水源热泵回灌井悬浮颗粒运移和沉积物理特性试验模型研究

针对地下水源热泵系统阻塞机制研究开发的砂层阻塞模拟试验系统,利用砾石颗粒作为多孔介质,以粉煤灰颗粒作为悬浮物,研究悬浮颗粒在砾石中运移和沉积时相对浓度与孔隙体积的关系。通过试验可知:(1)在3种不同流速试验条件下,悬浮颗粒在砾石介质中的运移和沉积主要经历了浓度的增加、骤减和平稳段,总体趋势是相同的,主要区别在于浓度的峰值有所不同,流速越大所对应的峰值越大,反之亦然。(2)给出的渗透率衰减模型对预见试验中悬浮颗粒的迁移所引起的孔隙率下降是有效的。(3)把理论分析方法同试验曲线比较后发现,余尾效应在本次试验中并没有出现,试验值和理论值具有较好的吻合性。     

水源热泵回灌困难颗粒阻塞试验研究

 以水源热泵回灌过程中物理堵塞现象作为研究对象,利用玻璃珠和砾石颗粒作为多孔介质,以碱性氧化铝作为悬浮颗粒,利用自行研制的砂层阻塞试验系统装置模拟多孔介质中悬浮颗粒的迁移和沉积过程,试验中介质运动速度控制在20～200 cm/min。研究悬浮颗粒在玻璃珠和砾石颗粒中沉积时水压力与流速关系,对悬浮颗粒在2种不同介质中的沉积机制进行分析;同时研究玻璃珠介质在相同的流速和不同的悬浮颗粒浓度下相对渗透率与时间的变化关系;最后给出渗透系数衰减模型,模型对预见渗透系数的降低是有效的。     

粒径对多孔介质中悬浮颗粒迁移—沉积特性的影响

粒径变化对悬浮颗粒在多孔介质中迁移—沉积过程影响的研究有重要意义。利用自主研发的砂层迁移—沉积模拟试验系统,研究不同粒径的悬浮颗粒在不同尺寸多孔介质中的迁移—沉积特性。结果表明,对于相同尺寸的多孔介质,随着悬浮颗粒粒径的增加,到达相对浓度峰值时间增加,而对应的相对浓度峰值降低;同时,对于相同粒径的悬浮颗粒,随着多孔介质尺寸增大,相对浓度峰值增加;另外,相对于多孔介质,悬浮颗粒粒径的变化对其迁移—沉积过程影响更为显著;随着多孔介质与悬浮颗粒粒径比增大,相对浓度的峰值和终值增大;根据粒径比不同将悬浮颗粒在多孔介质中的迁移—沉积类型划分为“滤饼过滤型”、“迁移—沉积型”、“自由迁移型”3种。研究结果为水源热泵回灌过程中悬浮颗粒在地层中的迁移—沉积特性进一步研究奠定了基础。     

多孔介质中沉积颗粒脱离特性试验研究

开展沉积颗粒在多孔介质中脱离过程试验对研究地下水源热泵回灌堵塞过程有重要意义。利用自主研发的砂层沉积–脱离模拟试验系统,研究增加渗流速度和改变渗流方向对多孔介质中已沉积颗粒脱离特性的影响。结果表明:在改变渗流速度大小条件下,渗流速度越大,已沉积的颗粒越容易发生脱离,到达悬浮颗粒相对浓度第二次峰值所需的时间越短,而达到二次峰值时所注入的水量接近;与改变渗流速度大小相比,用改变渗流方向的方式进行沉积颗粒脱离效果更为明显,到达二次峰值所需时间更短、水量更少,但随着时间增加,多孔介质中又会出现类似渗流方向改变前的堵塞现象;渗流条件变化后的初始阶段是已沉积颗粒脱离的主要时期。研究结果为水源热泵回灌过程中悬浮颗粒在地层中的沉积-脱离特性进一步研究奠定了基础。     

