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。

建筑荷载与地下水开采耦合作用对地面沉降的影响

以南通市海门区地面沉降历史为研究背景,从比奥固结理论出发,分析地面荷载及地下水渗流场对土体变形的影响.采用现场监测的方式对海门区地下水位、高层建筑物荷载和地面沉降进行监测,研究高层建筑荷载、地下水开采以及二者耦合作用对土体变形的影响.通过建立地下水渗流、建筑荷载与土体变形的三维流固全耦合模型,对不同因素作用下地面沉降进行模拟.模拟结果显示:地下水开采引发的地面沉降对主开采层的影响最大,建筑荷载引发的沉降对地表附近土体影响较大;地下水开采和建筑荷载的耦合作用引发土体变形的情况中,地面上距离建筑物集中区较近处以建筑荷载作用为主,较远处以地下水开采作用为主.

基于MODFLOW的地下水渗流与地面沉降耦合模型工程应用一例

随着我国基础建设的迅猛发展,特别是城市轨道交通工程大规模建设,出现了大量的深基坑工程,如果基坑开挖深度超过该区的地下水位则需要首先采取地下水的控制措施,工程降水是地下工程施工中常采用的地下水控制方法,大量抽取地下水必将导致地面沉降的发生,本文以天津站交通枢纽工程后广场工程为依托,以水文地质试验为基础,辅以孔隙水压力监测及变形监测,应用MODFLOW软件,建立基坑地下水渗流模型与地面沉降的数学耦合模型,并根据现场试验资料,反演识别了模型中的有关参数,对降水引起的水位变化进行模拟预测,对可能产生的地面沉降进行定量评估,以更好的指导基坑工程降水。

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1203.59×104m3/a。

地下水开采-地面沉降模型研究

本文建立三维流动 -一维非线性固结地面沉降模型 ,在混合井流、降雨滞后补给、初始水头形成、人为边界刻画、水流 -固结耦合及软土层固结滞后于地下水开采层水头变化等方面有所改进。所建模型用于苏州市 ,模拟出若干地面沉降重要特征 ,地面沉降中心偏离地下水漏斗中心 ,地面沉降动态滞后于地下水的水头动态 。

沧州市地下水开采-地面沉降数值模拟

以沧州市地下水开采引起的地面沉降为例,在分析研究区地质和水文地质条件的基础上,得到研究区地下水开采与地面沉降地质概化模型,建立地下水三维渗流和土体垂向一维变形耦合数值模型,在完成模型识别验证的基础上,预测了现状开采条件下从2010年末到2025年末地下水流场的变化特征和地面沉降的变化趋势。结果表明,到2025年底,整个沧州市范围内累计地面沉降量最大值为475 mm,最小值为270 mm。

区域地下水开采与地面沉降控制三维全耦合数值模拟

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,并以江阴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,以第Ⅰ承压含水层未来10年内地下水位埋深不低于含水层顶板埋深一半,地面沉降量不超过50mm为约束条件,预测了江阴市各镇的地下水可采资源量以及地面沉降量。实践表明,该模型不仅稳定性好,且收敛速度快。

区域地下水开采与地面沉降控制三维全耦合数值模拟

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,并以江阴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,以第Ⅰ承压含水层未来10年内地下水位埋深不低于含水层顶板埋深一半,地面沉降量不超过50mm为约束条件,预测了江阴市各镇的地下水可采资源量以及地面沉降量。实践表明,该模型不仅稳定性好,且收敛速度快。

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40.57mm,最大地面沉降速率为2.7 mm/a,位于沧州市区。

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：三维渗流与三维固结，并考虑重力作用；多孔介质具有非均质性和各向异性；考虑流固耦合作用引起的孔隙比和渗透系变化（包括有效应力和流变作用的影响）；考虑加载过程和卸载过程中的主固结变形和流变变形的特点；适用于多含水层体系和群井采灌的地面沉降计算。

基于地下水调控的沧州市地面沉降防治模拟研究

地下水的不合理开采是引发地面沉降的关键因素。文章根据研究区水文地质及工程地质条件,对含水层和弱透水层进行概化,运用Modflow软件建立了研究区的地下水流模型和地面沉降土水耦合模型。针对可采用的地下水调控模拟方案对沧州市的地面沉降发展趋势做出预测,为今后合理开采地下水,控制地面沉降发展提供技术依据。

线性工程沿线地下水超采引发不均匀地面沉降分析

超量开采地下水引发的地面沉降是一种较为常见的地质灾害类型,具有持续时间长、影响范围广的特点。在此类地区修建诸如高速铁路、地下输油管线等线性工程时,工程安全势必受到地面沉降尤其是不均匀沉降的影响。进行线性工程沿线地面不均匀沉降及其演化特征的定量化分析研究对确保工程长期安全稳定具有重要意义。以鲁南高铁菏泽至曲阜段为例,交叉融合地下水渗流理论和土体比奥固结理论,建立研究区三维流固耦合数值模型,开展研究区不均匀地面沉降定量化评价及沉降演化规律研究。利用建立的地面沉降三维流固耦合模型分析计算不同地下水开采方案情景下,高铁沿线不均匀地面沉降情况,评价确定线路区间内地面沉降相对严重区域。同时从沉降控制角度出发,进行地下水减采工况下地面沉降分析预测。结果表明,减少地下水开采量可以有效降低地面沉降量和最大沉降曲率,缓解不均匀沉降带来的危害,确保高铁运行的安全。研究结果可为类似地区进行地下水开采诱发地面沉降的工程安全评价提供借鉴,具有一定的学术及工程应用参考价值。

