JP6652872B2 - Numerical analysis method of groundwater flow - Google Patents
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Description
本発明は、ボーリング孔が設けられた地盤内の地下水流の数値解析方法に関するものである。 The present invention relates to a method for numerically analyzing groundwater flow in a ground provided with a borehole.
大量湧水の発生が予想されるトンネル工事では、トンネル先端の掘削面（切羽）から前方に水抜きボーリングを掘削して、切羽前方の破砕帯などに含まれる地下水を事前に抜く対策が取られる。 In tunnel construction where a large amount of spring water is expected to occur, measures are taken to excavate drainage boring from the excavation surface (face) at the tip of the tunnel and to drain groundwater contained in the crush zone in front of the face in advance. .
この水抜きボーリングの計画（本数，配置，長さ，口径など）を立てるためには、地下水解析手法などを使った対策効果の予測が求められる。米国では、ボーリング孔内の流れと地下水流れを連成した解析手法（Ｔ２ＷＥＬＬ）が開発されているが、これは、二酸化炭素（CO2）地中貯留や地熱の分野での利用を想定した解析コードである。このため、通常の地下水流れに加え、液体と気体が同時に存在する二相流問題や温度変化なども取り扱えるようになっており、計算負荷が非常に大きなものとなっている（非特許文献１など参照）。 In order to plan drainage boring (number, arrangement, length, diameter, etc.), it is necessary to predict the effect of countermeasures using groundwater analysis methods. Analysis In the United States, although analysis method form continuous flow and groundwater flow in the borehole (T2WELL) has been developed, which, assuming the use in the field of carbon dioxide (CO 2) geological storage and geothermal Code. For this reason, in addition to the normal groundwater flow, a two-phase flow problem in which a liquid and a gas simultaneously exist, a temperature change, and the like can be handled, and the calculation load becomes extremely large (Non-Patent Document 1, etc.) reference).
しかしながら既往の連成解析手法に組み込まれている多相流や温度伝播などの考慮は、水抜きボーリングに対する予測解析には不要な項目で、いたずらに計算負荷が大きくなって、計算時間を長引かせる原因となっている。 However, the consideration of multi-phase flow and temperature propagation, etc., incorporated in the existing coupled analysis methods is an unnecessary item for predictive analysis of drainage boring, which unnecessarily increases the calculation load and prolongs the calculation time. Cause.
一方、地下水の水圧が高くボーリングからの排水量が非常に多くなる場合は、ボーリングの孔内が満水（すなわち自由水面がない状態）になって圧力損失の影響が無視できないほど大きくなるため、圧力損失の影響を考慮する必要がある。 On the other hand, when the pressure of groundwater is high and the amount of drainage from boring becomes extremely large, the borehole becomes full (that is, there is no free water surface) and the effect of pressure loss becomes so large that it cannot be ignored. It is necessary to consider the effect of
そこで、本発明は、ボーリング孔内の圧力損失の影響を考慮できるうえに、計算負荷が小さく迅速な予測解析が可能となる地下水流の数値解析方法を提供することを目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a numerical analysis method of a groundwater flow that can take into account the effect of pressure loss in a borehole and can perform a quick prediction analysis with a small calculation load.
前記目的を達成するために、本発明の地下水流の数値解析方法は、ボーリング孔が設けられた地盤内の地下水流の数値解析方法であって、地盤内の地下水流を解くための第１の運動方程式を設定するステップと、前記ボーリング孔内の流れを解くための第２の運動方程式を前記第１の運動方程式と同様のダルシー則の形式に設定するステップと、前記ボーリング孔が設けられた地盤をモデル化した解析メッシュを使って前記第１及び第２の運動方程式を適用して地下水流の解析を行うステップとを備え、前記第２の運動方程式をダルシー則の形式で表すために等価透水係数が導入されることを特徴とする。 In order to achieve the object, a numerical analysis method of a groundwater flow of the present invention is a numerical analysis method of a groundwater flow in a ground provided with a boring hole, and a first method for solving a groundwater flow in the ground. Setting the equation of motion; setting a second equation of motion for solving the flow in the boring hole in the form of Darcy's law similar to the first equation of motion; and providing the boring hole. Analyzing the groundwater flow by applying the first and second equations of motion using an analysis mesh that models the ground, and equivalently expressing the second equation of motion in the form of Darcy's law. It is characterized in that a hydraulic conductivity is introduced.
