论文基于ADINA的单井抽水引起的地面沉降数值模拟研究简述.docx

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论文基于ADINA的单井抽水引起的地面沉降数值模拟研究简述

二○一三届毕业设计

基于ADINA的单井抽水引起的地面沉降数值模拟研究（简述）

基于ADINA的单井抽水引起的地面沉降数值模拟研究

1、研究背景意义及研究主要内容

到目前世界上已有60多个国家和地区发生了不同程度的地面沉降。

建立合理的数值模型研究地下水开采引起地面沉降特征和规律，已经成为地面沉降研究的主要手段。

故本文基于有限元软件ADINA，根据北京某山前冲积平原区实测地层数据，针对由于单井抽水引起的地面沉降进行数值模拟分析。

分析主要内容如下：

（1）本文对抽水中地下水位降深、开采速率与抽水间歇组合方式分别进行设定，进而制定出三种主体模拟方案。

并利用ADINA软件中的两种求解方式（ADINAstructure求解与ADINAFSI求解）分别对三种主体方案进行模拟分析。

在对不同模拟方案进行分析的同时，也对两种求解方式进行对比评价。

（2）本文利用ADINA软件对流体进行有限元分析的强大计算能力，利用流固耦合功能（计算流体力学ComputationalFluidDynamics——CFD）与VOF法（一种处理不相容的液体流动问题时捕捉界面的方法）还原土的三相性质，并且分析对不同土质的单一地层进行抽水时的地层响应特征。

以期通过本文，对单井抽水引起的地面沉降进行探究，同时在利用ADINA软件地面沉降数值模拟领域，对该软件的功能进行探索。

2、数值模型建立及模拟方案

本文所选择的的剖面，是在北京某山前冲积平原一处有代表性的典型剖面，进而建立数值计算的模型。

本文将该试验点100m地层进行概化，分为10层砂土、粉土和粉质粘土互层结构。

具体数据模型分别建立了ADINA-Structure模块下静态分析模型、ADINA-FSI模块下流固耦合模型、ADINA-FSI模块下三相土体模型。

简介如下：

1　ADINA-Structure模块下静态分析模型

本文对目标地层100m深度进行概化，分为10层砂土、粉土和粉质粘土互层结构，模型平面尺寸设置为半径为500m的圆，层厚总共100m，模型中间设置一眼直径1m的抽水井。

2　ADINA-FSI模块下流固耦合模型

在利用ADINA中的FSI模块进行流固耦合求解中，需要同时在ADINA-CDF中建立流体模型和在ADINA-Structure模块中建立土体模型，而后在进行流固耦合运算。

由于ADINA-FSI模块下的流固耦合计算，对网格质量要求极高，同时其求解器比Structure模块的静态分析求解器需要占用更高的电脑内存，故为保证在有效的时间内分析能够顺利进行，在进行流固耦合求解时对土体性质进行了一些假设，进而简化模型。

3　ADINA-FSI模块下三相土体模型

由于土本身具有三相性，土中水相与气相都会对土层性质产生影响，为了最大化模拟真实的土层情况，同时作为对模拟方案的进一步完善——直观反映在抽水作用下地下水水位的响应，本文在应用两大求解模块之外，又将FSI模块与VOF算法相结合对单层抽水进行模拟。

模拟方案如下：

1　方案A

在同样水位下降速率条件下，对不同水位降深进行模拟，并且要求模型稳定。

2　方案B

在同样水位降深（设定为30m）的前提下，对不同水位下降速率的地面沉降特征分析。

3　方案C

在相同的水位降深（设定为10m）的前提下，对不同抽水循环组合的地面沉降特征进行分析。

4　三相土在VOF算法下的方案D：

而在ADINA-FSI模块辅助以VOF算法模拟三相土对单层抽水引起的地面沉降分析当中，主要通过不同地层组合来达到对不同土质土层对地面沉降影响的分析。

3、研究结果分析

由于本文属于简介，所以仅展示部分图表。

3.1.中心沉降时程曲线分析

以方案A两个模块为例。

图3.1ADINA-Structure模块方案A1中心沉降时程曲线

图3.2ADINA-Structure模块方案A2中心沉降时程曲线

图3.3ADINA-Structure模块方案A3中心沉降时程曲线

图3.4FSI模块方案A1中心沉降时程曲线

图3.5FSI模块方案A2中心沉降时程曲线

图3.6FSI模块方案A3中心沉降时程曲线

综合分析：

在沉降曲线特征分析方面，两个方案都表现出在抽水情况下，地面沉降平均速率由快逐渐变慢，并同时在抽水稳定期表现出地面沉降的滞后效应而有一定的继续下沉趋势。

在子方案的横向对比中两种求解模型都表现出在地下水位降速一定时，沉降中心处地层的沉降随着地下水位降深的增加而增大，沉降终值的增加量随水位降深增加而减小。

另外，对B、C方案对比可得如下结论：

在水位降深一定时，地下水位下降速率对地面沉降影响不大；在水位降深一定时，地面沉降量随抽水-稳定循环次数的增加而减少。

3.2.沉降漏斗分析

以方案A两个模块为例。

图3.7Structure模块A方案漏斗对比图

图3.8FSI模块A方案漏斗曲线对比图

综合分析：

ADINA-Structure与ADINA-FSI模块都表现出开采地下水引起的地面沉降是大范围的，总体上呈现以井为中心的全面沉降，井中心沉降最大，距离井中心越远沉降量越小，形成沉降漏斗。

