工程地質數值模擬的理論

『壹』 地質工程學基礎理論

隨著人類對地球空間利用的不斷擴大，工程規模不斷增大，在工程建築中出現了一類新的工程類型，即地質工程。在國內外這一類型工程迅猛地發展，類型之多，規模之大令人吃驚。日本的青涵海底隧道，英吉利海峽的海底隧道，中國的秦嶺隧道，都是夢想變成現實的驚人之作。在國內外已有不少科技工作者提出了地質工程命題，並對這個問題進行了論述。在今天的中國，地質工程已經不是一個概念，而已經變成了實際，已經變成了一個行業，一個學科。

隨著地質工程的深入開展，人們對地質工程的認識愈來愈深，對地質工程性質的認識愈來愈清楚，對地質工程給出了明確的定義。狹義的地質工程的定義是：以地質體做建築材料，以地質體做建築結構，以地質環境做建築環境建築起來的一種特殊工程謂地質工程；廣義的地質工程定義是大地改造工程或者地質環境改造工程。都江堰從寶瓶口劈山築渠引水灌溉1000多萬畝成都平原耕地、保衛蘭銀鐵路的沙波頭固沙工程都是典型的大地改造工程；長江三峽鏈子崖危岩體防治也是一種大規模的大地改造工程。改造地質環境，改造大地面貌，是一種廣義的地質工程。大量實踐經驗證明，地質工程的建築必須以地質為基礎，一刻也離不開對地質條件及地質環境的認識，如果離開了對地質的認識就會造成失誤。采礦工程是一種典型的地質工程，這項工程不僅要保證礦山開采安全，提高采礦的經濟效益，也要保證環境不遭到破壞。可是由於采礦界對這項地質工程的特點認識不夠，只顧采礦，不顧及對地質環境的保護，因而使采礦引起的地質災害經常發生，鹽池河山崩和烏江雞冠嶺山崩就是由此引起的。

實踐教育著人們，提高著人們的認識，人們經過總結，逐漸地認識到建築地質工程的規律，概括上升成為地質工程建築的理論。理論的作用可以指導人們思考分析問題，沒有理論指導的行動是盲目的行動，盲目的行動是要失敗的，沒有理論的知識領域，構不成學科。每一個人的思維活動都是在一定理論指導下進行的，不是在正確的理論指導下進行，就是在錯誤的理論指導下進行，不同理論導致不同的結果，這就是理論的重要性。

地質工程學現在有沒有自己的理論呢?如果沒有自己的理論那就沒有它特殊的地方了，也就形成不了學科。經過十多年來的地質工程實踐和40 年來的工作經驗，著者認為已經建立起了地質工程學的基礎理論。一般來說，地質工程理論是由地質和工程兩個方面的理論構成的。實踐經驗表明，地質工程建設中發生問題主要是在地質工程設計和施工中由於對地質條件不重視或認識不清造成的。歸根結底地說，對地質工程建設成敗起控製作用的是地質因素。據此，著者認為：地.質.工.程.學.的.基.本.原.理.是.地.質.控.制.論.。地質控制論的作用表現在3個方面：①是指導工程地質勘察、地質工程設計和施工的基本理論；②是指導地質工程施工的施工地質超前預報理論；③是指導地質災害防治的地質體改造理論。地質控制論對基岩地區是很明顯的，對土體也照樣是適用的。它包括對地質環境的控制，也包括對岩體結構和土體結構的控制，對岩體力學的控製作用，對土體力學的控製作用。

地質超前預報問題在地質工程工作里非常重要，再好的再精的地面測繪和鑽探結果也搞不清掌子面前方的真實的地質情況。我們在軍都山隧道施工中作過統計，1∶2000的地面地質勘探獲得的結構面，僅僅相當於地下開挖揭露出來的9%～10%。結構面在地下變化錯綜復雜，地質超前預報對地質工程施工十分重要。

地質超前預報是一項具體技術。地質超前預報包括地質條件超前預報、成災可能性預報和地質災害防治方案預報3個部分，這3個部分的基礎都是地質。目前，一般施工單位對地質超前預報還不太認識，做得也不多，但是做與不做大不一樣，做了效果很顯著。

還可以舉一個如著者曾指導過在黃土中建大型豎井工程的實例。豎井直徑達25m，建設單位邀請著者給他們當顧問。著者明確提出，這是一個地質工程，不管怎麼設計，怎麼施工，有一條必須遵守，這就是必須了解地質情況，而地質情況僅根據勘察結果不行，在施工過程中要進行地質超前預報。勘察時提出地面18m以下有一層厚層的砂卵石夾層，砂卵石層以下都含地下水。著者的經驗是西北黃土中18m以下都位於地下水裡是不多見的，故表示懷疑，建議在施工過程中做超前預報。具體的辦法是在已經挖成的井底超前挖一個2m深的探坑，進行超前探測，探明情況。如果井下地質情況和設計時判斷的情況一樣，就按原設計繼續施工；如果不一樣那就修改設計。他們照做了，挖到18m左右出現了砂卵石層，但是沒有像原先認為的那樣厚3m，只有80～100cm，這一層強行通過了。下面部分有沒有水?開挖結果沒有水，但是節理十分發育，這是預先估計到的，老黃土裡面有節理，這是西北黃土的普遍規律。但是向下挖時，沿著黃土節理面出現掉塊兒現象。他們認為是塌方，急忙把著者找到現場，著者看後，告訴他們這不是塌方，而是黃土中節理切割局部掉塊。建議採取短進尺，快支護措施解決。一次進尺80～100cm，及時封閉，暴露面大了，時間長了不行，就容易掉塊。為了縮短暴露時間，建議把井壁劃分為1/4或1/8，分段開挖，挖一段掛網噴射混凝土封閉一段。他們按這個方法做了，結果順利通過。裡面有沒有水呢?節理面內有吸附水，有時往外滲，水量很小。這個例子很好地說明在土體里施工也要實行地質超前預報。

地質體改造及保護，一般叫加固或支護，著者認為叫地質體改造好。這里有一個概念問題。目前在地下工程中防治岩體失穩的措施叫支護。支護是對著岩體失穩後作用於支護上的荷載而言，其基本概念是荷載支護體系。許多施工中，不管土體和岩體的好壞，都認為要產生塌落，塌落下來的地質體壓到襯砌上，為此而採取支護。實踐表明，大部分工程襯砌後面常常是空的，根本沒有支護上，有的根本不需要支護。這樣做的結果，有的是虛設，有的是有潛在危險的。因為現在沒有支護上，時間長了，有的地方塌了，形成了偏壓，隧道襯砌最怕偏壓。支護在理論上和實踐上都有許多問題。著者提出地質體改造概念主要的出發點是認為地質體自身存在有自穩能力。對地質工程來說它可能某一部分或某一方面不能滿足地質工程穩定性的要求，可以對其薄弱部分進行改造，使之滿足地質工程穩定性的要求。如果是地質材料強度不足，可以利用灌漿的辦法對地質體進行加固。如果是節理裂隙發育，岩體的完整性差，可以採取錨固的辦法將結構體串起來或採用灌漿的辦法將結構面粘結起來，增加其完整性，提高岩體強度。如果屬於應力差太大，σ₃太小，可以採用預應力錨索或支護的辦法提高σ₃，減小應力差，提高地質工程穩定性。這是對症下葯的辦法。哪兒出問題了就解決哪兒的問題，是材料強度不足就解決材料問題；是結構薄弱就解決結構問題；是環境條件問題就解決環境條件；如屬於地下水的問題則可以採取疏乾地下水或封堵地下水的辦法解決問題；屬於地應力就解決地應力問題。對建築基坑工程問題，為了保證基坑穩定性，目前都是採用按土壓力計算來加一個抵抗，採用擋牆或護坡樁支擋來做。這個做法是不確切的。最好的方案是採取合適措施維持基坑開挖前的地質環境條件。

