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随着高速的经济发展和大规模的城市建设,城市环境地质问题日益突出,并成为大众关注的焦点。作为环境地质问题之一的地面沉降,由于其持久性、大规模性、大破坏性和难治理而成为重点关注的焦点。因此,系统总结地面沉降特征,进行深入分析地面沉降的机理和原因,定量评价各因素对地面沉降的影响,对于制定合理的防范措施,控制地面沉降,促进经济的可持续发展意义重大。
湛江市自50年代和70年代中期开始大量开采中、深层承压水,开采量随工农业生产的发展日益增大,开采范围和开采深度也不断地扩展和加深。导致了以地下水降落漏斗中心为沉降中心的轻微地面沉降。为防止地面沉降的进一步恶化,有必要对研究区的地面沉降进行研究。
本文通过搜集整理湛江市大量钻孔资料,区域地质水文地质调查报告及地面沉降、地下水动态监测资料,系统地分析了湛江市水文地质与工程地质特征,据此采用Horizons法与TIN法相结合,建立了研究区地层三维结构模型及含水层三维结构模型。并从地下水开采及地下水流场演变等多个角度分析研究区地面沉降的影响因素及特征。最后采用两步计算的方法,先运用GMS软件中的MODFLOW模块,建立起研究区三维地下水流模型,再利用模拟得出的地下水位变幅,根据Terzaghi有效应力原理,建立研究区一维沉降固结数学模型,采用线性模型,通过编程计算求出各土层的的变形量,得出总的地面沉降量。主要研究工作及成果如下:
1、湛江市位于雷琼自流盆地东北隅,东北角为盆地边缘基岩隆起。盆地内含水层与隔水层交替层叠,呈盆地复式含水层结构。地下水类型主要有松散岩类孔隙水、玄武岩孔洞裂隙水及基岩裂隙水。地表接受降雨及地表径流补给,地下水接受西北部侧向补给,最后排泄于蒸发、人工开采及海域。
2、通过分析386个钻孔的分层结构,结合研究区的水文地质概况并添加虚拟钻孔,建立了研究区三维地层结构模型及三维含水层结构模型。地层结构模型一共分为Q4、Q3、Qh、Qb、Qz、Nx、Nw七层。含水层结构模型一共分为5层,含水层有3层:浅层含水层、中层承压含水层和深层承压含水层,相邻的两个含水层之间有粘性土弱透水层相隔。最后采用等效厚度法,对含水层结构模型中各层进行岩性概化。
3、通过分析研究区地下水集中开采区及各行政区块的地下水开采现状,对研究区2001-2020年每月的开采量进行粗略估算,用于地下水数值模型的建立。同时,分析了地下水流场演变规律:其中浅层水主要受降雨蒸发影响,由于补给条件好,开采量小,未形成降落漏斗,流场与地貌、降雨量密切相关。而承压水则除主要受地下水开采影响外,还受降雨、潮汐的影响。由于长期集中和大量开采中、深层承压水,已形成了区域水位降落漏斗,并随开采量不断扩大而增大。且深层水的地下水水位下降速度及降落漏斗面积扩大速度大于中层水。
4、通过分析研究区的地面沉降发展过程,得知地面沉降主要分布于地下水开采量大且地表土层较松软的湛江市滨海地区,从西北向东南海岸带沉降量加大。由于研究区的岩土体性质的差异,沉降中心与区域地下水降落漏斗中心不甚吻合。但是总体上是由于中深层地下水开采引起的。除此之外,区内的区域地壳运动,建筑荷载等均是地面沉降的影响因素。通过分析将研究区岩土体工程地质性质分为火山岩台地区,内陆无软土台地及滨海有软土区三个分区,且这三种不同的工程地质分区,地面沉降的幅度明显不同。
5、根据已掌握的水文地质资料,结合含水层三维结构模型,概化边界、源汇项及水文地质参数建立研究区的水文地质概念模型及工程地质概念模型和数学模型。通过运用GMS软件的MODFLOW模块,建立起研究区三维地下水流数值模型。选取1996年监测的各层水位资料作为模拟的初始水位,1999年实测的地面沉降资料为初始沉降量,选取1996年1月到2009年12月期间作为模型的识别及验证期,时间步长为30天。通过相应参数的调整,得到与实测资料近似的模型计算结果。利用调整后的水文地质参数,预测了2020年研究区地下水流场及地面沉降变化情况。