开采地下水地面沉降三维数值模拟分析

根据汉口新业大厦水文地质与工程地质条件,建立开采地下水非稳定流定解问题三维数学模型,利用现有承压含水层非稳定流定解问题数值方案求解,重点讨论了源汇项的具体数学表达式。又简介根据达西定律和水均衡原理,建立了三维有限差分数值方程及其解法。根据土的有效应力原理和压密原理推导出了抽水沉降非线性压密方程,并研制了相应的三维有限元和有限差分计算程序。最后,对该环境岩土工程问题进行了分析和评价,计算结果与实测结果符合较好。     

济宁市地下水与地面沉降三维有限元模拟

在分析济宁市水文地质条件的基础上 ,对引起地面沉降诸因素进行了分析 ,并建立了地面沉降量与地下水位变幅之间的相关关系。集中过量开采地下水是引起济宁市地面沉降的主要原因。在此基础上 ,建立了准三维地下水流模型和一维地面沉降模型。通过水力联系建立地下水与地面沉降耦合数值模型 ,运用有限元法对地下水渗流场和地面沉降量进行模拟 ,并对 2 0 0 0年和 2 0 10年地面沉降进行了预测     

基于地下水渗流方程的三维地面沉降模型

针对地下水抽取引起的大面积地面沉降的问题,提出了一种计算方法。该方法基于饱和与不饱和岩土介质中地下水渗流理论,计算出三维状态下的大面积地面沉降。提出的方法被结合到地下水渗流的三维有限元法分析中,计算时考虑了地层的可压缩性,并被用来分析软土的固结,将该法与太沙基理论及固结试验的结果进行比较,结果表明其误差小于2 %。该法还被用来分析单井抽取承压地下水引起的周围地基的沉降及承压水层由于挡水板的阻断作用而引起的下游侧的地基的沉降。     

地下水开采与地面沉降控制三维全耦合模型研究

针对第四纪松散沉积层中地下水开采所引起的地面沉降问题,以比奥固结理论为基础,考虑到土体的非线性特征及土体的渗透性随应力状态的动态变化,引入邓肯-张非线性模型和渗透率动态模型,将地下水渗流场和土体应力场耦合起来,并以吴江市浅层地下水开采为例,建立了浅层地下水开采与地面沉降三维全耦合数值模型。在对模型进行校正、识别的基础上,以微承压含水层未来10 a内地下水位埋深不低于含水层顶板、地面沉降量不超过50 mm为约束条件,预测了吴江市各镇的地下水可采资源量合计为1 203.59×10⁴m³/a。     

高层建筑引发地面沉降模拟预测三维流固全耦合模型

为了准确预测由高层建筑引发土体应力场和渗流场变化而导致的地面沉降,以比奥固结理论为基础,结合土体非线性流变理论,将比奥固结理论中的本构关系拓展到黏弹塑性,并考虑了土体孔隙度、渗透系数及变形参数随有效应力的动态变化关系。以河北省沧州市为例,建立了沧州市高层建筑荷载、地下水渗流与土体变形三维流固全耦合数学模型。在对模型进行识别、验证的基础上,模拟预测了沧州市在地下水停采、仅存在高层建筑荷载的影响下,从2010年12月底到2025年12月底逐年的各含水层组地下水流场变化特征和地面沉降发展趋势。结果表明：沧州市由高层建筑荷载引发的最大地面沉降量为40.57 mm,最大地面沉降速率为2.7 mm/a,位于沧州市区。     

高层建筑荷载引发地面沉降与隆起变形三维数值模拟

针对地下水埋深较浅地区,由高层建筑荷载引起的土体变形问题,以比奥固结理论为基础,结合土体非线性流变理论,将土体本构关系推广到黏弹塑性;同时考虑土体力学参数及水力参数的动态变化关系,建立了高层建筑荷载引发地面沉降与隆起变形的三维有限元数值模型,详细研究了高层建筑荷载影响下的土体变形特征及此过程中土体力学参数及水力学参数的变化特征。结果表明：由高层建筑荷载引起的地面沉降呈现漏斗状,以建筑物中心为漏斗中心,高层建筑荷载施加初期,高层建筑周围出现隆起,到达最大值后隆起逐渐消失;高层建筑底部浅层土体孔隙度、渗透系数及泊松比均呈现缓慢减小趋势,弹性模量呈现缓慢增大趋势;而高层建筑周围浅层土体的孔隙度、渗透系数及泊松比呈现先增大后减小的变化趋势,弹性模量则呈现先减小后增大的变化趋势;高层建筑影响区域浅部土体参数的变化趋势与土体的回弹及压缩有关。     

