裂缝性油藏等效渗透率张量计算及表征单元体积研究

给出了利用等效渗透率张量来确定裂缝性油藏表征单元体积的方法。根据裂缝系统属性参数的统计资料,利用裂缝网络模拟技术建立了离散裂缝网络模型。建立了求解裂缝性油藏等效渗透率张量的数学模型,并给出了边界元求解方法。在此基础上,提出裂缝性油藏表征单元体积的确定方法,分析了裂缝实际分布及其属性参数对研究区域渗透特性和表征单元体积的影响。研究结果为裂缝性油藏渗流分析的参数确定提供了理论依据。     

大坝混凝土楔入劈拉试验的并发多尺度区域分解数值模拟

并发多尺度区域分解法应用于复合材料力学性能的多尺度数值试验研究,可在同一有限元模型中分别实现对损伤子区域的高精度细观网格剖分和对线弹性子区域的高效率宏观网格剖分。采用随机骨料模型模拟大坝混凝土细观结构,再结合并发多尺度区域分解法,建立了大坝混凝土的并发多尺度区域分解有限元模型;然后,将模型应用于全级配随机凹凸型骨料试件的楔入劈拉试验数值模拟。计算结果表明:(1)该模型能够重现大坝混凝土楔入劈拉试件的跨尺度破坏过程,计算所得的P_h-CMOD曲线以及宏观裂缝区扩展模式均与已有文献的物理试验结果相符;(2)模型的最终计算规模仅为全细观尺度有限元模型计算规模的43.18%。数值试验模拟结果与物理试验所得结果的一致性说明模型合理,此外,计算规模的减小使得模型的计算效率得到了显著提升。     

河道有限元网格自动剖分方法研究

由于河道边界条件的复杂性及计算精度的要求,如何对计算域进行快速有效的剖分显得尤为重要。基于推进波前法,提出了一种适合于河道平面二维区域的网格自动剖分新方法,并建立了河道网格自动剖分系统。该方法简单、可靠、适用性强,能实现网格的自动生成、地形的自动剖分及图形的自动绘制等功能,有效解决了河道有限元计算前处理工作量大的困难。     

具有指定边界网格间距和正交性的BFC网格生成方法

边界拟合曲线坐标(BFC)网格生成的质量直接影响流场的数值模拟精度和收敛速度,而如何选取生成BFc网格的Possion方程右端调节因子P和Q,则关系到生成的BFC网格质量.本文提出了一种可以同时实现控制网格正交性和控制边界网格间距的BFC网格生成的新方法.该方法可任意控制生成的网格边界间距大小,同时,生成的BFC网格还具有边界及内部较好的正交性.应用实例的计算结果表明,该方法能够对复杂边界的单连通域或多连通域生成较理想的BFc网格,网格分布能够适应流动参数的变化.     

混凝土裂缝扩展模拟研究进展

对20世纪60年代以来国内外混凝土裂缝扩展模拟的方法进行了系统总结,简单了介绍各种方法的基本思想,并对目前国外普遍采用的嵌入不连续模型及其派生出来的SOS,KOS和SKON模型进行了详细介绍,分析了不同方法的优缺点.嵌入不连续模型中的SKON模型具有不需要重新剖分网格、计算结果受网格尺寸影响小的优点,因此被认为是现有有限元模拟混凝土裂缝扩展方法中较为实用的方法,并可以推广到岩石及类混凝土材料裂缝扩展模拟的研究中.     

多介质复杂区域四边形网格自动剖分算法及应用

提出一种四边形网格自动剖分的改进行波算法。无需设置背景网格,将多介质复杂区域分成多个封闭子域,由AutoCAD模型自动提取各封闭子域边界的点线信息,利用网格密度参数和封闭域点线的拓扑关系控制内部节点的生成,采用总体密度和临近子域的相对大小控制网格疏密,通过网格质量评价体系和多重优化措施保证网格质量。先将计算域剖分为三角形网格, 优化后通过合并、分解生成四边形单元,再次对四边形单元进行优化处理即可获得优良的四边形网格。某铁路路堤工程断面和瀑布沟电站厂房2#机组断面计算域的网格剖分实例验证了该方法的可行性和可靠性。     

