第四紀(jì)松散沉積層地下水滲流與地面沉降控制數(shù)值模擬

前言

　　近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在第四紀(jì)松散沉積層地區(qū)，如長(zhǎng)江三角洲、華北平原等，由重大工程降水及地下水過(guò)量開(kāi)采造成的地下水疏降引起的地面沉降問(wèn)題日趨嚴(yán)重，不僅給國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來(lái)了不可估量的損失，而且嚴(yán)重威脅了人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。如何正確地模擬、預(yù)測(cè)重大工程地下降水和地下水開(kāi)采引起的地下水滲流場(chǎng)的變化及由此引起的地面沉降問(wèn)題，并通過(guò)優(yōu)化重大工程降水及地下水開(kāi)采方案，有效地控制地下水位下降所引起的地面沉降，已成為一個(gè)亟需解決的重要課題?！　〉谒募o(jì)松散沉積層從上往下通常分布有一個(gè)潛水含水層和多個(gè)承壓含水層，各含水層通過(guò)其問(wèn)的黏性土弱含水層發(fā)生水力聯(lián)系，因此工程降水和地下水開(kāi)采的滲流問(wèn)題是具有自由面的非穩(wěn)定滲流問(wèn)題，并且涉及復(fù)雜的源、匯項(xiàng)和邊界條件，屬非線性問(wèn)題，常用的數(shù)值解法是有限差分法和有限單元法，并采用迭代法來(lái)求解代數(shù)方程，其解的穩(wěn)定性一直是模型求解的難點(diǎn)。地下水滲流場(chǎng)變化引起的地面沉降問(wèn)題實(shí)際上是滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)相互影響、相互作用的過(guò)程，并隨著土體應(yīng)力場(chǎng)的改變，土體的變形參數(shù)和孔隙率以及滲透性也必然發(fā)生改變，因此在預(yù)測(cè)由工程降水及地下水開(kāi)采引起的地面沉降時(shí)，不僅要考慮土體變形參數(shù)隨應(yīng)力狀態(tài)的變化，還要考慮土體滲透性的相應(yīng)動(dòng)態(tài)變化。本書(shū)從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，從模型的建立，有關(guān)參數(shù)、源匯項(xiàng)和邊界條件的處理，模型的求解，計(jì)算機(jī)軟件的研制到模型的具體應(yīng)用，一一作了詳細(xì)論述。　　本書(shū)共分九章。第一章介紹了地下水滲流的有關(guān)概念和基本方程；第二章論述了有自由面三維非穩(wěn)定滲流的有限元求解理論和方法；第三章討論了地下水三維滲流有限元模型中有關(guān)邊界條件、源匯項(xiàng)和滲流量的處理方法及其計(jì)算機(jī)程序的研制；第四章以比奧固結(jié)理論為基礎(chǔ)，重點(diǎn)闡述了考慮土體變形參數(shù)和滲透性隨應(yīng)力狀態(tài)變化的地下水滲流與土體變形的全耦合本構(gòu)模型；第五章敘述了有自由面地下水滲流與土體變形三維全耦合模型的有限元求解理論和方法；第六章論述了地下水滲流與土體變形三維全耦合有限元模型求解的過(guò)程及其計(jì)算機(jī)程序的研制；第七章敘述了地下水滲流與土體變形三維全耦合可視化計(jì)算機(jī)軟件的研制，并介紹了軟件的組成和功能；第八、九章結(jié)合上海環(huán)球金融中心塔樓深基坑降水和M4線董家渡隧道修復(fù)深基坑降水工程，給出了采用上述模型進(jìn)行滲流和地面沉降模擬控制計(jì)算的步驟和方法。

內(nèi)容概要

本書(shū)從系統(tǒng)觀點(diǎn)出發(fā)，詳細(xì)論述了有自由面三維非穩(wěn)定滲流及考慮土體變形參數(shù)和滲透性隨應(yīng)力狀態(tài)變化的地下水滲流與土體變形三維全耦合模型的建立，有關(guān)參數(shù)、源匯項(xiàng)和邊界條件的處理，模型的求解及計(jì)算機(jī)軟件的研制，并結(jié)合工程實(shí)例給出了采用上述模型進(jìn)行滲流和地面沉降模擬控制計(jì)算的步驟和方法。    本書(shū)可供地質(zhì)、土木、環(huán)境、交通、市政等相關(guān)領(lǐng)域的科技人員和高等院校相關(guān)專業(yè)的師生參考。

