岩溶管道水汇流理论的研究与应用

岩溶管道中贮存有丰富的地下水可供开发利用。在建成的岩溶水库的来水中，８０％以上是通过岩溶管道中渗漏出来，而岩溶裂隙网中的漏水量仅占１０～２０％。因此，在开发利用中，钻孔若遇不到岩溶管道，则出水少或根本无水，可见研究岩溶管道水的重要意义。本文叙述了对岩溶管道水的类型及其汇流特性、汇流理论的ｕｉ与Ｉ的非线性关系、岩溶管道水汇流的物理模拟试验、岩溶管道水汇流理论在岩溶渗漏计算中的应用等四方面研究与应用。     

裂隙-管道介质泉流量衰减过程试验研究及数值模拟

岩溶多重介质含水系统泉流量特征的研究对岩溶水资源的开发利用具有重要的指导意义。利用自主研发的裂隙-管道介质物理模型,模拟岩溶裂隙-管道介质的泉流量衰减过程,设计多组试验探讨不同因素对泉流量衰减过程的影响。试验结果表明,衰减过程随释水介质的变化分为3个亚动态;衰减系数的大小主要受泉口大小、补给状态、含水介质初始蓄水状态的影响。基于物理试验结果,通过Visual MODFLOW软件结合等效渗透系数法建立符合物理模型机制的水流数值模型,对数值模型进行参数灵敏度分析,研究模型内部结构对泉流量过程的影响。结果表明,排水沟的综合水力传导系数对泉流量过程影响最大,垂直层面裂隙等效渗透系数的影响次之,管道等效渗透系数的灵敏度再次之,泉流量过程对层面裂隙等效渗透系数最不敏感。     

基于示踪试验的岩溶管道及水力参数定量解析

以云南省丽江九子海洼地-甘泽泉一带岩溶地下水示踪试验为例,探究示踪试验在岩溶地下水通道研究中的应用。根据研究区水文地质条件,分析了地下水连通性及流场特征、推测岩溶通道位置,并结合Qtracer2计算模型对示踪剂穿透曲线（BTC）进行定量分析,同时也得出了岩溶管道结构参数及水力参数。试验结果表明,九子海洼地-甘泽泉一带存在水力联系,且还有其他岩溶通道存在。由此可判定地下水处于缓速紊流状态。Qtracer2程序可以实现示踪剂穿透曲线（BTC）的定量解析。      

基于ＢｌｏｃｋＤｙｎａ的裂隙岩体压水灌浆规律数值模拟研究

采用块体动力学分析系统（ＢｌｏｃｋＤｙｎａ）中的渗流模块,对裂隙岩体中的压水灌浆规律进行了数值模拟。采用达西渗流模型描述压水过程,采用宾汉渗流模型描述灌浆过程,分别探讨了裂隙数量、裂隙开度对压水吕荣值及灌浆注入量的影响规律。计算结果表明,随着裂隙数量、裂隙开度的增大,吕荣值及浆液注入量均呈现逐渐增大的趋势。裂隙开度对压水吕荣值的影响是二次方关系,裂隙条数是一次方关系,裂隙开度对压水吕荣值的改变更为敏感。由于裂隙随机性及浆液进入截止开度等因素的影响,使得浆液最终注入量会出现局部反常现象。     

气孔构造岩石裂隙渗透特性及其渗流量预测方法

低雷诺数下岩石光滑裂隙渗流流量可用立方定律描述,而气孔构造岩石裂隙的渗透特性与之不同,需进一步研究。为此,首先开展了气孔构造裂隙渗透试验,获得了气孔构造单裂隙渗流流量与不同水力坡降、等效水力缝宽、气孔最大深度、气孔等效直径、气孔面积占比5个因素共382组试验数据;然后分别采用传统的回归分析和新出现的机器学习算法对试验数据进行分析,研究气孔构造岩石裂隙渗流量预测方法,通过回归分析,得到气孔构造裂隙渗流量预测公式;最后基于机器学习中的随机森林算法,建立了气孔构造岩石裂隙渗流流量预测模型,并分析了影响气孔构造岩石裂隙渗流量的各因素的重要性。结果表明：影响气孔构造岩石裂隙渗流流量的主要因素为水力坡降和等效水力缝宽,其他影响因素的重要性之和小于15%;回归所得流量预测公式形式简洁,抓住了主要影响因素,但其拟合优度不是很高（R²=0.90）,这是因为回归分析会忽略其中的次要影响因素;随机森林预测模型包含次要因素的影响,预测效果（R²=0.97）显著优于回归预测公式,在预测复杂裂隙构造渗流量预测方面更有优势。     

