弹塑性变形条件下抽水引起的地面沉降三维数值模拟

基于部分耦合原理,采用TOUGH2和FLAC3D建立抽水引起的三维地面沉降弹塑性模型,模型中综合考虑土体的弹塑性变形特征、渗流-应力的双向耦合作用以及参数的非线性,探讨了持续抽水和脉冲抽水两种抽水过程中地面沉降发展演化过程。研究结果表明:（1）集中抽水停止后地面沉降会发生回弹,抽水中心沉降量不断减小。由于水平方向存在水力梯度,地下水继续向地下水位漏斗中心渗流从而导致沉降漏斗的范围仍继续扩大;（2）脉冲抽水导致土体的孔隙水压力、渗透系数以及沉降量均呈周期性波动变化,地面沉降会局部回弹,但总体仍随着抽水的持续,沉降量不断增加;（3）在抽水量相同前提下,对比持续抽水与脉冲抽水两种方式引发的塑形沉降量可知,抽水速率小、脉冲式多次开采导致的塑性沉降量较小,持续抽水的抽水速率越小、脉冲抽水间隔越短越有利于控制地面沉降。研究成果为地面沉降数值模拟提供了一种新方法,其中算例研究能为抽水条件下地面沉降的控制提供参考。     

基于变渗透系数的深基坑单井抽水沉降研究

地下水抽采是造成地表沉降的重要原因。基于弹性多孔隙介质Konzeny-Carman渗透模型,考虑地层在抽水过程中变形导致土层内部物理力学性质的改变,建立了基于土体应变的变渗透系数模型,并引入了渗透影响系数概念。运用有限元多物理场耦合软件COMSOL建立模型,采用Darcy渗流模式与弹性多孔隙介质完全耦合方法,研究了抽水过程中地层沉降量与渗透影响系数以及渗透系数的变化规律,并与实测沉降值进行对比。研究表明,采用考虑土体变形的变渗透系数模型所计算的沉降量与实测沉降变形较好地吻合,该模型能更好地反映抽水过程中沉降动态过程。     

周期性开采和回灌条件下浅层地下水位变化特征研究——以天津滨海新区为例

针对天津滨海新区进行的周期性抽水与回灌试验,根据抽水试验计算了含水层的渗透系数和抽水的影响范围,并据此分析了抽水与回灌试验的叠加效应;根据实测数据分析了抽水回灌周期、流量、不同采灌方式等因素对地下水位埋深的影响。不论是连续式还是间歇式的周期性抽水与回灌方式,产生的地面沉降量都很小,并且间歇式周期性抽水回灌方式优于连续式周期性抽水回灌方式。试验结果表明采用周期性抽水与回灌的方法建立人工渗流场可有效减小地源热泵工程中的地面沉降。     

上海地面沉降管控分区沉降特征及地下水采灌对比研究

上海自1921年发现地面沉降,至今已经100年历史。上海采取压缩地下水开采和进行地下水人工回灌等措施,使地面沉降得到有效控制。尤其21世纪上海市进入微量沉降阶段。地面沉降速度显著减小,地面沉降防治进入分区管控的新阶段。本文从上海市防治分区角度出发,对2001～2017年间上海地面沉降变化特征及其与地下水采灌关系进行分析研究。结果表明上海地面沉降量总体呈减小趋势,地面沉降防治效果显著。地面沉降量变化趋势与深部土体变形量变化趋势大抵相同,2001～2008年间各防治区地面沉降量大幅减小,2009～2017年间减小速率较平缓。2001～2008年间,重点防治区地面沉降量相比次重点及一般防治区年均沉降量差值约10mm,2009～2017年间差值减至约3mm,重点防治区地面沉降防治效果相对更明显。重点防治区在2001～2017年间地面沉降虽然减缓但持续发展,而次重点和一般防治区则在2009年后由地面沉降转变为地面回弹。各防治区深部土体在2009年左右开始回弹,浅部土体年压缩量变化不大且几乎不回弹或微量回弹。2001～2017年间上海各防治区地面沉降量及深部土体变形量变化趋势与净抽水量变化整体响应良好,压缩开采、增大回灌能有效防治地面沉降灾害。2009年后深部含水层开始回弹,之后随着净抽水量继续减小回弹变化缓慢;除一般防治区外其它防治区回弹量在3mm内轻微波动。人工回灌对于增大深部土体回弹的效果不明显。     

地下水渗流与地面沉降耦合模拟

为了准确模拟由地下水开采导致渗流场和应力场发生变化而引起的地面沉降问题,根据Terzaghi有效应力原理,建立了地下水三维渗流与一维垂向固结的地下水渗流与地面沉降耦合数值模拟模型和以比奥固结理论为基础,并结合土体非线性流变理论,将土体本构关系推广到粘弹塑性,同时考虑土体力学参数及水力参数的动态变化关系的地下水渗流与地面沉降三维全耦合数值模拟模型.通过对比分析,结果表明:基于Terzaghi有效应力原理建立的地下水三维渗流与一维垂向固结地下水渗流与地面沉降耦合数值模拟模型模拟所得地面沉降与地下水位呈现出同步变化的趋势,并且当地下水位逐步回升至初始水位时,地面沉降也逐步回升到初始的零沉降状态.而以比奥固结为基础建立的地下水渗流与地面沉降三维全耦合数值模拟模型模拟所得的地面沉降变化趋势滞后于地下水位的变化趋势,并且当地下水位逐步回升至初始水位时,地面沉降虽也逐步得到回升,但回不到初始的零沉降状态,存在一个永久的残余沉降量.在土体参数变化方面,土体的孔隙度、渗透系数及泊松比均呈现先减小后增大的变化趋势,而弹性模量则呈现先增大后减小的变化趋势,与地面沉降的变化相对应.      