1992年著者在北京黃寺做了一個基坑工程。這個基坑距已建成的12層樓房的8m處。地基土是淤泥，建築方擔心基坑開挖時，老樓會遭到破壞，要求保護老樓。我們採取的辦法是保持老樓現在的地質體賦存環境條件，讓老樓地基內的地下水盡量少改變，盡量慢改變，使老樓地基均勻沉降，就不會出現導致老樓破壞的差異變形。為此我們提出一方面在新樓與老樓之間作一道帷幕灌漿防滲，使地下水位盡量慢的變動；另一方面是地應力，開挖卸掉了側壓力，從而使地基土向基坑方向變形。一般的基坑支護是防止基坑壁的土體產生破壞。這里的問題不僅是不允許產生破壞，而且不允許產生過大的變形。根據這一要求我們設計了採用護坡樁控制老樓地基內的應力狀態，實際上完全保持是不可能的，設計的目標是讓樁端的變形不超過老樓允許的傾斜變形。為此，護坡樁直徑取800mm，間距1.8m，樁長22.5m，樁頂設有聯梁並在聯樑上加有拉索。在施工過程中進行了監測，開挖以後，樁頂變形15cm，基坑深已經達到9.5m，基本達到了設計的要求。所以說，對基坑支護不能簡單的根據土壓力計算，要根據工程工作目的要求來設計。地質工程設計要根據防止產生工程地質災害的要求對地質體進行改造的目的進行設計。也就是根據地質體的成分、地質體結構、地質體的賦存環境條件，來滿足地質工程穩定的要求對地質體進行改造來設計。在黃寺那個工程，因為土質為淤泥，為了增加它的強度，還在護樓樁後面進行了灌漿，提高淤泥的強度，減小土壓力，也就是進行土質改造。採取綜合措施，保持住老樓的地質環境，保持住了老樓的安全。地質體改造的概念和過去的支護概念最大的不同之處在於，最重要的則是承認不承認地質體有自穩能力。荷載支護觀點不承認地質體有自穩能力，地質體改造觀點認為地質體是有自穩能力的，而且這樣做的結果符合地質實際。我們利用這些綜合理論來對工程建設中與地質有關部分的地質工程，如邊坡、地基和地下洞室，包括地質災害防治和地質環境改造工程工作是有效的。

經過10餘年的實踐，地質工程學已經形成了它的基礎理論。這個理論不是簡單的由一個兩個定理構成的，而是一個理論體系。它包括有基本原理、應用基礎理論和應用技術理論，是一個理論體系，概括起來可以稱謂地質控制論，這個理論可由圖1-1展示。

圖1-1 地質工程學基礎理論框圖

這個框圖表明，地質工程學的理論基礎是地質控制論，它有兩個層次，第一個層次是地質工程基本原理，也就是說地質工程工作必須緊緊地依靠地質。在搞清地質條件基礎上，進行設計和施工，這個觀念必須時刻牢記。它的具體內容包括：地質構造控制論、岩體結構控制論、土體結構控制論和地質體賦存環境條件控制論。這既是地質控制論的基本內容，又是地質工程學的基本原理；它不僅有其自身的規律和技術理論，也是建立應用基礎或應用技術理論的指導理論。地質工程學應用基礎理論和應用技術理論是地質工程學基礎理論的第二個層次。這里列出了7項應用基礎理論：地質環境（包括地殼穩定性）評價理論和方法、岩體質量評價理論和方法、工程地質探測和測試理論和方法、工程地質超前預報理論和方法、地質體改造理論、方法和技術、岩土體穩定性分析理論和方法、地質工程設計和施工指導理論。這是解決地質工程問題時經常用到的實用基礎理論，必須在搞清地質條件基礎上實施，如果離開了地質，必將脫離地質實際，做出錯誤結論。可能有人認為，這些提法是人所共知的，沒有什麼新鮮內容。著者認為不是這樣，實際上，在地質工程實踐中脫離地質實際的實例隨手可拾。可以說地質工程施工中出現事故的絕大部分是設計和施工脫離地質實際的結果，或者是對工程地質條件沒有搞清楚或認識不清的結果。據著者所作的粗略統計，目前在地質工程施工中由於對地質條件沒有搞清楚或認識不清，致使在施工中出現事故所延誤工期約占總工期的30%，這是一筆巨大的浪費。其原因就在於對地質工程的基礎理論沒有掌握，口頭上講是知道的，實際上是沒有真正知道或沒有真正按照去做。因此，在地質工程實踐中不認識地質控制論，由此便不重視地質條件對地質工程的控製作用，地質工程施工和設計缺乏針對性，事故層出不窮。

上面談到的基本理論和應用基礎理論並不是並列的，它們之間是有主有從的。地質構造控制論是所有理論的基礎，它對所有理論都有控製作用，是地質控制論的核心理論。它也是所有地質工作的指導思想，是地質工程理論的核心理論。

上面僅就地質工程學基本原理做了概括的論述，在此再強調一點，現有的規程、規范常常脫離地質實際，所推薦的理論往往不符合地質實際，應該牢記地質工程學的基礎理論是地質控制論。地質工程實踐中必須抓住地質控制條件，特別是上述的地質工程學基本原理的控製作用來進行工作才能奏效。地質環境評價必須抓住大地構造背景，地質構造控制理論在這里具有重要的控製作用；岩體質量評價必須抓住岩體結構、結構面的級序控製作用及地質環境賦存條件進行分析才能得到正確的結論；工程地質探測和測試必須抓住地質構造的控製作用，布置勘探網，進行測試設計才能取得符合實際的資料；工程地質超前預報必須抓住地質規律、地質體結構、地應力的地質規律、地下水的地質規律來進行才能取得成效。地質體改造及保護則更是如此，必須抓住地質體結構、地應力和地下水條件進行設計地質體改造及保護方案和選取地質改造及保護技術才能取得可靠的效果；岩土體穩定性分析必須抓住岩土體結構和岩土體賦存環境條件控製作用，正確地確定力學模型和岩土體力學參數，選取合適的分析方法，才能取得正確的結果。歸根到底一句話就是這些應用基礎理論是為地質工程服務的應用基礎理論，必須在研究清楚地質體規律基礎上才能取得為地質工程服務的積極成效。

『貳』 數值模擬流程

不同的軟體進行數值模擬時所需的參數、計算方法、剖分格式等不盡相同，數值模擬的過程也不同，但大致相同，本文以TOUGHREACT為例介紹CO₂地質儲存數值模擬的流程。

（一）研究范圍的確定

一般情況下，獨立的天然水文地質系統是計算區最好的選擇，它具有自然邊界，便於較准確地利用其真實的邊界條件，避免人為邊界在資料提供上的困難和誤差。但是在實際工作中，常常不能完全利用自然邊界，這就需要充分利用勘察和長期觀測資料等建立人為邊界。在確定計算區域時，除了保證范圍足夠大以外，還應使假定的邊界條件盡可能接近真實狀態。

計算范圍的劃定應充分考慮研究目的、區域地質構造、儲層岩性、儲層岩石礦物組成及地下水化學成分等多方面因素。數值模擬時間根據研究目的不同具有不同的時間尺度。就CO₂地質儲存數值模擬而言，如果不考慮地球化學作用，封存系統在1000年數量級的模擬時間內基本上已達到平衡或穩定。在劃定邊界時還應考慮CO₂在儲層中的擴散距離，與研究區地質模型的孔隙度，滲透率等參數關系密切。為了保證所選模型範圍邊界在模擬期內不影響模擬結果，盡量通過具有相同地質條件的天然CO₂氣田（藏）進行類比，確定大體的計算范圍的邊界。如果考慮地球化學反應，由於CO₂注入引發的水－岩－氣反應對圍岩岩性改變較顯著，制約著CO₂注人的速度和徑向運移的距離等。

（二）明確研究目的

在進行數值模擬以前首先要明確利用數值模擬技術要解決什麼樣的問題。對於CO₂地質儲存工程而言，進行數值模擬的目的主要是在CO₂地質儲存工程實施前，通過數值模擬技術對工程的選址、方案設計進行優化，工程實施期技術指導、運行期監測及後期CO₂泄漏的風險評估等進行預測，以指導項目科學、合理地實施，將CO₂泄漏風險降至最低。

研究目的決定著前期資料的收集類型、地質建模的側重點、地質模型離散的精密度以及初始、邊界條件的處理方式等過程。

（三）資料的收集整理

1）通過遙感、綜合地質調查、物探、鑽探和各類樣品測試分析等手段獲取場地深部地層岩性、地質構造、水文地質、水文地球化學、岩石礦物資料和數據；

2）搜集和分析CO₂地質儲存場地地質岩性、區域構造格架、活動斷層與地震活動情況等；

3）採用鑽井岩心、測井和地震反射方法，調查CO₂地質儲存場地目標儲層和蓋層的空間分布形態，埋深、厚度和規模等；

4）使用X射線衍射、掃描電鏡等方法研究分析封存場地岩石礦物組成、孔隙結構特徵及其物理化學性質；

5）通過採取淺部、深部含水層水樣進行水質全分析，獲得儲蓋層地層水及淺部含水層初始水化學成分。

不同的數值模擬軟體其數學模型的數值解法不同，空間離散方式也不盡相同，所需的模型參數也有一定的差異，表9-1即為TOUGHREACT數值模擬所需要的主要參數。

表9-1 CO₂地質儲存模擬過程中需要的主要參數（以TOUGHREACT為例）

圖9-3 網格剖分

網格剖分對計算的精度及計算的效率有很重要的影響。精度越高對模擬結果刻畫的越精細，但是數據的計算量越大，對計算機的要求也越高。建議在進行地質模型剖分時先採用較粗的網格剖分，如果這種剖分方式下模擬結果合理然後再進行精細化剖分，用於對模擬結果更加詳細的刻畫。

