多层含水层系统中基坑降水诱发地面沉降滞后效应机理与预测模型研究

《Journal of Hydro-environment Research》：Transport behavior of polystyrene microplastics in a simulated groundwater–seawater mixing zone and its reliance on groundwater composition

本文基于天津典型多层含水层-弱透水层（MAMA）系统的现场抽水试验与数值模拟，揭示了基坑降水过程中水位降深与地面沉降的异步演化规律。研究通过建立流体-固体耦合三维数值模型，阐明了滞时效应机制，并量化了地层垂向渗透系数（kv）与水平渗透系数（kh）对滞时（lag time）及延迟沉降（delayed subsidence）的影响，最终建立了基于地层渗透性的预测方程，为类似地质条件下降水工程的风险评估与自适应调控策略提供了理论依据与实践工具。

　　

Highlight

本研究强调了在多含水层-弱透水层（MAMA）系统中进行长期监测和适应性降水策略的必要性，以减轻基础设施风险。

Section Snippets

Hydrogeology

天津地区，本研究基于此地，是一个富水的冲积平原，拥有发育良好的多含水层系统。地质调查数据表明，天津地区的地面标高为1.72–3.81米（大沽高程系统），主要由第四纪全新世沉积物组成，包括地表以下100米（BGS）以内的杂填土、粉土、粘土和细砂。在50米BGS以内发育了3到5个主要含水层系统，它们被...

Model Setup

模型通过ABAQUS软件包建立，考虑了流固耦合（fluid-solid coupling）；地下水运动遵循达西定律（Darcy's law）和流体质量平衡理论，而土壤应变分析遵循比奥固结理论（Biot consolidation theory）。明确考虑了弱透水层和可压缩含水层材料因水位下降而产生的固结变形，模拟的沉降正是由土壤固结引起的。

模型布局如图5所示。由于...

General Response

图7展示了坑内水位降深、地下连续墙侧向变形和地面沉降的时程曲线。图中的无量纲参数γ_dr、γ_df和γ_s分别代表抽水期间实时降深、变形和沉降与各参数准稳定值的比值。数据显示，水位降深随抽水时间迅速增加，并相对较快地达到准稳定状态，在...

Discussion

前面部分概述了沉降的一般演化规律以及基坑降水引起的滞后沉降的机制。在本节中，进行了参数化研究，以探索在各种降水条件下地面沉降如何发展，并确定这些情景下相应的滞时。

Limitation of this Study

本研究调查了多含水层-弱透水层（MAMA）系统中基坑降水引起的延迟地面沉降现象。然而，研究表明，延迟沉降效应受多个岩土工程因素的影响，包括但不限于围护结构参数、降水井布置方案、含水层各向异性特征以及其他场地特定条件。通过参数分析，本研究定量阐明了...

Conclusions

基于在天津典型多层含水层-弱透水层系统中进行的现场抽水试验和数值模拟，本研究系统地调查了基坑降水过程中水位降深与地面沉降演化之间的异步现象，以及相应的滞后机制。通过建立三维数值模型，研究了复杂水文地质条件下地面沉降滞后于水位降深的动态过程...