このように構成された本発明の地下水流の数値解析方法は、地盤内の地下水流を解くための第１の運動方程式と、ボーリング孔内の流れを解くための第２の運動方程式とを連成して解くため、ボーリング孔内の圧力損失の影響を考慮した精度の高い予測を行うことができる。 The numerical analysis method of the groundwater flow of the present invention configured as described above combines the first equation of motion for solving the groundwater flow in the ground and the second equation of motion for solving the flow in the borehole. In order to solve the problem, it is possible to perform highly accurate prediction in consideration of the influence of the pressure loss in the borehole.
また、等価透水係数を導入して、ボーリング孔内の流れを解く第２の運動方程式を第１の運動方程式と同様のダルシー則の形式で表すことで、計算負荷が低減されて、迅速な予測解析を行うことができる。 In addition, by introducing the equivalent hydraulic conductivity and expressing the second equation of motion for solving the flow in the borehole in the form of Darcy's law similar to the first equation of motion, the calculation load is reduced and quick prediction is performed. Analysis can be performed.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態の地下水流の数値解析方法が適用される状況を模式的に示した説明図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing a situation in which a numerical analysis method of a groundwater flow according to the present embodiment is applied.
トンネルが掘削される地盤１には、破砕帯などの大量の地下水が滞留する湧水帯１１が存在することがある。特に山岳トンネル工事においては、トンネルが高水圧の地下水を有する湧水帯１１に到達して、大量の出水により工事が中断してしまうことがある。 On the ground 1 where a tunnel is excavated, there may be a spring zone 11 in which a large amount of groundwater, such as a crush zone, stays. In particular, in mountain tunnel construction, the tunnel may reach the spring zone 11 having high water pressure groundwater, and the construction may be interrupted by a large amount of flooding.
そのような事態を避けるために、予め湧水帯１１の存在が確認できる地盤１では、本坑３Ａとなるトンネルを掘削する前に、先進坑３Ｂや水抜き坑３Ｃなどのトンネルを掘削して、湧水帯１１の水が本坑３Ａに流れ込まないようにする対策が取られる。 In order to avoid such a situation, in the ground 1 where the existence of the spring zone 11 can be confirmed in advance, before excavating the tunnel which becomes the main shaft 3A, the tunnels such as the advanced shaft 3B and the drain shaft 3C are excavated. Then, measures are taken to prevent the water in the spring zone 11 from flowing into the main shaft 3A.
例えば、先進坑３Ｂからは、長尺、中尺、短尺などの長さが異なるボーリング孔２Ａ，２Ｂ，２Ｃが湧水帯１１に向けて掘削される。また、水抜き坑３Ｃからは、例えば短尺及び中尺のボーリング孔２Ａ，２Ｂ，・・・が、様々な方向に向けて掘削される。 For example, boring holes 2 </ b> A, 2 </ b> B, and 2 </ b> C having different lengths such as long, medium, and short are excavated toward the spring zone 11 from the advanced pit 3 </ b> B. Further, from the drainage pit 3C, for example, short and medium-sized boring holes 2A, 2B,... Are excavated in various directions.
先端が湧水帯１１に到達したボーリング孔２Ａ，２Ｂ，２Ｃには、湧水帯１１が貯留する地下水が流れ込み、先進坑３Ｂや水抜き坑３Ｃを通して地下水が排出される。 The groundwater stored in the spring zone 11 flows into the boring holes 2A, 2B, 2C whose tips have reached the spring zone 11, and the groundwater is discharged through the advanced well 3B and the drainage well 3C.
そして、湧水帯１１に滞留する地下水の水圧が充分に低減された状態にして本坑３Ａを貫通させることで、本坑３Ａへの大量の地下水の流入を防ぐことができる。 And by making the water pressure of the groundwater staying in the spring zone 11 sufficiently reduced and penetrating the main shaft 3A, it is possible to prevent a large amount of groundwater from flowing into the main shaft 3A.
