北京王四营地区地面沉降演化规律及潜力预测模型评价

刘贺, 罗勇, 雷坤超, 田芳, 周丽苹, 王新惠, 田苗壮. 2025. 北京王四营地区地面沉降演化规律及潜力预测模型评价. 地质通报, 44(2~3): 364-376. doi: 10.12097/gbc.2023.10.008
引用本文: 刘贺, 罗勇, 雷坤超, 田芳, 周丽苹, 王新惠, 田苗壮. 2025. 北京王四营地区地面沉降演化规律及潜力预测模型评价. 地质通报, 44(2~3): 364-376. doi: 10.12097/gbc.2023.10.008
LIU He, LUO Yong, LEI Kunchao, TIAN Fang, ZHOU Liping, WANG Xinhui, TIAN Miaozhuang. 2025. Evaluation of land subsidence evolution law and potential prediction model in Wangsiying area of Beijing. Geological Bulletin of China, 44(2~3): 364-376. doi: 10.12097/gbc.2023.10.008
Citation: LIU He, LUO Yong, LEI Kunchao, TIAN Fang, ZHOU Liping, WANG Xinhui, TIAN Miaozhuang. 2025. Evaluation of land subsidence evolution law and potential prediction model in Wangsiying area of Beijing. Geological Bulletin of China, 44(2~3): 364-376. doi: 10.12097/gbc.2023.10.008

北京王四营地区地面沉降演化规律及潜力预测模型评价

  • 基金项目: 北京市科技计划项目《地面沉降和回弹灾害精准识别预警关键技术研究与示范应用》(编号:Z231100003823006)、北京市科技计划课题《北京新航城地区地面沉降监控预警关键技术与应用示范》(编号:Z191100001419007)、国家重点研发计划课题《城市群典型沉降区地面沉降发育演变特征及成因机制分析》(编号:2017YFB0503803)、北京市自然科学基金资助项目《京津高铁差异性沉降区段桩−土变形耦合机制研究》(编号:8212042)
详细信息
    作者简介: 刘贺(1989− ),男,硕士,高级工程师,从事地面沉降研究。E−mail:liurher@163.com
  • 中图分类号: P642.26

Evaluation of land subsidence evolution law and potential prediction model in Wangsiying area of Beijing

  • 研究目的

    为研究地面沉降演化规律及其沉降潜力,以北京王四营地区为例,结合多源精细化监测数据“由点到面”对该地区地面沉降特征进行分析和对比研究。

    研究方法

    引入成长曲线沉降模型,通过MATLAB构建了多源数据融合的地面沉降潜力评价模型。“点”上以王四营地面沉降站为依托,对分层沉降情况进行机理分析和预测;“面”上以区域水准测量和区域地下水位动态监测数据为依托,对区域沉降演化特征沉降潜力进行评价。

    研究结果

    ①地面沉降主要发生在粘性土层,地面沉降发育情况与粘性土含量成正比,王四营地区浅部地层中沉降量和沉降比例越来越小,而深部地层随着时间沉降量和沉降比例越来越大;丰水期地面沉降速率减缓,枯水期地面沉降速率明显增大;地面沉降和地下水位数据拟合后发现二者具有一定的相关性,随着水位降幅的增大,相关性也随之增大,二者呈正相关。②基岩标-分层标静力水准测量系统与人工水准测量系统对同一监测点数据互校后的误差值非常接近,符合正态分布规律。③预测未来地面沉降,垂向上随着时间的增长,各地层地面沉降开始逐渐衰减,但地层整体残余沉降量仍有100 mm左右的发展空间,中深部地层是未来地面沉降发生的主要优势层位,沉降潜力较大;横向上,未来地面沉降趋势与现阶段一致,但速率整体呈减缓趋势。

    结论

    王四营地区深部地层是主要的沉降“优势”层位,地面沉降所表现出的季节性形变特征与地下水位动态变化趋势有较高相关性,未来该地区沉降将持续减缓。

  • 加载中
  • 图 1  王四营地面沉降监测站标孔埋设示意图

    Figure 1. 

    图 2  王四营监测站及附近地区地面沉降监测网

    Figure 2. 

    图 3  王四营站2004—2021年各地层累计沉降贡献量对比图

    Figure 3. 

