断裂背景下抽水扩缝机制及预测研究

Ground fissures are usually the results of re-active of existing faults induced by pumping. The situations of ground fissure are severe in cities where frequent underground water exploiting and geological faults exist. Although, some fundamental understandings about the effects of ground fissures are obtained by previous studies, few work are conducted on the coupled mechanism of fracture surface and pumping, and poor is known on some phenomenon as well as the effective control of ground fissure developing during the pumping. In present study, integrated analysis base on foreign and domestic experiences of ground fissures is employed with a purpose to summarize the mechanism and patterns of ground fissure occurrences constrained by faults. Seepage and deformation characteristics of aquifer and aquifuge and mechanical characters of fracture surface are analyzed by laboratory experiment base on ground fissures in Fenwei basin. Then a computing model regarding the enhanced development of ground fissures was established use a software(FlAC3D) under circumstance of pumping. The coupled effects and mechanism of ground fissure developments responding to characteristics of faults and pumping was expressed, and optimized measurements on ground fissures control was proposed when underground water exploiting incompletely prohibited. The research is of scientific significance to improve the comprehension of occurrence mechanism on ground fissures, and is of practical application to foresee the tendency in ground fissure development, as well as is referential for the prevention of hazard resulting from ground fissure.

许多地裂缝是土中既存断裂面经抽水作用诱发、重新活动而形成的。在地下水开采较多、且具有断层分布的城市，灾害尤为突出。过去的研究，对此有了一些基本的定性认识，但在断裂面与抽水作用的耦合机制和效应问题上开展的工作还较少，不能很好地解释其中的一些现象，也不能解决在抽水仍然继续的情况下如何有效控制地裂缝发展的问题。本项目拟首先根据野外调查和国内外地裂缝资料的分析，建立断裂背景下抽水地裂缝产生的基本模式；然后以汾渭盆地地裂缝为背景，通过室内试验分析代表性含水层和隔水层的释水变形特征，以及断裂面的力学特性；采用FLAC3D软件，建立抽水作用下断裂存在时地裂缝加剧发展的数值计算模型，并据此开展断裂特征及抽水特征对地裂缝发展的耦合机制与效应研究。该项目的研究对于进一步完善地裂缝成因机理具有很好的科学意义，同时对于预测地裂缝的发展趋势，开展地裂缝灾害防治具有很好的指导意义和实际应用价值。

本项目在野外调查及资料收集的基础上，结合代表性土层释水过程中的强度及变形特征试验及断裂面特性的试验，采用数值模拟的方法，对在断裂背景下抽水地裂缝的有效控制进行了相关的研究。通过建立含地裂缝的典型地段的抽水沉降计算模型，对先存断裂存在时抽水作用下的地面沉降进行了尽可能精细地模拟计算。项目研究可以为既存断裂与抽水活动共同存在时，地裂缝可能出现的位置、规模、以及地裂缝可能出现的时间及条件提供科学的定量计算依据，对地裂缝的防治具有一定的参考价值。.项目研究取得的成果简述如下：.（1）断裂背景下抽水扩缝的基本模式研究.收集并整理了大量的资料，建立了边山断裂和盆地中央断裂型抽水地裂缝的机理模式，并从力学机理上进行了推导分析。结果表明由于先存断裂弱面的存在，岩土体中的应力场及变形破坏模式都发生了明显的变化，当抽取地下水时，水位下降引起的应力扰动，导致含断裂面的岩土体的平衡被破坏，从而加剧了地裂缝的活动。.（2）代表性土层和断层面在抽水变动下的力学性质变化.通过重塑黄土的反复直剪试验，测定了黄土裂隙面的参数，并对其力学行为进行了研究。取不同含水量的土样进行试验，测定了结构面的力学参数，对剪切面的特性进行了研究，得出结构面强度参数随剪切次数的增加而逐渐减小，随含水量的增加而逐渐减小的规律，法向刚度随含水量的增加而逐渐减小的规律。.（3）断裂背景下的抽水扩缝机制数值模拟研究.为了描述抽水引起地裂缝加剧活动的最基本规律，排除其他因素的影响，我们首先建立了一个简单的均质单裂缝模型，对应力与变形进行了数值模拟，并对地裂缝产生机理和活动量大小的影响因素进行了分析。在此基础上，根据西安地下水监测资料和详细的地层剖面，建立了包含2条地裂缝的典型地段的抽水沉降计算模型，分析了西安市抽水作用下地层压缩量垂向上的分布特点及水平位置上的差异原因。最后初步建立了包含地裂缝的三维计算模型。.（4）西安地裂缝场地地裂缝活动预测及控制方法研究.该部分内容主要是在前面研究内容的基础上，通过选取西安典型区域的地裂缝作为研究对象，预测其可能的发展趋势，并提出可行的地下水开采控制方案。