このようにボーリング孔２Ａ−２Ｃから湧水帯１１の地下水を抜き出すことによって、本坑３Ａの掘削工事が安全かつ順調に行えるようになるので、ボーリング孔２Ａ−２Ｃから排出される地下水の水量を含めた地盤１の地下水流の解析は、精度よく行われることが求められる。 By extracting the groundwater of the spring zone 11 from the boreholes 2A-2C in this manner, the excavation work of the main pit 3A can be performed safely and smoothly, so that the amount of groundwater discharged from the boreholes 2A-2C is reduced. The analysis of the groundwater flow in the ground 1 including the ground is required to be performed with high accuracy.
図２は、本実施の形態の地下水流の数値解析方法の概念を説明する説明図である。地下水流の数値解析方法では、地盤１の湧水帯１１は、３次元浸透モデルでモデル化し、ボーリング孔２Ａ−２Ｃは、管路内流解析モデルでモデル化して、２つを連成解析する。 FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating the concept of the numerical analysis method for groundwater flow according to the present embodiment. In the numerical analysis method of the groundwater flow, the spring zone 11 of the ground 1 is modeled by a three-dimensional infiltration model, and the boreholes 2A-2C are modeled by a pipe flow analysis model to perform a coupled analysis of the two. .
３次元浸透モデルには、湧水に関する条件などを反映させる。例えば、現地地盤で計測された水圧、湧水地点（湧水帯１１）の地質条件、湧水帯１１に対して施された薬液注入工法などの別の止水対策の効果などを反映させる。 The three-dimensional infiltration model reflects conditions related to spring water. For example, it reflects the water pressure measured on the local ground, the geological condition of the spring point (spring zone 11), the effect of another water stoppage measure such as a chemical injection method applied to the spring zone 11, and the like.
一方、管路内流解析モデルでは、ボーリングの条件を反映させる。例えば、ボーリングの方向、長さ及び径や配置位置や配置本数などを反映させる。また、ボーリングの孔壁面の仕上げ状態などの摩擦抵抗（摩擦損失係数）に影響を与える要因を反映させる。 On the other hand, the pipe flow analysis model reflects the boring conditions. For example, the direction, length, diameter, arrangement position, number of arrangements, and the like of the boring are reflected. In addition, factors affecting the frictional resistance (friction loss coefficient) such as the finished state of the bore wall surface are reflected.
続いて、ボーリング孔２の圧力損失の影響について、図３を参照しながら説明する。例えば、トンネル３の先端の掘削面（切羽）から水平に、前方の湧水帯１１に向けて水抜き用のボーリング孔２を掘削したとする。なお以下では、ボーリング孔２、トンネル３の符号を使って主に説明する。 Next, the effect of the pressure loss in the boring hole 2 will be described with reference to FIG. For example, it is assumed that the boring hole 2 for draining is dug horizontally from the excavation surface (face) at the tip of the tunnel 3 toward the front spring zone 11. In the following, description will be made mainly using the reference numerals of the boring hole 2 and the tunnel 3.
管路に置き換えられるボーリング孔２の内周面には、管路内を流れる水との間で摩擦抵抗が存在する。この摩擦抵抗による圧力損失は、図３に示すようにボーリング孔２の長さが長くなるほど増加することになる。 A frictional resistance exists between the inner peripheral surface of the boring hole 2 replaced with the pipe and water flowing through the pipe. The pressure loss due to the frictional resistance increases as the length of the boring hole 2 increases as shown in FIG.
通常、湧水帯１１に滞留する地下水は地下水位１２などに基づいて水圧を有する状態にあるため、ボーリング孔２とトンネル３とが連通されると、ボーリング孔２からの排水量が少なくて孔内が満水にならずに自由水面が存在するケースでは、排水前の先端圧力（Ｐ＝Ｈ）が大気圧（Ｐ＝０）に開放されることによって、トンネル３内に向けて地下水が流れ込むことになる。 Normally, the groundwater staying in the spring zone 11 has a water pressure based on the groundwater level 12 and the like. Therefore, when the boring hole 2 and the tunnel 3 communicate with each other, the amount of drainage from the boring hole 2 is small, and In the case where the water does not become full and there is a free water surface, the tip pressure (P = H) before drainage is released to the atmospheric pressure (P = 0), so that the groundwater flows into the tunnel 3 Become.