落水洞直径对岩溶泉流量影响的试验研究

基于裂隙-管道介质物理模型,通过设计多组试验方案,研究落水洞直径的改变对岩溶含水系统调蓄能力及泉流量过程的影响。经试验数据分析发现:调蓄系数随着落水洞直径增大而增大;在低强度下,落水洞直径的改变对裂隙和落水洞共同释水阶段的衰减能力影响不大,而在高强度下,其衰减能力随着落水洞直径的增大明显减小;底部管道释水阶段的衰减系数不受补给强度和落水洞直径的影响,其值约为0.0017 1/h;调蓄系数与第一阶段衰减系数的乘积与落水洞直径无关,与补给强度呈负相关关系。     

考虑应力状态的裂隙岩体渗透系数张量计算

渗透系数张量的正确确定是进行大范围裂隙岩体渗流计算的基础.以实测岩体不连续面的几何特征和统计参数为基础,利用立方定律计算渗透系数张量时,还必须进行裂隙粗糙度、裂隙网络连通程度的修正,并考虑应力变化对渗透系数的影响.对取自丹江口水库库区的辉绿岩剪切裂隙进行了不同围压和裂隙水压力下的渗透试验,结果表明:裂隙的渗透系数与净围压的关系符合指数函数特征,而随着裂隙水压力的增大,裂隙面两侧基岩发生附加变形,导致渗透系数增大.在此渗流试验的基础上对渗透系数进行考虑三向应力和裂隙水压力变化的修正后,得到新的渗透系数张量计算公式.对丹江口水库库区某段裂隙岩体渗透系数张量的计算实例表明,修正后的渗透系数张量更符合实际.     

落水洞水位对水文情景响应变化的试验研究

岩溶含水系统水流运动规律的研究对岩溶地区水资源可持续利用和经济发展具有重要意义。物理模型一定程度上可以随意设置不同的试验条件及水文情景,是研究岩溶水流运动规律的有效工具之一。利用自行设计研制的裂隙网络-管道双重介质物理模型,设置3种不同的补排关系、6个不同的泉口直径、3个不同的含水层倾角,研究落水洞水位变化规律。结果表明:补给大于排泄、含水层无倾角时,落水洞水位呈对数曲线趋势上升;补给大于排泄、含水层有倾角时,落水洞水位变化可用二次函数描述;补给小于排泄、含水层无倾角时,落水洞水位呈阶梯状下降,且阶梯个数与层面裂隙条数相等;补给小于排泄、含水层有倾角时,落水洞水位呈直线下降。同一泉口直径,无论含水层有无倾角,落水洞水位下降可由同斜率、不同截距的直线簇表达。     

大理岩裂隙渗流特性及充填砂土影响

利用自行研制的岩石裂隙渗流系统,对9个不同裂隙面形貌的大理岩试样分别进行充填和未充填裂隙渗流试验,研究了不同法向应力条件下,加卸载过程、水头差大小、裂隙面形态、充填砂土粒径及厚度等因素对裂隙渗流的影响。试验结果表明:裂隙未充填时,在法向加载阶段,渗流量随水头差的增大呈线性递增,渗流量随法向应力的增大呈负指数减小,并得到了包含裂隙面三维形貌参数坡度均方根S_q的渗流量和法向应力关系式;单位水头流量与力学隙宽呈指数关系,指数平均值为3.01,基本符合立方关系。因此,通过增加修正参数得到了修正的立方定律,其中修正参数与裂隙面的三维形貌参数S_q呈指数关系。在法向卸载阶段,渗流量随法向应力的降低基本不变,相较于加载阶段,卸载阶段法向应力对渗流量的影响明显降低;相较于未充填裂隙,充填裂隙闭合量、裂隙面形态、法向应力在加载和卸载阶段对渗流量的影响均较小,充填砂土的粒径或厚度越大,相同法向应力下裂隙渗流量越大。     