    图 4  各地层岩性分布及沉降占比

    Figure 4. 

    图 5  王四营站2004—2020年各地层年度沉降贡献量对比图

    Figure 5. 

    图 6  2006—2021年王四营站季节性形变与不同含水层之间关系

    Figure 6. 

    图 7  2006—2021年王四营站分层地下水位动态变化

    Figure 7. 

    图 8  水位-沉降相关关系

    Figure 8. 

    图 9  基岩标-分层标静力水准测量系统与水准测量系统的误差概率图

    Figure 9. 

    图 10  沉降-时间曲线

    Figure 10. 

    图 11  成长曲线模型特征曲线

    Figure 11. 

    图 12  王四营站分层标历年实测沉降曲线

    Figure 12. 

    图 13  王四营站各分层标生长曲线拟合模型

    Figure 13. 

    图 14  王四营站各分层标未来发展趋势预测

    Figure 14. 

    图 15  北京王四营地区未来10年(2021—2030年)平均地面沉降预测速率分析图

    Figure 15. 

    表 1  不同监测方法与水准测量互校差值

    Table 1.  Differences after mutual calibration of different monitoring methods and levelingt

    监测方法对比两种监测方法互校后的差值/mm
    基岩标−分层标与
    水准测量对比
    −0.3680.5590.19−0.13−0.1690.847
    5.8683.681−1.4850.969−1.0820.407
    −1.909−0.7372.096−0.424−1.3992.138
    −2.1441.957−0.886−1.251.639−0.112
    下载: 导出CSV

    表 2  王四营站各分层标沉降潜力预测模型参数

    Table 2.  Parameters of the land subsidence potential prediction model of each layered standard at Wangsiying Station

    分层标 F1-1 F1-2 F1-3 F1-4 F1-5 F1-6 F1-7
    地层 中细砂 粘土 粘土 细砂 中粗砂 粘土 粘土 中粗砂 粘土 粉粘 粉土 中细砂
    观测层位埋深/m 147.60~185.30 94.00~147.60 66.00~94.00 48.00~66.00 24.00~48.00 15.00~24.00 2.00~15.00
    观测层初始厚度/m 37.7 53.5 28 18 24 9 13
    当前标杆沉降量 −123 −421 −511 −595 −608 −618 −628
    当前各层累计沉降量/mm −123 −298 −90 −84 −13 −10 −10
    当前累计沉降量占总沉降百分比 19.59% 47.45% 14.33% 13.38% 2.07% 1.59% 1.59%
    模型参数
    (见公式(3))
    A1 −0.6717 −14.66 −22.4 −28.01 −30.01 −33.79 −34.18
    A2 −136.3 −485.7 −583.4 −689.4 −703.3 −712.9 −731.9
    p 5.14 4.03 4.05 3.802 3.816 3.855 3.72
    t0 11.45 10.95 10.69 10.63 10.6 10.64 10.64
    评价参数 相关系数R2 0.9987 0.9986 0.9979 0.9974 0.9973 0.9972 0.9969
    误差项自由度dfe 14 14 14 14 14 14 14
    均方根rmse 1.9668 6.6205 9.8388 12.6073 13.0732 13.5393 14.2547
    预测稳定阶段 标杆沉降量/mm −136.231 −484.667 −582.317 −687.569 −701.496 −711.162 −729.700
    各层预测累计沉降量/mm −136.231 −348.437 −97.650 −105.252 −13.926 −9.666 −18.539
    各层预测累计沉降占
    总沉降百分比
    18.67% 47.75% 13.38% 14.42% 1.91% 1.32% 2.54%
    各层残余沉降量/mm −13.2305 −50.4365 −7.6499 −21.2523 −0.9264 0.334 −8.5387
    下载: 导出CSV

    表 3  2021年与2022年实测沉降量与模型预测沉降量对比

    Table 3.  Comparison between measured land subsidence and model predicted land subsidence in 2021 and 2022

    点号 2021年 差值 2022年 差值
    实测值/mm 预测值/mm 实测值/mm 预测值/mm
    点1 −58.50 −57.42 −1.08 −44.60 −42.67 −1.93
    点2 −30.90 −28.96 −1.94 −24.00 −23.01 −0.99
    点3 −56.20 −53.56 −2.64 −50.00 −47.96 −2.04
    点4 −51.20 −52.43 1.23 −36.50 −36.18 −0.32
    点5 −40.00 −38.07 −1.93 −37.13 −36.00 −1.13
    点6 −3.80 −5.69 1.89 −0.30 −2.63 2.33
    点7 −5.70 −4.21 −1.49 −3.56 −5.13 1.57
    点8 −13.90 −14.90 1.00 −11.60 −11.03 −0.57
    下载: 导出CSV
  • [1]

    Das B M. 1983. Advanced soil mechanics[M]. New York: McGraw−Hill Book Company.

