MODFLOW-CFPv2 模型在岩溶隧道突涌水及对地下水环境影响中的应用: 以云南鹤庆锰矿沟岩溶水系统为例

滇中地区构造复杂、岩溶发育,隧洞突涌水及泉流量衰减是隧洞施工过程中最棘手的问题之一。锰矿沟岩溶水系统岩溶管道化程度高,岩溶裂隙与岩溶管道2种含水介质差异显著。采用MODFLOW-CFPv2双重介质数值模型对锰矿沟岩溶水系统展开数值模拟研究,精细刻画岩溶管道与引水隧洞,进而掌握隧洞施工对地下水流场影响以及泉流量变化的规律。结果表明:(1)MODFLOW-CFPv2模型能够刻画岩溶地区复杂的地质结构,较好地模拟研究区地下水位的动态特征和岩溶泉流量响应特征。(2)在强排工况下隧洞单位长度最大涌水量为164 m^(3)/(d·m),单位长度稳定涌水量为69 m^(3)/(d·m),锰矿沟岩溶泉流量也出现显著下降的趋势,在模拟期内平均泉流量从天然条件下1578 L/s下降至1098 L/s,总体减少了30.4%;峰值泉流量从2133 L/s下降至1375 L/s,减少了35.5%,强排工况施工会对隧洞工程施工和地下水环境造成显著影响;限排工况下隧洞单位长度最大涌水量为39 m^(3)/(d·m),单位长度稳定涌水量为24 m^(3)/(d·m),隧洞单位长度涌水量显著降低,锰矿沟岩溶泉流量的下降趋势也得到了一定程度的改善,模拟期内平均泉流量降低至1284 L/s,减少了18.6%,峰值泉流量降低至1617 L/s,减少了22.1%。采用的MODFLOW-CFPv2双重介质模型具有较精确刻画岩溶区管道、溶洞、裂隙共存的高度非均质岩溶水系统的能力,能够定量评价香炉山隧洞施工对锰矿沟岩溶水系统地下水流场及泉流量的影响,为香炉山隧洞工程的突涌水灾害防治提供参考依据,也为岩溶地区复杂地质条件下地下水研究提供借鉴经验。

粤西北连州盆地构造演化对岩溶作用及岩溶塌陷的控制

目前对连州盆地中生代以来的形成演化及其与岩溶发育规律的响应关系尚缺乏系统性认识。基于最新地质调查、水文地质钻探、溶蚀试验和三维地质建模,结合已有地质资料,划分了盆地构造演化阶段并探讨了各阶段岩溶作用。前白垩纪,在地壳升降运动下沉积较强溶蚀能力碳酸盐岩,这为岩溶发育奠定了物质基础。印支运动促使垂向叠置地层形成EW向构造,燕山运动导致其横跨-斜跨叠加NE-SW向构造,这些地质构造控制碳酸盐岩地质结构和空间展布特征及溶蚀性能,山脉和水系分布确立,但岩溶整体不发育。白垩纪-古近纪发育陆内山间断陷汇流湖盆,地壳缓慢隆升加强了盆地周围岩溶作用,现保留早期岩溶台面。后期被冲洪积物埋藏-充填-固结成岩,岩溶基本停止发育,形成厚覆盖型红层盆地。新近纪以来,地壳快速抬升导致盆地四周山体不断抬高,河流深切,岩溶强烈发育,塑造多级岩溶台面。盆地内部分白垩系红层被剥蚀或切穿,岩溶作用复活,水系经多次变迁和贯通后,形成第四系浅覆盖型岩溶断陷盆地。构造演化控制岩溶发育规律,岩溶作用影响盆地内部结构,土体结构孕育岩溶地面塌陷。研究成果可为认识覆盖型岩溶区岩溶塌陷条件提供科学依据和指导。

