文摘
提出了撤军的控制方程描述一维大变形固结行为没有考虑弱透水层的蠕变效应。一个解析解导出描述弱透水层的压降变化受到突然相邻承压含水层水头下降。的特点弱含水层中的地下水动力学和水平衡分析的基础上,分析解决方案。比较分析的结果已经在大变形理论和经典的微小应变理论之间。样板曲线拟合的方法被用来确定水文地质参数,在此基础上观察到的弱透水层变形随时间的变化。从而验证了解析解的对比观察实验结果。发现弱透水层的排水是明显延迟的相邻含水层水头下降。所有延迟水释放整合时的弱透水层终止时间达到的价值 。弱透水层变形预测的大变形理论不足,由微小应变理论,给出的预测差异这两个理论土压缩系数增大而增大。
1。介绍
多层含水层系统通常由含水层相对较高的渗透率与如何交替间渗透率相对较低的1]。如何可能扩展到整个地球陆地面积大,覆盖整个流域或冲积平原,有时他们甚至延伸到大海,如达科塔含水层系统在美国和在中国长江三角洲(2- - - - - -4]。丰富的地下水中存储如何可用于开发供水含水层时(5]。如何在地下地下水系统的作用日益公认的在很多方面。弱含水层中的地下水动力学密切相关,地下水开采、地下水污染、地下存储利用率和地面沉降(6,7]。
如何由细沉积物如粘土和淤泥在低能沉积环境(8,9]。如何,其压缩性通常远远大于地下蓄水层,能够释放出大量的水从原来的存储过程中耗散的超孔隙水压力10]。实验室测量和地区地下水建模表明,弱透水层的渗透性不为零(8,11]。弱透水层的渗透系数通常是不到10−8m / s,渗透率变化在一个大范围从10−15到10−23米2(12]。
地下水动力学和水平衡的理解是非常重要的预测、评价和控制地面沉降,也是有意义的地下水资源评价和开发,以及污染物的分析和热传输含水层系统(13- - - - - -15]。许多研究已经进行的地下水流动和弱透水层的损耗。提出了一种反褶积方法(16),减少在封闭层的基础上可以计算相邻含水层的水头。特别是,这水以任意方式可能会有,不一定是由规定的泵政权(16]。在封闭层水头变化,水流通过它可以被达西定律,使直接估计水的消耗。Konikow和Neuzil3)提出了一个简化的方法来估计从封闭层,地下水枯竭和计算错误一般都很小。提出了一个分析方法由Li et al。5)来评估地下水的耗竭封闭层在整个开发历史和还在有限的时期,尤其是很少有撤军注入含水层的历史数据。另外,数值模型可以用于分析的地下水枯竭aquifer-confining层的封闭层,提供丰富的信息系统(17,18]。然而,应该指出,上述的研究大多是基于Terzaghi饱和粘土的一维固结理论。
自封闭层低渗透的水力特性通常不清楚,很难有效管理地下水资源和有一个准确的描述污染物运输在承压含水层系统(19]。一般来说,弱透水层的渗透系数和特定的存储可以由实验室和现场实验(20.- - - - - -22]。例如,Burbey [23)使用一个图形化技术来确定水文地质参数通过time-subsidence抽水试验中的数据的优势。这种图形技术而言,对数图的直线部分time-compaction数据代表了弱透水层压实。样板曲线拟合的方法,提出了由周et al。4]计算渗透系数和特定的存储与观察到的通量的突然减少邻承压含水层的水头。壮族et al。19)提出了一个样板曲线拟合的方法来估计弱透水层的渗透系数和特定的存储的基础上弱透水层压实变异和分段线性函数描述撤军底层含水层的历史。Konikow和Neuzil3)提出了一个通用的孔隙度之间的关系和导水率通过考虑弱透水层的粘土含量之间的关系通过考虑整合程度和具体的存储。弱透水层的参数被假定为常数在整合过程中在上述研究。
研究人员还调查了地下水动力学和水平衡的微小应变合并弱透水层(4,6]。大变形的综合弱透水层(例如,空间新形成的沉积软土)、水力特性的变化是非线性的弱透水层的整合期间(24- - - - - -26]。微小应变固结理论不适合当弱透水层的变形大于10%的厚度(27- - - - - -29日]。在这篇文章中,提出了一个分析的解决方案为弱透水层的压降变化受到很大压力合并,考虑到相邻的承压含水层的水头遭受突然下降。地下水动力学的特点,水平衡和弱透水层变形进行了相应的分析。另外,样板曲线拟合的方法,提出了水文地质参数的确定,和获得的参数被实验验证。
2。理论背景
