地下水开采引起地面沉降的数值模拟分析

论文摘要

本文以大屯煤电公司中心区地下水开采引起的地面沉降问题为例,以土体渗流理论和Biot固结理论为基础,运用基于偏微分方程组(PDEs)而开发的多物理场耦合过程分析工具COMSOL Multiphysics,结合大屯中心区多年统计的实测资料,将地下水渗流场和土体应力场进行相互耦合,建立三维水土耦合模型,经模型识别和参数优化分析,获得各观测孔处的模拟水头值,同时得到了模拟沉降量与各观测点实测值的最佳拟合,确保了计算模型的合理性、可靠性,符合实际情况。通过模拟分析,揭示了该地区地下水开采引起的地面沉降机理和变形规律,得到大屯中心区2006年枯水期及丰水期的地下水位与地面沉降变形量,表明本文建立的计算模型具有一定的工程实用价值。为了评价地面沉降对地表建筑物造成的破坏程度,进一步由所优选的模型计算出地面变形的倾斜、曲率、水平变形三个反映基本变形的参数,并参考相关规程,圈画出大屯中心区建筑物破坏程度比较严重的区域,提出了行之有效的防治对策。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 地面沉降国内外研究现状
• 1.2.1 地下水渗流模型
• 1.2.2 土体变形模型
• 1.2.3 沉降计算模型
• 1.2.4 国内应用现状
• 1.3 论文选题的目的和意义
• 1.4 主要研究内容及技术思路
• 第2章 饱和土Biot固结沉降有限单元解法的基本理论
• 2.1 概述
• 2.2 土体渗流理论
• 2.2.1 渗流的连续性方程
• 2.2.2 承压水非稳定渗流基本微分方程
• 2.2.3 渗流微分方程的定解条件
• 2.3 饱和土体Biot固结方程
• 2.3.1 以位移和孔隙水压力表示的静力平衡方程
• 2.3.2 以位移和孔隙水压力表示的渗流连续性方程
• 2.3.3 以位移和孔隙水压力表示的Biot渗流固结方程
• 2.4 小结
• 第3章 基于COMSOL Multiphysics的渗流场与应力场耦合分析
• 3.1 概述
• 3.2 有限元分析软件COMSOL Multiphysics简介
• 3.2.1 COMSOL Multiphysics软件概述
• 3.2.2 COMSOL Multiphysics基本模块略述
• 3.2.3 COMSOL Multiphysics中的地球科学模块功能介绍
• 3.3 COMSOL Multiphysics中渗流场与应力场的非线性耦合分析
• 3.4 小结
• 第4章 工程实例分析
• 4.1 大屯中心区介绍
• 4.2 工程水文、地质概况
• 4.2.1 气候
• 4.2.2 地形及地表水系
• 4.2.3 地下水的补给、径流和排泄条件
• 4.2.4 地下水的赋存条件
• 4.2.5 工程地质特征
• 4.3 中心区地下水开发与地下水动态变化
• 4.3.1 地下水开采状况
• 4.3.2 地下水位年内动态变化特征
• 4.3.3 地下水位空间动态变化特征
• 4.4 中心区地面沉降时空演化特征
• 4.4.1 地面沉降观测点的布设
• 4.4.2 地面沉降历时变化
• 4.4.3 地面沉降空间演化
• 4.5 固结沉降机理数值模拟分析
• 4.5.1 基本假设
• 4.5.2 地质模型概化及离散
• 4.5.3 边界条件的设定
• 4.5.4 模型识别及水文地质参数的确定
• 4.5.5 计算结果及应用
• 4.5.6 中心区地面沉降灾害防治对策研究
• 4.6 小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 附录A 作者简介
• 附录B 大屯中心区内正在使用中的12口中深井的采量统计表