华北平原地下水位驱动下的地面沉降现状与研究展望

华北平原年地面沉降量大于50 mm的严重区面积超过全国总量的80%,防治形势严峻,需要开展有针对性的研究,为有效防控地面沉降提供科学依据。华北平原建立了较完善的地面沉降监测网络,基本掌握了地面沉降现状及演化规律,但受华北平原含水层系统影响因素复杂与时空变化大等因素制约,对地下水位变化驱动下的土层变形特征及其机制研究迄今仍比较薄弱,限制了对地面沉降发展趋势的科学研判和预测预警。在总结国内外地面沉降研究进展、基于高时空分辨率监测数据分析华北平原地面沉降现状和发展趋势的基础上,提出了地下水位变化影响下的地面沉降研究方向。目前,华北平原地面沉降出现减缓态势,天津、沧州、衡水等重点城市主城区地面沉降得到有效控制,但华北平原尤其是河北平原地面沉降总体上仍然处于较快发展阶段,主要原因是农业灌区地下水开采得不到有效控制。未来华北平原地面沉降研究应聚焦地面沉降机理和预测预警、地下水位回升驱动下的土层变形规律及其对环境的影响、地面沉降区地下水资源属性及地热开发与地面沉降关系等方面。

华北平原鲁北地区地下水超采导致地面沉降区域特征及演化趋势预测

鲁北地区作为华北平原地面沉降的重要组成部分,其地面沉降问题日趋严重。以滨州博兴县为工程背景,基于研究区详细水文地质与工程地质资料以及历年地面沉降监测数据,系统分析该地区地下水动态分布及地面沉降分布演化特征。以Biot多孔介质固结理论为基础,建立博兴县地面沉降三维流-固耦合数值模型,还原地面沉降发展过程并预测分析不同地下水开采方案下的沉降演化规律。研究结果表明:博兴县浅层地下水位降幅呈现南大北小特点,深层地下水形成了以县城区为中心的椭圆形地下水区域降落漏斗;地面逐渐形成了分别以博兴县城区、湖滨镇和店子镇为沉降中心的三个小型沉降区,且有相互关联扩展的趋势;地面沉降三维流固耦合模型较为理想还原了研究区地面沉降发展过程,预测在现状地下水开采方案下未来10年内地面沉降仍以较大速率继续发展,累计沉降量超500mm的区域面积不断扩大,当减小20%现状地下水开采量时是较为合理有效的开采方案。

基于MODFLOW地下水数值模拟对济南北部地区地面沉降的预测

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Visual MODFLOW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Processing MODFLOW抽取地下水引起的地面沉降机理研究

随着沿海地区地下水开采量逐渐增加,导致愈发严重。针对开采地下水引起地面沉降的现象,以南京某地区为例,采用有限差分软件与地下水三维渗流与地面沉降耦合模型计算软件Processing MODFLOW,进行抽取地下水引起的地面沉降预测。研究结论:过量开采地下水是造成地面沉降现象的主要人为因素。地面沉降分布范围与地下水位降落漏斗基本一致,且地面沉降的降幅随时间的延续而减少。

苏锡常地区非线性地面沉降耦合模型研究

长期过量开采地下水所引发的地面沉降是一个复杂的非线性变化过程,对其进行数值模拟时,如不考虑沉降发展过程中模型参数的非线性变化,会给预测带来很大误差。本文依据苏锡常地区实际资料,通过典型钻孔土力学试验,确定出土体在不同荷载条件下的弹塑性和蠕变特征方程以及土体渗透系数随孔隙度变化的关系式。在此基础上建立了研究区三维变系数地下水流模型及考虑土体垂向不同变化特征(弹塑变或蠕变)的一维区域沉降模型,并采用多尺度有限单元法对模型进行了真正意义上的耦合求解。

基于浅层地下水回灌的基坑工程沉降防治分析与计算

采用下负荷面剑桥模型,联合渗流方程,建立土-水完全耦合平衡方程计算模型,探讨浅层地下水人工回灌在基坑工程降水过程中抑制基坑周边地面沉降的作用,并以邻近上海地铁一号线的淮海中路3号地块基坑降水为例,对基坑工程实测沉降和回弹数据进行数值拟合,理论结果与实际数据吻合。本方法对基坑工程地下水回灌防止地面沉降有一定参考指导作用。

黑河中游盆地地下水流建模的若干问题

针对建立地下水流概念模型和数学模型时往往忽视井孔描述和井流特征分析等问题,以黑河中游盆地地下水流建模为例,重点剖析了目前国际上应用最广的MODFLOW软件在模拟混合抽水井时的不妥之处,并采用符合地下水流机理的“渗流-管流耦合模型”来解决混合抽水井和观测孔的模拟问题;采用分别对“点泉”、“面泉”进行描述的方法来解决泉流量的模拟问题;提出了“滞后入渗补给权系数”及各时段入渗补给量的确定方法来解决河流、渠系、降雨滞后补给潜水的描述问题。同时,建立了包含达西流-非达西流的地下水三维不稳定流数学模型。

冻土区地下水流过程及其与地表水转化关系研究进展

针对地下水流过程及其与地表水转化关系研究中,冻土分布特征及融冻过程对地下水系统的影响机制相关研究较少的问题,通过分析国内外冻土区地下水对河道径流的贡献、地下水流动路径和地下水-热耦合模型的相关文献,对地下水流过程及其与地表水转化研究进行综述,认为:①受土壤中冻土空间异质性的影响,不同冻土区地下水对径流的贡献比例不一致;②利用水化学和同位素示踪剂研究地下水流动路径,有助于冻土区地下水流动系统概念模型的构建,但只能获得定性或半定量的结果;③地下多相流系统的水-热耦合模型可将冻土的变化与其相应的水文响应过程耦合在一起,实现了地下水流过程及其与地表水转化关系的定量刻画,但在实用性方面仍需进一步完善,是未来的主要研究方向。