当储存在地表下的水被抽走或排出时，就会发生永久性的下沉。含水层孔隙和裂缝中流体压力的降低系统，特别是在松散的岩石中，不可避免地伴随着含水层系统的变形。因为含水层系统的颗粒结构——所谓的“骨架”——不是刚性的，而是或多或少具有柔性的，对上覆物质的支撑平衡的改变会导致骨架轻微变形。构成含水层系统的含水层和弱含水层都会变形，但程度不同。几乎所有的永久沉降都是由于弱透水层在典型的缓慢排水过程中的不可逆压缩或固结造成的(Tolman and Poland,1940)。这一概念被称为弱透水性排水模型，已成为许多成功的沉降调查的理论基础。
1）当水位下降时，主要是由于地下水抽水的季节性增加，对上层物质的一些支持从充满孔隙的加压流体转移到含水层系统的大骨架。（增加的负荷通过收缩孔隙空间来压缩骨骼，导致地表的一些下降）
2）当地下水被补充和水位上升时，上覆物质的一些支持从颗粒骨架转移到受压的孔隙流体。（在负荷减少的情况下，孔隙和骨架扩张，导致地表有所抬升）
可逆（弹性）变形发生在所有含水层系统中
地下水位变化和含水层系统压缩之间的关系是基于太沙基首先提出的有效应力原理(Terzaghi，1925)。根据这一原理，当流体压力提供的支撑减少时，例如地下水位降低时，先前由孔隙流体压力提供的支撑转移到含水层系统的骨架上，该骨架受到一定程度的压缩。相反，当孔隙流体压力增加时，例如当地下水补充含水层时，对于该系统，先前由骨骼提供的支撑被转移到流体中，并且骨骼膨胀。这样，随着孔隙流体压力随着含水层系统的排泄和补给而波动，骨架交替经历压缩和膨胀。当骨架上的载荷保持小于任何先前的最大载荷时，波动仅产生含水层系统的小弹性变形和陆地表面的小位移。这种完全可恢复的变形发生在所有含水层系统中，通常导致地表季节性可逆位移达1英寸或更多，以响应地下水抽水的季节性变化。
非弹性压实不可逆转地改变了含水层系统
一个骨架构件的过去应力的最大水平被称为前期固结应力。当弱透水骨架上的荷载超过前期固结应力时，弱透水骨架可能会发生显著的永久性重排，导致不可逆的压实。因为骨架确定了弱透水层的孔隙结构，这导致孔隙体积永久减少，因为孔隙流体从弱透水层“挤出”进入含水层。在大规模超采的承压含水层系统中，来自不可逆弱透水层压实的水量基本上等于沉降量，通常为抽水总量的10%至30%。这意味着对储存的地下水的一次性开采和含水层系统储存能力的少量永久性减少。
当长期抽水降低地下水位，并将弱透水层上的应力提高到超过前期固结应力阈值时，弱透水层会压实，地表会永久下沉。
粒状弱透水层骨架，储存地下水充满孔隙空间（左）
重新排列、压缩的粒状弱透水层骨架，具有降低的孔隙度和地下水储存能力（右）
受地下水抽水季节周期调节的水位长期下降
弱透水层排水和含水层系统压实
有效应力原理
对于地下水位以下的任意平面，由上覆岩石和水的重量所代表的总应力由孔隙-流体压力和粒间或有效应力所平衡。
总应力（上覆岩石和水的重量或荷载）
孔隙-流体压力（由填充岩石基体孔隙的水所承受的总应力的一部分）
有效应力（岩石基质骨架中固体颗粒所承受的总应力的一部分）
地下水位的长期变化会引起下沉，过程如下：
1）上覆岩石和水的重量由孔隙流体压力和粒间或有效应力平衡。
2）从密闭含水层中抽取地下水可降低流体压力(ρ)。由于总应力（σT）几乎保持不变，一部分负载从受限的流体转移到含水层系统的骨架上，增加了有效应力（σe），并造成了一些压缩。
3）根据有效应力原理，厚的互层含水层和弱透水层序列的压实速度只能与整个序列的孔隙压力随着抽水含水层中压力的降低而趋于平衡的速度一样快。大多数地面沉降是弱透水层永久压实的结果，由于排水缓慢，可能会延迟。
粘土和淤泥(弱透水层)
近几十年来，越来越多的人认识到弱透水层在冲积含水层系统对地下水抽水的中长期响应中的关键作用。在许多这样的系统中，曾经被认为不产水的淤泥和粘土夹层构成了承压含水层系统的大部分地下水储存能力！这是因为它们的孔隙度和压缩性大得多，并且在许多情况下，与更具透射性的粗粒砂和砾石层相比，它们的骨料厚度更大。
根据定义，弱透水层的渗透性远低于含水层，因此弱透水层向相邻抽水含水层的垂直排水可能进展缓慢，因此远远落后于相邻含水层中不断变化的水位。
弱透水层可能在很大程度上与较高频率的季节性波动无关，更多地受到较低频率的地下水水位长期趋势的影响。
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自陈超科学网博客。
链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-858128-1357718.html?mobile=1
收藏
