地面沉降是因地下水过度开采引发的环境地质问题之一,而地面沉降现象的发生不可避免地增大了承压含水层顶底板承受的有效应力,致使粘性土层压密固结排水,释出的部分弱结合水参与渗流并补给相邻承压含水层,成为开采条件下承压含水层的补给来源,同时也伴随着粘性土层渗透能力的变化,这些因素的变化直接影响到数值模拟模型模拟及预测结果的可靠度。因此,有必要通过定量分析刻画固结排水引起的压密释水量和渗透系数的变化幅度,开展顶底板固结排水条件下的地下水数值模拟研究,以提高地面沉降地区地下水数值模拟模型的精度,保护地下水开采环境。为此,本文以安徽省阜阳市为例,重点研究了顶底板固结排水条件下的地下水数值模拟的相关内容。本文首先在详细分析研究区地质水文地质条件、地下水开采状况及地面沉降发生演变的基础上,阐述了地下水超采引起地面沉降的形成机理,明确了压缩层位。分析结果表明研究区地面变形的主要层位在84.5~200m深度范围内,地面沉降量表现出随承压含水层开采量增加而增大的现象。受含水层顶底板弱透水层土体固结沉降蠕变性的影响,第一承压含水层地下水水位变化略滞后于地面沉降变化速率,并呈现明显的负相关关系。基于该分析结论,为进一步揭示饱和粘性土体压缩体积与排水体积、土体固结排水体积膨胀系数与外力之间的关系,以及固结过程中土体渗透性的变化规律,开展了承压含水层顶板原状岩芯土样,不同压力条件下的多组固结排水试验,试验结果表明当外力大于该土体内弱结合水的抗剪强度时,部分弱结合水参与孔隙渗流并转化为自由水排出,即产生体积膨胀效应,其膨胀系数与外力呈幂函数关系,土体渗透系数K随外力的增大呈指数函数递减,但土体渗透的稳定性因弱结合水的排出在时间上存在滞后现象。借助Visual MODFLOW软件,通过考虑土体在沉降过程中(空间和时间上)土体固结排水量、固结排水膨胀系数、渗透系数等参数的变化,建立了顶底板固结条件下地下水数值模型,结合土体变形方程,利用二者部分相耦合方程模拟研究区地下水流场、地面沉降在空间和时间上的变化过程。模拟期内研究区土体固结排水量占承压含水层总开采量的6.11%~8.85%;其次,因考虑了承压含水层顶底板土体渗透系数的变化以及土体固结排水量对地下水流场的补给,使得观测孔水位计算水值与实测值、土体累计地面沉降量计算值与实测值拟合精度较高。借助该数值模型,提出了基于地面沉降约束的地下水“水位—水量”双控方案。当承压水开采量压采25%后的水位上升较显著,中心点累计沉降量基本稳定在1846mm,且2020年以后沉降量基本趋于平稳,不再增加。