裂隙孔隙岩体非饱和渗透率的探讨

通过对非饱和裂隙的横向渗透率与面上渗透率的分析修正了裂隙孔隙岩体的渗透率－负压水头理论曲线；引入反映裂隙对渗流贡献大小的关系系数讨论了裂隙网络和饱和／非饱和水力连通性；提出通过裂隙开度的数理模拟对岩体非饱和渗透率（尤其是裂隙的横向渗透率）进行研究。     

多尺度水泥基材料渗透性与孔隙关系模拟研究

水泥基材料是以水泥为基本胶结材料的多孔介质,孔隙率、孔隙尺寸及结构决定其渗透特性。对于低渗透性水泥基材料,物理测定其水力渗透系数较困难。为此,从细观尺度着手,基于向上扩展多尺度法,随机生成不同孔隙率的渗流三维模型,采用分级计算、逐级逼近方式,实现细观与宏观模型材料参数传递;应用图型结构与Dijkstra算法,判断孔隙连通性,研究了水泥基材料渗透性与其孔隙参数的关系。研究结果表明：(1)等效渗透系数随孔隙宽度的增加而增大,与孔隙尺寸的平方近似成正比。(2)孔隙的连通性随着孔隙率的增大而增强,有效孔隙率随之提高,等效渗透系数与有效孔隙率成二次函数关系。(3)当总孔隙率小于或等于0.2时,孔隙网络将不再连通,水泥基材料可视为不透水介质。     

三维应力对煤层气-水两相渗流特性影响实验研究

在实验室通过改变围压、轴压及孔隙压力,模拟三维应力作用下煤层气-水两相渗流过程,得到有效应力、孔隙压力与气、水有效渗透率关系曲线,对有效应力、孔隙压力与气、水有效渗透率的关系进行回归分析,得到以下主要结论:①气、水相对渗透率随环压增大而略有增加,说明环压的大小对气、水有效渗透率有一定影响,对煤岩绝对渗透率影响更大;②随着有效应力的增加,气、水有效渗透率呈现逐渐降低的趋势,且开始降低幅度大后逐渐稳定,其主要原因在于随着有效应力的增加,煤样原始孔隙首先闭合,随有效应力继续增加,有新的裂隙出现并发育,使得渗透性能逐渐平稳;③气、水有效渗透率随孔隙压力的增加而增大,分析其原因在于孔隙压力增加,使得孔隙、裂隙产生膨胀变形,增加了其渗透性能。     

沼液中全氮在非饱和均质土壤中的吸附特征试验

为探讨沼液中全氮在非饱和均质土壤中的吸附特征,在室内恒温条件下,对非饱和均质土柱采用一维沼液吸附试验,测定不同沼液浓度、土壤密度及沼液入渗水头条件下渗出液电导率及全氮含量,并应用对流弥散溶质运移模型和CXTFIT2.0软件对试验数据进行拟合,得到了不同试验方案下的全氮平均孔隙水流速和水动力弥散度。试验结果表明:不同试验方案下较大密度土壤的渗出液电导率峰值点均小于较小密度土壤的峰值点;峰值点后渗出液的电导率与峰值点差值随沼液浓度的增大而增大;相同土壤密度及入渗水头条件下,随沼液浓度的增大,吸附曲线逐渐向右偏移,全氮运移吸附转折点对应时间及被截获在土柱中的全氮量增加,而吸附转折点渗出液相对浓度、平均孔隙水流速及水动力弥散度均减小;相同沼液浓度及土壤密度条件下,随入渗水头增大,土壤对全氮吸附达到饱和所需时间减少,平均孔隙水流速及水动力弥散度增大;相同沼液浓度及入渗水头条件下,随土壤密度的增大,全氮吸附转折点对应时间增长,水动力弥散度增大,而平均孔隙水流速减小。     

单管冻结温度场演变规律分析及试验验证

为了研究土中水相变（潜热）热传导过程中冻结温度场演变规律，构建了稳定线性冷源作用下单管冻结相变温度场模型，由变量替换法求得冻结温度场随冻结时间演变规律近似解析解，同时利用指数积分函数解析式表达了冻结区和未冻结区的温度场分布，并将理论解析解与冻结槽试验结果进行比对。研究表明：理论与试验结果误差在合理范围内，验证了瞬态冻结温度场分布近似解析解的有效可靠性；单管冻结锋面半径和冻结时间有着平方根关系；冻结温度场在时空维度上服从对数分布，且曲线曲率随冻结时间的增加而逐渐减小。研究成果对认识稳定线性冷源作用下冻结管周围不良地基土温度场演变规律和指导冻结法施工技术有重要意义。     