基于TOUGH2数值模拟软件的延津地区热储采灌研究

本文采用TOUGH2数值模拟软件,根据研究区对井在预设情景下运转30年的模拟结果,对河南省延津县下新近系热储层压力场、温度场进行模拟,在模型验证的基础上,对不同回灌率及不同采灌井间距工况进行模拟研究,结果显示:回灌井的回灌过程会使地下水水温降低,回灌时间越长水温降低幅度越大,影响范围也越大,根据模拟抽水井和回灌井不同间距条件下(55 m、150 m、250 m、300 m)温度场变化情况,建议区域下新近系地层地热回灌项目抽水井和回灌井间距应大于等于250m,以保证抽水井出水温度;而不同回灌率工况下分析化学场和压力场的模拟数据可以看出,回灌率越大,地热水水质、压力影响越大,基本呈线性关系。为区域地热资源回灌-开采提供示范和指导。     

COMSOL平台在城市地下多种资源相互影响分析中的应用

针对系统动力学方法在地下资源相互影响问题分析中存在的不足,引入了多孔介质多场耦合理论,以地下水源热泵形式浅层地热能资源开发的假想模型为例,运用COMSOL平台建立了温度场-渗流场-应力场耦合的数值模型,对比了地下水源热泵运行前后和对调抽/回灌井前后区域地下渗流场、地温场和应力场的变化情况。结果表明：地下水源热泵运行前后抽水井和回灌井周边的渗流场发生了显著改变,10 a之后抽水井的水温由初始的约21℃下降至约17℃,并呈现出继续下降的趋势,区域地面沉降量达2 m左右;对调抽/回灌井后,抽水井温度的下降幅度由之前的4.0℃变为不到0.5℃。COMSOL平台在地下多种资源相互影响分析及其优化利用方面展示出良好的应用潜力。     

考虑流变特性的流固耦合地面沉降计算模型

本文根据流固耦合力学的理论与方法,研究地面沉降问题,即将地面沉降过程视为一个动态耦合作用过程,通过建立渗流－变形－沉降耦合模型,同时对渗流、变形和沉降过程进行仿真模拟,从而对地面沉降进行计算和预测。由于软粘土的流变变形量在地面沉降中占有明显的份量,因此本文在模型中充分考虑软粘土的流变特性,建立了包括主固结又考虑次固结的计算模型,特别适用于采、灌过程中不同受力阶段的流变特性。其特点：三维渗流与三维固     

深基坑降水三维变参数非稳定渗流与地面沉降耦合模型

为了精确模拟预测松散沉积层中深基坑降水引起的地下水渗流场和地面沉降的变化特征,考虑土体孔隙度、渗透系数、储水率随地下水位下降发生的动态变化,建立了深基坑降水三维变参数非稳定渗流与太沙基一维固结理论的地面沉降耦合模型,并采用有限元数值分析方法对模型进行求解。以南京地铁三号线浦珠路站深基坑降水为例进行模拟计算。结果表明：采用15口坑内抽水井,抽水井过滤器埋深为22.0～37.0 m,基坑围护连续墙底部埋深至41.5 m为最优降水方案;不仅使基坑内地下水位满足开挖要求,又使基坑外地面沉降在控制范围内。经验证,所建立的模型合理,计算结果可靠,研究理论用于模拟预测此类地区深基坑降水引起的地下水流场变化具有较高的可信度。     

基于随机介质理论的抽水地表变形时空耦合预测模型

抽取地下水引起的地表变形对地面建(构)筑物的正常使用和结构安全构成了严重威胁。深入研究抽水地表变形预测理论对于沉降灾害防治具有重要意义。由于土体模型选择和土工参数测定上的困难,基于比奥固结理论的数值求解方法在计算抽水地表变形上尚未取得理想效果。文章将随机介质理论与一维固结理论结合,建立了新的抽水地表变形时空预测模型。首先,利用一维固结微分方程,建立反映地面沉降时间效应的半经验计算模型;其次,在分析抽水地面沉降空间分布规律的基础上,利用随机介质理论研究抽水地面沉降空间分布特征;再次,综合考虑抽水地面沉降的时间效应和空间分布形态,建立抽水地面沉降的时空耦合预测模型及抽水地表倾斜、水平移动、水平变形、曲率的时空计算模型。利用这些模型计算地表变形共需5个计算参数,介绍了参数求解方法。最后,利用上述时空耦合计算模型预测某地单井抽水引起地表变形的时空规律。研究表明,所建立的抽水地表变形预测模型能准确地反映抽水地表变形的时空规律,能方便、快捷地预测地下水开采引起的地表变形。