地面沉降模擬的案例
專家解答 | GMS地下水數(shù)值模擬、地面沉降數(shù)值模擬實踐技術(shù)應(yīng)用與案例分析
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培訓(xùn)費用：
非會員 3500元 會員 3100元
（f票可開具：培訓(xùn)費、會議費、資料費、技術(shù)咨詢費等，配有蓋章文件等，用于參會人員報銷使用）
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關(guān)于地面沉降數(shù)值模擬實踐技術(shù)應(yīng)用與案例分析培訓(xùn)班
7月10日-7月11日
會議方式：在線直播
培訓(xùn)目標：目前，地面沉降問題是我國較為常見的環(huán)境地質(zhì)問題，其巨大的破壞力嚴重影響城市建筑安全和交通軌道運行。圍繞地面沉降的防控與治理，是工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、軌道交通設(shè)計等相關(guān)技術(shù)人員十分關(guān)注的領(lǐng)域，而數(shù)值模擬技術(shù)是評估防控效果的有效工具之一。本次培訓(xùn)課程針對地面沉數(shù)值模擬技術(shù)，結(jié)合不同行業(yè)的需求，詳細講解利用Proceing modflow軟件建立地下水-地面沉降數(shù)值模型的流程與步驟，同時，選取真實案例，運用模擬技術(shù)解析鐵路沿線地面沉降的預(yù)測，優(yōu)選不同控降方案。本次培訓(xùn)有助于提升技術(shù)人員的業(yè)務(wù)能力，增加科研創(chuàng)新能力。
課程內(nèi)容詳情
頒發(fā)證書：
參加會議的學(xué)員可以獲得《地下水建模及環(huán)評技術(shù)應(yīng)用》專業(yè)技術(shù)證書，內(nèi)含學(xué)時證明，網(wǎng)上可查。此證書可作為學(xué)時證明、個人學(xué)習(xí)和知識更新、單位在職人員專業(yè)技能素質(zhì)培養(yǎng)及單位人才聘用重要參考依據(jù)。
展開 案例46-水庫枯竭引起的地面沉降
問題是，在均質(zhì)孔隙-彈性連續(xù)體中，圓盤狀隔室儲層上發(fā)生的地面沉降。
重點介紹了以下特性和功能：
• 地質(zhì)力學(xué)（土壤分析）
• 耦合孔隙壓力熱機械固體單元
• 土壤（Modified Cam-clay）材料模型
介紹
含烴儲層埋藏在地下深處，通常以高孔隙壓力狀態(tài)存在。沉積在儲層（覆蓋層）上方的地層重量由巖石基質(zhì)和流體孔隙壓力支撐。在石油或天然氣生產(chǎn)過程中，孔隙壓力耗盡，覆蓋層壓實儲層，導(dǎo)致地表下沉。
為了獲得從水庫開始生產(chǎn)所需的法律許可，必須根據(jù)給定管轄區(qū)的要求限制地面沉降。當水庫位于人口密集區(qū)附近時，最小沉降尤為重要。
本文給出的示例模擬預(yù)測了由完全分隔的盤狀儲層的均勻壓力耗盡引起的地面沉降。該問題考慮了儲層深度、半徑和高度對壓實和地面沉降的影響。最大地面沉降與幾何參數(shù)的相關(guān)性顯示出與參考解析解的趨勢密切匹配。
問題描述
盤狀儲層埋深（D），高度（H）和半徑（R）：
為了模擬地下半空間的影響，區(qū)域的寬度約為儲層半徑的四倍。儲層均勻耗盡。
建模
計算域被建模為完全飽和的多孔彈性連續(xù)體。使用耦合孔隙壓力-熱-機械-固體（CPT nnn）單元，用具有孔隙壓力和位移自由度的有限元離散連續(xù)體。
儲層和覆蓋層之間的界面采用基于位移和孔隙壓力自由度的表面接觸進行建模。接觸分別在位移和孔隙壓力自由度方面建模為粘結(jié)和不滲透。
以下輸入修改了實際常數(shù)以模擬不滲透接觸：
材料屬性
該問題的模型使用了典型的砂巖材料特性，每種滲透率為100毫達西（mD）。
邊界條件和加載
為了約束模型，在正、負X、Y和底面上定義了無摩擦邊界條件。
展開 SBAS-InSAR技術(shù)的廣州市地面沉降監(jiān)測
(a)2019-02-06 (b)2019-06-06 (c)2019-10-04
(d)2020-02-01 (e)2020-06-12 (f)2020-10-10
(g)2021-02-07 (h)2021-06-07 (i)2021-10-05
圖8 時序累計沉降變化
從圖8可以看出,在監(jiān)測期間內(nèi),A區(qū)域、B區(qū)域、C 區(qū)域、D區(qū)域、E區(qū)域、F區(qū)域,地面沉降一直處于持續(xù)變化 。2019年10月,A區(qū)域、E區(qū)域、F區(qū)域最先開始沉降,其中E區(qū)域沉降面積最大。
