人工充气法控制华北平原区地面沉降的探索研究

以多相流、地下水动力学和饱和-非饱和土力学为理论依据，深入分析地下水系统中水相、气相的运移机理及地面沉降的形成机制，同时考虑水相和气相流体之间的相互作用、相态转化过程，多孔介质的非均质性及各相流体与土体变形的相互耦合作用，建立地下水三维水-气二相流-应力耦合模型，研究实现模型求解的有效方法和关键技术。应用该模型为工具，模拟研究人工充气法对地面沉降的控制效果，并将人工充气法与人工回灌法结合起来，提出"充气-回灌"法这一新型的地面沉降控制措施，定量分析各种可能的影响因素（开采量、回灌量、充气压力等）对沉降规律的影响，进而分析"充气-回灌"法在实际应用中的可行性，为展开现场试验研究提供技术支持，从而有效地开展现场试验研究。通过本项目研究，可望在理论上揭示地下水多相流过程与土体变形的相互作用规律；在应用上，为探索经济、安全、有效的新型地面沉降控制措施做出贡献。

华北平原区的地面沉降是在经济快速发展过程中，过量开发利用地下水所产生的环境地质问题。地下水的过量开采致使含水层的孔隙压力产生趋势性的降低，有效应力相应增大，从而导致地层压密而发生地面沉降。人工回灌法通过向含水层回灌淡水，使地下水位上升，含水层的孔隙压力增大，因而能够有效控制地面沉降。然而华北平原地区淡水资源匮乏，可用于人工回灌的淡水资源有限，因此探索适合华北平原水资源特点的、经济而有效的地面沉降控制方法具有重要的研究意义。本项目提出采用空气这种廉价、安全的流体替代人工回灌法中的淡水注入到地下含水层中，使得作用于土体骨架上的孔隙压力由孔隙水压力和孔隙气压力共同承担，孔隙压力随着孔隙气压力的增大而增大，使得有效应力减小，从而控制地面沉降。本研究根据松弛耦合原理，应用FLAC3D模拟土体的应力变形过程，应用TOUGH2实现对充气过程中的水-气二相流动过程，通过用FLAC3D中内置的FISH语言编写力学模型与渗流模型之间的耦合程序，用来控制FLAC3D和TOUGH2中两个模拟过程的有序进行，并利用耦合关系式传递相关状态变量，从而实现对水-气二相流-固耦合作用的模拟。利用所建立的地下水三维水-气-固三相耦合模型，对含水层的抽水过程、充气过程、回灌过程、以及充气-回灌过程进行了数值模拟研究，模拟结果表明充气过程对于恢复抽水引起的地面沉降作用比回灌过程效果快，但回灌过程比充气过程的作用更持久，因此可通过充气过程与回灌过程相结合来综合控制抽水引起的地面沉降。最后进行了初步的现场充气试验研究，证明了高压空气可以替代淡水注入地下含水层中，能有效引起孔隙水压力的增大，当适当控制充气超压力介于充气段的最大孔隙水压力与上覆土体的承受的压力之间时，地表发生隆起，进一步的应用研究仍需要结合高精度的压力控制装置，有效的充气井与观测孔的密封加工工艺，以及与回灌过程的有效结合作用。通过本项目研究，所建立的地下水-气-固三相耦合模型可用于进一步揭示地下水多相流过程与土体变形的相互作用规律；通过进一步的工程应用关键技术研究，可以为探索经济、安全、有效的新型地面沉降控制措施做出贡献。