柳家村隧洞水化学特征分析及涌水水源判别方法研究

柳家村隧洞作为滇中引水工程的重要组成部分,在开挖过程中需穿越高水位富水地层,因而容易发生突涌水事故。隧址区地处红层,地下水作为当地居民生产生活的重要水源,因此揭示研究区地下水水化学特征,构建涌水判别模型,对于当地地下水资源的开发利用具有重要意义。分别从3个不同含水层中采集了11组地下水水样以及2个施工支洞的2组涌水水样,运用Piper三线图、离子比例系数、水化学指标相关性分析等方法揭示了区域地下水水化学特征;以主成分分析法和Fisher判别法作为基础模型,构建了一种由R型聚类分析、主成分分析、Fisher判别分析三者耦合的涌水水源快速判别模型,该模型可以较好地适用于水样数据较少的地区;此外,利用柳家村隧洞的实际样本数据,对该模型进行了验证,并与主成分分析、Fisher判别分析两者结合的方法进行了对比。结果表明:地下水中离子成分主要来源于地层中的方解石、白云石、石膏、芒硝等矿物的溶解;利用本文提出的涌水水源快速判别模型判别涌水水源的精度相比于主成分分析、Fisher判别分析两者耦合的方法提高了9.1%。

尼古拉兹圆管沿程水流阻力实验的新发现

关于圆管沿程阻力系数的变化规律至今一直沿用尼古拉兹(Nikuradse)的实验结果。在参考尼古拉兹实验的基础上,采用与其相似的制作工艺,设计并制作了相对粗糙度Δ/d为1/30.89的人工粗糙圆管,开展了不同流速条件下的水流阻力实验,验证了尼古拉兹关于圆管沿程水流阻力随水流流态变化的规律,同时发现尼古拉兹当年在人工粗糙圆管制作过程中采用的"二次刷胶"粘贴砂粒的方法,使得圆管内壁砂粒的实际粗糙度减小,其实验所得的圆管沿程阻力系数偏小。本次圆管沿程阻力系数确定的实验方法能够更准确地获得人工粗糙圆管沿程阻力系数,今后可以据此开展相应的系统实验,对尼古拉兹人工粗糙圆管沿程阻力系数及其变化规律加以修正。

水平井的水力特征及其解析解的适用条件

利用自制的水平井砂槽模型,进行了一系列不同流量条件下的水平井抽水试验,结果表明:(1)在不同出流条件下,水平井井管中可以同时出现层流-粗糙紊流多种不同流态;(2)水平井出流条件下,井管中的水头损失既不能忽略,也不服从线性变化规律.它与井管中的水流流态有关.用"等水头井壁"或"等强度线汇"来刻画水平井井壁边界条件是不全面的.根据"等强度线汇"理论得到的解析解与试验结果对比发现,本试验条件下解析解的近似适用条件是:水平井管中的水流全部为层流(Re<2320)或者层流和层流-光滑紊流过渡区(Re<4000)同时并存的情况.当水平井管中出现光滑紊流区(Re>4000),即同时有层流、层流-光滑紊流过渡态和光滑紊流或更多种流态时,解析解已不再适用,此时必须用新的层流-管流耦合模型来求解.

用^(36)Cl研究灰岩侵蚀速率的理论与方法

从理论上研究了方解石中3 6Cl的 5种起源 :(1)近地表Ca散裂和散裂成因的中子捕获 ;(2 )由Ca产生的负 μ介子捕获 ;(3)负 μ介子捕获以后的中子发射 ;(4 )由快 μ介子引起的光致蜕变反应产生的中子 ;(5 )由U裂变和 (α ,n)反应产生的中子 .论述了3 6Cl在灰岩深度剖面上的 4个分布特征 :(1) 3 6Cl浓度随深度增加而减少 ;(2 )深度能够自然地区分由不同生成反应形成的3 6Cl贡献 ;(3)为了把测量的3 6Cl浓度与Ca的 μ介子捕获及在3 5Cl上 μ介子产生的中子捕获区别开来 ,样品必须具有一定N(Ca) /N(Cl)比值的范围 ;(4 )甚至在最干旱条件下 ,灰岩的侵蚀也是不可避免的 ,并且在稳定状态下起重要作用 .详细描述了3 6Cl的采样方法和AMS分析技术 .研究了测定灰岩侵蚀速率的数学模型 ,并且对一些灰岩表面侵蚀速率作了评价 .

