Effects of horizontal strain in estimating specific storage and compaction in confined and leaky aquifer systems

Abstract

 Mathematical and numerical distinctions are made between developments of governing equations involving groundwater flow and granular displacement where (1) only vertical strain and no change in total normal load are assumed, and (2) such limitations are eliminated. The former is referred to here as the Jacob-Terzaghi method; the latter is referred to as the Biot method. Numerical comparisons of drawdown, compaction, and strain are made for hypothetical confined and leaky aquifer systems for one- and three-dimensional strain problems. Simulation results indicate that incorporation of horizontal strain results in reduced drawdowns. Vertical compaction for a specified stress distribution is greatly reduced when horizontal strain is invoked. The distribution of strain components indicates that approximately two-thirds of the total volume strain originates from horizontal compaction in pumped aquifers. Incorporation of horizontal strain also affects the distribution of flux through the overlying confining layer as a function of distance from the pumping well and may ultimately affect the interpretation of aquifer-test data.

Résumé

Des distinctions mathématiques et numériques ont été faites dans les développements d'équations concernant les écoulements souterrains et le déplacement granulaire (1) en supposant uniquement une contrainte verticale et l'absence de changement dans la charge totale normale, et (2) en éliminant de telles limitations. La première se réfère ici à la méthode de Jacob-Terzaghi, la seconde à la méthode de Biot. Les comparaisons numériques de l'abaissement, de la compaction et de la contrainte sont faites pour des systèmes d'aquifères théoriques captifs et soumis à une drainance pour des problèmes de contraintes à une et trois dimensions. Les résultats des simulations indiquent que l'introduction d'une contrainte horizontale conduit à des abaissements réduits. La compaction verticale pour une distribution spécifiée de contrainte est fortement réduite lorsque la composante horizontale est prise en compte. La distribution des composantes des contraintes indique que les deux tiers environ de la contrainte sur le volume total a son origine dans la compaction horizontale dans les aquifères pompés. L'introduction d'une contrainte horizontale affecte aussi la distribution du flux au travers de la couche imperméable sus-jacente confinant l'aquifère, en fonction de la distance du puits de pompage, et peut finalement affecter l'interprétation des données d'essai d'aquifère.