基于ADINA的地下水庫(kù)抽水效應(yīng)數(shù)值模擬

周清麗

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

在干旱半干旱地區(qū)，地表水資源普遍匱乏且極不可靠，地下水是這些地區(qū)的主要水源[1-2]。然而，這些地區(qū)的地下水主要是化石水，不能滿足人類和生態(tài)系統(tǒng)的需要。因此，需要采取一些人為措施對(duì)含水層進(jìn)標(biāo)可持續(xù)管理。地下水水庫(kù)建設(shè)對(duì)提高水資源利用水平，保障供水安全具有重要作用[3-4]。地下水水庫(kù)是我國(guó)目前比較流行的一種水資源管理方法，類似于美國(guó)的蓄水與恢復(fù)的概念。與地表水水庫(kù)相比。地下水水庫(kù)具有占地少、不遷移、蒸發(fā)少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[5-7]。目前，地下水庫(kù)主要有三種利用方式，主要是地表水和地下水的聯(lián)合利用，以增加地下水資源；恢復(fù)地下水過度開采形成的助陷錐；減輕沿海地區(qū)地面沉降、水土流失、海水入侵等典型地質(zhì)災(zāi)害[8-9]。為了解決水資源調(diào)蓄問題，滲透系統(tǒng)的分流是關(guān)鍵施工技術(shù)之一[10-11]。

本文以某地下水庫(kù)的抽水設(shè)施為例，建立模型。借助有限元軟件ADINA模擬了地下水庫(kù)抽水對(duì)沉降的影響，分別模擬了不同流量的單井抽水對(duì)沉降的影響，不同抽水井?dāng)?shù)(單井、雙井、三井)抽水對(duì)沉降的影響[12-13]。

1 工程概況

地下水庫(kù)場(chǎng)地位于古河道沉積區(qū)，地基土屬于第四紀(jì)上更新世Q3至全新世Q4沉積物，主要由粉性土、飽和黏性土和砂性土組成。按其成因類型、沉積年代及物理力學(xué)性質(zhì)的差異，可劃分為 8 個(gè)主要土層。

本場(chǎng)地?zé)o地表水存在，地下水分為上部潛水、下部微承壓水和承壓水。

(1)潛水。該地區(qū)淺部土層中的潛水，年平均地下水位離地面0.5～0.7 m，埋深一般離地面0.3～1.5 m。由于潛水與大氣降雨密切相關(guān)，所以水位呈現(xiàn)季節(jié)性波動(dòng)，因此潛水水位的高低主要取決于降雨持續(xù)時(shí)間和降雨量的大小。

勘察報(bào)告提供的勘察期間地下水水位埋深約為0.80～2.10 m，相應(yīng)絕對(duì)高程為2.12～3.70 m。

(2)微承壓水和承壓水。經(jīng)過勘察可知，擬建場(chǎng)地內(nèi)淺部分布有砂質(zhì)粉土、夾粉質(zhì)黏土，該土層的地下水水量比較豐富，并且具有一定的承壓性，屬于微承壓水含水層。其深部分布有粉細(xì)砂層，該土層賦含地下水豐富，是承壓含水層。

根據(jù)區(qū)域性水文地質(zhì)資料，微承壓水及承壓水水位埋深一般約為地面以下3～11 m，隨季節(jié)呈周期性變化。本實(shí)例采用體建模方式建立幾何模型，模型長(zhǎng)取100 m，寬取60 m。模型總共有8層土，3個(gè)抽水井，對(duì)其標(biāo)號(hào)分別為1、2、3，井點(diǎn)間距為15 m。8層土接觸面之間采用面鏈接。模型選用的是摩爾-庫(kù)倫模型。這8層土的單元組類型都選為3D Soilid，將第4、6、8層土的Element Option設(shè)置為Porous Media，即：對(duì)第4、6、8層土考慮水土耦合時(shí)的孔隙壓力作用。在多孔介質(zhì)屬性中定義這三層土分別在X、Y、Z方向的滲透系數(shù)。

本文主要研究不同井?dāng)?shù)(單井、雙井、三井)抽水及不同抽水流量對(duì)沉降的影響。抽水流量Q分別取100 m3/d，300 m3/d，600 m3/d，利用公式計(jì)算孔隙流速，對(duì)應(yīng)的流速分別為1.88 m/d，5.64 m/d，11.29 m/d。