2.參數和初始條件

初始條件是指在初始時刻（t=0）時研究區內求解數學模型主要狀態變數的初始值。選擇的應用軟體不同所需的狀態變數數量、種類不同。如TOUGHREACT所需的初始主要狀態變數包括壓力、溫度和組分濃度的空間分布。地質參數包括孔隙度、滲透率、密度、壓力、溫度、毛細壓力等參數值。這些數值一部分採用室內實驗測得，另一部分採用參考文獻的經驗值；地層水的化學成分的初始值採用實際地層水的化學分析，主要是8大離子的濃度、鹽度和pH 等。如果研究區深部地層中的水樣難以獲得，如蓋層，則採用靜態平衡的方法，利用具有與儲層相同鹽度的鹹水與含有原生礦物的地層岩石在原地層環境下進行化學反應，獲取平衡狀態下的地層水化學成分的初始值；通過岩礦分析、電子掃描、Ⅹ衍射等手段，獲得組成CO₂地質儲層蓋層的原生礦物成分體積含量初始值，並根據原生礦物的組成合理判斷次生礦物。

從原則上講，初始時刻是可以任意取定的，只要該時刻所需的參數和狀態變數值已知即可。因此我們不應該把初始條件理解為研究系統的初始狀態。具體如何取，應該視問題的需要、資料來源、計算方便與否等因素而定。

3.邊界條件

邊界條件是某一實際問題數學模型具有定解的必要條件之一。地下水流問題和溶質運移問題邊界條件的定義不盡相同，但一般概化為以下三種。

（1）一類邊界條件（Dirichlet條件）

解決水流問題時，此類邊界條件為在邊界上所有點的水頭是給定的；對於溶質運移問題，一類邊界條件是指研究區邊界上的溶質濃度分布已知。解決CO₂—水兩相流動問題時，此類邊界條件為在邊界上所有點的壓力是給定的。

（2）二類邊界條件（Neumann條件）

當已知某一邊界的單位面積流入或流出的流量時，可視作解決流動問題的二類邊界；相對溶質運移來講，此類邊界又稱給定彌散通量邊界，即邊界上的彌散通量隨時間變化規律已知。

（3）三類邊界（Cauchy條件）

當研究區一部分滿足一類Dirichlet條件，而另一部分滿足二類Neumann條件時，這類問題稱為混合邊界問題，稱為三類邊界。對溶質運移而言，此類邊界為邊界上溶質通量隨時間變化規律已知。

在CO₂地質儲存數值模擬過程中，由於儲層地層多在800m以下，地質模型的頂部和底部根據實際需要可以處理為不透邊界；為了避免邊界對模擬結果的影響，研究區的范圍一般比實際CO₂所能運移到的范圍大得多，因此，在處理四周邊界時一般設置為無窮一類邊界或不透邊界。在確定邊界條件時，應根據水文地質條件以及現有的資料來綜合考慮。

4.源匯項處理

在多孔介質中流動和溶質運移的問題中，對流、水動力彌散和溶質源或／和匯，是決定含水層中任一內點上溶質質量時變率的兩大因素。源匯項問題在水質與水量計算中以及正確處理對流－彌散方程和滲流基本微分方程中佔有重要地位。作為源匯項的方式很多，如越流補給、含水層彈性釋放補給以及抽（注）井的補給等。

對於深部鹹水層CO₂地質儲存系統而言，系統的頂部一般為具有低滲、低孔的泥岩、頁岩等緻密性岩層，越流補給較難發生。整個CO₂地質儲庫系統的源匯項主要指對流（如側向邊界）和抽（注）井。

（八）模型的校正與驗證

模型識別是建立地下流體數值模型最重要的環節之一，正確理解和進行擬合對於提高數值模型的模擬性是至關重要的。在有實測結果的情況下如示範工程，可將模擬結果與實測結果進行比較，對相關參數進行適當合理的調整，使模擬結果在給定的誤差范圍內與實測結果吻合。若誤差較大，應該重新檢驗概念模型的可靠性，甚至重新建立概念模型。在識別校正以後，應採用校正好的模型繼續計算，並與未用來識別校正的實際數據比較，驗證模型的准確性和可靠性。若存在較大誤差，需重復前面的過程。在沒有實測結果的情況下，數值模型的可靠性可通過類比相關資料或根據個人經驗和理論判斷。

（九）模擬預測

模型預測是實施數值模擬技術的主要目的。對於CO₂地質儲存工程而言，由於CO₂地質儲存技術的提出為時尚短，針對CO₂在深部鹹水層中的運移、擴散、與地層水和圍岩產生的化學反應，以及由於CO₂灌注引起的儲蓋層物理、化學性質變化研究均處於研究和發展階段。因此，在工程實施過程中急需具有技術指導性的工具產生，避免造成投資的浪費和CO₂泄漏等風險的出現。

利用經過識別校正與驗證過的數值模型對CO₂地質儲存過程進行模擬預測，有針對性地對模擬數據進行後期處理，如統計分析、比較等手段對結果進行解譯，以此達到場地的優選，目標儲層灌注能力、儲存潛力的評估，CO：擴散運移途徑和速度、不同捕集方式封存量及它們之間的時空轉化等過程的詳細刻畫與模擬模擬等目的。同時可以預測CO₂在已有、重新激活或新生成的裂隙中逃逸的可能性及時間、CO₂泄漏風險評估以及評價CO₂泄漏對淺層地下水的水質、水量及對地表環境的影響等。

上述結果的分析只是數值模擬技術所能解決問題的冰山一角。對於數值模擬結果的處理要根據所研究的目的進行有針對性的提取和解譯。通過對處理後的數據進行總結分析，發現問題從而解決問題，並掌握內在規律，為CO₂地質儲存工程的前期設計、工程實施、中期監測管理提供理論支持和科學的技術指導，並可以提前開展風險預測，盡早制定預案防範CO₂地質儲存工程實施及運行過程中可能出現的隱患。

『叄』 我是學工程地質的，正在讀研，我的研究方向就是邊坡的數值模擬，數值應用到岩土工程中的前景怎麼樣

數值分析在實際工程中當然是有應用的，不過主要的運用比較「高端」，得出專來的數據也就騙騙不懂屬行的甲方，實際中，懂行的技術人員普遍不信任數值分析，因為數值分析中普遍存在「調參」的問題，經過調整過的數據，讓內行人怎麼信任得過。再說了，實際的邊坡計算中，根本就沒有純粹依靠參數計算的，工程人員的工程經驗佔有很大很大的比重。

『肆』 海洋工程地質問題包括哪些內容

海洋工程地質是研究與人類工程建築活動有關的地質問題的學科,是地質學的一個分支.海洋工程地質學的目的在於查明建設地區或建築場地的地質條件,分析、預測和評價可能存在和發生的海洋工程地質問題,及其對建築物和地質環境的影響和危害,提出防治不良地質現象的措施,為保證工程建設的合理規劃、建築物的正確設計、順利施工和正常使用,提供可靠的地質科學依據.海洋工程地質學還要研究海洋工程地質條件的區域分布特徵和規律,預測其在自然條件下和工程建設活動中的變化,和可能發生的地質作用,評價其對工程建設的適宜性.
研究方法
包括地質學方法、實驗和測試方法、計算方法和模擬方法. 地質學方法即自然歷史分析法,是運用地質學理論,查明海洋工程地質條件和地質現象的空間分布,分析研究其產生過程和發展趨勢,進行定性的判斷.它是海洋工程地質研究的基本方法,也是其他研究方法的基礎. 實驗和測試方法,包括為測定岩、土體特性參數的實驗、對地應力的量級和方向的測試,以及對地質作用隨時間延續而發展的監測. 計算方法,包括應用統計數學方法對測試數據進行統計分析,利用理論或經驗公式對已測得的有關數據,進行計算,以定量地評價海洋工程地質問題. 模擬方法,可分為物理模擬(也稱海洋工程地質力學模擬)和數值模擬,它們是在通過地質研究,深入認識地質原型,查明各種邊界條件,以及通過實驗研究獲得有關參數的基礎上,結合建築物的實際作用,正確地抽象出海洋工程地質模型,利用相似材料或各種數學方法,再現和預測地質作用的發生和發展過程. 電子計算機在海洋工程地質學領域中的應用,不僅使過去難以完成的復雜計算成為可能,而且能夠對數據資料自動存儲、檢索和處理,甚至能夠將專家們的智慧存儲在計算機中,以備咨詢和處理疑難問題.
特徵和規律
海洋工程地質學還要研究海洋工程地質條件的區域分布特徵和規律,預測其在自然條件下和工程建設活動中的變化,和可能發生的地質作用,評價其對工程建設的適宜性. 由於各類工程建築物的結構和作用,及其所在空間范圍內的環境不同,因而可能發生和必須研究的地質作用和海洋工程地質問題往往各有側重.據此,海洋工程地質學又常分為水利水電海洋工程地質學、道路海洋工程地質學、采礦海洋工程地質學、海港和海洋海洋工程地質學等. 海洋工程地質學的主要研究方法包括地質學方法、實驗和測試方法、計算方法和模擬方法. 地質學方法即自然歷史分析法,是運用地質學理論,查明海洋工程地質條件和地質現象的空間分布,分析研究其產生過程和發展趨勢,進行定性的判斷.它是海洋工程地質研究的基本方法,也是其他研究方法的基礎. 實驗和測試方法,包括為測定岩、土體特性參數的實驗、對地應力的量級和方向的測試,以及對地質作用隨時間延續而發展的監測. 計算方法,包括應用統計數學方法對測試數據進行統計分析,利用理論或經驗公式對已測得的有關數據,進行計算,以定量地評價海洋工程地質問題. 模擬方法,可分為物理模擬(也稱海洋工程地質力學模擬)和數值模擬,它們是在通過地質研究,深入認識地質原型,查明各種邊界條件,以及通過實驗研究獲得有關參數的基礎上,結合建築物的實際作用,正確地抽象出海洋工程地質模型,利用相似材料或各種數學方法,再現和預測地質作用的發生和發展過程. 未來發展 海洋地質
電子計算機在海洋工程地質學領域中的應用,不僅使過去難以完成的復雜計算成為可能,而且能夠對數據資料自動存儲、檢索和處理,甚至能夠將專家們的智慧存儲在計算機中,以備咨詢和處理疑難問題.