2.1。数学模型和分析解决方案
一层多层aquifer-confining系统被认为是在这个研究。无限的系统包括一个弱透水层横向程度上,由两个有界含水层撒谎,分别在弱透水层之上和之下的。最初的弱透水层的厚度 。弱透水层被认为是均匀和饱和和统一的厚度(见图1)。
在多层aquifer-confining层系统,每个含水层的标量等效渗透系数超过弱透水层的至少两个数量级。弱透水层的渗流遵循阻力最小的路径;即水流向下的垂直方向,用一把锋利的折射进入含水层的弱透水层和含水层之间的接口。因此,它是合理的考虑水流在封闭层基本上是垂直的(16,30.]。拉格朗日坐标使用,这是假定在垂直向下的方向,积极与坐标原点位于弱透水层的顶面(参见图吗1)。
土壤颗粒和孔隙水被认为是不可压缩的,方程的一维大变形固结饱和粘土在拉格朗日坐标系给出如下(31日]: 在哪里是完全垂直应力;是固体颗粒的比重,是单位重量的水;的孔隙比的时间吗 ; 是初始孔隙比。 在哪里总孔隙水压力;是静水孔隙水压力;孔隙水压力的长期离开从静水孔隙水压力由于水力梯度穿过土层,然后呢超孔隙水压力。
流体相平衡的需要
并给出有效应力原理 在哪里是有效的垂直压力。
达西定律给出 在哪里和是孔隙水和土壤粒子的速度相对于基准面;是粘土的渗透系数在垂直方向。
方程(5)表明,水流速度可以分解为两个组件,包括一部分因长期在巩固土壤水力梯度层,另一部分与超孔隙水压力梯度。连续性孔隙水流动的控制方程
的非线性变化的压缩性和渗透性土壤在大变形固结过程假定,分别遵守(8)[32)和(9)[26),这里土壤的不考虑。 在哪里 是弱透水层的固结系数,是最初的弱透水层的渗透系数,和的弱透水层的压缩系数小和大变形状态,分别。应该注意的是,微小应变固结理论没有考虑巩固弱含水层的水力特性的变化,是不适合当弱透水层的变形大于10%的厚度,而大变形固结理论考虑了非线性变化的弱透水层的压缩性和渗透性。
孔隙比之间的关系和总孔隙水压力给药 在哪里是初始有效的垂直压力。
超孔隙水压力的减少等于撤军的增加时,总压力是恒定的。因此,孔隙比之间的关系与撤军(即。,the hydraulic head decline) of the aquitard is obtained as 在哪里 弱透水层的特定存储。用(8),(9)和(11)(7)给
假设水头不弱透水层上方的含水层不同,假定下降在弱透水层封闭含水层的底层。方程(12)解决以下初始和边界条件。
压降变化的解析解的大变形固结理论是通过使用变量变换和分离(附录)。
2.2。弱透水层中地下水动力学
根据达西定律,通量单位水平区域的位置和时间可以表示为在弱透水层
用的表达到(17)给
累积通量表面和底部的弱透水层,分别确定
2.3。弱含水层的地下水平衡
弱透水层的底部是固定的,所以可以表示为弱透水层解决
顶部的和解然后给出弱透水层的表面
此外,最后解决弱透水层是被允许
累积通量顶部和底部以无量纲形式给出了弱透水层,分别 在哪里表示无量纲时间。根据水量平衡原理,水释放的整个厚度范围弱透水层等于单位累积通量的差异水平地区弱透水层的顶部和底部。
弱透水层的水平衡的结果如图所示2。的曲线 和 代表累积通量弱透水层的顶部和底部表面,分别。曲线代表累积水释放弱透水层。三个特征进化阶段观察到在图2。在最初的阶段(例如, ),在截面累积通量为零 。在横截面的累积通量显著增加 ,由于累积水释放弱透水层。在中间阶段(例如, ),弱透水层的累积水释放增加缓慢。累积通量略有增加,增长率在截面趋于稳定 。同时,累积通量的增加率趋于稳定在横截面 ,不仅表明潜在的含水层是充电的弱透水层的水还公布泄漏上层含水层。在最后阶段(例如, ),在横截面的累积通量 大于累积水释放弱透水层。在横截面的主要供应源 横截面是累积流量吗 。的曲线 和 相互平行,这表明水释放往往是完成。
2.4。弱透水层的参数的识别
确定水文地质参数的弱透水层而水头下降在相邻的承压含水层,我们表达(23)在一个无量纲形式简单
假设土壤颗粒和孔隙水是不可压缩的。因此,解决弱透水层的顶部表面=弱透水层的累积水释放。
