Wang Chengbin, Yu Qingyang, Liu Chen, et al. On the influence of water retaining effect of underground structures on parameter sensitivity for land subsidence caused by water pumping[J]. Science Technology and Engineering, 2020， 20(4)： 1619-1627

地面沉降不仅危及人类位于地表及地下的已建工程构筑物，还会限制城市的进一步开发和建设。在全球面临气温升高导致海平面上升问题的当下，地面沉降对沿海城市和地区影响尤甚。导致地面沉降的人为影响因素众多，例如基坑、隧洞的开挖，地表高层、超高层建筑建设，地下水的开采等[1-7]，随着人类社会的日益发展，超大及特大城市不断涌现，城市地面沉降日益显著，特别是近几十年，全世界范围内已有多个城市的发展受到由于过量开采地下水所引起的地面沉降的困扰。蔡文晓认为，在德州市，由深层地下水的超量开采引起的地面沉降占总沉降量高达90%，且由地下水的开采引起的地面沉降影响范围较大[8]。

基于有效应力原理可知，抽水引起的地面沉降是由孔隙静水压力降低，土体有效应力增大所致[9]。对于抽水所引起的地面沉降，丁德民等认为，基于比奥固结理论建立的渗流场和应力场有限元耦合模型进行的地面沉降计算结果与实际情况吻合度良好[10]。

大量研究表明地下构筑物的存在会降低地下土体的渗透系数[11-14]。许烨霜分析地下挡水构筑物对土体渗透性的影响时采用等效介质理论计算等效渗透系数，进而分析计算挡水构筑物对地面沉降的影响，得到了挡水构筑物的设置会增大地面沉降量的结论[15]。但是，这种等效介质计算理论并未将地下构筑物位置的影响考虑在内，土体不同位置的水头变化也很难准确监测或分析计算得到，且用目前广泛采用的固结沉降理论和解析解方法计算抽水所引起的地面沉降往往没有考虑土层的侧摩阻力[16-17]，只能得到实际情况的近似解。为了分析地下构筑物对抽水引起的地面沉降的影响和土体各参数敏感性变化规律，需得到沉降量的精确解，考虑通过数值计算方法来得到地面沉降精确解，分析挡水构筑物对地面沉降的影响特征，并由 MATLAB编程和公式推导计算分析和验证挡水构筑物的设置对土体参数相对于地面最大沉降量敏感性的影响。

1抽水沉降模型的建立

1.1 基于渗透固结理论的抽水沉降力学模型

比奥从固结机理出发，考虑土体三向渗流和变形，且考虑土体变形与孔压的相互作用，在太沙基固结理论的基础上推导了准确反应孔隙压力消散和土体固结关系的真三维固结方程[18](假设土体骨架微小弹性变形，变形符合压缩定律；地下水不可压缩，渗流符合达西定律)：

式(1)中，G为剪切模量，μ为泊松比，P为孔隙水压力，γw为4 ℃下水的容重，u、v、w为土层x、y、z向的位移，Kx、Ky、Kz为土层x、y、z向的渗透系数，η2为拉普拉斯算子。采用有限元法，以比奥固结理论为基础，通过构建地下应力场和渗流场耦合模型，研究挡水构筑物对抽水引起的地面沉降影响征。

1.2 抽水沉降的几何模型

图1 计算模型示意图Fig.1 Schematic diagram of the calculation model

考虑多层含水层和弱隔水层时的计算模型如图1所示，由于一般情况下，地下土层一般为隔水层与含水层互层，由于出于规律性研究的考量，选取的土层不宜过少，但太多亦意义不大，结合文献[10,15]，分析模型由含水层与弱隔水互层的11个土层组成。出于定性研究的目的，地下挡水构筑物很少有深入到地下500 m的情况，且主要分布于从地表至地下200 m范围内，所以除地表土层外，其余地层选取为50 m厚，即包括1个35 m潜水层、5个厚度为50 m的承压含水层、5个厚度为50 m的弱隔水层。由于以边界不透水的工况为研究对象，研究对象应选为大范围，故模型长、高分别为1 500 m和535 m，厚度1 m。初始地下水位取5 m。模型侧面设为法向位移约束，底面设为全约束，表面为透水边界，侧面和底面均为不透水边界。开采井类型为排井，研究范围内只有一个且位于模型中间，方向与宽方向垂直。地下构筑物位于排水井左侧，为了避免挡水构筑物与周边土体由于材质不同而引起的应力分布变化对挡水效应的分析，本文计算过程中，地下构筑物相对于土层设为不透水材料。

1.3 计算参数

现结合一般实际情况，以文献[10,15]研究区域中各土层分布特征和相关土体参数大小为基础，以达到了解地下挡水构筑物对土体参数敏感性影响规律的研究目的。由于地表土层一般缺乏上覆荷载，故选为潜水含水层，岩性为粉砂。由于接近地表的土层，接收渗透雨水和地表水较多，第一隔水层选为黏土。起初，随着深度增大，在承压水的作用下，细粒颗粒被水流冲走，含水层构架颗粒增大，故选为细砂和中细砂，深处含水层由于承压加大，土层孔隙减小，水流变慢，含水层选为粉细砂。除接近地表的隔水层外，其余隔水层皆为粉质黏土。由于选取模型土层较厚，为了使模型与一般实际更吻合，隔水层皆设置为弱隔水层。具体各物理力学参数见表1。

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