人工充氣法控制華北平原區地面沉降的探索研究

《人工充氣法控制華北平原區地面沉降的探索研究》是依託天津大學，由孫冬梅擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：人工充氣法控制華北平原區地面沉降的探索研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：孫冬梅
• 依託單位：天津大學

項目摘要

以多相流、地下水動力學和飽和-非飽和土力學為理論依據，深入分析地下水系統中水相、氣相的運移機理及地面沉降的形成機制，同時考慮水相和氣相流體之間的相互作用、相態轉化過程，多孔介質的非均質性及各相流體與土體變形的相互耦合作用，建立地下水三維水-氣二相流-應力耦合模型，研究實現模型求解的有效方法和關鍵技術。套用該模型為工具，模擬研究人工充氣法對地面沉降的控制效果，並將人工充氣法與人工回灌法結合起來，提出充氣-回灌法這一新型的地面沉降控制措施，定量分析各種可能的影響因素（開採量、回灌量、充氣壓力等）對沉降規律的影響，進而分析充氣-回灌法在實際套用中的可行性，為展開現場試驗研究提供技術支持，從而有效地開展現場試驗研究。通過本項目研究，可望在理論上揭示地下水多相流過程與土體變形的相互作用規律；在套用上，為探索經濟、安全、有效的新型地面沉降控制措施做出貢獻。

結題摘要

華北平原區的地面沉降是在經濟快速發展過程中，過量開發利用地下水所產生的環境地質問題。地下水的過量開採致使含水層的孔隙壓力產生趨勢性的降低，有效應力相應增大，從而導致地層壓密而發生地面沉降。人工回灌法通過向含水層回灌淡水，使地下水位上升，含水層的孔隙壓力增大，因而能夠有效控制地面沉降。然而華北平原地區淡水資源匱乏，可用於人工回灌的淡水資源有限，因此探索適合華北平原水資源特點的、經濟而有效的地面沉降控制方法具有重要的研究意義。本項目提出採用空氣這種廉價、安全的流體替代人工回灌法中的淡水注入到地下含水層中，使得作用於土體骨架上的孔隙壓力由孔隙水壓力和孔隙氣壓力共同承擔，孔隙壓力隨著孔隙氣壓力的增大而增大，使得有效應力減小，從而控制地面沉降。本研究根據鬆弛耦合原理，套用FLAC3D模擬土體的應力變形過程，套用TOUGH2實現對充氣過程中的水-氣二相流動過程，通過用FLAC3D中內置的FISH語言編寫力學模型與滲流模型之間的耦合程式，用來控制FLAC3D和TOUGH2中兩個模擬過程的有序進行，並利用耦合關係式傳遞相關狀態變數，從而實現對水-氣二相流-固耦合作用的模擬。利用所建立的地下水三維水-氣-固三相耦合模型，對含水層的抽水過程、充氣過程、回灌過程、以及充氣-回灌過程進行了數值模擬研究，模擬結果表明充氣過程對於恢復抽水引起的地面沉降作用比回灌過程效果快，但回灌過程比充氣過程的作用更持久，因此可通過充氣過程與回灌過程相結合來綜合控制抽水引起的地面沉降。最後進行了初步的現場充氣試驗研究，證明了高壓空氣可以替代淡水注入地下含水層中，能有效引起孔隙水壓力的增大，當適當控制充氣超壓力介於充氣段的最大孔隙水壓力與上覆土體的承受的壓力之間時，地表發生隆起，進一步的套用研究仍需要結合高精度的壓力控制裝置，有效的充氣井與觀測孔的密封加工工藝，以及與回灌過程的有效結合作用。通過本項目研究，所建立的地下水-氣-固三相耦合模型可用於進一步揭示地下水多相流過程與土體變形的相互作用規律；通過進一步的工程套用關鍵技術研究，可以為探索經濟、安全、有效的新型地面沉降控制措施做出貢獻。