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MODFLOW地下水数值模拟对济南北部地区地面沉降的预测①

为查明济南北部地区深层地下水开采影响地面沉降的成因机理,在综合分析区内水文地质、工程地质、地下水开采等资料的基础上,基于VisualMODFLOW三维有限差分地下水流动模型,对深层地下水降落漏斗发育情况进行了数值模拟,得出地下水流场时空动态分布规律,建立了流-固耦合模型,并对区内地面沉降发展趋势进行了预测。经验证,预测沉降速率与InSAR监测地面沉降速率基本吻合,预测结果基本可靠,具有较高的研究意义和应用前景。     

基于FEFLOW的三维土壤-地下水耦合铬污染数值模拟研究

`土壤-地下水耦合数值模拟是定量刻画水流和溶质运移的主要手段。现有大范围场地尺度的研究受到数据采集难度及模拟计算量的限制,多是将土壤和地下水分成两个系统,这种方式不利于模型之间的计算反馈,易出现计算误差,因此将土壤和地下水作为整体系统研究具有重要意义。为精确刻画实际场地土壤-地下水系统中污染物迁移规律,揭示变饱和反应溶质迁移模型的参数敏感性,以某铬污染场地为研究对象,基于现场试验及前人研究所获数据,采用Galerkin有限元法建立三维土壤-地下水模型,定量描述六价铬在土壤-地下水中的迁移规律。在此基础上,通过改变补给条件,研究潜水面在土壤-地下水系统中的波动。并讨论阻滞系数和反应常数对溶质运移的影响。结果表明：在土壤中,污染物最大水平迁移距离为场地东南侧300 m;地下水中污染晕最大分布面积约为1.632 km2;垂向上土壤中的六价铬仅需15.6 h即可下渗至潜水面,第6天贯穿含水层。当潜水面随着补给量变化而波动时,地下水中六价铬会随水流进入土壤,影响土壤中污染分布。对溶质运移参数的讨论显示,当反应常数由0增大至10−6 s-1时,迁移出场区边界时地下水中污染物浓度约减少2000 mg/L,较难迁移至涟水河。基于FEFLOW的数值模型,能够解决各系统之间交互性差的问题,提供较为精确的模拟结果。     

基于区域分解法的地下水有限元与边界元耦合模型—淄博市王旺庄水源地地下水数值模拟

区域分解法（DDM）是20世纪90年代兴起的一种求解偏微分方程的新方法，方法本身独到的耦合思想和高效的并行计算机理，对于求解复杂的、大型的地下水问题具有相当的优势和广阔的应用前景。本文以淄博市王旺庄水源地地下水流模型为例，应用重叠型区域分解法（DDM）构造了边界单元法（BEM）与有限单元法（FEM）耦合模型，在两种数值方法各自优点的基础上，更形象地再现了实际水文地质原型，有效地消除了人为边界造成的流场失真。     

开采量不确定条件下数值模拟结果的可靠性分析

地下水数值模拟过程中,人工开采量大都被当作确定项处理。但实际情况是开采量往往缺乏准确的统计数据,尤其是农业灌溉开采量,在计算中具有更大的不确定性。传统的处理方法是将这些人工开采量概化为抽水量确定的开采井,显然不能反映实际情况。采用概率论及数理统计的方法,分析了概化后开采量的不确定性,得出开采量服从正态分布。以此为基础,运用蒙特卡罗方法,对开采量不确定条件下数值模拟的结果进行可靠性分析。结果表明：传统处理方法不能反映开采量不确定条件下数值模拟结果可靠性的变化情况,而采用随机模拟的方法,可以计算出不同的给定允许降深条件下,模拟结果的可靠性。     

我国地面沉降若干问题研究

摘要：地面沉降主要有（1）主要由过量开采地下水引起的和（2）在新构造活动构造沉降的基础上，由开采地下水、油气、地下热水形成的地面沉降两种类型。不仅不同的土层有不同的变形特点，在不同地点的同一层土也有不同的变形特点。同一地点同一层土在不同时期的变形特点也不尽相同。建立数学模型时要根据土层实际变形特点分别建立相应的模型，才能模拟出真实的地面沉降情况。解决耦合问题和垂向、水平向尺度不同带来的困难也是正确模拟必不可少的。     

