垃圾填埋场灾变过程的温度–渗流–应力–化学耦合效应研究

 针对当前垃圾填埋场灾变过程预测与控制的迫切需求,结合垃圾填埋场及其周围复杂而特殊的环境地质条件,从温度–渗流–应力–化学(T-H-M-C)多场耦合角度深入分析垃圾填埋场灾变过程的演化机制与开展多场耦合研究的必要性。提出填埋气体运移的微生物降解–温度–渗流(B-T-H)耦合模型、考虑好氧和厌氧微生物降解作用的垃圾渗沥液污染物迁移转化渗流–微生物降解–化学(H-B-C)耦合模型、复合衬垫系统污染物运移渗流–化学(H-C)耦合模型以及考虑热量变化和水蒸气迁移过程对开裂过程影响的填埋场封场覆盖系统干燥开裂温度–渗流–应力(T-H-M)耦合模型,为垃圾填埋场灾变过程的预测和安全性评价提供有效的分析手段。提出一套多场耦合测试分析方法与试验技术,开发集监测、控制与数据采集于一体的填埋场中污染物传输的多场耦合测试分析系统。形成一套填埋场污染物多参数远程同步监测方法与技术,研制集实时监测与视频监督于一体的垃圾填埋场污染物远程在线监督系统。针对多场耦合作用下封场覆盖系统开裂问题,提出新型环保的垃圾填埋场封场覆盖生态污泥腾发覆盖技术(EST)。上述研究成果可为垃圾填埋场灾变过程的预防与控制提供科学手段和技术支持,同时对于丰富和拓宽多场多相耦合理论的发展具有重要的理论意义和应用价值。     

基于渗透非线性的黏土岩热–水–力耦合效应研究

在多孔介质的热–水–力耦合分析中,孔隙率和孔隙水的黏滞性是影响渗透性的主要因素。通过研究孔隙率和孔隙水黏滞性的改变规律,在数值分析时,引入了孔隙率随应力改变和孔隙水黏滞性随温度改变的渗透非线性分析方法。同时研究了数值分析中温度荷载作用下应力边界条件和位移边界条件对温度应力的影响。研究结果表明:温度荷载作用下,数值分析时采用应力约束边界比位移约束边界更合理;考虑渗透非线性情况下得到的孔隙压力计算值与实测值更接近。     

模拟热–水–应力耦合作用的三维节理单元及其数值分析

对于具有相同厚度的空间8节点等参数节理单元,考虑温度和孔隙水压力的影响,将其的应力–位移关系加以拓展,建立了相应的应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程,使之可用于分析饱和–非饱和岩体中存在不连续面时的热–水–应力耦合问题,并结合实体单元,研制出相应的三维有限元程序。针对一个假定的核废物地质处置模型,通过有、无节理的热–水–应力耦合过程数值分析,显示与无节理的情况相比,由于节理的存在使得近场岩体中的温度、应力及水流速度的分布与数值都发生了明显的变化,特别是节理附近的岩体中有某种水流"冷却"作用和一定程度的应力集中现象,其它部位岩体的应力也有所增加。     

多孔介质中化学–热–水力–力学耦合过程本构模型和数值模拟

本文发展了一个多孔介质中的化学–热–水力–力学(CTHM)耦合本构模型。该模型基于文献[1]中多孔介质热–水力–力学(THM)本构模型、文献[2,3]中的污染物传输本构模型和文献[4]提出的化学–力学本构模型。在本构模型中引入化学软化函数以模拟孔隙水中有机污染物对多孔介质力学性质的影响。考虑了温度对污染物传输机制的影响。本文CTHM耦合本构模型已在多孔介质的热–水力–力学–污染物传输数学模型中建立。在CTHM本构模拟框架中对计及化学塑性效应、描述在热–水力–污染物传输耦合作用下多孔介质力学行为、在应力–吸力–温度四维空间中包含了五重屈服面的耦合本构模型发展了一致性切线模量矩阵。数值结果突出显示了污染物浓度在多孔介质化学–热–水力–力学(CTHM)耦合系统中的影响。     

裂隙岩体水–冰相变及低温温度场–渗流场–应力场耦合研究

 岩体冻融损伤涉及低温环境下温度场、渗流场和应力场的耦合问题。基于水–冰相变理论和能量守恒原理,得出冻结率表达式。运用双重孔隙介质模型理论,根据质量守恒定律、能量守恒定律及静力平衡原理,得出冻结条件下裂隙岩体的温度场–渗流场–应力场(THM)耦合控制方程。最后,通过1个含裂隙隧道低温THM耦合算例,将围岩当作岩块与裂隙介质组成的系统,采用等效热膨胀系数法对夹冰(含水)裂隙的冻胀效应进行模拟,并考虑冻结过程对岩体渗透系数的影响,研究低温THM耦合条件下的温度场、应力场及孔隙压力等的分布规律。     