しかしながら排水量が多くてボーリング孔２内が満水となるケース（自由水面が存在しないケース）では、ボーリング孔２内は大気圧まで開放されず、摩擦抵抗による圧力が発生するため（Ｐ＞０）、ボーリング孔２内を大気圧と仮定して算出された量の地下水は、実際には抜き出すことができない。このため、ボーリング孔２の圧力損失の影響を考慮した解析が必要になる。 However, in the case where the amount of drainage is large and the inside of the borehole 2 is full (the case where there is no free water surface), the inside of the borehole 2 is not released to the atmospheric pressure, and pressure due to frictional resistance is generated (P> 0). The amount of groundwater calculated assuming that the inside of the borehole 2 is at atmospheric pressure cannot be actually extracted. For this reason, it is necessary to perform an analysis in consideration of the influence of the pressure loss of the borehole 2.
そして、ボーリング孔２の圧力損失を考慮して解析を行うために、地盤１内（湧水帯１１内）の地下水流は、通常の三次元の飽和不飽和浸透流として取り扱い、ダルシー則と質量保存則を解くことにする。以下に、第１の運動方程式としてダルシー則を示す。 Then, in order to perform an analysis in consideration of the pressure loss of the borehole 2, the groundwater flow in the ground 1 (in the spring zone 11) is treated as a normal three-dimensional saturated unsaturated flow, and Darcy's law and mass We will solve the conservation law. Hereinafter, Darcy's rule is shown as a first equation of motion.
ここで、Ｖｘは地下水の見かけの浸透流速（cm/sec）、kは透水係数（cm/sec）、ｄｈ／ｄｘは動水勾配を示す。なお、上式は、簡単のためｘ方向の１次元の方程式を示したが、２次元、３次元での表記も可能である。 Here, V x penetration velocity of the groundwater apparent (cm / sec), k is permeability (cm / sec), dh / dx indicates the hydraulic gradient. Note that the above equation shows a one-dimensional equation in the x direction for simplicity, but two-dimensional and three-dimensional expressions are also possible.
一方、ボーリング孔２内の流れは、圧力損失を伴う管路内の一次元の流体流れとして取り扱い、連続の式（質量保存則）と図４の上段に示した運動方程式に基づいた後述する簡略式（第２の運動方程式）を使って解く。 On the other hand, the flow in the borehole 2 is treated as a one-dimensional fluid flow in a pipe with a pressure loss, and is simplified based on a continuous equation (law of conservation of mass) and the equation of motion shown in the upper part of FIG. Solve using the equation (second equation of motion).
ここで、図４の式のＶはボーリング孔内の断面平均流速、ｔは時間、Ｐは圧力、ρは水の密度、ｘはボーリング孔軸線方向（管路軸方向）の座標、ｚｂはボーリング孔軸線上の鉛直座標、ｇは重力加速度を示す。 Here, the formula V are sectional average flow velocity in the borehole of Fig. 4, t is the time, P is the pressure, coordinates ρ is the density of water, x is the borehole axis direction (pipe axis direction), z b is The vertical coordinate on the axis of the borehole, g indicates the gravitational acceleration.
解析は、地盤１（湧水帯１１）の浸透流解析と、管路内の一次元流体流れの解析とを連成して解くことになるが、管路内の一次元流体流れの運動方程式が非常に複雑で非線形性の強い形式であるため、このまま使用すると計算負荷が大きすぎる。 The analysis is performed by coupling the permeation flow analysis of the ground 1 (spring zone 11) with the analysis of the one-dimensional fluid flow in the pipeline. Is a very complex and highly nonlinear form, and if it is used as it is, the computational load is too large.
そこで、管路内の一次元流体流れの運動方程式の簡略化を検討する。まず、図４に示すように、管路軸方向ｘについて積分して、両辺を重力加速度ｇで割る。このようにして表された非定常のベルヌーイ式の各項は、図示したように、加速度項、速度水頭項、圧力水頭項、位置水頭項、損失水頭項と名付けることができる。 Therefore, the simplification of the equation of motion for a one-dimensional fluid flow in a pipe is studied. First, as shown in FIG. 4, integration is performed in the pipe axis direction x, and both sides are divided by the gravitational acceleration g. The non-stationary Bernoulli terms expressed in this way can be named acceleration term, velocity head term, pressure head term, position head term, and loss head term as shown in the figure.
