穿越岩溶管道介质的隧道地下水流场三维模拟

发布时间：2020-06-17 11:23

【摘要】：传统地下水数值模拟使用MODFLOW模拟地下水流场,将含水系统概化为等效连续介质,地下水流为达西流。但在具有多重岩溶介质结构的西南地区,大量管道暗河的发育,使得地下水具有达西流与非达西流并存的流动特征,然而,MODFLOW无法对这一特征进行描述。后美国地质调查局基于MODFLOW开发了MODFLOW-CFP(Conduit Flow Process)模块,用于处理岩溶非达西流、多重孔隙介质的复杂情况,其中CFPM1模式可实现传统线性层流模型与离散的管道网络的耦合。CFPM1模式需赋予各管道属性,通过管道临界雷诺数、水量交换等实现水流转变。本文依托重庆明月峡背斜潜在交通走廊可行性论证研究项目,运用MODFLOW-CFP构建典型岩溶含水系统,讨论管道流模拟的关键参数。依据明月山南段建立区域、场地两级尺度的数值模型,首先应用MODFLOW-CFP构建明月山南段管道流地下水流区域模型,使用CFPM1模式对岩溶管道进行刻画,分析区域地下水流场,为场地模型提供边界条件等模型背景;后提出隧址区场地模型A、B两方案,模拟管道段下方隧道开挖、隧道高程选取对地下水流场变化及隧道涌水量影响。主要得出以下认识:(1)MODFLOW-CFP实现了岩溶含水系统中二元结构裂隙-管道的地下水水流模型。将裂隙系统概化为等效多孔介质,管道系统使用CFPM1模块概化为多段相互连接的管道,两系统之间通过交换流量进行耦合。通过构建一典型的岩溶含水单元,基于MODFLOW-CFP模型分析裂隙介质、流场背景以及管道参数对岩溶介质管道流的影响。(2)以明月山南段为研究区建立区域、场地两级尺度的数值模型。区域模型以管道所在的完整的水文地质单元为模拟范围,使用MODFLOW-CFP对岩溶管道进行详细刻画,着重反映管道流情况及区域的地下水流特征;场地模型范围缩小至隧址区,将模型剖分细化,采用第三类边界排水沟Drain模块概化隧道,模型重点反映隧道开挖对管道内水体影响及隧道涌水量的预测。(3)区域模型构建中,应用MODFLOW-CFP对排花洞-张关段典型岩溶暗河管道进行详细刻画。通过实际调查、钻孔资料及示踪试验等方式获取管道介质特征参数,使用CFPM1模式对区域内管道段进行刻画,通过观测孔水位结果拟合,并提取区域模型的模拟结果为隧址区场地模型提供有力的背景条件。(4)建立两种情况下的隧址区场地尺度数值模型:A方案隧道位于管道段(岩峰洞-干洞子)下部;B方案避开暗河管道段,并根据岩溶垂直分带特征进行隧道高程位置讨论。主要从隧址区周围地下水水位变化、管道内水体变化及隧道涌水量方面分析,为隧道规划选址提供参考依据。场地模型模拟结果对比表示,B方案从地下水位变化程度、管道内水体影响及隧道涌水量方面均优于A方案。A方案中隧道穿越岩溶管道段下方,造成管道内灾害水体向隧道处汇集,隧道涌水量为44210.54m~3/d,对岩溶暗河段影响较大。B方案所进行的隧道空间位置模拟结果显示,在隧道高程位于320-300m,隧道对周围地下水及管道内水体扰动较弱,涌水量最低值达5738m~3/d,可作为隧道规划的最佳高程段。
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U452.11;P641.2
【图文】：

技术路线图

管道节点示意图

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本文编号：2717531