『伍』 工程地質物理模擬

1 工程地質模擬試驗概述

一些與重大工程有關的復雜地質現象，在分析評價研究中，往往需要採用模擬研究手段，對其做更深入的論證與評價，模擬研究按採用的手段可分為物理模擬與數值模擬兩大類型。前者包括有光彈模擬、電模擬和相似材料地質力學模擬試驗等多種方法；後者採用有限元、邊界元和離散元等數值計算方法。

模擬研究的基本任務是通過再現復雜地質現象的形成和演化過程，對於某些或全部課題做出論證：①驗證地質分析所建立的機制模型或概念模型是否符合實際，對其演化機製作更深入的（量化）分析；②量化評價地質現象演化過程中，各主要控制要素之間及其與主導內、外營力間的相關性，論證所建立的評價模型是否合理；③量化評價地質現象或過程在所處環境條件下的演化發展趨勢，論證所建立的預測模型是否可信；④量化評價工程設計或治理措施的效果，論證擬定的對策和方案是否有效和優化。

近十多年以來，我國工程地質模擬試驗研究取得了長足的進展。在廣泛引進國外先進技術的基礎上，探索出適合於我國實際情況的研究途徑，其特點是重視原型建模分析和全過程演化模擬，在研究地質災害和復雜岩體穩定問題的模擬研究中，已逐步形成具有我國特色的研究系統。這里著重介紹相似材料地質力學模擬（geomechanical model test）的基本原理、方法和應用。

2 地質力學模擬試驗原理與方法

2.1 模型的設計

按相似理論，除要求幾何的、力學的相似以外，還要求原型和模型材料具有相似的變形破裂過程特徵，它們的應力（σ）和應變（ξ）曲線應符合如下關系：

地殼淺表圈層與人類工程

式中：C_ξ為應變相似系數（原型C_p與模型C_m的比值，下同）；C_ξ為殘余應變相似系數。根據量綱分析，可導出如下關系：

地殼淺表圈層與人類工程

式中C_σ、C_E、C_L、C_δ和C_ρ分別為應力、彈模（變模）、幾何尺寸、位移量和材料密度的相似系數。

模型設計中，按照設計擬定的幾何相似系數，則可根據公式（2）推算出其他各項

系數，據此確定材料的選擇、模型製作及載入系統的設計。

2.2 模型材料

通常可採用重晶石粉、氧化鋅粉、硅藻土、磁鐵礦粉、鐵粉、鉛粒、聚苯乙烯粒、石英砂等作為骨料。膠結劑可採用石膏、石蠟油、甘油、機油和環氧樹脂等。

採用石膏作為主要膠結材料的模塊，其力學特徵決定於骨料的配比和膠結料的水膏比，長江科學院岩基室做了系統研究（表1）。採用石蠟油等做膠結材料，需用一些特殊的製作模塊的設備壓製成塊，或用夯實的辦法制模。模塊的力學特徵除與骨料選材和配比有關外，很大程度上決定於制模施加壓力的大小或模塊密度ρ（表2）。

表1 石膏膠結模塊力學性能試驗成果表

表2 粉粒材料壓縮模塊力學性能測試成果表

2.3 結構面模擬

通常以抗剪強度作為控制條件。摩擦系數相似系數C_f=1，黏聚力C_C=C_σ。硬性結構面（如節理、裂隙等）用模塊接觸面模擬。模塊的形狀應根據裂隙的組合形式確定。在需要考慮裂隙連通率時，可將模型製成嵌合模塊。

軟弱結構面（如連續性較好的斷層、軟弱夾層、層面、地質接觸面等），採用鋁箔、聚乙烯薄膜作夾層材料模擬，其中還可噴上滑石粉，以獲得低摩擦系數。模擬的f值可變化在0.08～0.75之間。需要模擬斷層等軟弱結構面的高壓縮性能時，可選擇適當厚度的馬糞紙或軟木作為墊層。

2.4 載入系統

外部荷載採用不同型號的千斤頂或壓力枕（袋）等載入。模擬孔（空）隙水壓力可在模塊中採用砂墊充氣（水）法，也可通過不同方式將水直接注入模型中。

動荷載可在作用面上安裝震動器施加，按要求模擬震動效應。更為完善的辦法是將整個模型置放在震動台上，由三維震動台模擬動力環境。

自重荷載是體積力。為了使模型在試驗過程中能充分反映岩（土）體自重在演進中的作用，最好能使模型的密度與原型接近。大型模型試驗中，必要的自重荷載補償，可採用拉桿補壓系統對模型分層加壓。拉桿通過橡皮圈與施加拉力的底座相聯結，橡皮圈的多少確定了拉桿承受的拉應力的大小，以此模擬重力場梯度。小型模型試驗，可將模型放在離心機轉斗中，通過高速旋轉增加自重應力。我國長江科學院、水利水電科學院已安裝了6m直徑的大型高速離心機。

2.5 量測系統

測量位移的常規方法是用千分表直接測定，或採用應變片或位移感測器通過多點應變儀測量；這種測試在試驗中十分必要，但有很大局限性，由於所獲得的數據僅能反映固定測點的信息，難以描述全斷面曲變形破裂跡象。某些材料很軟的模型，也不適宜採用這種方法。根據模型試驗的特點和特殊要求，我國開發採用了下列測試技術：①跟蹤攝影或快速攝影；②靜電復印碳粉網格，用以觀察量測模型大變形後破裂出現部位和特徵；③白光散斑法，量測重點測試部位全斷面內微量位移形跡；④投影網格法，用以測量軟材料模型大斷面群點面內位移；⑤影像雲紋法，用以測量較軟材料模型全斷面或一定面積的離面位移。

3 工程岩體穩定性評價中的應用

3.1 壩基岩體穩定性模擬

擬建的長江三峽大壩壩高175m，壩基為前震旦系閃雲斜長花崗岩，岩質堅硬完整。但左廠房壩基中傾向下游的緩傾角裂隙相對較發育，又有斷層與之相交，構成可能的楔形滑移體（圖1a）。廠房坑段整體穩定性需要考慮以下幾個主要問題：①可能的滑移體產生的條件及其對大壩穩定性的影響；②從岸邊向河床方向建基面高程相差79m，是否會造成有害的不均勻壓縮變形；③迎水和背水方向基坑開挖最大深度達120m，邊坡穩定性如何?為論證上述問題，必須了解各壩段在設計荷載下的位移場、超載下的安全度及可能的破壞機制，為基礎處理提出建議。為此長江科學院在義大利模型結構試驗研究所（ISMES）提供技術咨詢和量測制模設備的條件下完成了大型地質力學模型試驗（圖1b）。模型的C_L=150，C_ρ=1，C_E=C_σ=C_L。採用重晶石粉、機油（代替石蠟油）、立德粉（代替氧化鋅粉）等壓縮模塊制模。緩傾裂隙和斷層連通率分別為10%～50%和50%。採用系列千斤頂載入，浮托力用改變岩體密度（ρ）來表徵。