続いて図５を参照しながら、加速度項の検討を行う。この加速度項は、非定常過程の流れに影響を及ぼす。そこで、管路内の流れが準定常状態になるまでの時間を確認する。 Subsequently, the acceleration term will be examined with reference to FIG. This acceleration term affects the flow of the unsteady process. Therefore, the time until the flow in the pipeline becomes a quasi-steady state is confirmed.
その結果、図に示すように、ボーリング孔２の長さＬが300mの場合では、1.3秒後には定常状態の99％に到達することがわかる。ボーリング孔２の長さＬが1000mになったとしても、2.4秒後には定常状態の99％に到達する。すなわち、水抜き用のボーリング孔２内は、瞬時に定常状態になると言え、非定常過程の流れに影響を及ぼす加速度項は、無視することができる。 As a result, as shown in the figure, when the length L of the boring hole 2 is 300 m, it reaches 99% of the steady state after 1.3 seconds. Even if the length L of the boring hole 2 becomes 1000 m, it reaches 99% of the steady state after 2.4 seconds. In other words, it can be said that the inside of the boring hole 2 for draining is instantaneously brought into the steady state, and the acceleration term that affects the flow of the unsteady process can be ignored.
速度水頭項Ｖ２/2ｇについては、図６を参照しながら検討を行う。損失水頭項ｈｆは、図６の中段の式に示すように速度水頭項Ｖ２/2ｇに比例している。また、ボーリング孔２の長さＬが長くなるほど大きくなり、ボーリング孔２の口径ｄが小さくなる場合も大きくなる。 The velocity head term V 2 / 2g will be discussed with reference to FIG. Head loss term h f is proportional to the velocity head section V 2/2 g as shown in the middle of the formula of Figure 6. Further, the length L increases as the length L of the boring hole 2 increases, and the case where the diameter d of the boring hole 2 decreases also increases.
例えば、ボーリング孔２の長さＬが100mで、口径ｄが0.1mで、摩擦損失係数ｆが0.02の場合に、損失水頭項ｈｆは、速度水頭項Ｖ２/2ｇの80倍にもなる。また、図６の下段のグラフに示すように損失水頭と速度水頭とを比較すると、長さＬが300mのボーリング孔２において、速度水頭は孔奥で損失水頭の0.0002％に過ぎない。最も影響が大きくなる孔口付近（Ｌ＝10m）地点でも、8.2％である。このため、数10mから1000mに及ぶ水抜き用のボーリング孔２の解析においては、速度水頭項は無視することができる。 For example, the length L of the borehole 2 is 100 m, in diameter d is 0.1 m, if the friction loss coefficient f is 0.02, the head loss term h f, becomes to 80 times the velocity head section V 2/2 g . As shown in the lower graph of FIG. 6, comparing the head loss and the speed head, in the borehole 2 having a length L of 300 m, the speed head is only 0.0002% of the head loss at the back of the hole. Even at the point near the hole where the effect is greatest (L = 10m), it is 8.2%. For this reason, the velocity head term can be ignored in the analysis of the boring hole 2 for drainage ranging from several tens of meters to 1000 m.
図７の上段には、ここまでの検討結果をまとめた式を示した。基礎となる管路内の一次元流体流れの運動方程式から無視できる項を０として除くと、図の中段に示した式となる。要するに、圧力水頭項Ｐ／ρｇと位置水頭項ｚｂと損失水頭項ｈｆのみの式である。この中で、圧力水頭項Ｐ／ρｇと位置水頭項ｚｂとを併せると、全水頭ｈになる。 The upper part of FIG. 7 shows an equation that summarizes the results of the above examination. If the negligible term is removed from the equation of motion of the one-dimensional fluid flow in the basic pipeline as 0, the equation shown in the middle part of the figure is obtained. In short, an expression of only pressure head section P / ρg and elevation head section z b and the head loss term h f. In this, when combining the elevation head section z b and pressure head section P / ρg, it becomes total head h.
一方、損失水頭項ｈｆは、管路軸方向の位置をｓとすると、図の（Ａ）式で示すことができる。さらに、管路内の流れを解く運動方程式を地盤内の運動方程式と同様の形式となるダルシー則の形式で示すと、図の（Ｂ）式となる。第２の運動方程式となる簡略化された（Ｂ）式を、以下に示す。 On the other hand, the loss head term hf can be expressed by equation (A) in the figure, where s is the position in the pipe axis direction. Further, when the equation of motion for solving the flow in the pipeline is shown in the form of Darcy's law, which has the same form as the equation of motion in the ground, the equation (B) in the figure is obtained. The simplified equation (B) as the second equation of motion is shown below.