的标准曲线 呈现在图3。右边的第二项(30.)和(31日)是常数。因此,在对数图,测试曲线的变化 类似于曲线类型的无量纲流量吗在 (见图4供参考)。的曲线 的标准曲线上叠加吗 ,同时,这两个图的坐标轴保持相互平行。有一个水平的差异 和一个垂直的差异 这两条曲线之间的关系。匹配的关键是选择的标准曲线与试验曲线的交点 。匹配点的坐标 , , ,和然后替换成(32),(33)和(34)确定水文地质参数。
3所示。结果与讨论
本文提出的解析解计算压降和损耗的弱透水层评估通过求解大变形固结问题。底层承压含水层的撤军是10米,和水的地面(或非承压含水层)被认为是不变。获得的结果之间的对比分析也进行大变形和微小应变固结理论。这里指的是大变形理论分析解决方案,和微小应变固结理论是Terzaghi的一维固结理论。弱透水层的厚度为10米。弱透水层参数用于大变形固结分析 米/秒, ,0.02,0.03,0.04 m−1。相应的压缩系数是1、2、3、4 MPa−1。在微小应变分析中,特定的存储和渗透系数的值是一样的大变形固结分析中使用。
撤军的弱透水层的空间分布与不同的特定存储值( ,0.02,0.03,0.04 m−1) 年使用大型和微小应变理论计算。结果在图5表明,弱透水层的压降增加而减少特定的存储。超孔隙水压力消散的更快地在一个相对较小的特定的存储。也观察到大变形理论获得的撤军小于获得的微小应变理论。超孔隙水压力的消散在大变形固结慢于微小应变的整合。预测压降之间的差异大,微小应变理论增加而增加特定的存储。
在不同的位置(撤军 ,3、5、7、9米)在弱透水层绘制在图6。撤军增加最初和最终到达一个稳定值。开始的撤军的速度变化很大,然后逐渐减少到零。它也是有趣的,压降增加而增加在给定的时间价值。在相对高孔隙水释放更快价值和特定的存储。撤军的大变形固结理论是小于的获得的微小应变固结理论,和预测差异大,微小应变固结理论是无关紧要的。的孔隙比随弱透水层的有效应力增加而减小。与此同时,弱透水层的渗透系数和特定的存储减少,这是归因于孔隙比的减少。
水流速度的空间分布在弱透水层是由(18)在不同的特定存储值( ,0.02,0.03,0.04 m−1)(见图7)。结果表明,水流速度的上部弱透水层低于下部。上部的水流速度相对较小的大特定的存储,但情况相反的水流速度较低的部分。水流速度大变形理论建立的微小应变小于预测的理论,和预测差异增加而增加价值和特定的存储。
水流速的变化在弱透水层的不同位置在图描述8。开始的水流速度为零的上部弱透水层,然后增加到一个稳定值。最初下部,流速增加,然后下降到相同的稳定值。由于减少水力传导率和弱透水层的特定存储在大变形理论,考虑了孔隙水流速低于微小应变理论,得到的和预测的水流速度是相同的,当水流变成了弱透水层的稳定。
累积水释放的单位面积内弱透水层=弱透水层的顶部的结算,计算(23)。显示在图9弱透水层,损耗的增加逐渐稳定的价值。单位面积累积水释放的弱透水层,这是由大变形理论,分别是0.48,0.91,1.30,和1.65米3,而分别是0.01,0.02,0.03,和0.04米−1。弱透水层的消耗与压缩系数增加。此外,预测累积水释放的大变形理论显然是不到的微小应变理论,和弱透水层的预测不同损耗特定存储值增大而增大。
4所示。实验验证
4.1。实验仪器装置
物理模型试验进行了研究地下水动力学、水平衡、变形特性的弱透水层,以应对突然邻承压含水层水头下降。概要描述了测试装置图10。它由主体的整合容器,变形监测设备,流量监测装置和供水设备。
这个仪器可以测量期间粘土层的变形和通量测试。整合容器是一个封闭的有机玻璃筒的高度,外,和内部直径50厘米,19厘米,分别和18厘米。土壤标本由三部分组成:较低的砂层厚度(4.5厘米),中间层充满土壤测试厚度(17.4厘米),和上部砂层厚度(5.7厘米)。中间层代表一个弱透水层粉质粘土,并给出基本的物理和机械性能表1。
4.2。测试程序