岩溶含水层水流模型研究进展

以岩溶含水层的复杂结构和水流运动特性为重点,简要阐述了岩溶含水层系统中物理概念和水流模型,包括等效连续介质模型、裂隙网络模型、双重介质模型、三重介质模型、连续管流耦合模型以及Darcy-Stokes耦合模型,对各模型特点及在应用中的优缺点进行了分析比较和评述,指出Darcy-Stokes耦合模型可以广泛应用于岩溶含水层的水流模拟细观研究;三重介质模型能较真实反映简单结构岩溶含水介质及岩溶水流态复杂性,应用和发展前景非常广阔。已有岩溶水流运动数学模型还不能够真正解决工程实际问题,有待进一步探索;在岩溶含水层非饱和水流运动机理、交叉岩溶裂隙水力特性、水文地质不确定性以及多场耦合数学模型研究等方面也有待进一步发展。     

某水利枢纽区渗漏性状分析与防渗处理建议

某水电站建成蓄水后,量水堰便出现了流量较大的渗漏,且随着库水位的抬升,渗漏量呈现出逐渐增大的趋势。此外,渗水水温高于库水,具温水的特征。为了对渗漏原因与渗漏通道进行分析,采用水文地质测绘、水文地质钻探、压水试验、水质全分析、孔内电视、地下水观测等综合勘察方法查明了坝址区岩体透水性、地下水渗流场、渗水特征及水化学特征。结果表明:早期渗水由浅表循环的冷水和深部循环之热水混合而成,且以冷水为主;坝基及绕坝渗漏通道以岩层层面和两组节理为主,属裂隙型渗漏。在此基础上,利用回归分析预测得到库水达正常蓄水位时,量水堰渗漏量为1 728.40 L/s,据此,提出了防渗处理建议。经防渗处理后,库水位达正常蓄水位时,渗漏量减至270 L/s,防渗效果明显。     

考虑水流温度影响的三维岩体裂隙网络非稳定渗流场数值分析

水流温度对裂隙岩体中渗流场分布规律的影响是岩体水力学研究的热点问题。在分析水流温度对裂隙水流影响机理的基础上,建立了考虑水流温度影响的岩体裂隙渗流场数学模型,采用有限元法对其进行数值求解。研究结果表明：考虑水流温度影响较不考虑水流温度影响的渗流场水头值普遍偏高;水流温度对渗透系数的影响在水流温度影响渗流场分布的过程中起主导作用;裂隙宽度越大,水流温度对裂隙渗流场的影响越明显。     

裂隙水对地震引起的断层活化的动力响应研究

采用UDEC数值模拟方法,研究了在El-Centro地震波作用下某倾角为25°的逆断层活化过程中地下裂隙介质水的动力学特征规律。在加载加速度幅值为0.1,0.2,0.4,0.6,0.8 g和1 g El-Centro地震波时,将地下裂隙水渗透速率数值模拟结果与地下裂隙介质水动力理论的分析结果进行了对比。对比结果表明:输入地震波加速度幅值接近断层活化阈值时(0.8 g),地下裂隙水渗流速度时程曲线表现出强烈的波动性,产生强烈波动性的主要原因是地震引起了裂隙渗流通道宽度的变化。此外地震产生的惯性力也是造成地下水渗流速度变化的原因之一,时间单元内的裂隙水渗流时间曲线同样满足裂隙介质水渗流规律。     

单裂隙层状岩体渗流模型研究

介绍了岩体渗流研究所涉及的渗流介质、岩体结构、分析方法，以及渗透系数；界定了层状岩体渗流模型的材料特性和定解条件，推导了单裂隙层状岩体渗流模型，讨论了应用该模型的方法，以期能为裂隙岩体渗流研究提供些许理论参考。     