    [2]

    Gompertz B. 1825. On the function expressive of the law of human mortality and on a new method of determining the value of life contingencies[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences: 513−585.

    [3]

    Karim M R. 2000. Analysis of Biot’s consolidation using element free galerkin method[D]. Singapore: National University of Singapore: 1−98.

    [4]

    Beijing Hydrogeological Engineering Geological Brigade (Beijing Geological Environment Monitoring Station). 2018. Ground subsidence in Beijing[M]. Beijing: Geological Publishing House (in Chinese).

    [5]

    Yu H R, Gong H L, Chen B B, et al. 2020. Progress and reflection on land subsidence research in the Beijing−Tianjin−Hebei region[J]. Surveying and Mapping Science, 45(4): 125−133, 141 (in Chinese with English abstract).

    [6]

    Guo H P, Li W P, Wang L Y, et al. 2021. Current situation and research prospect of land subsidence driven by groundwater level in the North China Plain[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 48(3): 162−171 (in Chinese with English abstract).

    [7]

    Luo Y, Ye S J, Wu J C, et al. 2015. Analysis of soil deformation characteristics under the condition of significant groundwater level rise in Shanghai[J]. Journal of Geological Sciences, 21(2): 243−254 (in Chinese with English abstract).

    [8]

    Li Z F, Zhou Z F, Li M Y, et al. 2017. Hydraulic parameter response law during water release process in weakly permeable layers[J]. Journal of Hohai University (Natural Science Edition), 45(4): 340−344 (in Chinese with English abstract).

    [9]

    Zhu W W. 1991. Study on hydraulic and compressive properties of overflowing aquifer systems[J]. Journal of Earth Sciences (China University of Geosciences), (1): 95−104 (in Chinese with English abstract).

    [10]

    Wu Q, Xie H L, Zhao Z M, et al. 2006. Study on the deformation mechanism of weakly permeable layers[J]. Journal of Beijing University of Science and Technology, (3): 207−210 (in Chinese with English abstract).

    [11]

    Sun J. 1992. Overflow and cohesive soil water release in deep pore water resource evaluation[J]. Geology of Anhui Province, (3): 46−50 (in Chinese with English abstract).

    [12]

    Wang W, Lu T H. 2007. Model analysis of soft foundation settlement prediction based on Weibull curve[J]. Geotechnical Mechanics, 28(4): 803−807 (in Chinese with English abstract).

    [13]

    Zhu Z D, Zhou L H. 2009. Application of logistic model for predicting the whole process settlement of soft soil roadbeds[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 31(6): 965−969 (in Chinese with English abstract).

    [14]

    Yu C, Liu S Y. 2005. Application of Gompertz Model for predicting embankment settlement[J]. Geotechnical Mechanics, 26(1): 82−86 (in Chinese with English abstract).

    [15]

    Mei G X, Zai J M, Yin Z Z, et al. 2004. Proof of the "S" shape of the settlement time curve[J]. Geotechnical Mechanics, 25(1): 20−22 (in Chinese with English abstract).

    [16]

    Yang T, Li G W, Yang W Q. 2004. Prediction of settlement of graded embankment based on hyperbolic method[J]. Geotechnical Mechanics, 25(10): 1551−1554 (in Chinese with English abstract).

    [17]

    Yang T, Yin Z Z. 1998. Composite constitutive finite element analysis of settlement of composite foundation[J]. Geotechnical Mechanics, 19(2): 19−25 (in Chinese with English abstract).

    [18]

    Liu H, Cui W J, Luo Y, et al. 2022. Changes in land subsidence, groundwater level, and pore water pressure in Tianzhu, Beijing based on layered monitoring[J]. Geological Bulletin of China, 41(4): 692−701 (in Chinese with English abstract).