非结构网格浅水方程隐式解法

基于非结构网格模拟河道复杂边界的研究域,应用算子分裂法剖分浅水方程,采用有限体积法离散,建立隐式格式的通量计算,构造一种模拟二维水流运动的隐式算法。该方法具有计算稳定的特点,并应用于长江南京段分汊河道的流场模拟,计算结果与实测结果吻合良好,验证了算法的可行性和有效性。     

河道油藏的自适应网格积分方程粗化算法

本文以河道的观测深度为确定性数据由贝叶斯理论通过随机建模的方法生成横截面为抛物线形状的河道油藏边界面。在粗网格内先统计渗透率在粗化网格的概率分布,然后由渗透率积分方程利用渗透率在粗化网格中的概率分布计算粗化网格的等率渗透率,再利用等效渗透率计算粗化网格的压强分布。计算压强时并将渗透率自适应网格技术应用于河道油藏的粗化算法中。在渗透率或孔隙度变化异常区域自动采用精细网格,用直接解法求解渗透率或孔隙度变化异常区域的压强分布,整个区域还采用了不均匀网格。利用本文方法计算了河道油藏的压强分布,结果表明河道油藏的不均匀自适应网格积分方程粗化算法的解在渗透率或孔隙度异常区的压强分布规律更逼近采用精细网格的解,在其他区域压强分布规律非常逼近粗化算法的解,但计算的速度比采用精细网格提高了100多倍。     

基于Total-FETI法的混凝土损伤分析子区域剖分研究

在整体有限元撕裂对接法和隐式梯度损伤模型结合的基础上,针对损伤子区域模拟的高精度要求和混凝土损伤扩展路径的不确定性问题,通过引入基于非局部损伤应变的子区域自适应更新方法,结合子区域更新误判修正,实现了混凝土损伤失效过程非线性子区域的高精度有限元网格自适应更新.同时,对L型混凝土试件进行不同子区域剖分数量和子区域分解形式...     

用有限差分模型反求高升水源各项补排量

根据含水层的结构变化、富水性特征、地下水等水位线的疏密程度,将计算区按三角形单元进行剖分;在计算区域剖分和时间剖分基础上,按均衡原理,建立不规则网格的有限差分模型;利用计算区的长期观测资料,对模型进行识别和验证,并反求水文地质参数和各项补排量。     

裂隙岩体渗流耦合数值分析方法及其工程应用

针对岩体中主干裂隙和网络状裂隙提出了耦合渗流数值模型模拟分析岩体地下水三维渗流的方法。使用离散介质渗流模型描述岩体主干裂隙中的水运动，使用连续介质渗流模型描述网络状裂隙中水运动。连续介质充满整个研究域，离散介质按主干裂隙的实际空间分布嵌入连续介质中，并依据裂隙壁水力条件耦合两者。该方法逐个计算主干裂隙的渗流，充分体现主干裂隙的特殊水力作用；同时又避免了逐个计算网络状裂隙中的渗流所带来的困难，可以在较大尺度上分析渗流，便于工程应用。理论例子显示它能比较客观地反映裂隙岩体的渗流特性。该方法被应用到乌江构皮滩水利枢纽岩体渗流的分析中。     

Fluid flow and connectivity in fractured rock

A numerical simulation using the boundary integral element method is used to solve fluid flow through a network of discrete fractures. The fracture network is composed of three orthogonal fracture sets, with fracture length, density, and location characterized by appropriate probability distributions. Emphasis is placed on understanding how fracture connectivity influences fluid flow within a network of fractures. Based on the percolation process, a three-dimensional discrete fracture model has been developed to investigate the effect of the percolation factor and the percolation frequency on connectivity and flowrate. The numerical model results indicate that there exists a sharp threshold flowrate for the case of constant mean fracture length and varying fracture volume density as well as for the case of constant fracture volume density and varying mean fracture length. The values of percolation threshold and critical percolation frequency are predicted to be approximately 1.1 and 0.35, respectively, for circular fractures. The results also indicate that an increase in the percolation factor increases the degree of interconnection and, thus, increases the flowrate of a fracture network.     