温度对碳纳米管束拉伸力学性能的影响:分子动力学研究(英文)

基于Tersoff势,采用分子动力学方法研究了碳纳米管束不同温度下的拉伸力学特征,对不同温度下碳纳米管束的力学特性进行了比较分析.结果表明,碳纳米管束的拉伸强度、断裂应变与杨氏模量都随着温度的增加而减小;拉伸强度和断裂应变随温度变化的趋势较为急剧,而杨氏模量随温度变化的趋势较为平缓;高温下的碳纳米管束的碳原子由于热震动导致碳管之间碳原子结键,从而导致碳纳米管束的各个力学特征急剧下降;同时碳管半径越小其拉伸强度越高,而碳纳米管束的拉伸强度约为单根碳纳米管的一半.     

基于降雨空间变异的潜水运动随机模拟方法Ⅰ——非条件模拟

将降雨视为随机场,考虑降雨入渗补给量与地下水埋深的关系,采用二维稳定-非稳定潜水运动的KLPC模型,分析了降雨的空间变异性对水头均值、方差和协方差的影响,利用变异系数描述了水头、流速和水动力弥散系数的变异程度。结果表明,KLPC算法的随机模型具有优越的计算效率;水头方差随降雨场方差和相关长度的增大而增大;在降雨空间变异的条件下,水头随机场呈现出明显的非平稳特性且具有各向异性结构;在非稳定流中,水头协方差表现出“扩散”和“平移”的特性;水头的变异程度较小,在随机模拟中可以不考虑降雨空间变异对地下水流动的影响;但水头的变异导致了流速和水动力弥散系数强烈的变异性,在溶质运移的随机分析中需要予以充分重视。     

入渗水头对盐碱土水分运移影响数值模拟研究

通过室内盐碱土垂直入渗水盐模拟试验,对不同水头作用下湿润锋、累积入渗量和时间变化特征实验数据进行分析模拟。研究结果表明,不同水头条件下湿润锋和累积入渗量与入渗历时有显著的乘幂关系,提出了考虑入渗水头和土壤容重条件下湿润锋的推进距离和入渗时间的关系式;累积入渗量与时间的幂函数关系中系数A与土壤容重和入渗水头的影响较小,而指数B随着入渗水头的增加而呈线性增加的趋势,随土壤容重的增加呈降低趋势。     

悬浮液调剖剂在油层中渗滤特征研究

论文根据质量守恒建立了固相颗粒运移和沉淀动态方程,通过求解得到悬浮液浓度分布和颗粒滞留量分布关系,研究结果表明,颗粒型调剖剂的沿程浓度逐渐降低,随注入时间增加,同一位置上的调剖剂浓度逐渐升高,多孔介质对固相颗粒的渗滤作用,颗粒滞留主要集中在近井周围。岩石渗透率时变动态模型表明,岩石渗透率比其孔隙度的变化幅度大得多,颗粒型堵剂其少量的滞留即可改变岩石渗透率。相同注入量条件下,随注入速度增加悬浮液浓度增加,同时渗透率降低程度增加,提高注入速度有利于将颗粒挤入到多孔介质较深部位。调剖过程中的注入压力动态主要取决调剖地层系数,随注入速度增加,注入压力逐渐回升,但不同注入速度下注入压力的回升速度不同,对于较高的注入压力,调剖剂很容易提前启动中低渗透层,因此注入速度的选择应在注入设备工作条件下,以油层破裂压力为限制,保证注入压力缓速回升。     

非饱和土壤统计特征对宏观弥散度影响的分析

本文研究了重力为非饱和水分运动主要驱动力时，吸附溶质的宏观弥散度与孔隙介质统计特性和水力特性的关系，研究结果表明，宏观弥散度随溶质运移距离的增加而增加，并逐渐趋于一常数，宏观弥散度是土壤含水量、溶质吸附特性以及非饱和土体统计参数的函数，随平均含水量的增加而减少，随平均吸附因子和σｆ＾２、σα＾２、λｆ和λα的增加而增大。当溶质运移距离很大时，宏观弥散度为非饱和渗透系数的方差和相关距离的线性函数。     