ここで、Ｖは管路内の断面平均流速（cm/sec）を示す。 Here, V indicates the average sectional flow velocity (cm / sec) in the pipeline.
そして、管路内の運動方程式を簡略化されたダルシー則の形式で表すために、等価透水係数Ｋｂを導入する。この等価透水係数Ｋｂは、図７の（Ａ）式及び（Ｂ）式から、（Ｃ）式のように示すことができる。（Ｃ）式を以下に示す。 Then, an equivalent hydraulic conductivity Kb is introduced in order to represent the equation of motion in the pipeline in the form of a simplified Darcy's law. This equivalent hydraulic conductivity Kb can be expressed as shown in equation (C) from equations (A) and (B) in FIG. The expression (C) is shown below.
ここで、ｇは重力加速度、Ｄは管路径（口径）、ｆは摩擦損失係数を示す。 Here, g is the gravitational acceleration, D is the pipe diameter (diameter), and f is the friction loss coefficient.
そして、ここまでの検討結果に基づいて、本実施の形態の地下水流の数値解析方法における支配方程式を図８に示した。この図に示すように、地盤（湧水帯１１）内の支配方程式については、飽和・不飽和の浸透流解析の式として示すことができる。さらに、管路（ボーリング孔２）内の支配方程式についても、地盤内と同様の形式で示されて、ダルシー型非線形問題として解くことができるようになる。 FIG. 8 shows a governing equation in the numerical analysis method of the groundwater flow according to the present embodiment based on the results of the examination so far. As shown in this figure, the governing equation in the ground (spring zone 11) can be expressed as a saturated / unsaturated seepage flow analysis equation. Further, the governing equation in the pipe (bore hole 2) is also shown in the same form as in the ground, and can be solved as a Darcy type nonlinear problem.
図９は、本実施の形態の地下水流の数値解析方法における等価透水係数Ｋｂの計算処理の流れの一例を説明する図である。まず、ボーリング孔２の長さを軸方向に複数の区間に分割し、それぞれの節点の全水頭ｈｉと、それぞれの区間のボーリング孔内の断面平均流速Ｖｊとを初期条件として設定する。 FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a flow of a process of calculating the equivalent hydraulic conductivity Kb in the numerical analysis method of a groundwater flow according to the present embodiment. First, dividing the length of the borehole 2 in the axial direction into a plurality of sections, setting the total hydraulic head h i of each node, and a cross-sectional average flow velocity V j in the borehole of each section as an initial condition.
そして、設定された初期条件と図中の（Ｄ）式から損失水頭ｈｆｊを算定し、さらには（Ｅ）式から等価透水係数Ｋｂｊを算定する。そしてこのようにして設定された値を使用して数値解析（ＦＥＭ）を行い、全水頭ｈｉとボーリング孔内の断面平均流速Ｖｊとを決定する。数値解析は、相対誤差が所定値内に収まり収束判定がされるまで繰り返される。 Then, the head loss h fj is calculated from the set initial conditions and the equation (D) in the figure, and the equivalent hydraulic conductivity K bj is calculated from the equation (E). And performs numerical analysis (FEM) using the thus set value, determines the cross-sectional average flow velocity V j in the total head h i and borehole. The numerical analysis is repeated until the relative error falls within a predetermined value and the convergence is determined.
次に、本実施の形態の地下水流の数値解析方法の作用について説明する。 Next, the operation of the numerical analysis method for groundwater flow according to the present embodiment will be described.
このように構成された本実施の形態の地下水流の数値解析方法は、地盤１（湧水帯１１）内の地下水流を解くための第１の運動方程式（数１）と、ボーリング孔内の流れを解くための第２の運動方程式（数２）とを連成して解くため、ボーリング孔２内の圧力損失の影響を考慮した精度の高い予測を行うことができる。 The numerical analysis method of the groundwater flow according to the present embodiment configured as described above includes a first equation of motion (Equation 1) for solving the groundwater flow in the ground 1 (spring zone 11), and a method of analyzing the groundwater flow in the borehole. Since the second equation of motion (Equation 2) for solving the flow is coupled and solved, highly accurate prediction can be performed in consideration of the effect of the pressure loss in the borehole 2.