A區(qū)域從2019年10月—2020年10月,快速發(fā)展,面積逐漸增大,形成了一個沉降漏斗,此時漏斗中心的最大地面沉降為-51.3 mm;2020年2月—2021年10月A區(qū)域沉降輪廓基本保持不變,但地面一直處于沉降狀態(tài),地面最大累計沉降量為-85.1 mm。A區(qū)域為柯木塑站附近,2017年6年28日開始開通,可能由于地盾構(gòu)造產(chǎn)生地面沉降,同時柯木塑地下礦泉水過度開采也是柯木塑地區(qū)發(fā)生沉降的重要原因。
B區(qū)域從監(jiān)測初期至2019年6月累計沉降值為正值,均處于抬升狀態(tài);至 2020年10月出現(xiàn)較為明顯的沉降;2021年2月—2021年10月,形變速率較之前出現(xiàn)明顯增大,形變量出現(xiàn)明顯增大,且在2021年6月出現(xiàn)沉降漏斗;直至2021年10月,B區(qū)域最大形變量為-55.6 mm。B區(qū)域為保利天匯附近,查閱資料發(fā)現(xiàn),該區(qū)域為小新塘舊改項目所在地,可能由于周邊建筑設(shè)施出現(xiàn)明顯增多,導(dǎo)致周圍的地面沉降。
C區(qū)域總體表現(xiàn)出較為平穩(wěn)的下沉,2020年6月,出現(xiàn)較為明顯的沉降;2020年6月—2021年2月,沉降速率明顯增大,且出現(xiàn)沉降漏斗;2021年2月至監(jiān)測末期,沉降區(qū)域基本不變,但地面一直處于較為緩慢的沉降。
展開 一種粉塵顆粒沉降室，在混冷風(fēng)、噴冷卻水的作用下，沉降效率大小模擬分析 ￥20
1、 模型簡介及計算參數(shù)
本次模擬對象為微硅粉沉降室，微硅粉粒子的沉降效率，進口管道和沉降室內(nèi)冷氣及冷卻水液滴的混合分布狀態(tài)，三維模型見圖1。
沉降室設(shè)計要點：（1）沉降室尺寸長度（L）與高度（H）：
u: 氣流水平速度（通常0.3~1 m/s，防湍流）。確保顆粒在沉降室內(nèi)有足夠時間沉降：
(2) 氣流分布進口設(shè)計：采用漸擴管（擴張角≤15°）或?qū)Я靼澹苊庵苯記_擊沉降區(qū)。均流裝置：增設(shè)多孔板或格柵，使斷面速度偏差≤20%。
（3）氣流速度（u）：上限：防止已沉降顆粒再飛揚（通常 umax≤1m/s），下限：避免設(shè)備體積過大（經(jīng)濟性權(quán)衡）。
（4）溫度影響：高溫氣體需修正黏度μ（如200℃空氣黏度比常溫高23%），降低 vs
圖1 三維模型
計算參數(shù)如下：標況下煙氣風(fēng)量為240000m3/h，溫度800℃，工況風(fēng)量為943296m3/h，煙氣進口管道風(fēng)速為16.3m/s；各冷風(fēng)主管風(fēng)量為15000m3/h，冷風(fēng)主管風(fēng)速為16.93m/s；粉塵濃度為8g/Nm3，其中70%微硅粉粒徑為0.3μm，粉塵容重為200kg/m3。流體密度為0.4043kg/m3；冷卻水用量為3t/h，采用DPM模型計算冷卻水液滴分布狀態(tài)，冷卻水噴嘴模型進行簡化，選solid-cone，擴散角55°，噴槍示意如圖2所示。
CFD模擬：檢查氣流均勻性（速度云圖）和顆粒軌跡（DPM模型）。
經(jīng)驗公式對比：如L/H 比值通常取3~5（粗顆粒）或5~10（細顆粒）
圖2 噴嘴噴水方向示意圖
展開 
混合懸浮液中顆粒的沉降數(shù)值模擬 ￥1500
<p>本案例基于COMSOL軟件仿真了管中內(nèi)合懸浮液受到重力作用下的顆粒自由沉降過程，仿真結(jié)果如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202208/619931c1eb234fabb9b2b5a4a8200bc5.gif" alt="Untitled.gif"></p><p>感興趣的朋友，歡迎交流合作</p><p><br></p>
展開 裝滿液體易拉罐撞擊地面模擬
裝滿液體易拉罐撞擊地面模擬
單邊袋除塵器模擬分析，給出粉塵在進口煙道內(nèi)的重力沉降分析結(jié)論 ￥15
針對該袋除塵器的結(jié)構(gòu)特點，為了保證袋除塵器各袋室分風(fēng)及袋室內(nèi)流場的均勻性，CFD數(shù)值模擬按照設(shè)備實際尺寸 1:1 的比例建立，主要完成數(shù)值模型建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件確定、數(shù)值計算、結(jié)果分析等內(nèi)容，并添加合適的導(dǎo)流板使其滿足要求。
按照袋除塵器圖紙大小以1：1建立三維模型，模型如下：
圖1 袋除塵器模型
圖中a1~a5為各個提升閥口的流量監(jiān)測面。
計算參數(shù)如下，總煙氣量為65131 m3/h，煙氣溫度為190℃；
煙氣進口邊界條件為速度進口（velocity-inlet）；