單井抽水時(shí)，在3號(hào)井的第4、6、8層土各面上施加抽水荷載，雙井抽水時(shí)，分別在2號(hào)井和3號(hào)井的第4、6、8層土各面上施加抽水荷載，三井同時(shí)抽水時(shí)，分別在1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)井第4、6、8層土各面上施加抽水荷載。

本實(shí)例共劃分為98 402個(gè)單元。第1層土劃分為7047個(gè)單元，第2層土劃分為7602個(gè)單元，第3層土劃分為6742個(gè)單元，第4層土劃分為5652個(gè)單元，第5層土劃分為7894個(gè)單元，第6層 土劃分為9316個(gè)單元，第7層土劃分為8304個(gè)單元，第8層土劃分為45 845個(gè)單元。

2 研究方法

2.1 有限元計(jì)算模型

本模型模擬單井抽水、雙井同時(shí)抽水和三井同時(shí)抽水三種抽水方式對(duì)地面沉降的影響。三種方式的模型相同，只是施加的抽水荷載不同。其模型網(wǎng)格及荷載如圖1所示。

圖1 有限元模型

2.2 選取觀測(cè)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)

模型中三個(gè)井的標(biāo)號(hào)分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)，選取兩個(gè)點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)。1號(hào)井在中間，選1號(hào)井中心點(diǎn)為一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，2號(hào)、3號(hào)井距1號(hào)井的距離相同，選其中一個(gè)井點(diǎn)中心作為觀測(cè)點(diǎn)即可，本文選3號(hào)井中心點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)。

地面豎直方向沉降路徑曲線圖，是繪制距井點(diǎn)距離由近到遠(yuǎn)變化時(shí)，豎直方向的沉降量變化情況，在繪制地面豎直方向沉降路徑曲線圖時(shí)，需要確定距井點(diǎn)的距離，故要在模型中選擇單元節(jié)點(diǎn)。每個(gè)土層選擇兩條路徑，一條是距井點(diǎn)1的中心點(diǎn)由近到遠(yuǎn)的路徑，稱為路徑1，一條是距井點(diǎn)3的中心點(diǎn)由近到遠(yuǎn)的路徑，稱為路徑3。本章模型對(duì)第4、6、8土層施加抽水荷載，故在繪制地面豎直方向沉降路徑曲線圖時(shí)，選擇第1、4、6、8層四個(gè)土層進(jìn)行繪制，選取的結(jié)點(diǎn)為這四層土路徑1和路徑3上的結(jié)點(diǎn)。選取的兩條路徑如圖2所示，兩條黑線分別表示選取的兩條路徑。

圖2 路徑曲線

因?yàn)槟Ｐ兔總€(gè)土層劃分的單位不同，選取的節(jié)點(diǎn)不在路徑1和路徑3這兩條直線上，而是在這兩條路徑附近，所以每個(gè)土層和每條路徑選取的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)有所不同。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同井?dāng)?shù)抽水及不同抽水流量對(duì)沉降的影響

通過模擬了單井抽水，雙井抽水和三井同時(shí)抽水三種工況下對(duì)沉降的影響，單井抽水時(shí)，將荷載施加在3號(hào)井上，雙井抽水時(shí)，荷載施加在2號(hào)井和3號(hào)井上。同時(shí)，還模擬了三種工況下不同抽水流量對(duì)沉降的影響，抽水流量分別為100 m3/d，300 m3/d，600 m3/d。得出各種工況下的豎直方向沉降量情況見表1。

表1 沉降量對(duì)比表

由表1中數(shù)據(jù)可以看出:

(1)在抽水流量一定時(shí)，單井降水沉降較小，隨著降水井點(diǎn)的增多，沉降逐漸增大。單井降水時(shí)，井點(diǎn)附近沉降最大，隨著距井點(diǎn)距離的增大，沉降逐漸減小。

(2)在抽水流量一定，2號(hào)、3號(hào)井同時(shí)降水時(shí)，最大沉降發(fā)生在2號(hào)、3號(hào)井附近，1號(hào)井也產(chǎn)生沉降，沉降量比2號(hào)、3號(hào)井小。

(3)在抽水流量一定，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)井同時(shí)降水時(shí)，2號(hào)、3號(hào)井降水對(duì)1號(hào)井產(chǎn)生影響，使最大沉降發(fā)生在1號(hào)井附近，其次是2、3號(hào)井附近。隨著降水井點(diǎn)的增多，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)井附近沉降都逐漸增大，1號(hào)井附近沉降增長(zhǎng)最快。