饱和砂层中颗粒迁移特性试验研究：温度效应

为探索温度对饱和砂层中悬浮颗粒迁移–沉积过程的影响,采用自主研发的砂层迁移–沉积模拟试验系统,分别进行不同温度下颗粒迁移–沉积特性试验和温度变化条件下颗粒迁移–沉积特性试验。试验针对4种粒径组合进行4种温度(5℃,15℃,25℃,35℃)条件下的相关试验。结果表明,在渗流速度保持不变时,温度越高,相对浓度峰值越低,而峰值时孔隙体积比值越高;而在温度相同时,渗流速度越高,相对浓度峰值越低,而峰值时孔隙体积比值越高。温度的变化能够显著影响含水砂层中悬浮颗粒的迁移过程,在升温时,与对照组相比,相对浓度值及悬浮颗粒浓度均有所下降,且变温时间越早,相对浓度值及悬浮颗粒浓度下降幅度越大。温度变化时穿透曲线存在着滞后现象,且小颗粒对温度变化更为敏感。温度变化可以通过改变流体黏性、吸附作用、颗粒动能及表面电势等影响悬浮颗粒在含水砂层中的运移过程,且主控因素随试验条件的变化而改变。     

地下水源热泵砂层阻塞试验研究（II）

介绍针对地下水源热泵系统阻塞机制开发的砂层阻塞模拟试验系统。该观测系统采取透射式观测,可实时、直接地观测阻塞物的空间变化。系统采用双向水流驱动,可模拟地下水源热泵系统回灌和回扬的渗流条件。分别利用玻璃珠和砾石颗粒作为多孔介质,以碱性氧化铝颗粒作为悬浮颗粒,通过数值模拟说明孔隙的不同引起孔隙内的流体的流速是不同的。模拟发现,在最小孔隙处流体的速度往往是最大的,而在最小孔隙处颗粒也最易发生堵塞。可为解决环境安全评估等提供试验基础。     

渗透作用下多孔介质中悬浮颗粒的迁移过程研究

对天然硅粉悬浮颗粒在饱和的石英多孔介质中的渗透迁移特性进行圆柱穿透试验,得到6种不同颗粒粒径(10,15,20,25,33,47μm)、3种不同颗粒浓度(0.2,0.5,0.8 mg/ml)、3种不同渗透速度(0.087,0.173,0.260 cm/s)和3种不同渗透方向(即自上向下,水平,自下向上)的颗粒穿透曲线,重点研究这些因素对悬浮颗粒迁移的水动力学过程、弥散效应、沉积效应等物理机制的影响。研究表明,当渗透速度相同时,颗粒穿透过程中的浓度峰值一般随颗粒粒径的增大而减小。而随渗透速度的增大,水动力学作用对颗粒迁移的影响越来越大,此时颗粒粒径大小的影响则逐渐减小。此外,存在一个临界浓度值,当注入的悬浮颗粒浓度大于该值时,随着注入悬浮颗粒浓度的增大,出流液中的颗粒相对浓度反而有减小的趋势,这与大量的悬浮颗粒进入多孔介质造成多孔介质孔隙的堵塞有关。     

温度和pH对多孔介质中悬浮颗粒渗透迁移的影响

基于悬浮颗粒迁移的经典模型,在颗粒沉积动力学方程中考虑释放效应,求解了瞬时注入情况下悬浮颗粒的一维迁移问题的解析解,同时对两种不同悬浮颗粒(硅微粉和聚苯乙烯微球)进行室内土柱试验,得到不同pH(4,7,10)、不同温度T(20℃,30℃,40℃)和不同流速(0.042,0.127,0.212 cm/s)下的迁移曲线。利用解析解对试验数据进行拟合并确定迁移参数,讨论了温度、流速对迁移参数的影响。研究表明:温度、pH、颗粒种类是影响多孔介质中悬浮颗粒迁移的重要因素,当pH=7,T≤30℃时,悬浮颗粒排斥力起主导作用,当T30℃时,布朗运动占主导作用;同时,随着流速的增大,水动力效应增大,温度对浓度峰值的影响不明显;随着pH的增大,聚苯乙烯微球在不同温度时的迁移曲线规律与硅微粉不同。     