煙氣出口outlet邊界條件為壓力出口（pressure-outlet），壓力值為0 Pa；
濾袋設(shè)置為多孔介質(zhì)（porous zone）；
本次模擬湍流模型采用標準k-e模型，湍流流場的計算采用有限體積法離散控制方程，算法采用Simple算法，對流項采用一階迎風(fēng)格式，近壁面采用壁面函數(shù)法處理。假定流體是不可壓縮的，作定常流動。
經(jīng)CFD模擬，本項目袋除塵器運行時的流線圖如下：
圖2 速度流線圖
各個袋室的煙氣流量如下：
圖3 各監(jiān)測面流量
從速度流線圖可以看出，煙氣進入除塵器后，經(jīng)過進口導(dǎo)流板的導(dǎo)流作用，煙氣相對均勻的向下流動，靠近進口袋室處斜煙道內(nèi)風(fēng)速在8m/s~11m/s之間（箭頭處）；煙氣進入各袋室灰斗后經(jīng)過灰斗導(dǎo)流板進行擴散，煙氣較為均勻地向上流動進入袋室，各個袋室煙氣量與平均流量的最大偏差約為1.54%。根據(jù)重力沉降速度的斯托克斯表達式：
展開 ABAQUS 原始鄧肯張模型模擬3D比奧固結(jié)沉降 ￥66.67
鄧肯張模型(duncan-chang model)模擬3維比奧固結(jié)(biot consolidation)沉降
1、 模型建立
建立一個10m*10m*10m的土體，干密度為1.8t/m3，水的容重為10kN/m3，假設(shè)地下水位與土體地面齊平，即土體為飽和土。
土體本構(gòu)為原始鄧肯張模型(duncan-chang model)：該本構(gòu)為非線性彈性本構(gòu)，彈性模量和泊松比隨著圍壓的變化而發(fā)生變化，包含11個材料參數(shù)，通過子程序UMAT使鄧肯張模型的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系在ABAQUS中得以實現(xiàn)。
模型邊界條件：
1） 土體底部固定，四周邊界僅允許發(fā)生豎向沉降位移，土體在自重及初始圍壓50kPa下進行預(yù)固結(jié)；
2） 模型只能通過表面進行排水；
3） 在取得地應(yīng)力平衡后，在土體頂部施加200kPa壓強使土體發(fā)生固結(jié)沉降。
模型初始條件：
1） 模型初始固結(jié)壓強為50kPa，在自重（重力加速10m/s2）條件下，在ABAQUS中建立初始地應(yīng)力平衡（即，初始有效應(yīng)力平衡）；
2） 模型初始孔隙率為1.5（即，初始孔隙率的平衡）；
3） 模型假設(shè)孔壓呈線性分布，頂面孔壓為0，底部初始孔壓為100kPa（即，初始孔隙水壓力平衡）；
4） 賦予模型狀態(tài)變量：歷史上最大的偏應(yīng)力，固結(jié)應(yīng)力和應(yīng)力水平。
2、 模擬結(jié)果
模擬結(jié)束時的孔隙水壓力分布圖
模擬結(jié)束時的土體有效應(yīng)力分布圖
土體表面的時間應(yīng)變曲線
土體表面的時間沉降曲線
土體的初始固結(jié)壓力（賦予土體的初始狀態(tài)變量）
展開 Hyperworks+Lsdyna模擬保險杠從1米的高度跌落在剛性地面 ￥7
本案例作為跌落分析的一個簡單案例，模擬保險杠從1米的高度跌落至地面的受力變形情況，前處理在Hyperworks中的Lsdyna模塊中完成，最終在Lsdyna求解器中完成計算，Hyperview中查看結(jié)果。保險杠從1米高度跌落至地面的速度為4.427m/s，重力加速度為9.8m/s2，保險杠配重重量1.599噸（可以結(jié)合需要任意配重），作用時間0.05s。涉及到的知識點：網(wǎng)格劃分、材料屬性定義（curve曲線）、重力加速度、速度、配重接觸等。
初始模型
變形結(jié)果
應(yīng)力結(jié)果
展開 Hyperworks+ABAQUS中模擬保險杠從1米高度跌落至剛性地面 ￥5
關(guān)于保險杠跌落仿真前面用Hyperworks結(jié)合Ls-dyna做了一個簡單的案例，本案例繼續(xù)模擬保險杠從1米高度跌落至地面，不同的是本案例采用Hyperworks結(jié)合ABAQUS做的仿真模擬，對比一下ABAQUS顯示動力學(xué)分析的結(jié)果與之有什么差異。其中，從Hyperworks中如何成功導(dǎo)出ABAQUS可以運行的INP文件請繼續(xù)關(guān)注我發(fā)的案例《Hyperworks其它模塊轉(zhuǎn)到ABAQUS模塊中常會遇到的問題及解決方法匯總》，該帖子也會結(jié)合實際項目中遇到的問題持續(xù)匯總。還是那句話，我們不玩虛的，玩虛的沒意思！
加載條件及約束條件
應(yīng)力云圖
位移云圖
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