清江半峡地区岩溶洞穴发育特征及其旅游资源

半峡是清江流域岩溶洞穴集中发育的地区之一，本文着重介绍该区岩溶洞穴发育的地质背景条件、主要特征及其旅游资源的基本特色。

高坝洲地区岩溶水系统的研究方法与意义

本文根据高坝洲水利枢纽工程的实际需要，提出了该区岩溶水系统的划分标准，据此对研究区岩溶水系统进行了划分，并论述了各岩溶水系统的特征和相互关系。在此基础上，应用数值模拟方法对研究区相应的水文地质参数进行了识别，并对蓄水后库水的渗漏途径、渗漏量进行了预测，为防渗帷幕的设计和施工提供了科学依据。

碳酸盐岩区大型水库蓄水后地下水渗流场特征及岩溶演化趋势

碳酸盐岩区大型水库蓄水引起的地下水渗流场及岩溶环境变化的研究，既是一个工程实际问题，同时也是岩溶环境学的理论问题．以高坝洲和隔河岩水库为例，运用数值模拟方法模拟了水库蓄水前后地下水渗流场的平面和剖面流网特征以及地下水渗透流速的空间变化规律．在此基础上，应用扩散边界层（ Ｄ Ｂ Ｌ） 理论模型分析了研究区不同部位的岩溶环境演化趋势．结果表明，由于库水位的大幅度抬升和防渗帷幕的实施，使得研究区防渗帷幕上游岩溶作用的强度减弱；而防渗帷幕下游岩溶作用的强度加强，并发生方解石的沉积作用．

鄂西火烧坪地区岩溶生态环境系统及生态农业模式初探

通过对鄂西火烧坪地区的自然地理、地质构造、水文地质、土壤、植被及社会经济等方面的初步研究表明 ,在岩溶化作用十分强烈的岩溶山区 ,当气候、地形地貌、地质构造等条件匹配较好时 ,同样存在着一些极其有利于农业、林业发展的特殊生态环境。在这些地区 ,结合当地植物资源特点和市场需求 ,通过农作物类型的调整 ,能够在短时间内使当地摆脱贫穷的面貌。但在发展经济的同时必须特别关注当地土地资源相对缺乏、水资源时空分布不均、生态环境脆弱等不利因素 ,做到适度开发 ,稳步发展 ,才能从根本上实现小康目标。

湖北清江罗家坳河间地块岩溶系统碳循环特征

根据罗家坳河间地块岩溶系统的动态观测资料计算，得到了研究区不同部位的地表及地下水对碳酸盐岩的溶蚀量和ＣＯ２的吸收量。计算结果表明：（１）分水岭以西岩溶作用的强度要大于分水岭以东；（２）白云岩的溶蚀量要大于方解石的溶蚀量；（３）地下水的溶蚀强度大于地表水的溶蚀强度，但这并不意味着地下水的溶蚀量（或溶蚀模数）就大于地表水的溶蚀量（或溶蚀模数），后者还与流量有关。