考虑裂隙迹长和开度相关性的随机裂隙网络数值模拟及渗流分析

基于蒙特卡罗法,引入裂隙迹线长度和开度的相关性函数,提出了一个改进的随机裂隙网络生成算法。利用MATLAB平台编制程序,实现二维裂隙网络的生成,通过与布尔模拟生成的真实裂隙场的比较,验证了改进算法的有效性和程序的正确性。然后借助离散裂隙网络渗流模型对生成的裂隙网络进行渗流分析。分别在考虑迹长开度相关性和不考虑二者相关性的条件下,计算了随机裂隙网络的渗流场,给出了下游边界出口裂隙流量分布和裂隙网络内部水压力的分布。计算结果表明,考虑裂隙迹线长度和开度的相关性能很好地反映裂隙网络渗流的结构特征,从而证明了所提方法的合理性。该模型是对随机裂隙网络模型的有效补充,可为岩体工程渗控分析提供理论基础和数值计算工具。     

COUPLING DISTINCT AND CONTINUOUS MEDIUM MODEL FOR FLOW ANALYSIS IN A FRACTURED ROCK MASS AND ITS APPLICATION

Fractures in a rock mass can be divided into dominant fracture system and network fracture system. An approach for the analysis of three dimensional ground water flow in a fractured rock mass is presented, in which flow in the dominant fracture system is described by a distinct medium model while flow in the network fracture system plus rock matrices (if considered) is described by a continuous medium model, and the two models are coupled by hydraulic head and flux. The coupling model facilitates to calculate one-by-one the fluid flow in the dominant fractures which are functioned as the major water transmission conduits, and it avoids unnecessary calculating fluid flow in individual network fractures which are numerous in number. In this way, the method can be applied to a large-sized calculation domain. In addition, a method of using network geometry data to calculate its equivalent porous permeability is presented in the paper, and the model implementation of water source and sink such as the pumping     

岩体分形离散裂隙网络系统中流体流动模拟研究进展

回顾了岩体裂隙系统的位置、轨迹长度、方位和开度等几何拓扑结构参数的分形特征表征方法,分析了CT扫描技术对分析裂隙分形特征的重要作用,系统介绍了逾渗理论在裂隙网络系统连通性研究方面的成果,并对基于Monte-Carlo随机模拟的岩体裂隙网络系统生成方法和岩体分形离散裂隙网络系统中流体流动模拟等研究成果进行了综述。基于岩体裂隙系统的分形特征和逾渗特征建立的离散裂隙网络系统模型能够真实反映岩体裂隙的结构特征,并揭示岩体分形离散裂隙网络系统中流体流动机理,但目前尚无大型的逾渗数值模拟商业软件,分形离散裂隙网络逾渗模型算法的实现将成为研究的热点。     

基于子域覆盖法的颗粒材料等效应变表达

针对颗粒介质材料等效应变的表达问题,提出了采用子域覆盖的方式建立颗粒体系等效连续介质场的方法,建立了等效场应变的表达,基于颗粒间接触点围成的颗粒单元建立了颗粒本体应变的表达。将颗粒体系整体变形分解为空隙变形和颗粒本体变形,通过等效场应变和颗粒本体应变建立了材料空隙域应变的表达,分别对本体变形及空隙变形进行描述。以离散元模拟为典型算例的计算结果表明:子域覆盖法建立的等效场应变计算方法不需要复杂的整体网格构建工作,易于算法实现;该应变将颗粒体系整体变形分解为空隙变形和颗粒本体变形,分别对本体变形及空隙变形进行描述,能够对颗粒材料本构特性进行表达。研究成果可为颗粒材料本构模型研究提供基础。     