粒径和渗流速度对多孔介质中悬浮颗粒迁移和沉积特性的耦合影响

 关于粒径和渗流速度的研究对更好地描述悬浮颗粒的迁移和沉积过程有着重要的意义。在不同的粒径和渗流速度条件下进行悬浮颗粒的室内土柱试验,对比分析不同条件下穿透曲线的变化规律。试验很好地克服了悬浮颗粒形状和化学因素等对试验结果的影响。试验结果表明,对于粒径相同的悬浮颗粒来说,流出液中悬浮颗粒的浓度峰值随渗流速度增大而增大,相应的沉积颗粒却随之减小;并且,渗流速度存在一个临界值(0.173 cm/s),大于该临界值,渗流速度的变化对悬浮颗粒的迁移特性的影响很小。其次,渗流速度相同时,流出液中悬浮颗粒的浓度峰值随粒径增大而减小,相应的沉积颗粒却随之增大;渗流速度越小,粒径对筛滤作用的影响越明显。     

多孔介质中悬浮颗粒迁移–沉积特性研究进展

研究多孔介质中悬浮颗粒的迁移–沉积特性对地下水回灌、石油开采、污染物迁移等问题具有重要意义。从数学模型和物理试验2个方面介绍和总结多孔介质中悬浮颗粒迁移–沉积特性研究现状。提出以现场监测及大量室内试验为手段,以不同条件下悬浮颗粒迁移–沉积特性研究为基础,以建立考虑颗粒速度修正系数、孔隙率修正系数、颗粒捕获率及孔隙率变化的颗粒迁移数学模型为前提的颗粒迁移–沉积特性研究方法。当前无论是物理试验还是数学模型研究,均存在很多不足:如未能准确描述多孔介质内部孔隙结构,没有考虑到颗粒在多因素耦合作用下的迁移–沉积特性,未能将宏观尺度下的过滤现象与细观尺度下的颗粒运动很好地结合等。因此认为以下4个方向是今后研究的重点和趋势:(1)开发动态三维试验装置;(2)建立完善的多孔介质空间模型;(3)建立多因素耦合影响下的颗粒迁移–沉积数学模型;(4)建立多孔介质多尺度颗粒分析方法与理论。     

温度和pH对多孔介质中悬浮颗粒渗透迁移的影响

基于悬浮颗粒迁移的经典模型,在颗粒沉积动力学方程中考虑释放效应,求解了瞬时注入情况下悬浮颗粒的一维迁移问题的解析解,同时对两种不同悬浮颗粒（硅微粉和聚苯乙烯微球）进行室内土柱试验,得到不同pH（4,7,10）、不同温度T（20℃,30℃,40℃）和不同流速（0.042,0.127,0.212 cm/s）下的迁移曲线。利用解析解对试验数据进行拟合并确定迁移参数,讨论了温度、流速对迁移参数的影响。研究表明：温度、pH、颗粒种类是影响多孔介质中悬浮颗粒迁移的重要因素,当pH=7,T≤30℃时,悬浮颗粒排斥力起主导作用,pH=7,T>30℃时,布朗运动占主导作用;同时,随着流速的增大,水动力效应增大,温度对浓度峰值的影响不明显;随着pH的增大,聚苯乙烯微球在不同温度时的迁移曲线规律与硅微粉不同。     

基于黏结颗粒模型某滑坡土石混合体直剪试验数值模拟

 介绍基于数字图像处理建立数值模型的基本过程,实现由现场数字照片直接生成土石混合体的颗粒流模型。以溪洛渡水电站坝址附近某滑坡土石混合体为例,基于实拍照片建立其细观数值模型,利用PFC2D程序分析碎石和土体数值模型中微观力学参数的反算问题,分别为滑坡体中的碎石和土体选定与其宏观力学特征相一致的微观力学参数,进行直剪试验的数值模拟,并与均质土体的模拟结果相比较。结果显示：利用双轴试验反算的土体微观参数运用于直剪试验获得的宏观力学参数与实际一致;一定含量的碎石使土石混合体的初始剪切刚度较均质土有所增大,达到峰值抗剪强度所需的剪切位移减少;假定土石界面的黏结强度为土体内部的1/10时,土石混合体的内摩擦角明显增大,而黏聚力则稍有减少;与均质土体直剪形成的破裂面相比,土石混合体模型中的裂隙部分集中于剪切面呈宽带状,部分存在碎石与土体分界面,基于此可定性探讨一定碎石含量的土石混合体抗剪性能优于均质土体的原因。     