陈崇希教授在水文地质领域的学术研究贡献

陈崇希教授长期坚持在水文地质领域从事课程教学、人才培养和科学研究,取得了丰硕的学术研究成果。对陈崇希教授在水文地质领域的学术研究贡献进行了系统的总结评述,主要包括3个方面:①开展了地下水动力学的理论创新研究,纠正了历史上“影响半径稳定井流”模型的错误,提出了一系列特殊水文地质问题的解析模型,改进和拓展了经典井流模型;②持续探索水文地质模拟方法,研究形成了一系列提高地下水模拟仿真水平的技术方法,包括滨海区地下水的等效排泄边界、渗流-管流耦合模型、岩溶管道-裂隙-孔隙三重介质地下水线性-非线性流模型、地下水开采-地面沉降模型等,研发了独具优势的地下水流模拟软件PGMS;③提出地下水可持续开采量评价的补排增量理论,完成我国多个典型区域的地下水模拟,为科学评价地下水资源起到示范作用。陈崇希教授的创新研究对我国水文地质学的发展起到了重要的推动作用。

非饱和土的抗剪强度与含水率关系的试验研究

研究非饱和土的抗剪强度及其随含水率的变化规律,对工程实践具有重要意义。在总结前人试验研究成果的基础上,以欠固结的第三系粉砂土为研究对象,对原状土和两种控制含水率方法的重塑土进行直剪试验,并与前人研究进行对比。研究结果表明,随着含水率的增加,土的抗剪强度降低,含水率对抗剪强度的影响主要是降低了土的黏聚力,对内摩擦角的影响较小。含水率与黏聚力之间的关系可以由两个直线段描述,第2直线段的斜率要大于第1直线段,当含水率增加到一定值时,土的黏聚力急剧下降。通过控制干密度,添加不同质量的水来改变土样含水率的重塑土方法,不仅改变了土样的含水率,还改变了土的压实度和颗粒结构,因此,土的抗剪强度的变化是含水率和压实度共同影响的结果,在分析试验结果时应该引起重视。

铀储层结构与成矿流场研究：揭示东胜砂岩型铀矿床成矿机理的一把钥匙

以鄂尔多斯盆地北部的砂岩型铀矿为目标,在铀储层形成发育的沉积学背景研究基础上,重点通过砂分散体系、沉积物粒度、隔挡层厚度和孔隙度的定量分析,精细地刻画了直罗组铀储层的外部几何形态和内部复杂结构,充分展示了铀储层的定量非均质性。依据盆地构造充填演化阶段、铀成矿年代学和地学空间信息三维可视化平台,分别对5个演化阶段的古地貌进行了恢复,并对不同演化时期的铀储层空间位置给予了准确定位,从而揭示了直罗组铀储层从沉积到接受铀成矿再到铀矿被改造期间的空间形态演化历史。在盆地构造充填演化研究、古地貌恢复和铀储层定量非均质性分析的基础上,重建了5个不同时期古地下水系统结构和参数的空间变化面貌,并运用地下水数值模拟方法再现了研究区5个演化阶段成矿古流场的特征及其演化规律。综合分析认为,铀储层的空间演变和内部非均质性制约了成矿流场的基本格局,成矿流场又无疑控制着层间氧化带的发育和铀成矿。当铀储层形成期的古水流方向与主成矿期地下水流场方向总体一致时有利于铀成矿,而当两者流向垂直时则成矿效率降低。

珠江三角洲环境地质分区及其特征

依据珠江三角洲的地质环境及气候条件,结合地质环境质量及已知的主要地质灾害类型的组合和灾害的发育程度,建立数学模型,综合考虑环境质量及地质灾害分布的共同影响,对珠江三角洲的地质环境进行分区评价,把珠江三角洲划分为:Ⅰ、西部山地丘陵中灾害地质环境质量良好区,Ⅱ、东北部平原丘陵中灾区地质环境质量中等区,Ⅲ、中部三角洲平原弱灾害地质环境质量差区和Ⅳ、南部丘陵重灾害地质环境质量中等区四个区,并对每个分区的环境地质特征进行了阐述,为珠江三角洲的环境地质问题的预测和治理、合理开发和利用资源,对地质灾害的预报和预防以及社会经济发展提供服务。