圖1 三峽大壩左廠房壩段穩定性地質力學模擬

試驗獲得以下主要結論：

（1）在設計荷載下各壩段安全儲備能滿足要求，而建基面安全儲備又高於緩傾角裂隙面。超載（3.5N）時個別壩段出現沿下伏第一緩裂隙面滑移或伴有踵處拉裂。

（2）設計荷載下壩址與廠房相對位移很小。相鄰壩段最大水平位移11.1mm，沉降相對錯動最大值僅4.1mm，有利於壓力管道和壩間止水設施的設計。

（3）設計荷載條件上、下邊坡均穩定，超載（3.5～3.8N）時，個別壩段下邊坡沿緩傾裂隙面出現明顯滑移。

試驗結果建議對個別南段下伏緩傾角裂隙及斷層作適當補強措施。

3.2 地下洞室圍岩噴錨支護作用機制模擬

試驗研究了中等強度均質岩體中地下洞室圍岩在不同措施條件下的穩定狀況。試驗模型採用石膏、沙子等材料製成四個50 cm×50 cm×20 cm的模型（圖2a），分別模擬無支護（圖中I）、錨桿支護（Ⅱ）、噴錨聯合支護（Ⅲ）和錨桿補強（Ⅳ）等四種情況。錨桿補強是在成洞後洞壁變形已基本達到穩定狀態時再插錨桿。模型放在三向載入試驗裝置中加壓，用以模擬地應力場。模型材料抗壓強度R_C=2MPa，抗拉強度S_t=0.2MPa，彈性模量E=1.25×10⁴MPa，泊松比μ=0.17，φ=41°，c=0.45MPa。噴層材料採用石膏、碳酸鈣和水的混合料：R_C=1.45MPa，S_t=0.28MPa，E=1.8×10MPa，噴層厚約3mm。

獲得如下主要結論：①均質材料洞室中，噴錨支護同樣具有明顯加固效果；②不同措施，洞室圍岩變形破壞形式無明顯差別（圖2b）；③錨桿支護和錨桿補強均對提高洞室承載能力和變形剛度有明顯效果。

圖2 洞室支護措施作用機制模擬試驗

4 西安地裂縫形成機制模擬研究

西安地裂縫的成因有多種觀點。本項研究以再現地裂縫形成演化過程為依據，論證「構造重力擴展」成因觀點能否解釋這種特殊地質現象。地裂縫發育在厚約5km 的新生界蓋層中，周圍有四條張性斷層。南側的臨潼-長安大斷層為盆地與秦嶺褶皺帶的分界斷層，是一條活動性正斷裂。地幔隆起軸在西安市區附近，呈 NEE向通過。模型採用重晶石粉、硅藻土和石蠟油混合料，逐層鋪墊夯實，圍限在代表周邊斷層的框架中，C _L=10000。東西兩側用有機玻璃板作為剖面觀察窗。底座放在拱形鋼樑上，可以抬動模擬地幔隆起。南側擋板可拉開傾斜，模擬臨潼-長安斷裂拉張活動。頂面採用影像雲紋法測試微量離面位移（圖3）。

5 長江雞扒子滑坡與暴雨關系的模擬研究

1982年7月24日，長江雲陽縣城附近在暴雨作用下，發生了雞扒子滑坡，是老滑坡的局部復活。為了論證滑坡復活與地下水水力坡度的量化關系，開展了模擬研究。模型採用細碎石、砂、土按不同比例以原型結構為依據分層製作而成。滑動面k鋪上聚乙烯薄膜。沿縱剖面不同深度引出橡皮管，測量側壓管水頭。人工噴水模擬降雨和暴雨。

模型中「降雨」近20h以後，於凌晨3點半鍾下滑。滑後外觀可與實際情況對照。起動時滑體中地下水水力坡度為1.9%，與實際推算值相近。該值可作為評價滑坡在暴雨條件下穩定性時的參考值。

圖3 西安地裂縫地質力學模擬

『陸』 那位知道2009長安大學地質工程的考研初試和復試的參考書目

2009年碩士招生簡章及專業目錄發布

我校2009年碩士研究生研究生招生簡章與專業專目錄已經發布，屬考生請在本網站資料下載欄目下載查閱。09年我校碩士招生專業目錄不再提供初試科目的參考書，只提供初試科目的考試內容範圍。初試科目的考試內容範圍將在9月份在本網站發布，請考生到時下載查閱。
初試你只能看09年以前的。09內容可以看這里http://202.117.64.78/zhaosheng/html/42.htm

另外你是跨專業的吧，應該不用加試的，那不是同等學歷的嗎。

『柒』 地質統計學理論在水文數值模擬中的應用

邢永強¹李金榮²楊振放²

（1.河南省國土資源科學研究院，鄭州 450016；2.鄭州大學環境與水利學院，鄭州 450001）

《安徽農業科學》，文章編號：0517-6611-(2007)-14-04101-02

摘要 在地下水資源評價中，用數值方法進行水流模擬時，需要給出每個節點上含水層底板標高值。將地質統計學應用於空間分析學科，已被越來越多的學者所利用。文中著重闡述了地質統計學的基本原理及它們在含水層底板標高估值中的應用，通過計算結果可以得出克立格方法是進行含水層底板標高估值的空間最優估計方法。

關鍵詞 數值模擬 區域化變數 變差函數 克立格方法

人類的各種活動使地表水或地下水的水質和水量發生很大的變化，因此為保護水環境我們需要進行水資源評價。水流模擬是水資源評價的一個核心內容，往往採用有限元或有限差分法（李俊亭，1989）進行評價，但是由於實際條件的限制，我們掌握的節點數據往往是有限的，因此需要根據已知點的數據來求未知點的資料信息。傳統的插值方法是根據已知測量值按人工線性插值查出其他節點上的變數值，其速度慢且精度低，況且沒有考慮研究對象的空間變異性，而地質統計學中的克立格方法正好克服了這一缺點（孫洪泉，1990）。

克立格方法最初是由南非礦山地質工程師D.G.Krige（克立格）於1951年提出並以他的名字命名的方法，隨後由法國學者完善並發展形成目前的地質統計學理論（孫洪泉，1990）。地質統計學最早應用於脈狀礦山品位、儲量研究；隨著研究的深入，該方法廣泛應用於礦產資源評價、鑽探工作、采樣工作；另外，還應用於化探、冶金、土壤（李恩羊等，1989）等研究領域。20世紀80年代之後，克立格方法在水文地質學領域得到了廣泛應用（許多項，1993）。李金榮等（2003，2002）採用克立格法對含水層底板標高進行估值，得出克立格方法是對空間變數進行估值的一種較好的方法。

1 地質統計學的基本理論

1.1 區域化變數

區域化變數理論是地質統計學的理論基礎。它的定義（孫洪泉，1990）是：以空間點x的3個直角坐標x_u，x_v，x_w為自變數的隨機場Z（x_u，x_v，x_w）=Z（x）稱為一個區域化變數。區域化變數在觀測前，可以看做是隨機場；觀測後就得到Z（x）的一個實現，每一個實現Z（x）就是一個普通的三元實函數（或空間點函數）。它的顯著特徵是具有隨機性、結構性。

含水層底板標高可以看成是區域化變數，它具有隨機性和結構性。所謂隨機性是指空間點x固定後，Z（x）為一隨機變數，所謂結構性是指不同點x與x+h 處的 Z（x）與Z（x+h）之間具有空間相關性。

1.2 變差函數

變差函數是克立格方法計算的基礎。它描述區域化變數的空間結構性，也描述其隨機性。我們把區域化變數Z（x）在x和x+h兩點處樣本值之差的方差之半定義為Z（x）在x方向上的變差函數（又稱變異函數），記為γ（x，h），即

環境·生態·水文·岩土：理論探討與應用實踐

實際工作中我們用實驗變差函數γ^*（h）的公式計算：

環境·生態·水文·岩土：理論探討與應用實踐

式（2）中N（h）為相對於空間向量h、區域化變數Z（x）變異的統計點對數。對於不同的h可計算出相應的γ^*（h）值。

為了對區域化變數的未知值作出估計，還需要將實驗變差函數擬合成相應的理論變差函數模型。擬合的模型有多種，其中常用的模型為球狀模型（孫洪泉，1990）：

環境·生態·水文·岩土：理論探討與應用實踐

式中：C₀為塊金常數，由微觀結構變化和觀測誤差所決定的一種隨機變化成分；C為拱高，Z（x）結構變化的最大值；C₀+C為基台值，反映一定方向上Z（x）結構變化與隨機變化的總的變化幅度；a為變程，反映Z（x）變化的影響范圍或變異速度。

1.3 克立格方法

從數學上講，克立格法是一種對空間變數分布數據求最優、線形、無偏內插估計量的方法。它是以反映變數空間結構特徵的變異函數為基礎，以取得估計方差最小為目標，在無偏性約束條件下求優的一種估計方法。無偏性消除了系統誤差，估計方差最小則表明有較高的精度，所以稱最優估計。從水文地質角度講，它根據已知觀測點上水文地質變數（本文中針對含水層底板標高）的實測數據，對水文地質變數進行結構性（變差函數的模型確定）分析之後，為了對待估點作出一種線形、無偏、最小方差的估計，而對周圍已知點的測量值賦予一定的權系數，進行加權平均來估計待估點水文地質變數的方法。

