小结

第6章 常州市地面沉降分析

6．1 引言

6．2 常州市地面沉降现状

6．2．1 常州地质构成特点

6．2．2 常州市地下水开采及含水层水位变化现状

6．2．3 常州市地面沉降及含水层变形

6．3 计算方法

6．3．1 基于Cosserat连续体理论的Budhu拓展模型

6．3．2 其他模型

6．4 结果分析

6．5 地下构筑物改变地下水渗流环境引起的变形

6．6 小结

第7章 结论与建议

7．1 主要结论

7．1．1 含水层变形的新特征及变形预测模型

7．1．2 基于Cosserat连续体理论的Budhu拓展模型

7．1．3 含水层渗流环境变化的室内试验研究

7．1．4 上海及常州两地地下水渗流环境及含水层变形实例研究

7．2 进一步研究的建议

附录A Budhu模型及拓展模型中计算公式推导

附录B 有效介质理论基本计算公式

附录C 三维渗流及一维土体变形模型

附录D 考虑土体蠕变的本构模型

参考文献

致谢

个人简历 攻读学位期间的学术成果