径向双层各向异性的承压层井流模型及渗流分析

考虑了抽水井表皮层的非均质、各向异性和上覆弱透水层的越流作用,建立径向双层各向异性非稳定承压井流模型。对竖向空间变量采用有限差分法将三维渗流偏微分方程初边值问题转化为矩阵偏微分方程初边值问题。应用拉普拉斯变换和矩阵理论求得径向扰动层(表皮层)和非扰动层各自水头降的半解析解。应用所求解对表皮层径向渗透系数沿抽水井线性变化和随机变化两种情形进行实例计算和分析,结果表明,负表皮效应使承压含水层的水头降增幅变大,导致水头降曲线在径向交界处出现上折;而正表皮效应使承压含水层的水头降增幅变小,导致水头降曲线在径向交界处出现下折;某一层位处的承压含水层水头降,既受同水平层的表皮层渗透系数影响,又受到相邻上下层的表皮层渗透系数的影响。     

未穿透覆盖层的自流井渗流模型与解析解

针对未打穿覆盖层的泉水井抽水引起下卧承压地下水渗流问题建立了数学模型,应用Laplace-Hankel变换及其逆变换求解得到定水头边界条件下承压层水头降的解析解。通过算例分析了承压含水层水头降发展和分布规律以及影响因素,结果表明:阻越流系数对承压含水层的水头降速率和幅度均有明显的影响,阻越流系数越小,承压水头下降的速率和幅度值都越小,且水头降越快达到最大值和稳定流状态;靠近承压含水层顶面水头降最大,随着深度增加而减小,距井越近水头降沿厚度分布越不均匀;承压含水层各向异性对抽水引起的水头降影响较大,K_r/K_v越小承压水头下降的速率和幅度均越大;承压含水层的宽度和厚度均对水头降有很大影响,宽度越大,水头降越明显,而厚度越大,水头降越小。     

抽降承压水引起的地层二维变形解析研究

基于Biot固结控制方程以及完全承压含水层和越流承压含水层中完整井抽水的特点,应用平面应力假设模型,Laplace积分变换技术,求解得到了完全承压含水层及越流承压含水层侧向无限延伸两种情况下,抽降水引起的水位降深解析解,并应用土力学原理,获得了两种条件下的完整井抽水引起地层的二维变形解析解。利用该解析解可以计算在稳定流和非稳定流抽水作用下承压含水层的径向和竖向变形,为准确计算抽灌承压水引起的水位降深及地层沉降提供理论依据。     

考虑井阻随时空变化的竖井地基大应变非线性固结分析

高压缩性软土具有典型的几何非线性和材料非线性特征，但目前能考虑井阻随时空同时变化的高压缩性土竖井地基大应变非线性固结解答还很鲜见。考虑土体的非线性压缩渗透特征，引入随时间和深度同时变化的变井阻模型，在拉格朗日坐标系下建立以超静孔压为变量的竖井地基大应变非线性固结模型。利用有限差分法获得模型的数值解答，并将其与特殊情况下竖井地基小应变解析解及大应变固结解对比分析以验证其可靠性。不同工况下竖井地基大应变固结性状分析表明：井阻随时空演化的变井阻效应会明显降低竖井地基的固结速率，且井阻的时间效应对固结速率的影响更明显，但变井阻效应并不会影响竖井地基的最终沉降量；初始有效应力均匀分布下的竖井地基固结速率相比其随深度线性增加时较慢，且2种情况下的竖井地基最终沉降值一般不再相等，沉降曲线间的差异也较大；任意深度处井周流入砂井的流量均相等的假定导致竖井地基固结速率偏快，使实际计算会过高估计竖井地基的固结速率；竖向渗流对地基固结的促进作用随竖井长度与竖井影响区半径之比的增大而减小。     

承压含水层局部降压引起土体沉降机理及参数分析

在天津地区几个场地开展了承压含水层抽水试验,观测到承压含水层局部降压过程中其上覆土体出现“上小下大”的沉降规律,其下卧土体出现隆起现象。采用考虑降水井瞬态降水的三维流固耦合数值模型的分析进一步表明,承压含水层局部而不是大面积降压过程中其上覆弱透水土层在没有产生明显水位下降时,可产生“土拱效应”,土拱区内部土体出现附加拉应力,进而发生张拉变形;而承压含水层下卧土体的隆起则是由于下卧弱透水层中地下水向上渗流产生的渗流力所致。进一步地分析了不同竖向补给条件及不同场地条件的承压含水层长期局部降压过程中土体沉降规律,揭示了不同情况下承压含水层局部降压引起的土体最大沉降位置。不论承压含水层竖向补给条件如何,不论承压含水层短期降压还是长期降压,当上覆弱透水层的渗透系数在其特征范围内变化时,对承压含水层进行局部降压,其上土层中最大沉降位置均出现在有水位降深的土层顶板处。由于分层总和法不能考虑成层土中承压含水层局部降压时其上弱透水土层的空间效应,若基于单井或小范围群井抽水试验反演沉降经验系数,并采用分层总和法分析不同深度土层沉降时,将导致承压水局部降水引起的地表以下土体的沉降被低估。     

