基于精细化监测的地面沉降潜力预测模型应用研究.pdf
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1、书书书 工程地质学报 ()梁钰,顾凯,施斌,等 基于精细化监测的地面沉降潜力预测模型应用研究 工程地质学报,():,():基于精细化监测的地面沉降潜力预测模型应用研究梁钰顾凯施斌刘苏平(南京大学地球科学与工程学院,南京 ,中国)摘要地面沉降是我国主要的地质灾害之一,评价和预测地面沉降的发展趋势十分必要。本文引入实测沉降数学模型中的双曲线型沉降模型、指数型沉降模型和成长曲线型沉降模型,结合钻孔全断面分布式精细化监测系统获取地表以下不同层位连续的变形情况,建立了基于分布式光纤监测地层变形数据的地面沉降预测模型,可精细化实现地面沉降潜力评价。以天津市滨海新区 光纤监测钻孔结果为例,对比了 种沉降模型
2、的预测效果,结果表明:天津滨海地区地面沉降曲线呈现非线性衰减特征,年 月至 年 月,累计沉降量已达 ,预计极限沉降量约为 ,仍有约 的沉降潜力,沉降空间较大,并预计将于 年进入沉降稳定阶段。该地区 的黏土质粉砂和粉细砂层当前沉降量较大,是目前地面沉降的主要层位,即“优势层”;的粉质黏土和黏土质粉砂层虽当前沉降量较小但其剩余沉降量较大且沉降持续时间较长,需长期重点关注其沉降变形情况,是后期监测的“优先层”。关键词地面沉降;沿海地区;精细化监测;沉降潜力预测模型中图分类号:文献标识码:收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金(资助号:,)(,)第一作者简介:梁钰(),女,硕士生,主要从事地
3、面沉降监测与防治研究 :通讯作者简介:顾凯(),男,博士,副教授,主要从事地质灾害防控和环境岩土工程研究 :(,),:,“”,“”;引言地面沉降是一种多因素引起的地面高程缓慢下降的地质灾害。目前由抽取地下流体导致的地层压缩已在许多国家和地区产生了严重影响(薛禹群等,;,;,)。沿海和河流三角洲第四纪沉积区由于其人口膨胀、经济快速发展和城市荷载急速增加,地面沉降问题日益突出(陈聚忠等,;,;,;,),对地面沉降区生态环境、基础建设、经济发展和人民生命财产带来了威胁。掌握地面沉降的发展规律,评估其未来发展趋势是地面沉降灾害防控中非常重要的一环。为了评价和预测地面沉降的发生及发展过程,需要对土层固结
4、变形机制进行研究,国内外学者针对土体固结变形的模型进行了大量研究。太沙基一维固结理论与现实情况有较大的差异,忽略了土体的蠕变变形;()等结合太沙基固结理论与土体流变特性,提出了考虑次固结效应的固结微分方程;施小清等()基于黏弹性理论,利用 元件模型较好地描述了研究区砂性土的流变过程;王非等()将 模型引入含水砂层长期变形计算研究,并用于上海市第四含水层地面沉降预测;王元战等()利用修正的 蠕变模型和 软件拟合出天津滨海软黏土的蠕变变形并计算了其长期沉降,结果具有一定的可靠性。但在实际情况中,元件模型和流变模型的参数确定和模型识别为建模带来较大困难,而通过室内试验建立的经验模型难以反映实际地层变
5、形情况,近些年来根据实测沉降数据建立相应的数学模型以其直观明了,并能够全面反映实际地层变形情况,在实际工程中得到了广泛应用。利用实测沉降数据推算后期沉降的方法对地面沉降的监测数据提出了较高的要求。目前,地面沉降监测技术根据监测范围主要分为基于地面的监测技术(包括水准测量、钻孔引伸计(,)等)和基于空间的监测技术(包括 (,)、(,)等),然而,上述技术仅能对地表高程进行监测,无法达到精细化指示地面以下不同地层具体变形量的要求。近年来,分布式光纤传感技术()显示出在岩土结构和地质灾害领域的显著应用前景,具有远距离、抗电磁干扰和远程监控等优点(吴静红等,;,)。由于沿海和河流三角洲地区地层结构复杂