    [19]

    Lei K C, Ma F S, Luo Y, et al. 2019. Stability study of reference datum for land subsidence monitoring network in Beijing plain area[J]. Advances in Geophysics, 34(5): 1757−1769 (in Chinese with English abstract).

    [20]

    Lu T H. 2002. Soil mechanics[M]. Nanjing: Hohai University Publishing House (in Chinese).

    [21]

    Mei G X, Zai J M, Yin Z Z, et al. 2004. Proof of S−shaped settlement time curve from the perspective of one−dimensional consolidation theory[J]. Geotechnical Mechanics, (1): 20−22 (in Chinese with English abstract).

    [22]

    北京市水文地质工程地质大队(北京市地质环境监测总站). 2018. 北京地面沉降[M]. 北京: 地质出版社.

    [23]

    郭海朋, 李文鹏, 王丽亚, 等. 2021. 华北平原地下水位驱动下的地面沉降现状与研究展望[J]. 水文地质工程地质, 48(3): 162−171.

    [24]

    雷坤超, 马凤山, 罗勇, 等. 2019. 北京平原区地面沉降水准监测网参考基准稳定性研究[J]. 地球物理学进展, 34(5): 1757−1769. doi: 10.6038/pg2019CC0303

    [25]

    李兆峰, 周志芳, 李明远, 等. 2017. 弱透水层释水过程中水力参数响应规律[J]. 河海大学学报(自然科学版), 45(4): 340−344.

    [26]

    刘贺, 崔文君, 罗勇, 等. 2022. 基于分层监测的北京天竺地面沉降、地下水位与孔隙水压力变化规律[J]. 地质通报, 41(4): 692−701. doi: 10.12097/j.issn.1671-2552.2022.04.013

    [27]

    卢廷浩. 2002. 土力学[M]. 南京: 河海大学出版社.

    [28]

    罗跃, 叶淑君, 吴吉春, 等. 2015. 上海市地下水位大幅抬升条件下土层变形特征分析[J]. 高校地质学报, 21(2): 243−254.

    [29]

    梅国雄, 宰金珉, 殷宗泽, 等. 2004. 沉降–时间曲线呈“S”型的证明[J]. 岩土力学, 25(1): 20−22. doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2004.01.005

    [30]

    孙健. 1992. 深层孔隙水资源评价中的越流和粘性土释水[J]. 安徽地质, (3): 46−50.

    [31]

    王伟, 卢廷浩. 2007. 基于Weibull曲线的软基沉降预测出模型分析[J]. 岩土力学, 28(4): 803−807. doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2007.04.033

    [32]

    武强, 谢海澜, 赵增敏, 等. 2006. 弱透水层变形机理的研究[J]. 北京科技大学学报, (3): 207−210.

    [33]

    杨涛, 李国维, 杨伟清. 2004. 基于双曲线法的分级填筑路堤沉降预测[J]. 岩土力学, 25(10): 1551−1554. doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2004.10.008

    [34]

    杨涛, 殷宗泽. 1998. 复合地基沉降的复合本构有限元分析[J]. 岩土力学, 19(2): 19−25.

    [35]

    于海若, 宫辉力, 陈蓓蓓, 等. 2020. 京津冀地区地面沉降研究进展与思考[J]. 测绘科学, 45(4): 125−133,141.

    [36]

    余闯, 刘松玉. 2005. 路堤沉降预测的Gompertz模型应用研究[J]. 岩土力学, 26(1): 82−86. doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2005.01.017

    [37]

    朱伟武. 1991. 越流含水层系统水力性质及压密性质的研究[J]. 地球科学-中国地质大学学报, (1): 95−104.

    [38]

    朱志铎, 周礼红. 2009. 软土路基全过程沉降预测的Logistic模型应用研究[J]. 岩土工程学报, 31(6): 965−969. doi: 10.3321/j.issn:1000-4548.2009.06.023

  • 加载中

(15)

(3)

计量
  • 文章访问数:  68
  • PDF下载数:  24
  • 施引文献:  0
出版历程
收稿日期:  2023-10-27
修回日期:  2024-03-06
刊出日期:  2025-03-15

目录