地下水库松散介质渗透试验及渗流场数值模拟

摘要

地下水库是一种利用多孔松散介质透水性作为储水介质的水利工程，具有建设成本小，风险小，运行环境负效应小等优点。松散储水介质中地下水运动规律涉及水利、岩土和地质等多学科交叉，制约着地下水库的建设与运行。本文通过试验研究地下水在非均质饱和含水层的运动过程，与数值分析方法相互验证。结合地下水库分析了地下坝不司参数下的地下水位变化规律；并研究了降雨入渗、回灌和抽水对地下水的补给效应，研究结果如下： (1)揭示了非均质饱和含水层水头和流速变化规律。基于室内二维砂槽试验和数值计算相结合的方式阐明了地下水在非均质饱和含水层中的入渗流动问题，研究在低渗透镜体周围水头和流速的变化。并结合试验与数值计算得到的流速分布通过统计学软件SPSS，确定了非均质影响函数，研究结果表明，在低渗透镜体周围渗流场的水头变化范围为±0.005m，在非均质条件下断面最大流速是均质条件下平均流速的1.1～1.23倍。 (2)研究不同地下坝深度、宽度和渗透系数对地下水库渗流场的影响。地下坝深度对坝前地下水位下降高度影响较大，二者呈二次函数关系；地下坝宽度对坝前地下水位下降高度影响较小，增大地下坝宽度将有效减小通过地下坝最大流速；当地下坝渗透系数小于或等于1×10-8m/s时，对地下水位的影响将会明显降低；并将地下坝的三个参数通过基于正交实验法的敏感性分析得，地下坝深度和渗透系数对坝前地下水位下降高度的敏感性影响显著；宽度和渗透系数对最大流速影响显著；深度对渗流单宽流量影响较大。 (3)建立了考虑降雨入渗情况下地下水库渗流模型，基于Fredlund&Xing非饱和土理论来计算在不同的降雨条件下的地下水库非稳定渗流场。结合设置单道与多道地下坝的防渗措施，计算了不同降雨强度下水位增长形式，单库在地下坝前上游水位增加了71.1％，库群水位变化剧烈主要集中在1#和6#储水空间；不同降雨雨型对上、下游表层孔压达到最大值的时间，以及表层含水量所能达到的峰值有一定的影响。 (4)通过建立承压含水层完整回灌井模型，结合承压含水层完整回灌井井流运动方程与ADINA-T求解回灌作用下的地下水位变化进行对比，分别计算了单井在回灌和抽水作用下渗流场变化，分析了抽水作用下的位移沉降量，研究结果表明当回灌抽水比达到1/2-1/5左右，回灌对地面沉降有明显的减缓。 (5)通过对地下水库算例的防渗、补给效应计算分析，结合秦岭北麓洪积扇区建设地下水库的构想，研究了不同防渗措施下的地下水库渗流量的变化。计算结果表明，通过设置悬挂式防渗地下坝，深度110m，双排布设可减少渗流量68.7％，为秦岭北麓洪积扇区建设地下水库及修建地下坝提供参考。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 地下坝研究现状

1.2.2 地下水库补给研究现状

1.2.3 渗流计算软件介绍

1.3 研究方案和技术路线

1.3.1 研究方案

1.3.2 技术路线

2 多孔介质非均质含水层二维砂槽渗流试验研究

2.1 地下水渗流数学模型的建立

2.1.1 渗透系数空间变异性和考虑低渗透镜体的饱和含水层研究现状

2.1.2 二维砂槽渗流试验基本方程的确定

2.2 试验材料与装置

2.2.1 试验装置

2.2.2 试验材料

2.3 试验结果分析

2.3.1 入渗锋面结果

2.3.2 数值模拟验证

2.3.3 考虑低渗透镜体的水头和速度分布

2.3.4 不同水位差下的渗流过程

2.4本章小结

3 防渗地下坝不同设计方案对水库地下水的影响

3.1 防渗地下坝的设计原则

3.2 计算模型与边界条件

3.3 计算工况

3.3.1 地下坝深度对地下水位分布影响

3.3.2 地下坝宽度对地下水位分布影响

3.3.3 地下坝渗透系数对地下水位分布影响

3.3.4 基于正交试验法的地下坝参数敏感性分析

3.4 本章小结

4.1 模型建立与计算方案的确定

4.1.1 模型的建立

4.1.2 参数的选取

4.1.3 降雨入渗模型的验证

4.2 结果分析

4.2.1 降雨强度的影响

4.2.2 降雨雨型的影响

4.3 地下水库群分析与数值计算

4.3.1 设置多道防渗地下坝库群计算模型

4.3.2 不同降雨强度下的结果分析

4.3.3 不同降雨雨型下的结果分析

4.3.4 对比分析

4.4本章小结

5 地下水库承压含水层完整回灌井渗流位移变化规律

5.1 计算原理

5.2 三维回灌井模型的建立

5.3 单井抽水和回灌计算

5.3.1 单井回灌渗流计算

5.3.2 单井抽水渗流和沉降计算

5.4 不同回灌抽水比对地面沉降的影响

5.5 井群回灌模型

5.6 本章小结

6 秦岭北麓洪积扇区建设地下水库渗控预测分析

6.1 工程背景

6.2 关于地下水库防渗渗控分析研究

6.2.1 模型的建立与材料参数

6.2.2 计算工况

6.3 不同防渗措施的结果分析

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间主要研究成果