粘土层中的水头最初是常数。水在较低的砂层突然下降一开始,然后在测试过程中保持不变。我们测量了排水流量的底部含水层和粘土层的沉降。给出了测试步骤如下。(1)最初的检查测试设备。整合容器必须确保密封,以及进口和出口管道不得阻挠。测试仪器必须保证正常运营(2)土壤样品制备。整合容器的内壁清洗,涂抹一层油脂或凡士林;热水注入合并容器通过溢流罐和水位提高缓慢;不允许泡沫在注水过程中滤层;整合容器先后充满了砂层,粘土层和砂层,设备测量结算放置的顶部和粘土层以下各土层合并后在其自重的持续时间24小时(3)样品饱和。除了排气阀关闭所有阀门,泵出容器中的空气和真空泵;增加合并容器内的负压逐渐在给定压力序列(例如,-0.02、0.04−−0.06−0.08−0.1 MPa);维护每个压力级别的时间间隔12小时(4)层土壤饱和后,水慢慢被添加到目标高度;打开阀的进气管道,供水设备;山的供水水箱设计高度,并填写水;排出多余的水从溢喷嘴;调整刻度盘的位置,系好,并记录最初的阅读;观察表盘计的读数,直到他们不改变。这个过程通常需要几天(5)记录在测试期间拨计的读数。启动测试通过打开阀门出口管;降低水头在以下土层 米开始测试,然后保持它是常数;同时,记录拨号计的读数在时间序列的5 s, 10年代,30年代,1分钟,2分钟,4分钟,8分钟,12分钟,测量通量的出口溢流罐使用电子天平(排水用量杯举行一个电子天平)(6)观察读数持续,直到他们不改变,然后测试终止;观察时间为1440分钟;观察结束时通量变得稳定
4.3。实验结果和分析
单位面积上的通量 确定粘土层的底部通量除以圆柱体的横截面积(即。,254.34厘米2)。的值 表中列出2。粘土层的变形也通过拨号盘测量仪。获得的数据结算的粘土层在测试表3。
的测量值 与时间绘制在图吗4。曲线类型 然后叠加到这个数字,通过保持两个图形相互平行的轴(见图4)。匹配类型曲线的交点 与实验曲线 ,和它的两个系统的坐标 毫米, , 分钟, 。粘土层的参数可以得到坐标为(32)- (34)。的渗透系数 ,特定的存储 ,和液压扩散系数4.25×10−4厘米/分钟,3.23×10−3厘米−1,0.1315厘米2分别/分钟。
通量 观察的时间内底部的粘土层是用获得的水文地质参数估计的样板曲线拟合方法中(18)。样板曲线拟合方法的主要优势在于其能够充分利用所有抽水试验数据,提高计算的准确性。图11比较了预测和测量通量。见过, 预测的解析解在这项研究同意与实验结果。
基于一维Terzaghi的整合理论(即。,the small-strain consolidation theory), the hydrogeological parameters of the aquitard can also be determined using the type-curve fitting method [33]。渗透系数,确定特定的存储,水力扩散系数 ×10−4厘米/分钟, ×10−3厘米−1, 厘米2/分钟。液压扩散系数估计的大变形理论是一样的,由微小应变理论。渗透系数和特定的存储由大变形理论比那些由微小应变理论。水力传导率和特定的存储的值估计的大变形理论实际上指的是粘土层的水力参数初孔隙比降低而减小。底部的压缩系数的粘土层大变形理论是一个常数(= 2.8×10−3厘米−1),估计(8)。粘土层的底部的渗透系数是3.2×10−4厘米/分钟估计(9),这是接近了达西定律( ×10−4厘米/分钟)。大变形理论的等效渗透系数是3.68×10−4厘米/分钟(26),这是接近预测的微小应变理论。
5。结论
撤军的控制方程的描述,提出了一维大变形固结饱和均匀粘土,爬行效应被忽略。压降变化的解析解会计在很大程度上变形弱透水层派生,这是受到突然的邻承压含水层水头下降。取得了有意义的结果的基础上,假设(8)和(9)有关土的压缩性和渗透性。地下水动力学的特点和水平衡弱透水层的检查和分析解决方案。样板曲线拟合的方法给出了确定水文地质参数。给出了主要结论如下:(1)当承压含水层的水头下降 ,地下水动力学的响应弱透水层中发现明显延迟。超孔隙水压力的消散预测的微小应变大变形理论是低于预测的理论(2)一个表达式计算水流速度弱透水层的派生。然后,分析解决方案提出了考虑弱透水层的累积水释放和结算。水平衡方程也描述之间的关系建立了充电,放电,水释放弱透水层。弱透水层的所有延迟排水时预计将完成整合到达 。土压缩系数是一个重要的因素影响预测变形之间的差异大,微小应变固结理论。这种差异被发现增加与增加土压缩性(3)弱含水层的水文地质参数(即。