孔隙液体对透明土渗透特性影响对比试验

针对熔融石英砂与混合油、溴化钙及蔗糖等孔隙液体制配成的3种透明土试样,开展渗流液体与孔隙液体一致或者不一致两种情况下的常水头渗透试验,测得透明土材料在不同孔隙液体、粒径及相对密实度等情况下的渗透率,以及水在3种透明土试样中的渗透过程;并与福建标准砂相关试验结果进行了对比分析。进而开展透明土试样电渗可视化模型试验,初步探讨孔隙液体、渗透率等因素对电渗过程与机理的影响规律。试验结果表明,透明土试样渗透特性不仅与粒径分布、相对密实度等因素相关,而且与孔隙液体种类相关;混合油、溴化钙溶液制配成的透明土渗透率与天然砂土渗透率最为相近。     

压缩过程中粗粒土渗透性变化的试验分析

为了研究影响粗粒土渗透系数大小的因素,采用实际工程用砂,通过不同条件下室内渗透试验,分别研究了粗粒土的粒径大小、干容重及相对密实度对渗透系数的影响。结果表明:对于同一粒度成分的粗粒土而言,其渗透系数随干容重的增加而减小,随相对密实度的增加而减小;在粗砂粒范围内,渗透系数随均值粒径的增大而快速增大;在细砾土粒径范围时,渗透系数随均值粒径增大的现象不显著。研究结果表明压缩作用使砂粒土渗透系数的减小较为显著,而对细砾土渗透系数的影响不明显。     

DISPERSION OF CYLINDRICAL PARTICLES IN TURBULENT FLOWS

With consideration of the Stokes drag and virtual mass force, the equations for mean and fluctuating velocities in rotation and translation were given for rigid cylindrical particles moving in a turbulent flow. Then the rotational and translational dispersion coefficients of particle were derived.The relationships between the dispersion coefficients and flow length scale as well as particle characteristic parameters were analyzed. The resulting dispersion coefficients were proved to decrease as the particle length increases. The conclusions are helpful for the further research on the motion of cylindrical particles in turbulent flows.     

饱和砂土流固耦合细观数值模型及其在液化分析中的应用

在饱和砂土连续力学模型的基础上,建立了一个饱和砂土固相颗粒和液相流体耦合的细观力学模型,固相颗粒采用离散元的颗粒流理论模拟,液相流体通过求解平均Navier-stokes方程的计算流体动力学技术计算。该细观模型用二维渗流问题进行了验证,并将其应用于饱和砂土的液化分析。数值模拟结果显示,采用的模型可以描述从低雷诺流到高雷诺流范围很大的流体运动。液化分析表明：液化首先在试样的表层产生,接着向深部发展;而超孔隙水压力则从底部开始消散,然后逐渐向上发展,直至完全消散。砂土液化过程中土体孔隙率不断变化,渗透系数也随之改变。     

基于Monte Carlo法的黄土二维微观结构模型构建

从微观尺度研究土的力学行为是揭示其力学机理的一种有效途径,为此首先建立其微观结构模型。目前常通过光学显微镜或者扫描电镜图像获取黄土的微观结构,但将其直接用于二维建模时,存在颗粒悬浮和叠置的问题。基于黄土的颗粒累积分布曲线和实际颗粒形态,提出了一种随机生成其二维微观结构模型的方法。首先将颗粒累积分布曲线按粒径范围分为若干区间,从各区间上随机抽取粒径值,形成满足其粒径分布的粒径数据库;再根据黄土颗粒的微观图像建立颗粒的形态数据库。从这2个数据库中随机抽取颗粒粒径和形态,生成具有随机大小、形态的颗粒库。采用Monte Carlo法将这些颗粒在模型顶端随机投放,建立黄土的二维微观结构模型。该模型为黄土微观力学行为的分析提供了原型。     

草本植物根系对黄河故道区非饱和土特性的影响

为研究草本植物根系对沙质土壤非饱和特性的影响,试验测定了黄河故道区3种含草本植物(狗牙根、高羊茅、香根草)根系土体和裸地素土的土-水特征曲线,将得到的土-水特征曲线与Brooks-Corey公式进行了拟合,并据此推导了含草本植物根系沙土的孔隙半径变化指数和非饱和渗透系数函数。结果表明:相比裸地素土,含草本植物根系沙土的进气值降低,持水性增强,含狗牙根、高羊茅、香根草根系的沙土平均孔隙半径分别是裸地素土的26倍、12倍、59倍,当饱和度为25%~70%时,在相同饱和度下,含草本植物根系沙土比裸地素土的渗透系数提高了2~3个数量级;草本植物根系使黄河故道区沙土产生了团聚体效应。     

Origins of filter effluent particles: experimental study of particle deposition and detachment.