また、等価透水係数Ｋｂを導入して、ボーリング孔２内の流れを解くための第２の運動方程式（数２）を第１の運動方程式（数１）と同様の形式で表すことで、計算負荷が低減されて、迅速な予測解析を行うことができる。 By introducing the equivalent hydraulic conductivity Kb and expressing the second equation of motion (Equation 2) for solving the flow in the borehole 2 in the same form as the first equation of motion (Equation 1), The calculation load is reduced, and quick prediction analysis can be performed.
この結果、ボーリング孔２の長さ、口径、配置位置及び配置本数など、水抜きボーリングの最適設計が可能になる。すなわち、従来の地下水解析手法では評価できなかったボーリング孔２内の圧力損失の影響を定量的に評価できるため、より実際の現象に近い予測に基づく対策設計が可能になる。 As a result, optimal design of drainage boring such as the length, diameter, arrangement position, and number of boring holes 2 becomes possible. That is, since the effect of the pressure loss in the borehole 2 that cannot be evaluated by the conventional groundwater analysis method can be quantitatively evaluated, a countermeasure design based on a prediction closer to an actual phenomenon can be performed.
また、計算負荷を大幅に低減できることによって、工事の進捗に合わせて順次取得される情報（水圧、地質などのデータ）をフィードバックさせた迅速な対策設計が可能になる。 Further, since the calculation load can be greatly reduced, it is possible to design a quick countermeasure by feeding back information (data such as water pressure and geology) sequentially acquired in accordance with the progress of the construction.
次に、前記実施の形態で説明した地下水流の数値解析方法を検証するために行った解析について、図１０を参照しながら説明する。なお、前記実施の形態で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については、同一用語や同一符号を付して説明する。 Next, analysis performed to verify the numerical analysis method of groundwater flow described in the above embodiment will be described with reference to FIG. Note that the same or equivalent parts as those described in the above embodiment will be described using the same terms or reference numerals.
検証は、地盤１の湧水帯１１に向けて１本のボーリング孔２を設けたときの定常解析として行う。ここで、湧水帯１１をモデル化した解析メッシュを湧水帯モデルＭ１とし、ボーリング孔２をモデル化した線要素をボーリング孔モデルＭ２とする。 The verification is performed as a steady analysis when one borehole 2 is provided toward the spring zone 11 of the ground 1. Here, an analysis mesh that models the spring zone 11 is defined as a spring zone model M1, and a line element that models the borehole 2 is defined as a borehole model M2.
湧水帯モデルＭ１の物性値は、透水係数を1.0×10-5(m/s)に設定し、比貯留係数を1.0×10-7(1/m)に設定した。また、ボーリング孔モデルＭ２では、口径を100mmに設定し、粗度（摩擦損失係数ｆの設定に使用）を1.0mmに設定した。 Regarding the physical property values of the spring zone model M1, the permeability was set to 1.0 × 10 −5 (m / s), and the specific storage coefficient was set to 1.0 × 10 −7 (1 / m). In the bore hole model M2, the diameter was set to 100 mm, and the roughness (used for setting the friction loss coefficient f) was set to 1.0 mm.
さらに、湧水帯モデルＭ１の両端の境界条件を、2000mの静水圧の水頭固定とし、影響半径を2000mとした。また、湧水帯モデルＭ１の厚さは100mとし、その中心に向けてボーリング孔モデルＭ２を水平に設けた。ボーリング孔モデルＭ２は、長さが200mで、100mが湧水帯モデルＭ１に貫入される。そして、ボーリング孔モデルＭ２の孔口の圧力を大気圧（Ｐ＝０）とし、地下水は湧水帯モデルＭ１に貫入された100m区間から流入するものとした。 Furthermore, the boundary conditions at both ends of the spring zone model M1 were fixed at a hydrostatic pressure of 2000 m and the radius of influence was 2000 m. The thickness of the spring zone model M1 was 100 m, and a borehole model M2 was provided horizontally toward the center. The boring hole model M2 has a length of 200 m, and 100 m penetrates the spring zone model M1. Then, the pressure at the opening of the borehole model M2 was set to the atmospheric pressure (P = 0), and the groundwater flowed from the 100 m section penetrated into the spring zone model M1.
