基于数值模拟的再生水对地下水质影响实例

为了探讨在再生水地表回灌条件下,再生水对地下水中氨素和主要盐分浓度变化的影响,选取现实存在的清河再生水湿地公园为例,以氨氮、Cl-离子为主要研究对象,利用Hydrus-1D溶质运移模型和Modflow、MT3DMSD耦合地下水模型,模拟了再生水长期利用后的地下水氨氮和Cl-指标变化情况。研究结果显示,再生水到达包气带底部时,水中氮氨、Cl-离子含量高于研究区潜水地下水中的相应指标含量,氨氮超出地下水质量Ⅲ类标准。预测5~20年后,潜水中氨氮超标面积不断扩展,20年后将达14km2,氨氮超标垂向延伸至第一层弱透水层;Cl-离子在潜水中不超标,但在湿地公园周边浓度有所增加。湿地公园再生水的长期地表回灌将给当地地下水质量带来负面影响。     

石嘴山市地下水流模型及其数值模拟

本文在对宁夏石嘴山市的水文地质和地下水资源进行系统分析的基础上,建立了石嘴山市地下水水流模型.并采用有限差分法,利用Processing Modflow软件对该市浅层地下水进行了数值模拟.在模型的拟合阶段和检验阶段,水头计算值与观测值的误差绝对值的平均值分别为0.28和0.18米,所有结果显示两者基本一致,说明所建模型符合实际,可以用于研究区地下水位与水量的近期及远景预测.     

安塬水源地地下水流三维数值模拟

安塬水源地为干河冲洪积扇型水源地,含水层由第四系冲洪积层构成,厚15～30m,非均质,各向同性.受含水层底板坡降的影响,潜水面坡降较大,为5％～8％.三维流特征明显,尤其是抽水试验时在抽水井周边区域不同深度的水头差别更为显著.为了观测不同深度的水位,在群孔抽水试验时在同一观测孔中按上、中、下不同深度设置了3组观测管分别进行水位观测,从而为三维数值模拟提供了水位数据,并以该资料为依据建立了三维有限差分模型,对6种开采方案进行了数值模拟计算和预报.通过11a的开采,证明建立的三维有限差分模型可靠,为水源地的地下水开采建立了较为可靠的数学预报模型.     

地下洞室碎裂结构围岩稳定性二维有限元数值模拟

以西北地区某市水利地下洞室工程为例,通过分别建立的Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类围岩的3个计算模型,对处于低地应力状态下地下洞室碎裂结构围岩,开挖后围岩变形破坏、变形破坏区分布与围岩稳定特征,采用了二维弹塑性有限元法进行了数值模拟、评价。模拟与评价结果表明:研究区洞室开挖后,洞室顶部与侧壁围岩均形成不稳定的变形破坏区,但以洞顶位置围岩所形成的破坏区最具规模,该特征与现场洞室围岩位移监测结果基本符合。该项研究所取得的成果不仅具有重要理论价值,而且对于确保研究区地下洞室工程建设的圆满进行具有实际指导意义。     

墙土体参数对地下连续墙基础沉降数值模拟的影响

考虑到墙周土体及接触的非线性,借助Mar软件建立了空间三维有限元模型,通过与工程实测比较,证明模型合理;在此基础上分析了土体变形模量、泊松比及墙土接触的摩擦对地下连续墙基础沉降的影响,结果表明:土体变形模量对基础沉降的影响相当大,泊松比取其经验值对基础基本无影响,墙土间摩擦系数的提高对基础沉降的减小有一定的作用。     

含水层结构变异对区域地下水循环影响数值模拟

煤炭开采对地下水资源的破坏是限制煤矿区经济与环境可持续发展的主要瓶颈, 煤炭资源开采与水资源保护的矛盾将日益加剧。我国富煤地区主要分布在华北和西北, 仅山西、内蒙古、陕西和新疆四省自治区煤炭查明资源储量就占全国的73.1%, 这些富煤地区多是地下水资源相对贫乏的地区, 全国86个重点矿区缺水的占71%, 严重缺水的占40%, 而煤矿开采对地下水资源的严重破坏加剧了矿区的水资源短缺矛盾, 这一问题在能源大省山西尤为突出。究其根本原因, 在于采煤引起含水层结构变化, 造成地下水资源的破坏, 使地下水资源由原来可供开采的优质水源变为被污染的矿坑水而排走, 破坏了地下水的补径排, 破坏了水文下垫面条件, 破坏了地表水循环, 进而影响了区域地下水循环态势。     