坝基裂隙岩体三维灌浆数值模拟

坝基灌浆工程地质条件复杂且具有隐蔽性,如何建立能准确反映岩体内裂隙分布情况的三维随机裂隙网络模型,并进行浆液扩散特征的研究是灌浆数值模拟的关键和难点。现有研究大多通过岩体揭露面统计资料估计裂隙的几何参数,无法有效反映复杂裂隙真实特征,且灌浆模拟研究中多将裂隙简化为单一裂隙或规则裂隙网络。本文采用Monte Carlo法建立三维随机裂隙网络模型;提出三维裂隙宾汉姆流体灌浆数学模型,实现对随机裂隙内宾汉姆浆液扩散特征的研究;运用该模型对某水电站坝基裂隙岩体灌浆过程进行模拟,结果表明：浆液主要在与灌浆孔相交的裂隙内流动,灌浆压力在灌浆孔附近衰减速率最快且对浆液扩散的影响较为显著。同传统裂隙灌浆模拟相比,该方法能有效反映复杂裂隙的真实特征,获取更贴近实际工程的灌浆结果,为保障灌浆工程的安全建设和经济合理性提供了理论依据。     

基于分形理论的坝基裂隙岩体注灰量与导水率关系研究

由于天然岩体裂隙分布的隐蔽性和不确定性,很难准确评价天然裂隙岩体的渗透性和可灌性。离散裂隙网络作为描述天然裂隙网络的有力工具,能在一定程度上反应裂隙岩体的某些特征,但都是基于统计意义上的概率分布,无法反应裂隙网络参数的内部联系以及微观特征。Mandelbrot提出的分形几何是描述不规则物体的重要工具,研究发现裂隙网络中的裂隙迹长分布服从分形特征,很多学者利用这一理论对裂隙网络的渗透性进行了研究,推导了裂隙网络渗透系数的表达式。然而缺乏裂隙网络的可灌性和灌浆量的研究。本文首先利用裂隙网络的分形特征和裂隙迹长与隙宽的关系,建立了裂隙岩体导水率的分形模型,推导了裂隙岩体导水率与分形维数的关系表达式,并与已有研究结果进行了对比,证实了该关系式的可靠性。其次,分析了裂隙岩体灌浆注灰量与分形维数的关系,进而推导了注灰量与导水率的关系式,根据注灰量与导水率的关系曲线对灌浆区域的划分,定义了3个不同的灌浆区域:正常区域、微小裂隙区域和扩展区域,分别对应于正常灌浆、微小裂隙较多和裂隙扩展变形这3种不同的灌浆状态。最后,通过与工程实测数据的对比,证实了本文注灰量与导水率关系式的可靠性和适用性,也说明了3个灌浆区域的划分是合理并且重要的。因此,该关系式和灌浆区域的划分可以用来预测和评价实际工程灌浆施工的合理性和可灌性。     

岩体粗糙裂隙网络渗流分析的子单元法

岩体粗糙裂隙的细部特征对区域整体渗流分析影响很大,以往渗流分析往往没有考虑粗糙裂隙细部特征以及其对整体渗流分析的影响。提出子单元法来分析岩体粗糙裂隙网络渗流,则可以较好的分析上述影响。子单元法将每一裂隙当成一个单元,裂隙内部则分成若干子单元,裂隙单元的总体水力特征受所有的子单元联合作用控制,而细部水力特征由单一子单元体现。根据单裂隙开度分布统计规律模拟裂隙开度分布,将单裂隙等长分段(子单元),根据模拟开度参数求得裂隙中任一子单元的平均隙宽,进一步推导裂隙的单宽流量公式和子单元结点的水头公式。利用岩体裂隙网络渗流理论,结合粗糙单裂隙等宽流量公式,求得各裂隙结点水头,进一步求得裂隙的单宽流量,进而求得裂隙子单元水头和流速。通过分析可得粗糙裂隙网络渗流与平滑裂隙网络存在明显不同:(1)裂隙网络中任一裂隙单宽流量计算公式不同,粗糙裂隙的等效水力隙宽小于平均隙宽;(2)裂隙内水头分布形式不同,光滑裂隙呈直线状分布,而粗糙裂隙呈阶梯状分布;(3)组成裂隙网络渗流传导矩阵的计算公式不同,粗糙裂隙网络考虑了裂隙细部水力特征对渗流的影响;(4)粗糙裂隙子单元法考虑了裂隙开度分布不均匀对裂隙过流能力的影响,更加合理。本研究可为实际工程提供参考。