西安市地面沉降数值模拟研究

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1、第39卷第4期2015年12月地质学刊JournalofGeologyV01．39No．4Dec．。2015doi：10．3969／j．issn．1674—3636．2015．04．686西安市地面沉降数值模拟研究陶福平，陶虹，李辉(陕西省地质环境监测总站，陕西西安710054)摘要：采用二维有限元法模拟计算地下水位下降、增加建筑荷载等不同工况引起的地面沉降量。结果表明，地下水位下降是引起地面沉降的主要因素，其次是密集的多层建筑，规划中的高层建筑对地面沉降的影响相对较小。由此推断，西安市近年来地面沉降超常发展是由于城中村过量开采地下水和不断加盖多层建筑所引发。关键词：地面沉降；水位下降

2、；建筑荷载；数值模拟；陕西西安中图分类号：P642．26文献标识码：A文章编号：1674—3636(2015)04—0686—050引言城市地面沉降是城市建设中常见的一种地质灾害，地面沉降的发展常造成区域内绝对标高降低，地面积水，排水设施不能保持原定功效，城市地下管道坡度改变而影响正常使用。地面沉降的发展又常常伴有地裂缝地质灾害的发生。目前，中国在19个省份中超过50个城市发生了不同程度的地面沉降，累计沉降量超过200mm的总面积超过7．9×104km2。西安市也是地面沉降较严重的城市之一。1西安地面沉降概况西安市位于陕西省关中盆地中部(图1)，其地面沉降现象发现于1959年，1971

3、年后随着过量开采地下水而逐渐加剧。西安市地面沉降大网监测工作于1959年开展，1992年停止，地面沉降监测仅保留南郊分层标监测，2005年开展GPS、InSAR监测。根据大网监测结果，截至20世纪90年代中期，西安地面沉降沉降中心位于小寨、铁炉庙、沙坡村、胡家庙、西工大、八里村等地，累计沉降量均超过2000mm(陶虹，1999)。截至2000年，东八里村一带最大累计沉降量达2850mm(索传鄙等，2005)。2000年后，由于黑河饮水工程的投入使用和市政府主管部门在城区及近郊区采取封井或限量开采地下水等措施，原有的地面沉降中心沉降速率趋于缓和(闫文中等，2009；赵超英等，2009)。

4、口研究区域q尹kln图1研究区交通位置图Fig．1Mapshowingtrafficpositionofthestudyarea最近几年，西安市地面沉降仍在持续发展，据监测数据显示，老城区及东南郊各地层地面沉降速率相对一致、稳定，均呈压密量减小的态势，近年(2010--2013年)地面沉降发展现状如图2所示。地面沉降受城市建设的影响明显，沉降趋势向西南郊高新区发展，沉降主要发生在南郊曲江区、三爻村和鱼化寨附近，沉降量最大地段沉降速率为每年十几厘米，2012年高新技术开发区地面沉降量为14．6cm。截至2013年底，西安地面最大沉降量已收稿日期：2015-03—03；修回日期：2015—

5、05—07；编辑：陆李萍基金项目：中国地质调查局项目“关中平原地面沉降地裂缝调查”(12120113011600)作者简介：陶福平(1983一)，男，硕士，地质工程专业，主要从事水工环地质灾害研究工作，E-mail：403732845@qq．eom第39卷第4期陶福平等：西安市地面沉降数值模拟研究687经超过3000mm(陶虹等，2014a)。前人研究认为，西安市地面沉降导致地裂缝形成的主要原因有2点：(1)由于过量开采地下水引起水位大幅度下降，导致开采层段地层失水压密；(2)由于区域构造活动引起的沉降(闫文中，1998)。新的调查研究发现西安市地面沉降地裂缝活动情况主要原因是地下水超

6、采，地面沉降地裂缝活动强烈地段都存在未拆迁的大量开采地下水的较大规模城中村(陶虹等，2014b)。图2西安市地面沉降现状示意图(2010—2013午祟汁沉降匿)Fig．2GroundsubsidencestatusofXi7anCity(【(,talM·ttletm·11Idm‘ing20lO-2013)关于西安市地面沉降的成因，综合分析来看，地下水位的变化是导致地面沉降的主要原因，随着大量人口向城市聚集，城市区域的人类活动加剧，城市的大规模建设使建筑物荷载成为引发城市地面沉降的又一主导因素。2地下水过量开采引起的地面沉降模拟分析2．1理论分析根据有效应力原理，引起土体体积压缩的原因，

7、并不是作用在土体上的总应力，而是总应力和孔隙水压力之间的差值——有效应力，孔隙水压力发生变化将引起有效应力的变化。地下水位下降直接导致孔隙水压力变化，例如鱼化寨地区南部$28(图3)2009年平均水位为69．05m，2013年平均水位为84．32m，承压水4年间下降了15．27m，近年平均下降速率为3．82rn／a，则孔隙水压力年变化为38kPa(相当于2～3层楼的荷载)。目实测水位埋深口=

8、_f{!测水位埋深图32009--2013年$28水