(4)隨著抽水流量的增大，沉降逐漸增大，三井同時(shí)降水時(shí)沉降增長(zhǎng)最快，雙井降水沉降增長(zhǎng)速度次之，單井降水沉降增長(zhǎng)最慢。

3.2 不同井?dāng)?shù)抽水及不同抽水流量對(duì)孔隙水壓力的影響

通過分析單井抽水，雙井抽水和三井同時(shí)抽水三種工況下降水對(duì)孔隙水壓力的影響，以及三種工況下不同抽水流量對(duì)沉降的影響，抽水流量分別為100 m3/d，300 m3/d，600 m3/d。計(jì)算得到孔隙水壓力云圖的切片圖，其中，孔隙水壓力云圖的切片圖有兩個(gè)查看結(jié)果，一個(gè)是1號(hào)井中心點(diǎn)的切片查看結(jié)果，稱為觀測(cè)點(diǎn)1的切片查看結(jié)果，一個(gè)是3號(hào)井中心點(diǎn)的切片查看結(jié)果，稱為觀測(cè)點(diǎn)3的切片查看結(jié)果。得出不同井?dāng)?shù)抽水、不同抽水流量抽水對(duì)孔隙水壓力的影響規(guī)律，以及不同部位孔隙水壓力的變化規(guī)律。將不同工況，不同部位孔隙水壓力的數(shù)值列于表2中。

表2 孔隙水壓力對(duì)比表

由表2中的數(shù)據(jù)可以看出:

(1)在抽水流量一定，單井抽水時(shí)，井點(diǎn)附近孔隙水壓力最大，隨著距井點(diǎn)距離的增大，孔隙壓力逐漸減小，每個(gè)土層的孔隙水壓力都呈現(xiàn)漏斗狀。第4層和第6層土的孔隙水壓力比第八層的大，延伸的范圍更廣。

(2)在抽水流量一定，2號(hào)、3號(hào)井同時(shí)降水時(shí)，每個(gè)井的孔隙水壓力都增大，2號(hào)、3號(hào)井附近孔隙水壓力比1號(hào)井附近的大，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)井同時(shí)降水時(shí)，1號(hào)井附近孔隙水壓力最大，2號(hào)、3號(hào)井附近孔隙水壓力大小次之。

(3)隨著抽水流量的增大，孔隙水壓力逐漸增大，三井同時(shí)降水時(shí)孔隙水壓力增長(zhǎng)最快，雙井降水孔隙水壓力增長(zhǎng)速度次之，單井降水孔隙水壓力增長(zhǎng)最慢。

對(duì)于豎直方向上的沉降路徑分析可知，隨著距井點(diǎn)距離的增大，豎直方向沉降量逐漸減小。并且距井點(diǎn)較近時(shí)，第八層沉降量最小，下來依次是第一層、第四層，第六層沉降量最大，當(dāng)距井點(diǎn)達(dá)到一定距離時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，第八層沉降量依然最小，第六層次之，第一層沉降量最大。在抽水流量一定時(shí)，單井抽水工況下沉降量最小，隨著抽水井?dāng)?shù)的增加，沉降量逐漸增大；抽水流量較小時(shí)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置隨著抽水井?dāng)?shù)的增多向距離井點(diǎn)越遠(yuǎn)處移動(dòng)，且移動(dòng)距離較大，抽水流量較大時(shí)，出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置基本不變。隨著抽水流量的增大，豎直方向沉降量逐漸增大。單、雙井抽水時(shí)，路徑3的沉降量比路徑1的沉降量大，雙井抽水時(shí)，路徑1的沉降量比路徑3的沉降量大。

4 結(jié) 論

本文主要研究了不同井?dāng)?shù)(單井、雙井、三井)抽水對(duì)沉降的影響，得出以下結(jié)論：

(1)隨著距井點(diǎn)距離的增大，豎直方向沉降量逐漸減小；隨著抽水井點(diǎn)數(shù)的增多，沉降逐漸增大；隨著抽水流量的增大，豎直方向沉降量逐漸增大。

(2)距井點(diǎn)較近時(shí)，第八層沉降量始終最小，下來依次是第一層、第四層，第六層沉降量最大，當(dāng)距井點(diǎn)達(dá)到一定距離時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，第一層沉降量最大，第四層次之。

(3)井點(diǎn)附近孔隙水壓力最大，隨著距井點(diǎn)距離的增大，孔隙水壓力逐漸減小，每個(gè)土層的孔隙水壓力都呈現(xiàn)漏斗狀。第四層和第六層土的孔隙水壓力比第八層的大，延伸的范圍更廣。