多孔介质流-固-热三场全耦合数学模型及数值模拟

给出多孔岩体介质的流–固–热三场全耦合数学模型。假定流体为单相流,固体介质为非沸腾的饱和、热弹性多孔介质,该模型由流体物质守恒方程、力学平衡方程和能量守恒方程这3个相互耦合的方程组成,其中包含了众多耦合项,并定义一系列的本构关系及耦合变量。以FEMLAB工具为基础,将该数学模型转化成为一个统一的偏微分方程组,在人机交互的环境下,实现流–固–热三场全耦合数值求解,一次解出渗流场、位移场和温度场,给出更接近真实物理过程的数值解答,避免松散耦合法求解多场耦合问题带来的误差。利用一个已知解析解和数值解的算例来证明了耦合模型及求解方法的正确性。最后模拟通过井孔向岩体中注入冷水时流–固–热全耦合过程,详细地分析全耦合作用对井壁围岩应力的影响,计算结果表明:流–固–热三场耦合作用对井壁的稳定分析有非常重要的影响。     

温度–应力耦合作用下岩体裂隙扩展的数值流形方法研究

 数值流形法作为一种新型的数值计算方法已成功应用于诸多领域,但该方法在裂隙岩体多场耦合及其作用下裂隙扩展过程模拟分析上应用还较少。基于线弹性热力学理论,并考虑温度对材料影响,建立裂隙岩体温度–应力耦合控制方程。在此基础上,以温度和位移覆盖函数为基本求解量,以加权平均和算术平均思想为区域平均温度场求解算法,以修正的Mohr-Coulomb理论为岩石裂隙扩展准则,以物理覆盖为岩石破裂基本单元,提出模拟温度–应力耦合过程及其作用下岩体裂隙扩展过程的数值流形方法。该方法采用数学和物理2套覆盖,在裂隙扩展过程中不需要进行网格调整,能够有效地模拟裂隙岩体多场耦合及其作用下的裂隙扩展过程。通过编制相应MATLAB计算程序,对算例进行模拟,验证该方法的可行性和合理性。     

热–水–应力耦合模型及FEBEX原位试验二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手,提出了一个饱和–非饱和孔隙介质中且可考虑膨胀应力的热–水–应力耦合模型,并编制了相应的二维有限元程序。以高放射性核废料地质处置的FEBEX原位试验为模拟对象进行了数值分析,比较了实测值和计算值,从而验证了程序的正确性并从分析结果中得到了一些有益的认识。     

渗流–应力–化学耦合作用下岩石裂隙渗透特性试验研究

 为研究渗流–应力–化学耦合作用下岩石裂隙渗透特性变化规律,设计3组试验工况,在改变渗透压以及化学溶液的条件下,分别测定每种工况下的渗出水流量、渗出水离子浓度值以及渗出水pH值变化情况,进而得出裂隙渗透特性变化情况。通过处理试验数据,总结分析各因素对裂隙渗透特性的影响,并建立裂隙开度变化率与渗出水中钙离子浓度值之间的关系式。试验结果表明,渗出水流量、裂隙开度总体趋势是随着时间逐渐减小的,最终趋于稳定状态;增大渗透压,稳定状态会被打破,裂隙的流量和开度都会增大,但最终趋于另一个稳定状态;化学溶液对岩体裂隙的侵蚀性大,对岩体渗透性的影响更明显。通过分析和提炼渗出水流量、裂隙开度、渗出水的离子浓度值以及渗出水的pH值等随时间变化的数据,及它们之间的内部关系,在理论上描述岩体裂隙在渗流–应力–化学耦合作用下的渗透特性,进一步揭示渗流–应力–化学耦合作用机制。     