令區域化變數底板標高為B，設位於x₀點處含水層底板標高變數的待估值B^*（x₀）是周圍全部已知的測量值B（x_i）（i=1，2，…，n）的線形組合，則：

環境·生態·水文·岩土：理論探討與應用實踐

式中：λ_i為克立格權系數（i=1，2，…，n）；n 為已知觀測點總數。

式（4）中待定權系數λ_i（i=1，2，…，n）的確定應滿足無偏性條件和最優性條件，才能保證估計量B^*（x_i）的線形、無偏、最優估計。

假定區域化變數底板標高B滿足本徵假設（孫洪泉，1990），即

環境·生態·水文·岩土：理論探討與應用實踐

（1）根據無偏性條件

環境·生態·水文·岩土：理論探討與應用實踐

經推導可得

環境·生態·水文·岩土：理論探討與應用實踐

（2）根據最優性條件（即估計方差最小條件）

環境·生態·水文·岩土：理論探討與應用實踐

欲使得式（8）估計方差

在滿足無偏性條件下達到極小，就要利用求條件極值的拉格朗日乘數法，即要求：

環境·生態·水文·岩土：理論探討與應用實踐

達到極小時的諸λ_i（i=1，2，…，n）和μ。式（9）中F是n個權系數λ_i（i=1，2，…，n）和μ的（n+1）個元函數；μ 是拉格朗日乘數。

令

環境·生態·水文·岩土：理論探討與應用實踐

由此推導可得普通克立格方程組：

環境·生態·水文·岩土：理論探討與應用實踐

式（11）共包含了n+1個方程，可求解出n+1個未知的λ_i（i=1，2，…，n）和μ。

根據求出的λ_i（i=1，2，…，n）和μ，則可得到普通克立格方差表達式：

環境·生態·水文·岩土：理論探討與應用實踐

值得注意的是，式（11）和式（12）均只取決於變差函數及信息點與待估點之間的相對幾何特徵，而與信息樣品數據B（x_i）（i=1，2，…，n）無直接關系，故它能夠預測估計精度。

最後根據求出的λ_i（i=1，2，…，n）和μ，根據式（4）可計算出任一點的含水層底板標高值B，根據式（12）可得出任一點的估計方差。

2 應用

以陝西省咸陽某一水源地地下水資源評價為例。該研究區處於沖積平原上，評價的目的層為第四系含水層。用有限元法對該區地下水進行數值模擬，採用不規則三角形網格剖分，將全區剖分成674個單元，共382個節點，總面積為203km²（圖1）。根據野外實測資料，取得含水層的底板標高系列數據n=68，作為含水層底板標高等值線圖的繪制依據，利用前面所述的地質統計學方法理論，編制了相應的計算機程序，用該方法理論可計算出各節點的含水層底板標高估值和克立格估計方差，繪制了含水層底板標高等值線圖（圖2）。

圖1 研究區單元剖分圖

Fig.1 The unit analysis map of research area

從計算模擬結果（由於計算較多，這里不再一一列出）可以看出，用地質統計學方法計算出來的底板標高值與其實測值誤差較小，最大達10.82m，最小為0.07m，平均為3.47m。用克立格方法計算的各實測點上的估計方差較小，最大達1.394 2，最小為0.003，平均為0.301 6。其絕對誤差和相對誤差值也很小。因此說克立格方法是一種較好的空間模擬方法。

圖2 用克立格方法模擬的底板標高等值線圖（單位：m）

Fig.2 The isoline map of lower bed level estimation simulated by Kriging method

3 結論

（1）區域化變數理論能夠反映變數空間分布的隨機性與結構性特徵，變差函數是地質統計學的基本工具，是對變數空間分布特徵估計最為有效的方法之一。從模擬計算的結果可以得出克立格法是一種最優、線性、無偏的模擬空間變數的方法。

（2）含水層底板標高這一變數具有明顯的空間變異性。對這種變數的最優估計方法是以能反映含水層底板標高空間分布的隨機性與結構性特徵的克立格方法的基本理論為基礎，在無偏性約束條件下尋求估計方差最小的一種克立格方法。

（3）由於克立格方法有不依賴於信息樣品數據（含水層底板標高）的特徵，在事先不知道待估點實際值的情況下，直接給出估計精度，且估計精度較高。

參考文獻

李俊亭.1989.地下水數值模擬.北京：地質出版社.

孫洪泉.1990.地質統計學及其應用.北京：中國礦業大學出版社.

李恩羊，袁新.1989.作物需水量的最優估計.水利學報，（10）：45～49.

許多項.1993.數學插值方法在水文地質學中的應用探討.長春地質學院學報，（10）：423～429.

李金榮，楊振放，李雲峰，李金玲.2003.兩種方法在地下水位估值中的應用.水文地質工程地質，（3）：42～46.

李金榮，楊振放，郭建青.2002.變差函數在地下水位估值中的應用研究.西北水資源與水工程，13（4）：6～9.

Utilization of Geostatistics in Hydrologic Numerical Simulation

Xing Yong-qiang¹Li Jin-rong²Yang Zhen-fang²

（1.Sciencial Researchinstitute of land and resource of Henan Province，Zhengzhou 450016；2.College of Environment and Water Conservancy，Zhengzhou Univ.，Zhengzhou 450001）

Abstract：In many cases of water resource assessment.，When numerical method is oftenadopted in groundwater flow modeling，lower bed level value of aquifer on each node should be given.The geostatistics is used in spatial analysis，it has been advocated by more and more experts.The geostatistics method and their basic application in estimating lower bed level value of aquifer is expounded.Through the result，the author can draw an important conclusion：Kriging method is spatial optimal estimation one in estimating lower bed level of aquifer.

Key words：Numerical Simulation；regionalized variable；variogram；Kriging method

『捌』 工程地質學的特點是什麼有哪些具體的學習要求

工程地質學是研究與人類工程建築等活動有關的地質問題的學科。地質學的一個分支。工程地質學的研究目的在於查明建設地區或建築場地的工程地質條件，分析、預測和評價可能存在和發生的工程地質問題及其對建築物和地質環境的影響和危害，提出防治不良地質現象的措施，為保證工程建設的合理規劃以及建築物的正確設計、順利施工和正常使用，提供可靠的地質科學依據。研究方法包括地質學方法、實驗和測試方法、計算方法和模擬方法。地質學方法，即自然歷史分析法，是運用地質學理論查明工程地質條件和地質現象的空間分布，分析研究其產生過程和發展趨勢，進行定性的判斷，它是工程地質研究的基本方法，也是其他研究方法的基礎。實驗和測試方法，包括為測定岩、土體特性參數的實驗、對地應力的量級和方向的測試以及對地質作用隨時間延續而發展的監測。計算方法，包括應用統計數學方法對測試數據進行統計分析，利用理論或經驗公式對已測得的有關數據，進行計算，以定量地評價工程地質問題。模擬方法，可分為物理模擬（也稱工程地質力學模擬）和數值模擬，它們是在通過地質研究深入認識地質原型，查明各種邊界條件，以及通過實驗研究獲得有關參數的基礎上，結合建築物的實際作用，正確地抽象出工程地質模型，利用相似材料或各種數學方法，再現和預測地質作用的發生和發展過程。電子計算機在工程地質學領域中的應用，不僅使過去難以完成的復雜計算成為可能，而且能夠對數據資料自動存儲、檢索和處理，甚至能夠將專家們的智慧存儲在計算機中，以備咨詢和處理疑難問題，即所謂的工程地質專家系統（見數學地質）。

『玖』 數值模擬技術簡介

（一）研究現狀

地下多相、多組分流體運移數值模擬是在質量和能量守恆的基礎上，建立的多相流體運動以及反映地球化學運移擴散的數學模型，通過離散建立大量的線形或非線形方程組，然後利用計算機計算求解，再通過圖像顯示模擬結果，達到對工程問題和物理問題乃至相關其他問題研究的目的。CO₂地質封存數值模擬就是利用計算機模擬的方法，來解決CO₂進入地質封存系統後運移、轉化、水-岩-氣之間的相互反應、CO₂泄漏對淺部含水層影響及誘發的儲蓋層物性變化等一系列問題，從而指導CO₂地質封存工程的實施。

目前，國內外已開展的關於CO₂地質封存數值模擬的研究工作包括以下幾個方面：

1.超臨界CO₂-水多相流體運動模擬

Pruess等（2003）模擬了均質各向同性鹹水含水層中以恆定流量灌注CO₂條件下，灌注井井周非等溫徑向流情況。當忽略重力和慣性力效應時，模擬結果中存在相似變數ζ＝R²/t（其中，R為徑向流動距離，t為時間），CO₂飽和度、溶解CO₂質量分數、沉澱鹽的體積分數及流體壓力都是相似變數的函數。這與O' Sullivan（1981）及Doughty和Pruess（1992）的結果一致。兩相流的模擬考慮了CO₂和水的相對滲透率及毛細管力作用問題（Van Genuchten，1980），考慮了流體密度、黏度和CO₂溶解性隨壓力、溫度和含鹽度的變化，以及鹽的沉澱導致含水層滲透率的減小等因素。

