随着我国城市化进程的加快和地下水资源的过度利用,地面沉降灾害日益严重。地面沉降不仅危害到当地居民的生命财产安全,还给城市的可持续发展带来影响。特别是在苏锡常地区,地面沉降严重影响到当地基础设施的正常使用和安全,相关部门每年花费大量人力物力通过地下水回灌的方式来控制地面沉降。然而,目前对回灌控制地面沉降的机理以及控制效果的评价还有待进一步分析和论证。本文从地面沉降的变形机理出发,结合地面沉降的变形特点,采用了国际上近十几年来发展起来的布里渊光时域分析技术(BOTDA),比较系统地开展了基于BOTDA的水头变化条件下土体沉降模型试验研究,初步揭示了水头变化条件下砂层和粘性土层的变形过程特征及机理,并取得了如下成果：(1)论述了地面沉降监测技术的现状和不足,介绍了BOTDA光纤传感技术的感测原理、解调仪的主要性能指标和技术优势,确定了它们的使用范围。(2)设计了变水头地面沉降模型及试验方案,并对模型中土样的选取与制作方法进行了试验确定。(3)针对地面沉降变形特点,设计研制了用于测量土体沉降变形的特种感测光纤和沉降标,设计并集成了土中水头测量系统和试验数据采集系统,并提出了感测光纤在土样中布设的方法。(4)通过与传统的沉降标法测量结果比较,论证了分布式感测光纤用于土体沉降变形测量的可行性以及存在的问题,为室内小尺寸土体变形模型试验提供了一个新的变形测试手段。(5)通过对比各土层试验中的变形量,对各土层的变形机理进行了深入细致的分析。(6)通过对比分析粘土层回灌阶段的回弹量与排水阶段的沉降量,发现前者仅占后者的10%到30%左右,说明水头变化条件下粘土因排水产生的沉降不是可逆的,为地面沉降生命过程评价提供了新的依据。