势流叠加原理在井群产水量计算中的应用

井群渗流计算为势流叠加原理的具体应用,井群渗流势函数可由单井渗流势函数叠加而得。由此得出井群渗流的测压管水头方程(对承压井井群)或浸润曲面方程(对潜水井井群),从而导出井群产水量公式。     

减压降水诱发地表沉降规律及其预测方法

为合理预测减压降水引起的地表沉降量及其分布,实测了上海某深基坑工程群井抽水试验引起的观测井水头降深和地表沉降,分析了地表沉降的分布和变化规律,并引出场地的等效综合模量来建立承压含水层水位降深与相应地表点沉降之间的对应关系。将等效综合模量和渗流场的数值模拟相结合,提出了减压降水诱发地表沉降的预测方法。     

考虑承压含水层间越流的地下水回灌现场试验研究

当场地存在多层层间有一定水力联系的承压含水层时,基坑内降水可引发基坑止水帷幕墙底以下的承压含水层的水头下降,并相应引起坑外多个含水层水位降低,若对所有层进行回灌则将导致成本大幅提高,此时可对某一层回灌,通过越流对其他含水层进行水位补给。通过在天津地铁某车站基坑所在场地开展抽水试验、单井回灌试验、先抽后灌试验对基坑内外的水力联系、不同含水层间的水力联系和隔层回灌的效果进行了研究。结果表明,由于各含水层间之间有一定水力联系导致竖向越流补给较强,基坑内疏干降水可引起坑外承压含水层水头下降并引起坑外地层沉降。对基坑外第Ⅰ微承压含水层进行回灌可有效对其上部潜水层和下部第Ⅱ-1承压层的水头起到抬升作用,通过隔层回灌从而控制其水位下降导致的坑外沉降。对第Ⅰ承压含水层进行回灌对基坑外第Ⅱ-2承压层水位抬升也有一定的作用,但是尚不足以使其因基坑内降水引起的坑外水位下降值完全恢复,建议结合设置此层的备用回灌井以控制其水位下降。     

均质未贯穿竖井地基粘弹性固结分析

针对均质深厚软土地基竖井未打穿情况,采用Merchant流变模型,将现有未贯穿竖井地基线弹性固结理论进行了推广,推导了竖井未打穿均质地基的粘弹性固结解析解。该解考虑了涂抹和井阻作用以及竖井打设区和下卧层的相互影响。将解答编制成应用程序,用该程序分析了一竖井未打穿均质地基。分析表明,土体粘滞性对前期固结几乎没有影响,但后期固结度明显降低。土体粘滞性对下卧层的影响程度大于对竖井打设区的影响程度。     

考虑井周堵塞效应的定水头非完整回灌井流模型

针对传统定水头井流模型无法反映井周含水层堵塞对含水层渗流响应影响的问题,在假设井周含水层渗透系数在堵塞作用下随时间呈指数形式衰减的基础上,建立了考虑堵塞效应的定水头非完整回灌井流模型。通过对模型进行变量代换、Laplace变换和有限余弦Fourier变换及其逆变换,推导了定解问题在Laplace空间的解,并采用Stehfest数值逆变换方法得到了实时空间内的半解析解。参数分析结果表明,较小的渐近渗透系数K_r,∞会减小回灌过程中回灌流量和水头抬升,并降低含水层的拟稳态渗流响应,而较大的渗透系数衰减指数λ仅降低了渗透系数衰减过程中水头抬升和回灌流量,并不影响含水层达到拟稳态时的渗流状态;因K_r,∞和λ不同引起的水头差沿径向距离先增大后减小,在井周堵塞区与主含水层交界面达到最大值;回灌堵塞使得水头抬升分布在井周堵塞区与主含水层交界面上存在明显的折点,并造成含水层水头在抬升过程中存在显著的下降阶段,上述特征可为回灌堵塞评估与预测提供参考。     

非拘限含水层之水力传导系数模糊特性

地下水流于非拘限含水层流动时,因含水层之非均质性,使得垂直平均之饱和水力传导系数随地下水水位高低而变化。本研究就屏东平原之水文变量及边界条件等已知资料,利用MODFLOW模式计算屏东平原之地下水水位与水力传导系数之相关性。并运用模糊理论之模糊集与归属函数,分析水力传导系数在指数函数变换下,其所具有之模糊归属函数分布特性。由分析可知,屏东平原各地下水位观测站井之水力传导系数随地下水位变化具模糊关系。因此,在进行现地地下水流数值模拟时,水力传导系数不能只假设为单一值。     

多层含水层中同井回灌地下水源热泵特性分析

在适当简化了多层含水层和抽灌同井的基础上,分析了多层含水层中同井回灌地下水源热泵水力和热力特性。随着中间含水层竖向渗透系数的增加,抽、回水口降深绝对值减小,抽水和回灌相对容易;中间弱透水层厚度减小时,抽、回水口降深绝对值有所降低,但降低不明显;抽水流量增加,抽、回水口降深绝对值基本呈线性增加,从而增加抽水和回灌压力。中间弱透水层的存在,显著地降低了抽水温度降,大大增加了含水层热影响范围,即使弱透水层很薄,也能起到很好阻隔作用,在这种条件下井的出水温度对于流量的加大不敏感。因此在抽水和回灌允许的情况下,可以加大抽水流量,使井承担更大的负荷。     