Doughty和Pruess（2004）利用Fro鹹水含水層封存CO₂監測資料，反推了CO₂灌注後發生的物理和化學過程。他們採用TOUGH2數值模擬軟體對兩相（液、氣）三組分（CO₂、水和溶解NaCl）系統進行模擬。考慮15MPa和65℃條件下，超臨界CO₂在鹹水中為非混溶流體，並能部分溶解於鹹水的情況，分析了多相流系統邊界設定的影響及相對滲透率取值問題，即模擬中對側向邊界的設置為均開（或均閉），結果導致壓力的模擬結果與實際相比過低（或過高）。研究表明，由於上覆斷層對CO₂的封堵作用，側向邊界對CO₂彌散羽的影響不大。模擬結果還顯示，相對滲透率函數對CO₂彌散羽的演化有很強的影響。如何確定一個合適的相對滲透率以表徵CO₂灌注鹹水含水層的變化，仍是亟待解決的問題。Doughty和Pruess模擬了兩種CO₂殘余飽和度條件下的CO₂羽擴展隨時間的變化，發現存在較大差異。殘余飽和度較大的情況下，CO₂羽表現出緊縮狀，在浮力作用下運移較慢；相反，在殘余飽和度較小的情況下，CO₂羽流彌散很快，溶解性顯著提高。

2.多組分反應地球化學運移模擬

水-砂岩-CO₂相互作用往往形成一系列次生礦物，或次生礦物組合。Worden et al.（2006）通過岩石學和CO₂灌注長石砂岩的地球化學模擬表明，北海Magnus油田上侏羅統濁積亞長石砂岩中的鐵白雲石、高嶺石和石英可能具有成因聯系。其中，鐵白雲石中的碳來自有機成因的CO₂。Watson et al.（2004）通過CO₂氣與CH₄氣儲集砂岩的比較岩石學研究，證實澳大利亞Otway盆地Ladbroke Grove CO₂氣儲集砂岩中與CO₂氣灌注有關的次生礦物組合為鐵白雲石-高嶺石-次生石英。

Xu et al.（2005）利用一維砂岩-頁岩系統模型模擬了儲層中灌注的CO₂與礦物發生的化學反應過程，以及對儲層環境的影響。模擬顯示，在砂岩環境下，CO₂主要被方解石所固定，而方解石的沉澱導致孔隙度減小，進而導致滲透率相應減小。10萬年間，砂岩封存能力達到90kg/m³的封存能力，這些被礦物固定下來的CO₂可以永久封存。Zwingmann等運用地球化學模擬軟體EQ3/6進行的水-礦物-CO₂相互作用模擬也表明，若將CO₂灌注到日本本州島中北部新潟盆地更新世灰爪組砂岩，CO₂以溶於水和形成碳酸鹽礦物兩種形式封存，其中後者封存量最大為21.3mol/kgH₂O，可達總封存量的90％，形成的碳酸鹽礦物中也出現了片鈉鋁石。

3.耦合岩石力學模擬

從目前發表的論文及各國研究計劃的綜合報告上看，在CO₂鹹水含水層封存研究方面，對於CO₂運移機制的分析和模擬很少考慮應力場的耦合作用。事實上，CO₂灌注壓力和超臨界CO₂的浮力作用將改變地層應力狀態，即CO₂在上浮運移和側向擴散過程中，孔隙壓力可能會對原始裂隙和斷裂產生影響；CO₂在鹹水含水層中的長時期（千年級尺度以上）的封存，將改變含水層的地球化學狀態，CO₂-鹹水-含水層礦物的化學作用將可能導致岩體力學和水力學性質發生變化。

日本因位於4大板塊交界處與環太平洋構造帶中，活斷層密集發育，地震頻繁，地應力分布復雜，在CO₂地質封存評價方面，非常重視CO₂地質封存的力學穩定性研究（李琦等，2002；李小春等，2003）。李琦等（2002；2004；2006）提出了一個考慮初始地應力場、灌注壓力、CO₂浮力及含熱傳導作用的熱-水-力（THM）耦合模擬框架，考慮蓋層底部附近存在不同傾角斷層的二維平面應變地質封存問題。採用有限元演算法，對灌注CO₂流體對斷層穩定性的影響進行模擬分析。計算結果表明，為了避免斷層位移需要特別注意對灌注壓力的控制，因為CO₂灌注壓力對斷層滑動的影響遠大於CO₂羽流浮力帶來的影響。停止灌注CO₂後，CO₂羽流的上升則成為應力場擾動的主要因素。

（二）主要軟體介紹

近年來，計算機模擬技術在許多研究領域得到了廣泛的應用，開發出了許多優秀的模擬軟體和程序。同樣，可用於研究CO₂地質封存的數值模擬軟體也很多，主要有PHREEQC、GEM、ECLIPSE、TOUGHREACT、PetroMod、MUFTE-UG和NUFT等，它們都有各自的特點和適用性。在進行數值模擬之前，需對這些數值模擬軟體進行評價分析，選擇適用於所研究問題的模擬軟體。現對國際上常用的幾款軟體簡介如下。

1.PHREEQC

PHREEQC是一款用於計算多種低溫水文地球化學反應的計算機軟體。以離子締合水模型為基礎，PHREEQC可完成以下任務：(1)計算物質形成種類與礦物的溶解飽和指數；(2)模擬地球化學反演過程；(3)計算批反應與一維運移反應。另外，與多組分溶質-運移模型耦合的PHREEQC可生成PHAST，一個用於模擬地下水流系統的三維反應-運移模擬器。但由於PHREEQC是在單相水流的基礎上建立的模型，因而不能模擬超臨界CO₂-水的兩相流運動。

PHREEQC最簡單的應用就是計算溶液中各種化學物質的分布，以及溶液中礦物與氣體的飽和狀態。反演模擬功能可推導和量化在流動過程中，能夠反應化學物質變化的化學反應方程。PHREEQC可處理的反應方程包括建立礦物、表面配合物、陽離子交換劑、土壤溶液、氣體組分單位分壓、給定壓力或給定體積氣相間平衡的物質運移反應。在模擬這些均衡反應的同時，PHREEQC還可以模擬動力化學與生物反應，以及模擬從簡單的線性衰變（代謝物降解或放射性衰變）到復雜的依賴於溶液化學組成和微生物數量確定的反應速度。這些反應處理功能可在批反應模擬或一維對流、彌散、反應型運移模擬中使用。

2.GEM

GEM v.2009.13（Nghiem et al.，2004）是一款用來模擬利用CO₂和酸性氣體提高石油採收率的模擬器，該模擬器完全耦合了地球化學組成狀態方程。GEM採用一步求解法進行狀態方程的求解。GEM可以用來模擬：對流和彌散流體、油（或超臨界CO₂）、氣和鹹水間的平衡、水相物種間的化學平衡，以及礦物的動態溶解和沉澱。該模擬器採用自適應的隱式離散技術利用一維、二維或者三維模型來模擬孔隙介質中溶質的運移。油相和氣相用一個狀態方程來模擬，氣體在水相的溶解度採用亨利定律模型來計算。水通過蒸發進入到氣相、蓋層的穿透、熱效應和裂隙的封閉作用也可以利用GEM來模擬。

3.ECLIPSE

ECLIPSE是一個並行化的可以模擬黑油、組分、熱采等問題的成熟軟體。1994年，勝利石油管理局引進了ECLIPSE油藏數值模擬串列軟體，廣泛開展了從油藏到氣藏，從常用油田到特殊油氣田、從常規模擬研究到特殊模擬研究等多方面的應用。主要模塊有主模型、黑油、組分、熱采、流線法、運行平台和ECLIPSE Office等。

ECLIPSE是一個商業軟體，在使用中其內核部分是封閉的，使用者只能將其作為一個「黑箱」來操作。其不足之處有：不可能免費的獲得和隨意地使用和修改；無法耦合最前沿的地質流體熱力學模型；無法加入更多影響因素來研究具體問題。因此，ECLIPSE不適宜用於前沿科學研究。

4.TOUGH2/TOUGHREACT

TOUGH2是Transport of Unsaturated Groundwater and Heat（非飽和地下水流及熱流傳輸）的英文縮寫，是一個模擬一維、二維和三維孔隙或裂隙介質中，多相流、多組分及非等溫的水流及熱量運移的數值模擬程序。TOUGH2使用積分有限差分（Integral Finite Differences，IFD）（圖3-8）的方法來解決多相流動和多組分化學運移模擬中的空間離散化問題（Pruess et al.，1999s；Xu et al.，2004）。為了滿足大規模計算需要，Zhang et al.（2008）開發了TOUGH2的平行計算版本，即TOUGH2-MP。

該方法在對地質介質的離散化上是比較靈活的，允許使用不規則的網格，十分適合對多區域非均質系統和裂隙岩石系統中流體流動、運移和水岩相互作用的模擬。而對於規則的網格剖分，積分有限差分方法相當於傳統的有限差分法。其中，對於任意區域Vn，它的質量（對於水、氣體和其他化學組分）和能量（對於熱）守恆方程可以用積分的方式（式3-5）表達：