,the hydraulic conductivity, specific storativity, and hydraulic diffusivity) are estimated by fitting the curves of analytically predicted and experimentally observed settlement. The hydraulic conductivity and specific storativity determined by the large-strain theory are higher than those given by the small-strain theory. In the large-strain theory, the hydraulic conductivity and specific storativity of the aquitard are considered to decrease with the decreasing void ratio. The hydrogeological parameters estimated by the small-strain theory are constants which are assumed to be on average equivalent to their true values in the consolidation process. The flux at the bottom of the clay layer, which is obtained from the analytical solution, is in good agreement with the experimental observation, implying that the estimated parameters are able to characterize the groundwater flow in the aquitard
弱含水层的水文地质参数可以估计的样板曲线拟合方法,结合数据通量单位水平地区的弱透水层的顶部和底部。样板曲线拟合的方法也可以用来测量现场水文地质参数。
附录
推导的解决方案(12),(13),(14)和(15)
解决大变形合并弱透水层的压降变化应对突然减少邻承压含水层的水头了变换定义为的使用 所以
替换(背书的)(11),(12),(13)和(14)给出了转换后的控制方程和条件如下
由于边界条件(A.3d)非齐次,简化是必要的
替换 成 在控制方程,以及初始和边界条件((A.3a)- ((A.3d),导致
上述数学模型的解析解(即。,((A.6a)- ((A.6d)通过分离变量的方法
替换(本),(A.7)(各),解决方案(即数学模型。,((A.3a- - - - - -(A.3d)获得
替换(如系)(a .)的形式的解决方案(12),(13),(14)和(15在主要的文本
符号
| : | 拉格朗日坐标 |
| : | 弱透水层的固结系数的微小应变状态 |
| : | 弱透水层的固结系数很大压力 |
| : | 孔隙比 |
| : | 初始孔隙比 |
| : | 固体颗粒的比重 |
| : | 粘土的渗透系数在垂直方向 |
| : | 最初的弱透水层的渗透系数 |
| : | 弱透水层厚度 |
| : | 弱透水层的体积压缩系数的微小应变状态 |
| : | 弱透水层的体积压缩系数很大压力 |
| : | 超孔隙水压力 |
| : | 累积通量 |
| : | 在无量纲形式累积通量 |
| : | 通量单位弱透水层的水平区域 |
| : | 弱透水层协议 |
| : | 弱透水层的特定存储 |
| : | 无量纲沉降 |
| : | 撤军的弱透水层 |
| : | 时间 |
| : | 无因次时间 |
| : | 总孔隙水压力 |
| : | 孔隙水压力的长期离开静水孔隙水压力 |
| : | 静孔隙水压力 |
| : | 速度的土壤粒子相对于基准面 |
| : | 孔隙水的速度相对于基准面 |
| : | 总垂直应力 |
| : | 有效的垂直应力 |
| : | 初始有效的垂直应力 |
| : | 单位重量的水 |
| : | 承压含水层中撤军。 |
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究是由中国国家自然科学基金资助(批准号41702253,41572209)和中国国家重点研究和发展计划(批准号2016 yfc0402803)。