こうした解析モデルと条件で、地下水流の数値解析を実施した結果、ボーリング排水量は8.1m3/minとなり、これによって生じる圧力損失は729mという値が得られた。因みに理論解でも、8.1m3/minのボーリング排水量によって生じる圧力損失は729mという値になる。 As a result of numerical analysis of groundwater flow using these analytical models and conditions, the boring drainage was 8.1 m 3 / min, and the resulting pressure loss was 729 m. Incidentally, even with the theoretical solution, the pressure loss caused by the drilling displacement of 8.1 m 3 / min is 729 m.
このように単孔の定常解析において前記実施の形態で説明した地下水流の数値解析方法を検証した結果、理論解と同じ値が得られた。要するに、上述したような簡略化した第２の運動方程式（数２）を適用することで、短い時間で精度の高い地下水流の数値解析を行うことができるようになる。 As described above, the same value as the theoretical solution was obtained as a result of verifying the numerical analysis method of the groundwater flow described in the above embodiment in the steady analysis of the single hole. In short, by applying the above-described simplified second equation of motion (Equation 2), it is possible to perform highly accurate numerical analysis of the groundwater flow in a short time.
なお、この他の構成及び作用効果については、前記実施の形態と略同様であるため説明を省略する。 In addition, other configurations and operational effects are substantially the same as those of the above-described embodiment, and thus description thereof is omitted.
以上、図面を参照して、本発明の実施の形態及び実施例を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態及び実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。 As described above, the embodiments and examples of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to these embodiments and examples, and does not deviate from the gist of the present invention. Design changes are included in the present invention.
例えば、前記実施の形態及び実施例では、地盤１の湧水帯１１のみを地盤内として解析する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、明確な湧水帯１１が設定できない地盤の解析にも適用することができる。 For example, in the above-described embodiments and examples, the case where only the spring zone 11 of the ground 1 is analyzed as being inside the ground has been described. However, the present invention is not limited to this, and the ground where the clear spring zone 11 cannot be set can be set. Can also be applied to the analysis of
１ 地盤
１１ 湧水帯
２，２Ａ−２Ｃ ボーリング孔
３，３Ａ−３Ｃ トンネル
1 ground 11 spring zone 2, 2A-2C boring hole 3, 3A-3C tunnel
Claims (2)
地盤内の地下水流を解くための第１の運動方程式を設定するステップと、
前記ボーリング孔内の流れを解くための第２の運動方程式を前記第１の運動方程式と同様のダルシー則の形式に設定するステップと、
前記ボーリング孔が設けられた地盤をモデル化した解析メッシュを使って前記第１及び第２の運動方程式を適用して地下水流の解析を行うステップとを備え、
前記第２の運動方程式をダルシー則の形式で表すために等価透水係数が導入されることを特徴とする地下水流の数値解析方法。 A numerical analysis method of groundwater flow in a ground provided with a borehole,
Setting a first equation of motion for solving groundwater flow in the ground;
Setting a second equation of motion for solving the flow in the borehole to a form of Darcy's law similar to the first equation of motion;
Analyzing the groundwater flow by applying the first and second equations of motion using an analysis mesh that models the ground provided with the boring holes,
A numerical analysis method of a groundwater flow, wherein an equivalent hydraulic conductivity is introduced to express the second equation of motion in the form of Darcy's law.
地盤内の地下水流を解くための第１の運動方程式を下記数１に設定するステップと、
前記ボーリング孔内の流れを解くための第２の運動方程式を下記数２に設定するステップと、
前記第２の運動方程式の等価透水係数Ｋｂを下記数３に設定するステップと、
前記ボーリング孔が設けられた地盤をモデル化した解析メッシュを使って前記第１及び第２の運動方程式を適用して地下水流の解析を行うステップとを備えたことを特徴とする地下水流の数値解析方法。
Setting a first equation of motion for solving the groundwater flow in the ground to Equation 1 below:
Setting a second equation of motion for solving the flow in the borehole to:
Setting the equivalent hydraulic conductivity Kb of the second equation of motion to:
Analyzing the groundwater flow by applying the first and second equations of motion using an analysis mesh that models the ground provided with the boreholes. analysis method.
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