循环抽水越流承压含水层水位变化与变形分析

建立了越流承压含水层在循环抽水的地下水运动数学模型,用Heaviside函数性质及Laplace变换求解得该数学模型关于承压含水层水位变化的解析表达式,进而求得承压层压缩变形。通过数学软件Mahtematica对算例进行了计算和分析,结果表明:承压含水层水位恢复存在滞后性,阻越流系数B越小水位恢复的滞后性越小,并且抽水引起的承压含水层水位下降量也越小,因而引起的承压含水层弹性压缩变形也越小;承压含水层以幅值Q0的循环抽水对应的水位降-时间曲线围绕恒定抽水t1Q0/T曲线上下波动,并呈上升趋势;距抽水井越远处的水位受到抽水循环反复作用的影响越不明显,较远处循环抽水水位降深-时间曲线与t1Q0/T曲线重合。     

定流量下潜水非完整井稳定流计算方法

针对现有潜水非完整井对于不同的管长和淹没状态下有着4种完全不同的理论计算公式,不能很好地解决实际工程中由于潜水位降深不断变化而引起的流量变化问题,将潜水含水层沿潜水位最大降深处分成上下两部分,采用积分变换方法,推导得到可适用于不同管长和淹没状态下的定流量潜水层非完整井的稳定流公式;然后在此基础上,采用Delphi结合Matlab自行开发一个计算程序,对潜水非完整井的井流特点进行分析;最后通过一个基坑降水算例说明了其应用于实际工程的有效性。研究结果表明：①推导得到的潜水非完整井公式可以退化为经典的潜水完整井裘布依公式,并在特殊情况下可得到近似解析解;②自行开发的计算程序可对不同条件下潜水非完整井的阻力系数和流量进行自动快速计算,为潜水非完整井的井流性状分析提供了便利的工具;③将推导出的潜水非完整井稳定流计算公式应用于有隔水围护结构且采用坑内降水方式的基坑工程是可行的。     

利用水位恢复资料求解水文地质参数的新方法

针对目前利用水位恢复期的降深资料求解水文地质参数所存在的问题,以泰斯非稳定流计算公式为基础,通过对井函数的优化拟合,建立了一个一元线性回归方程,利用求解回归方程中的待定常数反求含水层的水文地质参数,与传统的其它计算方法比较,本文方法具有计算简捷,不依赖图表,求解精度高等优点。     

基于Hansbo渗流的理想砂井地基固结分析

室内试验和现场观测表明,许多饱和黏性土中的渗流在小水力梯度时不能用Darcy定律描述,这应该是导致基于Darcy渗流的传统砂井固结理论有时不能很好地解释某些砂井地基固结特性的原因。引入同时考虑低速渗流幂函数曲线段和较高速渗流直线段的Hansbo渗流方程描述非Darcy渗流,在自由竖向应变假定下修正了Barron的理想砂井地基固结方程,并给出了有限差分法数值求解格式。据此探讨了Hansbo渗流参数、地基厚度等对砂井地基固结进程的影响。计算结果表明:和Darcy渗流相比,Hansbo渗流延缓了砂井地基内的孔压消散速度,导致固结速度变慢,并且径向排水对孔压消散的作用会更显著。如将Hansbo渗流方程简化为幂函数形式,则往往会高估砂井地基的固结程度,特别是在固结的初期。最后对比了自由竖向应变假定和等竖向应变假定对计算结果的影响。     

Investigation of hydraulic parameters of a weathered mylonite fault from field pumping tests: A case study

This paper presents a case history where the hydraulic parameters of a weathered mylonite fault located in the way of shield tunneling for the Xie-Zhong section on Metro Line No. 7 in Guangzhou City were determined using a series of field pumping tests. The weathered mylonite fault contains fissure groundwater, which would result in a high potential of water ingress during shield tunneling within the weathered mylonite strata. Therefore, the first stage of pumping tests involving five pumping wells was initially carried out. To verify the validity of the hydraulic parameters derived, the second stage of pumping tests involving four pumping wells was carried out. In addition, both an analytical method that involves a well-flow calculation for a fissure-confined aquifer for non-orthogonal anisotropic rock mass and a numerical simulation based on the theory of the equivalent continuum porous media were used to derive the hydraulic parameters based on the field pumping test data. The analytical method can provide the values of hydraulic conductivity only in the horizontal plane and is not able to capture the hydraulic characteristics of standalone stratum of the multi-aquifer system. In the numerical model, the weathered mylonite fault due to the nature of non-uniform mylonite strata distribution is further divided into four sub-regions with different hydraulic conductivities, according to the calculated influence radius of groundwater drawdown or geological formation. This leads to estimates of hydraulic parameters that are closer to real values, and enhances our understanding of non-uniform fissure development.