二维条件下洞室周围非饱和带变化的EVRT响应特征及成像研究

论文摘要

在水文地质和工程地质领域,针对地下洞室周围非饱和带的研究目前是理论研究的重点和难点,针对洞室周围的地下水的运移研究目前也缺少直接而有效的实时监测手段。本研究通过室内建立物理模型,基于高密度电阻率成像技术ERT（High-density Electrical Resistivity Tomography）引入了高密度电阻相对变化率成像方法EVRT （High-density Electrical Resistance Relative Variation Rate Tomography）用于探求上述问题。EVRT基于ERT的数据采集手段,通过实验过程中介质相对于初始时刻背景电阻值的变化进行实时成图。由于多孔介质含水量的改变会引起电阻值的变化,因此EVRT图像的变化能实时反映出实验中多孔介质含水量的变化。EVRT方法是对洞室周围非饱和带研究及水流运移研究的创新和完善。本研究首先通过水中异常体实验验证了在二维洞室条件下EVRT的可行性和有效性,同时研究了NaCI溶液脉冲实验中NaCI溶液在水中的运移。在此基础上,在两种不同的洞室物理模型（半圆形洞室和拱形完整洞室）中设置各类多孔介质进行饱和排水实验,研究水流在不同多孔介质条件下的运移路径及非饱和带的形成与变化规律。最后利用GMS软件中的Seep2D模块进行了数值模拟并与EVRT图像进行了对比。通过上述研究获得了以下成果：（1） EVRT有效性验证方面EVRT能准确反映水中异常体的位置、大小等信息,证明了EVRT在二维洞室条件下的可行性和有效性。EVRT也可以有效的反映NaCI溶液在水中的运移路径。同时,本研究发现溶液脉冲实验后NaCI溶液静止时出现了明显的盐度分层现象。（2）水流入渗过程监测方面：不同介质条件下,EVRT方法均可以有效揭示介质的含水量变化并反映水流在介质中的渗流路径。同时,不同的多孔介质具有不同的水流运移特征,这和多孔介质的粒径大小有关。（3）参数求解方面：多孔介质含水量的变化可以通过电阻随时问的变化曲线（R-t曲线）清晰地反映,同时水流在介质中的运移速度可以通过R-t曲线中电阻变化的拐点时间的先后计算得出,从而通过达西定律可以反求出多孔介质的渗透系数。（4）非饱和带识别方面：洞室周围的非饱和带在排水初期即迅速形成,非饱和带并非沿着洞室轮廓均匀向外扩展,而是沿洞室边壁的排水孔向外呈放射状分布。同时,洞室周围非饱和带的延伸深度与洞室周围多孔介质的粒径有关。（5）数值模拟方面：Seep2D模块可以有效模拟稳定流条件下洞室模型的流场和水头分布,与EVRT图像对比的结果表明,两种方法均能很好的反映出实验过程中不同介质条件下的流场分布。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和选题意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 基于洞室周围饱和非饱和渗流理论的研究现状
• 1.2.2 基于洞室周围数值模拟方法的研究现状
• 1.2.3 基于室内洞室模型实验和野外洞室工程实践的研究现状
• 1.2.4 国内外研究现状总结
• 1.3 研究内容与技术路线
• 1.3.1 研究内容及目标
• 1.3.2 技术路线
• 第二章 高密度电阻率成像原理
• 2.1 高密度电阻率成像技术的发展历史
• 2.2 高密度电阻率成像技术的原理
• 2.3 高密度电阻率成像技术的应用
• 第三章 洞室周围溶液异常体实验的EVRT响应特征和成像分析
• 3.1 实验装置和设备
• 3.2 实验过程
• 3.3 实验数据处理
• 3.4 实验结果与讨论
• 3.4.1 盐溶液中异常体实验
• 3.4.2 水中异常体实验
• 3.4.3 模型中部倒入NaCl溶液实验
• 3.4.4 模型中部滴入NaCl溶液实验
• 3.4.5 模型右侧滴入NaCl溶液实验
• 3.5 本章小结
• 第四章 半圆形洞室多孔介质排水实验的EVRT响应特征和成像分析
• 4.1 实验装置和设备
• 4.2 实验过程
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 洞室周围介质电阻的时间变化过程
• 4.3.2 电阻相对变化率的空间分布变化过程
• 4.4 本章小结
• 第五章 拱形完整洞室多孔介质排水实验的EVRT响应特征和成像分析
• 5.1 实验装置与设备
• 5.2 实验过程
• 5.2.1 均质砂饱和-排水实验
• 5.2.2 设置细砂限排水流量的饱和-排水实验
• 5.2.3 设置细砂不限排水流量的饱和-排水实验
• 5.2.4 设置细砂不限排水流量的注水-饱和-排水实验
• 5.2.5 设置PVC板作为裂隙的饱和-排水实验
• 5.2.6 设置矩形条带状细砾石饱和-排水实验
• 5.3 水流运移速度与介质关系的探究
• 5.3.1 均质砂饱和-排水实验R-t曲线分析
• 5.3.2 设置细砂限排水流量的饱和-排水实验R-t曲线分析
• 5.3.3 设置细砂不限排水流量的饱和-排水实验R-t曲线分析
• 5.3.4 设置细砂不限排水流量注水-饱和-排水实验R-t曲线分析
• 5.3.5 设置PVC板作为裂隙的饱和-排水实验R-t曲线分析
• 5.3.6 设置细砾石饱和-排水实验R-t曲线分析
• 5.4 多孔介质渗透系数的计算
• 5.5 洞室周围非饱和带形成机理分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 Seep2D数值模拟方法在洞室周围水流入渗过程中的应用
• 6.1 Seep2D模拟过程
• 6.1.1 概念模型的建立
• 6.1.2 模拟区域的概化
• 6.1.3 数学模型的建立
• 6.1.4 计算区域的网格剖分
• 6.2 Seep2D模拟结果及分析
• 6.2.1 均质砂中稳定流排水条件下的模拟结果分析
• 6.2.2 设置矩形条带状细砂稳定流排水条件模拟结果分析
• 6.2.3 设置矩形条带状细砾石稳定流排水条件模拟结果分析
• 6.2.4 设置倒三角细砾石带稳定流排水条件模拟结果分析
• 6.3 数值模拟结果与EVRT图像的对比
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要工作与结论
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录