唐山沿海地区地面沉降现状及发展趋势预测

的重大区别，从而使土力学成为一门独立学科的重要标志。 饱和土中总应力与孔隙水压力、有效应力之间存在如下关系： ???????????????????????(7) 上式称为饱和土的有效应力公式，加上有效应力在土中的作用，可以进一步表述成如下的有效应力原理：

1. 饱和土体内任一平面上受到的总应力等于有效应力加孔隙水压力之和；

2. 土的强度的变化和变形只取决于土中有效应力的变化。 过量抽水后，地层压密是由于含水层水位下降引起土层中孔隙水压力降低，颗粒间有效应力增加的缘故（见图1）。

图中p为土层的总压力，σ为抽水前的有效应力，uw为抽水前的孔隙水压力，抽水后随着水压下降了uf，土层中孔隙水压力随之下降，颗粒间浮托力减少，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uf值即转化为有效应力增量。

图1 抽水后土中有效应力的增加

结合研究区的实际，唐山沿海地区地面沉降由两部分组成：含水砂层弹性释水和粘性土压密释水，粘性土层的压缩量远大于砂层压缩量。根据天津市地质环境监测总站实验资料，粘性土层的压缩率为60000×10-6kg/cm2，而砂层压缩率在1800×10-6kg/cm2～9000×10-6kg/cm2之间，粘性土层的压缩率为砂性土层压缩率的6倍之多，松散砂层压缩率占粘性土层压缩率15%。含水砂层通过颗粒接

触点承受应力，有效应力增加，孔隙度减小，砂层压密导致地面沉降。若承压水头得到恢复，砂层骨架所承受的压力下降，则含水层骨架即可得到恢复。含水层承压水头降低，相邻粘性土层与开采含水层之间产生水头差，粘性土层中的非结合水(重力水和毛细水)向含水层释放，粘性土骨架有效应力增加，土层压密，地面相应沉降。 通过上述分析，唐山沿海地区粘性土层压密排水是一个缓慢过程，有明显的滞后现象，与土层的厚度、渗透性能及粘性土孔隙水头有关，与含水层水头的压力差值大小有关。粘性土层滞后时间，少则3年～5年，多则8年～10年，甚至10年以上。粘性土的颗粒主要为粘土矿物，颗粒间有较强的连接力，形成结构孔隙。颗粒位移，结构孔隙缩小，孔隙度降低。应力除去后，只能使被压缩的孔隙中水的压力增大，而孔隙度与储存量均不能恢复到初始状态，粘性土压密产生的地面沉降是永久性的不可恢复的地面变形，造成了地面沉降灾害的发生。

3.3该地区地面沉降的预测

根据1983年~1996年三期地面沉降资料和地下水动态资料计算表明，1983~1989年水位下降1m，地面沉降7~12mm，而1992年~1996年水位下降1m，地面沉降22m~44m根据《河北省唐山市地质环境监测报告》（1996年~2005年），可以看出丰南、滦南、乐亭南部、唐海中部地区地面沉降速率在30mm~40mm之间变化，而汉沽、芦台农场及丰南、唐海南部地区的地面沉降速率在40mm以上区间变化，至2005年末，累计沉降量已超过1.50m。据此，可以取中值进行计

算，也可以通过多次尝试，将计算结果与实测结果加以对比，反复修改参数，最终得到满意的计算结果。 表1 唐山市平原区地面沉降状况统计表

结合唐山沿海实际情况，1996年~2005年，预测区内年平均沉降速率为34.32mm/a。根据实测点地面沉降量和水位下降值求出各区实测点地面沉降率a，即水位下降1m引起的地面沉降量，然后计算各漏斗区的平均沉降率。 4、结论

通过搜集唐山沿海地区地形地貌、地质构造、地层、水文地质和工程地质资料，广泛查阅国内外关于地面沉降研究的相关文献，应用水文地质学、工程地质学、土力学等理论知识，结合唐山沿海地区的实际情况，深入分析了区内地面沉降形成的机理和发展趋势。本文主要得出以下结论：

（1）通过研究唐山沿海地区第三含水层组和弱透水层组的压缩变形和释水变形机理，根据唐山沿海现有主要地下水降落漏斗分布情况和降落漏斗要素历史观测数据，建立了唐山沿海地区地下水降落漏斗发展趋势数学模型，并对模型进行了识别。应用模型进行预测，发现在现状地下水开采条件下，2015年，汉沽农场、唐海县城、丰南尖坨子和乐亭曹庄子四大漏斗区漏斗中心水位标高分别为： -86.3 m、-31.1 m、-87.7 m和-20.3 m。2020年分别为：-89.7 m、-29.5 m、-103.8 m和-19.5m。五年的变差分别为：-3.4 m、1.6 m、

-16.1 m和0.8 m。

（2）利用研究区内年地面沉降率，结合地下水水位埋深数学模型，把二者进行耦合，建立唐山沿海地区地面沉降数值计算模型。利用验证后的模型对唐山沿海地区未来地面沉降情况进行预测评价，发现在现状开采条件下，2015年唐海县城、南堡开发区、乐亭曹庄子、宁河漏斗区中心累计沉降量分别为：1905.43 mm、1917.50 mm、839.35 mm、2385.97 mm。

注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。