6、,厚度和岩性不一,采用分布式光纤传感技术可以实现精细化掌握各地层的变形,更好地了解地面沉降演化过程,分析其发育机理、判断其发展趋势。本文针对沿海三角洲地区等地层变形不均匀区域,引入 种类型的沉降 时间数学模型,结合钻孔全断面精细化监测系统的分布式光纤变形数据,建立了基于精细化数据的地面沉降预测模型,开展了地面沉降发展趋势及分层潜力的预测和评价研究,以天津市滨海新区为例,通过对比不同类型数学模型的预测效果,定量评价了该地区地面沉降的最终沉降量和沉降趋势。地面沉降潜力预测模型根据实测数据预测沉降趋势的主要方法是根据沉降数据,假定其变化服从某种数学模型,利用实测样本动态变化确定数学模型中的待定参数,
7、从而在实测沉降基础上预测未来的沉降趋势和最终的沉降量(,)。实测沉降数学模型根据曲线形态主要分为两大类:第 类是预测工后沉降的数学模型,主要用于路堤荷载作用下的路基工后沉降,这种模型在瞬时加载后便以较快速度发生沉降,主要以 法(,)、双曲线法(,)、指数法为代表。第 类是预测全过程的数学模型,以成长曲线模型(宰金珉等,)、模型(张涛等,)为代表,成长曲线模型包括 曲线(朱志铎等,)和 曲线(吴起星等,),主要反映事物发生、发展、成熟并到达一定极限的过 工程地质学报 程,曲线形态呈现“型”。目前应用较广的数学模型包括双曲线型沉降模型、指数型沉降模型和成长曲线型数学模型 类。种模型的数学表达式如下
8、所示:()()()()()()式中:、为 时刻双曲线型、指数型和成长曲线型沉降模型预测的沉降量;、为待定参数。绘制 种数学模型的特征曲线如图 所示,可以看出 种模型具有以下共性:()有界性:由图 可以看出沉降在时间趋于无穷大时,最终趋于一个稳定值;()单调性:预测沉降值随时间的增加而逐渐增加,这与实际沉降监测结果一致;()阶段性:沉降曲线呈现“型”,即沉降速率随时间先增加后减小最终趋于 的变化,可根据沉降速率将沉降划分不同阶段。实际上,对于典型的因抽取地下流体产生的地面沉降曲线也存在一个从发生 发展 衰减 消亡的生命周期(梅国雄等,),图 显示了常州市第二含水层实测沉降变形曲线(王非等,),这
9、与以上 种数学模型特征曲线的“型”曲线形态相同。因此,采用根据实测沉降数据建立的数学模型可以较为准确直观地体现地面沉降的阶段性地层变形和沉降变化趋势,达到预测地面沉降潜力及趋势发展的目的。钻孔全断面精细化监测系统钻孔全断面精细化监测的实现主要依赖分布式光纤 监 测 技 术(,),技术原理是利用光纤中的光散射或非线性效应随外部环境发生的变化进行传感,可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的外部物理参量(包括应变、温度、位移、水分和渗流等)进行连续的测量,获取被测物理量的时空分布状态(,)。钻孔全断面精细化监测中主要涉及的包括基于布里渊散射的全分布式光纤监测技术(和 )以及基于光纤布拉格光栅的准分布式光
10、纤图 地面沉降量随时间变化曲线 沉降模型特征曲线;实测沉降历时曲线监测技术()。布里渊光时域反射计()的主要工作原理是通过光纤的轴向应变变化引起布里渊散射光的频移,两者之间的关系可表示为:()()()()式中:()为应变 下的布里渊频移;()为无应变布里渊频移;为应变比例系数,波长下的应变比例系数约为 。布里渊频移也受温度影响,但当温度变化小于 时,温度影响可忽略不计(,)。由土体压缩或回弹引起的光缆的变形可采用应变积分法计算:()()式中:是两锚固点之间的变形量;是沿光缆方向锚固点之间的平均应变(,)。钻孔全断面精细化监测系统即在钻孔中布设传感光缆,形成一个分布式的光纤监测系统,能够长期监测
11、钻孔全断面的地层变形、地下水位、温度场、水分场等变化的定量分布信息。通过不同时间的全断面应变分布监测可以精细化获取地表以下不同层位 ()梁钰等:基于精细化监测的地面沉降潜力预测模型应用研究图 钻孔全断面精细化监测系统 连续的变形情况,更好地了解地面沉降过程中地层变形的时空分布情况(施斌等,)。对地层结构复杂、变形不均一的地面沉降区进行沉降潜力预测时,可采用 获得的精细化地层变形数据作为数据样本,通过拟合计算不同沉降模型的待定参数,建立起最终的沉降模型,从而实现对该地区地面沉降潜力的预测工作。下面结合天津市滨海新区地面沉降光纤监测钻孔结果为例阐述该方法的具体应用。地面沉降潜力预测模型应用 沉降区
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