書(shū)籍目錄

前言第一章  地下水滲流基本理論  1.1  滲流基本概念及基本定律    1.1.1  多孔介質(zhì)概念及其性質(zhì)    1.1.2  含水層的儲(chǔ)水率與儲(chǔ)水系數(shù)    1.1.3  達(dá)西定律  1.2  飽和滲流基本方程    1.2.1  連續(xù)性方程    1.2.2  滲流控制方程  1.3  滲流基本方程的定解條件    1.3.1  初始條件    1.3.2  邊界條件第二章  地下水非穩(wěn)定滲流三維有限元數(shù)值計(jì)算  2.1  有限單元法概述  2.2  三維非穩(wěn)定滲流的等參數(shù)有限單元法    2.2.1  形甬?dāng)?shù)及等參變換    2.2.2  滲流分析方程的變分原理    2.2.3  有限元求解的時(shí)間差分格式及其穩(wěn)定性    2.3  有自由面滲流分析的解法概述    2.3.1  變網(wǎng)格法    2.3.2  固定網(wǎng)格法  2.4  有自由面滲流分析的有限元求解    2.4.1  有自由面滲流分析的節(jié)點(diǎn)虛流量法    2.4.2  有限元算法第三章  地下水非穩(wěn)定滲流三維有限元計(jì)算機(jī)程序的研制  3.1  第一類邊界條件的處理    3.1.1  去行去列法    3.1.2 置大數(shù)法  3.2  飽和溢出面邊界的處理  3.3  抽水井的處理    3.3.1  點(diǎn)井法    3.3.2  網(wǎng)格法  3.4  連續(xù)墻的處理  3.5  滲流量的計(jì)算    3.5.1  中斷面法    3.5.2  體積積分法  3.6  計(jì)算機(jī)程序研制第四章  地下水滲流與土體變形耦合基本理論  4.1  比奧固結(jié)理論  4.2  土體本構(gòu)模型  4.3  考慮土體滲透系數(shù)非線性性質(zhì)的改進(jìn)模型  4.4  定解條件第五章  地下水滲流與土體變形全耦合三維有限元數(shù)值計(jì)算  5.1  有限元離散方程    5.1.1  滲流有限冗離散方程    5.1.2  比奧固結(jié)理論有限元支配方程    5.1.3  有限元方程求解的穩(wěn)定性討論  5.2  荷載列陣    5.2.1  單元集中力、體力、面力和初應(yīng)變等效荷載列陣    5.2.2 附加荷載    5.2.3  開(kāi)挖荷載  5.3  自由面邊界處理    5.3.1  自由面邊界積分項(xiàng)的計(jì)算    5.3.2  有自由面滲流問(wèn)題求解的改進(jìn)復(fù)合單元滲透矩陣調(diào)整法  5.4  井的處理  5.5 彈塑性問(wèn)題增量解法    5.5.1  增量切線剛度法的計(jì)算原理    5.5.2  過(guò)渡單元的處理    5.5.3  荷載增量的計(jì)算第六章  地下水滲流與土體變形三維全耦合有限元模型計(jì)算機(jī)程序研制  6.1  總剛存儲(chǔ)  6.2  邊界條件處理  6.3  方程的求解  6.4  計(jì)算機(jī)程序研制第七章  三維滲流與變形全耦合可視化計(jì)算機(jī)軟件(GWS)研制  7.1  軟件的組成    7.1.1  打開(kāi)    7.1.2  前處理模塊    7.1.3  計(jì)算模塊    7.1.4  后處理模塊    7.1.5  還原    7.1.6  幫助  7.2  軟件功能第八章上海環(huán)球金融中心塔樓深基坑降水與土體變形控制  8.1  工程概況  8.2  場(chǎng)區(qū)的地質(zhì)與水文地質(zhì)條件  8.3  承壓含水層減壓降水    8.3.1  基坑突涌穩(wěn)定性分析    8.3.2  承壓含水層的單井抽水試驗(yàn)    8.3.3  承壓含水層減壓降水設(shè)計(jì)    8.3.4  承壓含水層現(xiàn)場(chǎng)群井抽水試驗(yàn)  8.4  承壓含水層減壓降水三維滲流控制數(shù)值模擬    8.4.1  地質(zhì)模型概化及離散    8.4.2  模型的識(shí)別與驗(yàn)證    8.4.3  承壓含水層降水預(yù)測(cè)及控制  8.5  承壓含水層降水引起的滲流與土體變形控制耦合數(shù)值模擬    8.5.1  模型識(shí)別與驗(yàn)正    8.5.2  承壓含水層降水與地面沉降預(yù)測(cè)及控制第九章  上海M4線董家渡隧道修復(fù)深基坑降水與土體變形控制  9.1  工程概況  9.2  場(chǎng)區(qū)的地質(zhì)與水文地質(zhì)條件    9.2.1  場(chǎng)區(qū)地層分布特征    9.2.2  水文地質(zhì)條件  9.3  承壓含水層減壓降水    9.3.1  修復(fù)工程對(duì)降水的要求    9.3.2  減壓降水方案    9.3.3  承壓含水層現(xiàn)場(chǎng)群井抽水試驗(yàn)  9.4  承壓含水層降水三維滲流控制數(shù)值模擬    9.4.1  地質(zhì)模型概化及離散    9.4.2  模型參數(shù)識(shí)別與驗(yàn)證    9.4.3  承壓含水層降水預(yù)測(cè)及控制  9.5  承壓含水層降水引起的滲流與土體變形控制耦合數(shù)值模擬    9.5.1  模型參數(shù)識(shí)別與驗(yàn)證    9.5.2  承壓含水層降水與地面沉降預(yù)測(cè)及控制主要參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第一章　地下水滲流基本理論　　1.1　滲流基本概念及基本定律　　1.1.1　多孔介質(zhì)概念及其性質(zhì)　　1.多孔介質(zhì)的概念　　在地下水動(dòng)力學(xué)中，把具有孔隙的巖石稱為多孔介質(zhì)。在多孔介質(zhì)中，固、液、氣三相都可能存在，其中至少有一相是氣相或液相，固相部分稱為固體骨架，氣相的空氣主要存在于非飽和帶中，液相的地下水可能以吸附水、薄膜水、毛細(xì)水和重力水等多種形式存在。廣義地說(shuō)，可以把孔隙介質(zhì)、裂隙介質(zhì)和某些巖溶不十分發(fā)育的由石灰?guī)r和白云巖組成的介質(zhì)都稱為多孔介質(zhì)?！　?.多孔介質(zhì)的性質(zhì)　　（1）孔隙性　　多孔介質(zhì)的孔　隙性是指孔隙體積和多孔介質(zhì)總體積之比。從地下水運(yùn)動(dòng)角度來(lái)看，只有相互連通的孔隙才有意義。不連通的孔隙稱為死端孔隙，其中地下水是相對(duì)停滯的；互相連通的、不為結(jié)合水所占據(jù)的那部分孔隙稱為有效孔隙。

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