The Characteristics and Causes of Land Subsidence in Tanggu Based on the GPS Survey System and Numerical Simulation

Land subsidence is a severe hazard threatening Tanggu, a flat lowland area, and evidences of land subsidence can be seen throughout the city. A new reasonable GPS network was set up in this area from 2008 to 2010. The monitoring data show that land subsidence was serious and two main subsidence cones were obviously formed in the region. One emerged at Hujiayuan, with the maximum rate reaching 60 mm/a, and the influence region enlarged prominently from 2005 to 2010. The other one occurred at Kaifaqu, which became obvious only after 2005, and it showed a decreasing tendency with time. To analyze the causes of ground settlement, a correlation between groundwater withdrawal and land subsidence was firstly made. The results confirmed that over-exploitation of groundwater was the major cause for the severe settlement in Hujiayuan. Meanwhile, the subsidence of Kaifaqu was also related to groundwater withdrawal before 2005. However, the relationship became unconspicuous after 2005. To find the cause of this abnormity, a three-dimensional finite element numerical model, coupled with groundwater flow and subsidence, was built. The simulation results indicate that the subsidence induced by high-rise buildings is serious, but the affected range is limited and it also shows a decreasing trend with time, corresponding to the subsidence characteristics at Kaifaqu. Therefore, more attention should be paid to this hazard induced by engineering construction besides groundwater withdrawal, as more high-rise buildings are under construction in Tanggu.     

黄河三角洲地下水动态变化及其与地面沉降的关系

为了分析黄河三角洲地下水动态及其与地面沉降的关系, 利用多年地下水和地面沉降监测数据, 发现黄河三角洲广饶县和东营区的地下水动态变化剧烈且地面沉降严重, 含水层多处于超采状态, 浅、深层地下水降落漏斗先后出现.深层地下水降落漏斗中心水位下降速度达2~3m/a.近年来, 东营和广饶地面沉降漏斗中心沉降量和速率分别为155.1mm、28.2mm/a和356.0mm、64.7mm/a.借助GIS技术及数理统计法, 发现深层地下水降落漏斗与沉降漏斗空间耦合良好, 深层地下水位与地面高程呈线性正相关, 相关系数为0.92, 深层地下水过度开采已成为影响沉降的最根本因素.井灌区第三粘性压缩层成为地面沉降主要贡献层, 且深层地下水降落漏斗中心的地下水位已低于第三承压含水层临界水位, 沉降趋于严重.      

天津市地下水流-地面沉降耦合模型

天津市平原区地面沉降主要由地下水大量开采引起,影响范围广、危害大,已成为天津市主要的环境地质问题。分析了研究区的水文地质条件,结合地下水开发利用状况,将研究区概化为6个含水层组,地下水流考虑三维非稳定流,地面沉降选用一维固结压缩模型,运用地下水流模型Modflow 2005和地面沉降模拟模块 Sub,建立了天津市平原区地下水流-地面沉降数值耦合模型,模型面积为1.1×10⁴ km²,利用1998-2008年地下水位等值线、过程线、地面沉降过程线等资料对模型进行了识别。模拟期的地下水均衡分析表明,在多年开采条件下,越流补给、压缩释水、侧向边界流入分别占深层含水层补给量的41.84％、32.15％和24.17％。将调试后的模型应用于南水北调实施后地下水控采条件下的地面沉降趋势预测,显示出停采或减少地下水的开采,有利于减缓地面沉降下降速度,且表现出开采层位越往下,地面沉降恢复难度越大的变化趋势。     

基于地面沉降控制的区域性松散沉积层地下水可采资源规划评价

为了满足区域性松散沉积层地区地面沉降的防控要求,规划评价地下水的可采资源量,根据渗流理论和土力学理论,建立了地下水三维非稳定渗流与地面沉降耦合数学模型,并考虑了含水层孔隙度、渗透系数、储水率随含水层发生固结沉降的变化特征。采用三维有限元数值分析方法,以江苏省南通市地下水开采为例,基于地面沉降的控制要求,规划评价出了各乡镇各含水层的地下水可采资源量。结果表明：地下水开采布局科学规划后,总的可采资源量为17 870.56×10⁴ m³/a,较现状开采量10 902.32×10⁴ m³/a有较大幅度的增加。地下水三维变参数非稳定流与地面沉降耦合模型可以更加精确地刻画三维水文地质体的特征,更加符合实际情况。