深埋隧洞板裂化围岩预应力锚杆锚固效应试验研究及机制分析

 采用高强石膏配制板裂化模型试样,选用铝棒制作预应力锚杆模型,通过一侧约束条件下的单轴压缩试验,研究板裂化模型试样的预应力锚杆锚固效应。试验结果表明：加锚试样的峰值强度、残余强度及弹性模量均有不同程度的提高,试样峰后侧向变形显著减小,且随着预应力值的增大效果更为显著;与无锚试件岩板压折、岩片弹射的失稳破坏现象相比,加锚试件保持了较好的完整性,局部发生岩板断裂、脱落现象;试样变形破坏过程中,锚杆轴向应力变化分为线性缓慢上升期、非线性增长期和急剧上升期3个阶段,锚杆轴向应力的变化规律反映了其自身工作机制及板裂化模型试样变形特征。分析锚固机制认为,预应力锚杆的施加不仅有效降低了预制裂隙尖端拉应力集中程度,体现出抑制裂隙扩展的止裂作用,而且将试样劈裂形成的岩板加固为整体,有效抑制了岩板向临空面的屈曲变形,进而提高了试样的临界失稳荷载值。最后,基于试验结果的认识,提出针对板裂化围岩的“及时支护、区域控制及重点加固”的锚喷支护控制策略。     

深部非均匀岩体卸载拉裂的时间效应和主要影响因素

 深部地下工程围岩的拉伸破坏是一个常见的但没有得到充分研究的科学现象。岩石内部包含的缺陷和缺陷处的应力集中被认为与岩石在压应力作用下的拉伸破坏密切相关。基于应力集中的非均匀岩石拉伸破坏模型的理论框架,系统的研究3个影响岩石拉伸破坏的主要因素：加卸载速率(偏应变率)、缺陷尺度和初始地应力,对岩石内部缺陷处拉应力的产生和发展过程的影响。研究表明：(1) 偏应变速率对缺陷处附加拉应力具有显著的影响,偏应变率越高,缺陷处的附加拉应力越大;(2) 不同层次的缺陷对应于不同大小的偏应变率,偏应变率越高,对应缺陷的尺寸就越小;(3) 缺陷处的附加拉应力与初始应力成正比,缺陷较大时,岩体是否发生卸载破坏由初始应力、应力集中系数和抗拉强度间的关系决定。引用模拟试验和现场观测的结果和现象对理论分析结果进行讨论,试验现象和现场观测数据均与理论分析基本吻合。     

考虑加速效应的多孔介质中颗粒三维迁移模型研究

基于已有的颗粒一维迁移模型,建立一个考虑加速效应的颗粒三维迁移模型。通过Laplace变换和Fourier变换,给出点源和面源形式下的颗粒瞬时注入和周期形式注入问题的解析表达式,分析了点源瞬时注入情况下时间、距离、沉积系数、弥散系数等的影响机理。研究结果表明：随着时间增大,迁移颗粒浓度峰值逐渐减小,并且浓度峰值所对应的x坐标值逐渐增大。其次,浓度等值线在x-y平面上呈椭圆形状,在x方向上靠近颗粒注入口的等值线排列较密,远离注入口的等值线排列较疏。随着时间增大,低浓度等值线的范围逐渐向四周扩大,高浓度的等值线的范围逐渐缩小。另外,沉积系数越大,浓度等值线的范围越小。然而,随着x方向的弥散系数增大,等值线在x方向上逐渐向两侧拉长,而等值线在y方向上的范围逐渐缩小。