圖3-8 積分有限差分法中的空間離散化和幾何參數數據構成圖

中國二氧化碳地質封存選址指南研究

式中：下角標n為表示一個單元格；下角標m為表示和單元格n互相連接的網格m；Δt為時間步長；M_n為單元格n的平均質量或能量密度；A_nm為單元網格n和m交界的面段；F_nm為通過面積為A_nm的質量或能量通量；q_n為單元格n內單位體積的平均源匯率。

許天福等（1998）在TOUGH2的框架基礎之上，增加了多組分溶質運移和地球化學反應的模擬功能，形成了一套較為完善的可變飽和地質介質中非等溫多相流體反應地球化學運移模擬軟體——TOUGHREACT。該軟體不僅包括了TOUGH2的全部功能，而且適用於不同溫度、壓力、水飽和度、離子強度、pH值和氧化還原電位（Eh）等水文地質和地球化學條件下的熱-物理-化學過程。還可以應用於一維、二維或三維非均質（物理和化學的）孔隙或裂隙介質中的相關數值模擬研究。在理論上可以容納任意數量的以固相、液相或氣相存在的化學組分（但是在實際模擬中會受到計算能力和計算時間等硬體條件的限制），並且考慮了一系列化學平衡反應，如溶液中的配合反應、氣體的溶解或脫溶、離子吸附作用、陽離子交換及受平衡控制或反應動力學控制的礦物溶解或沉澱反應等。可以說TOUGHREACT、是TOUGH2的升級版，近年來在世界范圍內CO₂地質封存研究和工程實踐中得到了廣泛的應用。

除包含TOUGH2所有的功能外，TOUGHREACT還可以應用於一系列的反應性流體和地球化學遷移問題。比如：(1)伴隨Kd線性吸附和放射性衰變的污染物遷移問題；(2)在周圍環境條件下，自然界中地下水的化學演變；(3)核廢料處置地點評估；(4)深部岩層的沉積成岩作用；(5)CO₂地質處置。多相流體運動，多組分反應地球化學，各種封存形式封存量以及隨時間空間變化；(6)礦物沉積（如表生銅礦富集）；(7)自然和補給環境下熱水系統中的礦物變化。

通過最近幾年相關研究者的不懈努力，TOUGHREACT在實際應用中得到了進一步完善和提高，增加了部分新功能，如水相內部反應動力學和生物降解作用，改進了礦物-水反應表面積計算方法，以及氣-水反應中氣的活度系數的修正等。

5.PetroMod

由德國IES（Integrated Exploration System）公司研究開發的PetroMod多組分、多相態的多維含油氣系統模擬軟體綜合平台已被世界石油業所公認。該軟體融入了斷層活動性、鹽丘上涌和刺穿、火山岩的侵入、氣體擴散效應、油氣水三相運移和油氣吸附模型等相關技術。

該模擬軟體平台推出和採用的油氣運移組合模擬演算法（Hybird）是當今最先進的油氣運移模擬演算法，既可以保證模擬的精度，又可以極大地提高模擬的運算速度。其中的PetroFlow3D用於油氣運移、聚集、圈閉和散失等情況的模擬，同時PetroCharge Express為我們提供了基於圖件的油氣運移和圈閉模擬的快速分析工具。

6.MUFTE-UG

MUFTE-UG是MUFTE和UG.MUFTE的結合。MUFTE即多相流（Muliphase Flow）、運移（Transport）和能量（Energy）模型。該軟體包主要包括物理模型概念和孔隙裂隙介質中等溫和非等溫多相多組分流動和運移過程的離散方法（Helmig，1997；Helmig et al.，1998）。它能對裂隙孔隙介質進行離散性描述（Dietrich et al.，2005）。UG是非結構性網格（Unstructured Grid）的縮寫，它提供的數據結構能快速解算以平行、自適應多網格法為基礎的離散型偏微分方程。具有模塊化結構的MUFTE-UG很容易解決各種有特殊要求的問題。

模塊化結構的MUFTE-UG具有許多不同的環境與技術應用。例如，在環境應用領域，MUFTE-UG能夠模擬如下兩個問題。

（1）NAPL（非液相流體）向飽和與非飽和土壤的滲流。優化改進的修復技術在MUFTE中具有廣泛的研究和發展空間。

（2）地下CO₂的消散。CO₂以高溫高壓灌注地表以下幾百米的地層中，MUFTE-UG可用於非均質含水層（對流和彌散運移）中羽狀體演化評價，伴隨溫度效應（由於膨脹和壓縮）和組分間相互溶解（鹵水和CO₂）。

7.NUFT

NUFT（Nonisothermal Unsaturated-Saturated Flowand Transport model）是一套用來解決在多孔介質中多相、多組分非等溫流動和溶質運移過程中地下污染物運移的數值解法器。此軟體利用簡單的代碼來利用通用的實用程序和輸入文件的格式。最近，此代碼在Unix和DOS系統下運行成功。

該程序利用一套完整的有限差分空間離散法求解平衡方程組。每一個時間步長內利用Newton-Raphson方法求解非線性方程組，而在每一步迭代過程中利用直接解法和預共軛梯度法求解線性方程組。該模型可以解決一、二和三維水流及溶質運移問題。將來該模型會耦合進毛細滯後、非正交網格離散、有限單元剖分和固體非線性等溫吸附等功能。

（三）研究方法

通常情況下，CO₂地質封存數值模擬包括以下主要過程。

（1）建立概念模型：根據各種方法獲取的實際資料來概化和建立CO₂地質封存概念模型，包括邊界范圍、地層或儲蓋層高程、儲蓋層確定、參數及分區、源匯項、主要物理化學過程以及模型維度（一維、二維和三維）。

（2）建立數學模型：建立一套描述深部鹹水層中多相流動和多組分反應性溶質運移的偏微分方程組，包括初始條件和邊界條件問題。

（3）模型離散化：把概念模型中的各種信息通過網格剖分進行離散，形成大量的網格單元，然後通過有限差分、有限單元和積分有限差分等方法轉化成單元的質量和能量守恆方程組，再用多種方法將非線性方程組線性化，形成線性代數方程組，然後求解方程組。

（4）模型識別和校正：根據模型計算結果和實際監測數據進行對比擬合，適度合理調整參數，使模型能夠綜合反映實際情況。在歷史擬合過程中出現較大誤差，應重新檢查概念模型，修正概念模型。對所建模型進行參數敏感性分析，對於較敏感的參數應該慎重選取，甚至需要做大量的試驗來確定。

（5）模型預測：建立了可靠的模型後，便可以進行模擬預測。

數值模擬的關鍵是地質模型概化、計算精度和計算速度。由於計算的精度取決於離散的程度，而離散的程度又決定了計算的速度，這是一對矛盾，要根據解決問題的需要來選擇離散化的程度和計算速度。

CO₂在儲層中的運移、溶解以及與圍岩的化學反應形成了一個多相、多組分的反應體系，涉及的主要數學方程有超臨界CO₂-水的兩相流體運動控制方程、溶質運移控制方程和化學反應方程等。建立數值模型時，通常採用有限差分法、有限元法和積分有限差分法等。

由於實際應用時多採用已有的數值模擬軟體對CO₂地質封存的某一過程進行模擬，不涉及軟體的開發及程序代碼的編寫，只需根據研究的需要選擇合適的軟體進行模擬預測，而軟體一旦選定，數學模型和數值模型基本上已經確定。

『拾』 工程地質學的研究方法

包括地來質學方法、實驗和自測試方法、計算方法和模擬方法。地質學方法，即自然歷史分析法，是運用地質學理論查明工程地質條件和地質現象的空間分布，分析研究其產生過程和發展趨勢，進行定性的判斷，它是工程地質研究的基本方法，也是其他研究方法的基礎。實驗和測試方法，包括為測定岩、土體特性參數的實驗、對地應力的量級和方向的測試以及對地質作用隨時間延續而發展的監測。計算方法，包括應用統計數學方法對測試數據進行統計分析，利用理論或經驗公式對已測得的有關數據，進行計算，以定量地評價工程地質問題。
模擬方法，可分為物理模擬（也稱工程地質力學模擬）和數值模擬，它們是在通過地質研究深入認識地質原型，查明各種邊界條件，以及通過實驗研究獲得有關參數的基礎上，結合建築物的實際作用，正確地抽象出工程地質模型，利用相似材料或各種數學方法，再現和預測地質作用的發生和發展過程。電子計算機在工程地質學領域中的應用，不僅使過去難以完成的復雜計算成為可能，而且能夠對數據資料自動存儲、檢索和處理，甚至能夠將專家們的智慧存儲在計算機中，以備咨詢和處理疑難問題，即所謂的工程地質專家系統（見數學地質）。