This paper investigates the relative roles of particle deposition and detachment in controlling the origin of filter effluent particles. A conceptual mathematical model was developed and laboratory-scale experiments were conducted. Laboratory experiments were performed using three sizes of fluorescent microspheres (FMs), to determine the fraction of filter effluent particles that are filter influent particles that were never removed, as well as the fraction of filter effluent particles that were detached after deposition. Experimental results indicated that particle detachment is significant beginning from the early phase of filtration. FM removal increased with filter run time, depth and particle size. For each size FM at one filter depth, FM removal increased with filter runtime to a maximum due to ripening and then decreased with filter runtime after ripening due to limited pore space remaining in the filter. The fraction of effluent particles that were detached particles increased with particle size and filter bed depth.     

基于微观孔隙通道的饱和/非饱和土渗透系数模型及其应用

从微观角度揭示土体变形对饱和/非饱和渗透系数的影响机理,建立相应的预测方法,对于饱和/非饱和土的渗流分析及水力耦合研究具有重要的科学意义。利用流体力学理论,建立了微观孔隙通道渗透系数与等效孔径的关系,在此基础之上,结合毛细理论建立了饱和/非饱和渗透系数与土-水特征曲线的关系模型,并利用已有试验数据验证了模型的合理性。结合该模型与变形条件下土-水特征曲线预测方法,对变形条件下武汉黏性土饱和/非饱和渗透系数进行预测,结果表明黏性土在压缩变形条件下:饱和渗透系数呈数量级的减小,预测值与实测值均吻合较好;双对数坐标下,非饱和相对渗透系数在进气值之后随基质吸力增加而减小,不同初始孔隙比条件下其斜率近似不变,整体呈现"毛刷型"分布,相同基质吸力条件下,初始孔隙比越小,相对渗透系数越大;非饱和渗透系数,进气值之前近似为饱和渗透系数,进气值之后随基质吸力增大而减小,不同初始孔隙比的变化线近似重合。     

级配不连续粗粒土渗透变形试验缩尺方法研究

目前,基于试样的干密度、抗剪强度、变形特性和渗透性等效,提出了各种粗粒土试验超粒径颗粒缩尺方法,但对渗透变形试验中超粒径颗粒的处理并没有明确说明。通过采用不同缩尺方法对具有不同渗透稳定性的级配不连续型粗粒土进行渗透变形试验,并与原级配土的试验结果进行对照,分析了各类缩尺方法对渗透变形试验的适用性。结果表明:对于缺级粒径小于5 mm的级配不连续型土,等量替代法不影响粗料的绝对孔隙体积和细料填充程度,对管涌型和流土型土进行缩尺处理不改变试样的渗透破坏形式和水力条件;相似级配法因土体粒径的等比例减小使反映粗料孔隙尺寸的特征粒径D20相应变小,对管涌型土进行处理后渗透破坏形式转变为过渡型,流土型土的渗透破坏形式虽不会发生改变,但土颗粒离散程度的增大使相应的临界和破坏坡降明显降低;等量替代法能取得优于相似级配法的缩尺效果。     

砂土管涌－滤层防治的离散元数值模拟

结合小比尺细观模型试验,利用并开发基于离散元理论的颗粒流程序(PFC3D),充分考虑流固耦合作用,建立渗流理论模型,对不同层间系数下砂土管涌的基料-滤层系统进行离散元数值模拟,跟踪记录渗流过程中砂样运动、流失量、孔隙率、渗透系数、颗粒间接触力、水力梯度等参数的动态变化过程,从细观角度揭示管涌发展过程中颗粒的运动特性和滤层防治机理。数值模拟结果表明,层间系数D15/d85s大小是滤层是否有效的关键因素;在有效的层间系数下,随着水力梯度的加大,基料的细颗粒运动并进入滤层,在滤层-基料交界处存在的自滤现象。模拟结果与有关的模型试验结果吻合较好,一定程度上验证了该数值方法的可行性和合理性。本文所揭示的结果有益于对砂土管涌和滤层防治机理的更深入研究。