山西柳林泉域地下水流数值模拟

柳林泉为裂隙－岩溶泉，整个泉域面积约2727km2，且在柳林泉西部及西北部含水岩层组中赋存有大面积的咸水，微咸水，本文建立了平面二维区域地下水渗流模型，用于描述柳林泉域的地下水渗流，模拟效果良好，模型拟合阶段和检验阶段水头的计算值与观测值误差绝对值的平均值分别为0．46m,0.51m，所有结果显示两者基本一致，说明所建模型可以用于实际，据此模型预报了柳林电厂水源地投入使用后对区域地下水流场的影响，以及对柳林泉的影响。     

彭水工程地下厂房开挖及支护的数值模拟

根据彭水工程地下厂房开挖设计，采用弹塑性有限元法进行中，尾部方案的数值模拟计算，对开挖洞群的应力位移状况，各洞之间的相互影响及稳定性等问题进行了对比分析与评价，并提出了该地地下厂房支护加固设计的主要原则。     

地下连续墙施工影响应力重分布的数值模拟

对武汉市某超大型超深基坑10幅邻近地连墙跳跃式施工过程进行了三维有限差分数值模拟。数值模拟步骤依次为泥浆护壁成槽开挖、混凝土浇筑及混凝土硬化3个过程。泥浆护壁成槽开挖及混凝土浇筑分别采用常静液压力和变静液压力的方式加载,混凝土的硬化过程采用变弹性模量和泊松比的线弹性实体单元完成。数值计算结果与实测数据吻合较好。对单个跳跃式开挖过程墙上土压力的监测揭示了地下连续墙施工影响应力重分布的变化规律。模拟施工完成后10幅地下连续墙上的土压力值沿墙长度方向随静止土压力值上下波动,波谷出现在槽段连接处附近,波峰接近槽段中心轴,波动幅度大小与土体深度有关。分析表明,泥浆压力、混凝土灌注压力及土压力差值是影响墙后应力重分布波动幅度的主要原因,适当的泥浆重度及合理的注浆方式能避免土体扰动。     

苏锡常地区主采层地下水流数值模拟

本次数值模拟是从苏锡常整个大区域考虑,建立统一的主采层地下水流模拟模型,通过对水文地质概念模型的重新认识及边界条件的合理概化,较大程度地减少了人为因素引起的误差.利用已校正过的模型对该地区禁采后地下水水位恢复情况进行了预测,结果显示该模型较适用于实际.     

三维非线性有限元分析在地下管棚支护中的应用

结合某地下隧道管棚支护设计及施工方案，采用三维非线性有限元对该洞库的开挖与支护过程进行了模拟，得出的结论是：管棚支护对于控制地表沉降、侧墙水平位移和塑性变形作用明显；不同管径和管间距对位移最大值影响有限，但对管钢内应力有较大影响；不同开挖进尺、不同注浆加固厚度对围岩变形及支护结构的影响较大。该数值分析结果与以往现场实测结果相一致，可作为相关工程设计和现场施工的理论指导。     

地下工程复杂渗流场数值模拟研究与应用

结合地下工程复杂渗流场三维有限元分析的实际 ,用渗透张量模拟非均匀各向异性 ,用改进丢单元法迭代自由水面 ,用隐性的复合材料单元模拟断层 ,用隔水层模型模拟防渗帷幕 ,用以沟代井模拟排水井列。在此理论基础上编制了渗流分析的三维有限元计算程序。且用此程序成功求解了漫湾水电站二期工程地下厂房围岩的复杂渗流场 ,并在此基础上分析渗流场分布的主要影响因素的影响。结果验证了程序的合理性和实用性     

闭合型地下连续墙基础竖向承载性能数值模拟

基于室内模型试验,就闭合型与单片地下连续墙基础在竖向承载性能上的差异进行了对比分析,并采用FLAC-3D软件进行数值分析来丰富室内模型试验,探讨了土体变形模量、密度、内聚力以及内摩擦角对闭合型地下连续墙竖向承载力的影响。结果表明：闭合型地下连续墙基础外侧摩阻力的发挥过程与单片地下连续墙基础大致相同,但由于土芯的存在,其内侧摩擦阻力发挥机理更复杂;闭合型与单片地下连续墙基础均可视为端承摩擦型基础;随着墙周土变形模量的增加,闭合型地下连续墙基础竖向位移显著减少,墙体轴力也减少;密度对闭合型地下连续墙基础沉降的影响不显著;内聚力对侧摩擦阻力的影响程度受地下连续墙和土体之间相对位移量的控制;只有闭合型地下连续墙基础的沉降量超过20 mm时,土体内摩擦角才对基础的竖向承载力有较大影响。     