地学空间信息可视化技术应用研究

通过对大型沉积盆地及相关领域的三维可视化模型研究,总结了研究工作应遵循的3个步骤:地质规律总结、地学空间信息数字化和模型三维可视化。以微观NaCl晶胞为例,介绍了由地质结构模型到数学模型再到可视化模型的实际操作过程。通过宏观地质结构建模研究,对常见的模型单元进行了分类,认为地表信息模型单元集、地下信息模型单元集以及模型单元的集成是有效表征地质结构、矿产资源和自然环境的直观和新颖的工具。该方法所具有的三维空间查询功能为深入的地质分析提供了便利条件。

河北平原地下水氘过量参数特征

氘过量参数是由Dansgaard提出的一个新概念,它被定义为:d=δD-8δ18O。河北平原地下水氘过量参数有三个特征:(1)地下热水的氢和氧同位素组成显示出热交换的态势,d值随地下水年龄增大而减少。(2)在同一地区,d值随着地下水埋深加大而增大。(3)在同一含水层内,沿着地下水的路径,从补给区到承压区,d值随着地下水年龄增大而增大。我们认为,d值虽然是地下水年龄的函数,但最好和3H、3H-3He、14C、36Cl和4He测年结果结合使用。

“渗流-管流耦合模型”的物理模拟及其数值模拟

井孔 -含水系统问题是当今水文地质学最重要的研究课题之一。长期以来 ,水文地质模型中对井孔的刻画基本上都是引用“热传导”中的“线汇”理论 ,需要人工预先给定线汇 线源的流量或水头的分配 ,其正确性或适用性至今没有得到理论证明。陈崇希 (1993 )提出的“渗流 -管流耦合模型”和“等效渗透系数”在理论上已解决多个水文地质问题 ,也用于几个实例 ,本文再用物理模拟检验其可靠性。论文针对具有典型意义的河床下水平井或傍河垂直井地下水流问题做了砂槽物理模拟 ,并用基于“渗流 -管流耦合模型”和“等效渗透系数”的数值方法仿真模拟了此条件下地下水流的规律。成果表明 ,数值模拟观测孔水头动态相当好地再现了物理模拟结果。论文指出了“渗流 -管流耦合模型”和“等效渗透系数”在井孔 -含水系统问题上的广泛应用前景。

洞坪水库岩溶发育规律及水库渗漏条件分析

洞坪水电站左岸河间地块是由一套滨—浅海相的碳酸盐岩地层组成。岩溶水文地质条件复杂,发育有呈串珠状、平行于忠建河展布的岩溶洼地,并直抵清江,其下是否存在贯通的地下岩溶管道?水库蓄水后会不会形成自库尾向清江的岩溶管道式渗漏?这是该工程急待解决的主要工程地质问题。本文在该区岩溶发育规律研究的基础上,分析了其岩溶水系统的特征及岩溶水流动子系统的空间展布规律,为水库渗漏问题的勘察和评价提供了方向和依据。

宜万铁路野三关隧道“8.5”突水事故成因分析

2007年8月5日宜(昌)万(州)铁路野三关隧道发生了重大的岩溶突水事故。在岩溶水文地质调查的基础上,对野三关隧道所处流域两个主要岩溶洼地以NaCl为示踪剂进行了充水水源和充水途径的示踪试验。两次示踪试验结果查明水洞坪岩溶洼地是"8.5"突水事故的主要水源,茅口组灰岩中发育的周家包暗河被F18断裂切割,将暗河水导入隧道形成突水事故。稻子坪的水在隧道突水段西以渗-涌水的形式进入隧道。水洞坪示踪实验得出二叠系栖霞-茅口组岩溶含水层中的地下水流速为50m/h。稻子坪示踪试验得到茅口组灰岩含水层中的地下水流速为45.5m/h;大冶组灰岩含水层中的地下水流速为10.8m/h。本示踪结果为宜万铁路野三关隧道的后期恢复施工和防渗工作提供了依据,并为岩溶地区深埋隧道的设计和施工提供了试验和分析工作的实例参考。