孔隙承压井水位对地震动态应力响应的水动力过程研究

Hydrodynamic process of the confined well water level response to seismic dynamic stress, is a special case of groundwater dynamics, which is different from the model establishment and analysis of factors affecting groundwater level in research on the traditional seepage-well flow movement process.In this research, a theoretical model of seepage-well flow in the confined aquifer is established to reflect the response of well water level to seismic dynamic stress, and through solving the model, discussing the law of well water level’s changes under dynamic stress.And also, the different characteristics and mechanism of well water level response will be explored considering the different aquifer mediums, well diameters and vibration parameters (frequency and peak acceleration) by carrying out the seepage experiment of porous confined water on seismic simulation shaking table. Further verifying the model, and expressing the influence of various factors on the well water level’s changes through quantitative methods. Finally, the hydrodynamic process that water level of confined well response to seismic dynamic stress will be revealed.The research result is to deepen and expand the understanding of the existing basic laws of groundwater movement, and also to provide a certain reference for the transformation and optimization of seismic groundwater observation well network and the precursor recognition of seismic underground fluid.

承压井水位对地震动态应力响应的水动力过程问题是地下水动力学研究的一种特例，与传统的地下水渗流-井流运动过程研究中的模型建立及水位变化影响因素分析方面存在一定差异。本研究拟系统建立反映井水位对地震动态应力响应的承压含水层地下水渗流-井流理论模型，并对模型进行求解，探讨应力作用下井水位变化规律；开展基于地震模拟振动台的孔隙承压水渗流实验，探求不同含水介质、不同井径、不同振动参数（频率与峰值加速度）输入情形下的井水位响应特征及机制，并对模型进行验证，定量表达各因素对井水位变化的影响，最终揭示承压井水位对地震动态应力响应的水动力过程。研究成果是对现有地下水运动基本规律认识的深化和拓展；亦可对我国地震地下水观测井网的改造与优化、地震地下流体前兆识别提供一定的参考。

承压含水层井水位对地震动态应力响应是普遍的现象。该现象中存在如下两个科学问题尚未解决：如何定量揭示孔隙承压井水位对地震动态应力响应的水动力学机制和识别不同因素对孔隙承压井水位响应程度影响。本项目从该现象的三个物理过程出发：荷载导致含水层的应力状态变化；含水层变形或破坏使得孔隙水压力发生变化；孔隙水压力变化引起的井水位波动，通过开展室内试验、构建理论模型、野外现象验证研究等，取得了如下成果和认识：（1）通过开展井水位对地震动态应力响应的水动力过程的实验研究，给出了不同波形输入情景下的含水层介质剪应力、剪应变动态变化计算结果，讨论了含水层在不同加载阶段的变形特征，定量阐明了实验室尺度孔压与剪应力、剪应变的响应关系及孔压变幅与水位变幅的相关关系。研究成果有助于解释野外场地中地震引发的浅层松散含水层变形与井水位同震响应机理，同时为研究深部流体对地壳应力的响应机制、解决应力场与渗流场相互作用而造成的工程实际问题提供参考。（2）开展了不同因素（井径、频率等）对井水位响应程度定量影响研究。构建了28种不同类别的数值模型，定量识别了不同因素（井径、频率等）对井水位响应程度的影响及参数敏感性分析。研究发现惯性效应对地震动态应力作用引起的水位震荡振幅和相位均有较大影响，尤其是短周期波形输入及封闭性较好、渗透性良好的深层含水层井孔。模型所涉及的含水层特性、井孔结构和扰动源均对水位变化的振幅和相位有重要影响。该成果可为水文地质参数更精确定量求取提供新思路。（3）构建了饱和两相多孔介质中应力-渗流场耦合作用模型，结合Darcy定律、Navier-Stokes方程，建立了地震动态应力作用下孔隙介质承压含水层地下水渗流-井流运动数学模型，定量刻画了承压完整井-含水层系统中孔压与水位对地震动态应力的响应过程，成果被应用到实际现象解释，取得了不错的效果。该研究成果是对现有地下水运动基本规律认识的深化、补充和拓展。