3.3.单层沉降量分析

ADINA-FSI模块各层单位沉降量：

通过提取土层竖直方向上的标志点，从而可以得出在ADINA-FSI模块下的各单层沉降量。

单层沉降柱状图如下。

A方案：

图3.9FSI模块方案A单层沉降两对比图

D方案：

图3.10D方案单层抽水引起的各单层地面沉降柱状图

综合分析：

通过对单层沉降量对比分析得出，对地面沉降最终贡献为，粉质粘土>粉土>中砂。

3.4.沉降速率分析

现以方案A1为例，通过单层沉降曲线在不同知期内的斜率对沉降速率进行分析。

A1方案单层沉降曲线：

图3.110-800dA1方案单层沉降曲线

图3.12D方案单层抽水下目标土层（第四层）压缩量曲线

综合分析：

通过上述对沉降速度分析，大体上可以得出如下结果：

整体上，各土层沉降速度均由快变慢；三土质的瞬时沉降速率相差不大；沉降过程中粉质粘土整体上速度变化不大，速度晚于其他土层收敛，中砂层沉降速度在抽水前后期中变化较大，有明显由快变慢的趋势，且速度早于其他图层开始收敛，而粉土层沉降速度特性介于中砂层及粉质粘土层之间；最终沉降平均速度为粉质粘土>粉土>中砂。

4、研究主要结论及建议

4.1.主要结论

本文通过ADINA有限元软件，对单井抽水引起的地面沉降进行数值模拟分析。

在三个主体模拟方案背景下，通过ADINA-Structure与ADINA-FSI两种求解模块对目标土体进行模拟。

并从沉降中心、漏斗曲线、单层沉降量等及个专题入手对模拟结果进行分析。

得出如下结论：

（1）单井抽水产生的地面沉降是大范围的，抽水井孔为中心沉降量最大，向土体边缘沉降量依次减少，整体上程漏斗状。

随着地下水位的不断降低，地面沉降漏斗曲线逐渐由平缓漏斗状变成尖锐的漏斗状。

（2）在抽水作用下，地下水位在抽水中心处最低，地下水位降深随距抽水中心距离增大而减小，同样形成了地下水位降落漏斗。

对比两种漏斗形态，可以看出地面沉降相比地下水位下降具有一定滞后性。

（3）在三个主体方案分析可中，Structure与FSI两种求解模型都表现出在地下水位降速一定时，地面沉降随着地下水位降深的增加而增大；在水位降深一定时，地下水位下降速率对地面沉降影响不大；在水位降深一定时，地面沉降量随抽水-稳定循环次数的增加而减少。

（4）在FSI模块两种不同算法下，进一步发现在不同土质单层对地面沉降贡献中粉质粘土>粉土>中砂。

在单层沉降速率分析中，整体上各土层沉降速率皆由快变慢，瞬时沉降速率基本相同。

进一步分析可得随着水位降深增大，中砂和粉土沉降速率有明显减小的趋势，收敛特性明显，而粘性土沉降速率基本保持不变或减小趋势不明显。

最终平均沉降速率为粉质粘土>粉土>中砂。

（5）在对ADINA-Structure与ADINA-FSI两种模块对比分析中，可以得出ADINA-Structure模块快捷简便，能满足基本分析要求；ADINA-FSI模块，建模繁琐，求解耗时，但精准度高，适合进行深入的研究。

4.2.存在的问题与建议

本文尚有许多工作有待进一步的深入和完善。

主要有以下几个方面：

（1）在选取土质模型方面，建议选用剑桥模型，以更精确的进行数值模拟。

（2）在实验方案的制定方面，建议增加回灌注水数值模拟，以便于进一步研究地层在注水作用下的回弹响应机制。

（3）在数值模拟建模中，建议区分上层滞水、潜水、承压水层等，以更贴近真实情况。

（4）在数值模拟中，建议在模拟中考虑土层渗透系数的变化。

（5）建议在流固耦合中进一步探索对VOF算法的使用。

（6）建议在建模中对流体模型性质进一步探究，已建立更符合土中水性质的流体模型。

建议将数值模拟同实测工况相结合，以进一步发挥ADINA软件的功效。