地下综合管廊边界条件对地震动力响应影响数值分析

为研究综合管廊动力边界条件对地震动力响应的影响,以厦门地区的代表性土层为例,建立动力有限元数值模型,土体本构采用小应变硬化模型,分别设定固定边界、黏性边界和自由场3种人工边界条件,进行Rayleigh波和地震底部剪切波作用下的场地响应研究;并根据变形特征及拟绝对加速度反应谱（PSA）评价3种边界的有效性,提出综合管廊地震动力分析的优化动力边界组合方法。研究表明：在地震波（底部水平加速度时程）及Rayleigh波的作用下,由于考虑了黏性边界对外行波的吸收,但未考虑地震动的输入问题及边界外半无限介质的弹性恢复性能,边界会对模型内部土体的水平位移产生限制作用,使得场地内水平位移响应偏小,而采用自由场边界则基本不存在这种限制作用,表现出强烈的振荡;采用激励侧固定边界、远离激励侧黏性边界、其余侧自由场边界的优化组合动力边界,在Rayleigh波和底部加速度时程共同作用下,二者引起的动力响应交叉干扰较少,可按线性叠加处理;同时,黏性边界对地震波引起的动力响应有一定范围的吸收,自由场边界对Rayleigh波引起的动力响应也有一定范围的变形限制影响。研究成果可供地下综合管廊结构地震响应精细化数值模拟及抗震设计参考。     

邻近建筑物的暗挖隧道施工数值模拟

软土中采用暗挖法开挖隧道往往会引起土体变形,由于城市中暗挖隧道多建在建筑物高度集中的地区,土体变形对邻近既有建筑物的损伤不容忽视。采用二维有限元方法对邻近中、低层建筑物(采用整体基础)工况下的暗挖隧道施工进行了模拟和分析,建筑物长15 m。研究结果表明：建筑物的存在会增大隧道开挖引起的地面沉降和衬砌的受力与变形,同时隧道开挖也会使邻近建筑物产生附加应力和变形。当隧道轴线与建筑物轴线的水平距离 0 m时,建筑物相对安全;当 时,建筑物会产生朝向隧道一侧的倾斜。当 为2.5～20 m时,产生较大的地面沉降,建筑物的首尾沉降差较大,建筑物较危险;当 为30～40 m时,建筑物的存在对隧道施工的影响较小;当 40 m时,建筑物的存在对隧道施工的影响可以忽略不计。由于基础的存在,建筑物的最大弯矩、轴力和剪力的变化量较小,增大量在10 %以内。     

软土地基中明挖管道基础沉降分析

地下管道工程对管道基础沉降的控制要求严格,特别对于滨海软土地区尤为重要.地下管道施工时对管道的软土地基采取了特殊的处理.为了研究施工方法的可行性,针对堆土预固结、边坡开挖、管道埋设及回填土等主要工况进行了数值模拟,重点对堆土预固结超孔压水消散过程、沉降固结阶段及施工完成后管道沉降和地表沉降进行分析研究.计算结果表明,在...     

岩石圈三维结构与动力学数值模拟

通过基于专项所属各项目的探测数据和成果, 结合课题组已经积累的数据与建模基础, 以及本项目组特定需要进行岩石物性参数测试及相关的流变本构关系研究, 进而开发并集成大规模并行有限元数值模拟平台系统, 进行地球动力学过程的综合定量模拟分析。同时建立高性能并行可视化平台, 据此进行中国大陆深部地幔对流与岩石圈耦合关系的探测数据与数值模拟结果的并行可视化研究分析, 探讨回答中国部分典型构造区域的典型地球动力学过程的关键问题。     

地下结构计算中的一个问题

就地下结构计算中被忽视的一个问题──支座的约束是不确定的,分别采用解析方法和有限元法计算地下结构的内力。     

最可靠的非开挖地下岩体结构勘察方法——高精度超声波钻孔成像

主要通过超声成像测井在长江某穿越工程区勘察工程中的应用研究,类比常规勘察技术和其他钻孔成像技术,并结合超声测井在国内其他方面的案例,剖析新一代超声测井仪的优势所在：如在基岩风化带的描述、岩石质量指标RQD分析,特别是地下岩体裂隙、节理等地质结构信息的精确揭露上,具备其他勘察手段无法比拟的优势,可以提供大量有效可视的钻孔岩体定量数据,为工程设计的定量化分析提供了详细的数据资料。可以说在揭露地下岩体结构方面,高精度超声测井是目前为止最为有效可靠的手段。     

软土地下工程抗震数值模拟的若干关键问题

针对我国地下工程建设项目抗震安全性能设计和评估的需求,并基于目前缺少完善的地下结构抗震分析方法和专门的地下结构抗震设计规范的现状,重点阐述了采用有限元方法进行地下工程数值模拟和分析时需要特别关注的三方面问题：计算范围、土一结构动力相互作用和边界条件。着重分析了有限元网格的划分、土一结非线性接触问题和不同边界条件的适用性,以及这些建模条件对计算结果可靠性的影响。对基于数值手段开展地下工程抗震安全性能的计算、分析和评价,制定地下结构抗震设计规范或规程,可提供有益参考。