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FEFLOW水力学-岩土力学耦合插件——pi-HMC

发表时间:2021-09-26 11:52

随着经济的快速发展,对地下水的需求持续增加,由地下水抽取引发的地面沉降问题也越发严重,形成了很多潜在的危险,尤其是在公路、铁路、管道等重大线性工程中。地面沉降的模拟一直是地下水数值模拟中的一项难点。2021年发布的FEFLOW 7.4版本带来了FEFLOW pi-HMC水力学-岩土力学耦合)插件,在地下水和岩土力学之间架起了桥梁

FEFLOW pi-HMC能够解决地面沉降产生的有效应力变化问题,有效应力的变化会直接引起水动力参数的变化,同时也可以考虑地表上覆盖的压力,例如冰川以及不同建筑物的重量。该插件输出结果包括渗透系数、孔隙度和贮水率,也可以得到力学上的局部变形(孔隙度变化)、沉降量和有效应力等结果。

pi-HMC插件基于科学公认的地面沉降基础理论(Terzaghi, Hooke, Neuzi等),根据胡克弹性定律,建立了有效应力与渗透系数、孔隙度和贮水率的模型函数。地层可分为多孔介质和裂隙介质,还可以将单个主要裂缝建模为离散特征单元。地面沉降模拟既可以应用于整个模型域,也可以根据模拟需要只选择重点区域以便提高计算效率。

插图1.png

该插件应用范围十分广泛,包括:

Ø 地下水抽取引起的孔隙度降低、地面沉降、含水层固结

Ø 由于压实引起的含水层渗透率下降,导致抽水井出水量减少

Ø 隧道钻孔诱发地面沉降

Ø 有水坝时的岩石稳定性

Ø 向地下注水引起的地面抬升(地热能生产、水力压裂等)

Ø 深层地质放射性废物设施或二氧化碳封存场中的脆性变形

下面我们来通过一个案例,了解一下pi-HMC插件的使用方法。

本案例模拟的是瑞士Rawyltunnl隧道工程引发的地面沉降问题,场地示意图和三维模型如图所示。在这个模型中,我们把水库和隧道都概化为定水头边界,不需要设置渗透系数,渗透系数的值将由FEFLOW中岩土力学的方法直接计算。

案例介绍.png三维模型.jpg

使用pi-HMC插件首先要选定需要模拟地面沉降的区域,将选择集保存在面板中,然后使用UserData定义模型的总应力分布,之后在插件的编辑界面对各项参数进行设置。本例中将全部模型区域保存为裂隙介质选择集“Rock”,通过User Data给定总应力分布以及无压情况下的孔隙度,并给定模拟结果中局部变形和沉降量数据集的保存位置。

插件界面.png

模型运行后,渗透系数、沉降量、局部变形及前后水头等值线如图所示。本例采用的是稳态模拟,因此只有最终结果,如果采用瞬态模拟,则可以得到每一个时间步的结果。

渗透系数.jpg局部形变.jpg沉降量.jpg


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