灰色关联法在地铁隧道结构应力预测中的应用

西安地处国内地裂缝发育最强烈的汾渭盆地,已经出露地表和隐伏的地裂缝达14条。地裂缝已成为西安市地铁施工及运营中的一种典型地质灾害,地裂缝的活动性会造成地铁隧道结构扭曲及衬砌面开裂渗漏水,直接影响地铁的施工及安全运营。灰色关联分析法作为灰色系统控制理论中的一种方法在工程技术系统应用较少,利用灰色关联分析法的基本原理结合地裂缝活动作用下隧道结构的界面力学特征建立了地铁隧道结构应力的预测模型,对地铁隧道结构与地裂缝相交时的应力值进行了预测。预测结果可为地铁隧道的安全监测提供预警判据。     

裂隙倾角对石油洞库水封效果的影响

结合某大型地下水封石油洞库工程,采用离散单元法,运用UDEC软件,模拟了不同工况下,不同倾角裂隙的存在对洞库渗流场的影响,并进而分析了在各渗流场情况下,洞库的水封效果的变化。结果表明:洞库周边的裂隙水压随角度增大而增大,在20°至40°中,裂隙水压快速增大,在40°至70°中,裂隙水压缓慢增大;相同水封措施对倾角较小的裂隙岩体的水封效果比大倾角裂隙岩体的水封效果差,要维持同等的水封效果就需要加大水幕洞水头,但是小倾角洞库的涌水量较大倾角洞库的小。     

降雨入渗条件下考虑裂隙和风化对煤系土堑坡稳定性影响分析

利用非饱和瞬态渗流有限元程序对不同裂隙和风化深度的煤系土堑坡进行了降雨入渗坡体渗流场数值计算和分析。并基于非饱和土力学强度理论,应用Morgenstern-Price方法,调用不同裂隙和风化深度的渗流计算结果对煤系土堑坡的瞬态稳定性进行了研究。结果表明:降雨对煤系土堑坡渗流场的影响仅局限于裂隙和风化区,堑坡内部渗流场的分布几乎没有变化;同时考虑裂隙和风化时,安全系数受降雨影响大,降雨入渗很容易引起堑坡的失稳。因此,在研究煤系土堑坡降雨入渗和稳定性分析中应考虑裂隙和风化层的影响,且研究成果为煤系土堑坡设计、施工和稳定性分析提供了依据。     

芭蕉河二级水电站双曲拱坝左坝肩地质缺陷处理

芭蕉河二级水电工程由于前期地质勘探投入不足 ,在工程建设过程中出现了一些地质问题 ,如 :左坝肩J7裂隙周围岩体破碎、严重风化 ,存在层间裂隙溶洞群 ,坝基渗漏等。介绍了堵漏措施 :采用水泥砂浆冲填层间裂隙和溶洞 ,再用纯水泥浆注入补强 ;在水库蓄水情况下 ,采用钻孔引流 ,蓄浆、排水等处理措施堵塞了渗漏     

裂缝参数对压裂水平井产能影响规律分析及重要性排序

基于等效井径模型、裂缝内线性流动模型、井筒变质量流动模型,运用势叠加原理,建立了压裂水平井油藏渗流与井筒管流耦合模型.研究分析了裂缝参数对其压裂水平井产能影响规律,并运用灰色关联因素分析方法,给出了裂缝参数对其产能影响的重要性排序方法,解决了压裂水平井裂缝参数重要性排序问题.同时该耦合方法可以推广应用到多分支复杂结构井的油藏渗流与井筒管流的耦合.     

并行电法在快速检测水坝渗漏 通道中的应用

为改进堤坝电阻率测试技术,提出了并行电法快速检测方法并建立相应的检测系统。通过在水坝背水坡不同高程布置测线,将供电负极分别置于库内堤坝左侧、中间和右侧水位下用AM法（单极供电）采集数据,按空间坐标组合电位数据体实现立体电阻率反演。现场试验表明,并行电法测试系统工作效率高、电阻率成像清晰,对水坝渗漏通道追踪效果明显,提升了水坝渗漏通道检测的识别能力。