渗流–侵蚀–应力耦合管涌试验装置的研制及初步应用

管涌是涉及孔隙水渗流,可动细颗粒侵蚀、运移,多孔介质变形等众多复杂力学行为的多相、多场耦合现象。为真实模拟管涌发展过程、探究管涌机制,研制渗流–侵蚀–应力耦合管涌试验装置。该装置包括流失细颗粒收集系统、围压系统、轴向压力系统、渗透压力系统及数据采集系统。流失细颗粒收集系统可以实时收集管涌发展过程中流出土体的细颗粒及渗流量;围压及轴向压力系统模拟土体承受的三向应力状态,最高围压可达2.0 MPa,最大轴向压力可达30 kN(试样直径101 mm);渗透压力系统模拟土体承受的渗流作用,具有高水头(200 m)与低水头(低于2 m) 2种模式;数据采集系统能够实时监测土体沉降、体积及渗流进、出端水头的变化等。无围压、等向受压、三轴受压3组管涌试验表明：应力状态对管涌发展过程影响显著。等向受压状态下管涌临界坡降远高于无围压时的结果,略高于三轴受压状态下的临界坡降。新型管涌试验装置能够真实模拟土体管涌发展过程,实时监测管涌发展过程中土体细观结构、几何、水力、力学特性的演变,将成为深入研究管涌机制的可靠技术工具。     

寒区挡土墙温度场、渗流场和应力场耦合问题的非线性分析

根据传热学,渗流理论及冻土力学提出了带相变的温度场、渗流场和应力场耦合问题的数学力学模型及其控制方程。应用伽辽金法导出了这一问题的有限元计算公式。给出了一寒区挡土墙考虑渗流和冻胀时的温度场和应力场算例。算例表明渗流对寒区挡土墙周围的温度场影响很大,而冻胀力对寒区挡土墙的水平应力影响很大。因此在寒区工程设计时应充分考虑这些因素的影响     

Coupled hydro-thermo-mechanical modeling of hydraulic fracturing in quasi-brittle rocks using BPM-DEM

This paper presents an improved understanding of coupled hydro-thermo-mechanical(HTM) hydraulic fracturing of quasi-brittle rock using the bonded particle model(BPM) within the discrete element method(DEM). BPM has been recently extended by the authors to account for coupled convective econductive heat flow and transport, and to enable full hydro-thermal fluidesolid coupled modeling.The application of the work is on enhanced geothermal systems(EGSs), and hydraulic fracturing of hot dry rock(HDR) is studied in terms of the impact of temperature difference between rock and a flowing fracturing fluid. Micro-mechanical investigation of temperature and fracturing fluid effects on hydraulic fracturing damage in rocks is presented. It was found that fracture is shorter with pronounced secondary microcracking along the main fracture for the case when the convectiveeconductive thermal heat exchange is considered. First, the convection heat exchange during low-viscosity fluid infiltration in permeable rock around the wellbore causes significant rock cooling, where a finger-like fluid infiltration was observed. Second, fluid infiltration inhibits pressure rise during pumping and delays fracture initiation and propagation. Additionally, thermal damage occurs in the whole area around the wellbore due to rock cooling and cold fluid infiltration. The size of a damaged area around the wellbore increases with decreasing fluid dynamic viscosity. Fluid and rock compressibility ratio was found to have significant effect on the fracture propagation velocity.     

核废料地质贮存介质黏土岩的三维各向异性热-水-力耦合数值模拟

为了解黏土岩在放射性废料长期贮存中的热-水-力耦合过程,结合MontTerri核废料贮存地下岩石试验工程中黏土岩各种物理量的各向异性特点,应用多孔介质力学耦合理论研究了该黏土岩在加热和冷却全过程中由于热荷载引起的耦合效应场。研究过程考虑温度升高引起的孔隙水黏滞性改变对渗透系数的影响。研究结果表明,岩体力学参数、水力学参数和热传导参数的各向异性特性是影响岩体的温度场、孔隙压力场和应力场分布的最主要因素。各向异性耦合模型与各向同性耦合模型的数值模拟对比研究结果表明：各向异性模型数值结果能更加客观地反映该地下岩石试验工程中黏土岩在受热状态下的热-水-力耦合效应;同时,也表明岩体在加热过程中一直处于受压状态,而在冷却过程中局部会出现拉应力,从而有可能导致拉裂缝的产生。     

不同温度梯度冻结深部黏土偏应力演变规律研究

 采用先冻结后K0固结(FC)的传统冻土试验方法进行4种不同温度梯度冻结深部黏土的加、卸荷三轴试验,研究不同温度梯度冻结深部黏土在加、卸荷过程中的偏应力增长速率及偏应力的衰减规律。结果表明：不同温度梯度冻结深部黏土加、卸荷过程中偏应力增长速率与均匀温度下的试验结果基本相同,均可用变换的Duncan- Chang双曲线模型进行拟合,但温度梯度对冻结深部黏土偏应力增长速率衰减影响程度远大于温度;温度梯度减弱冻结黏土偏应力增长速率,同时抑制其衰减程度,这种弱化效应在加、卸荷初期最为显著;相同轴向变形对应的偏应力随温度梯度增长而衰减的规律可以通过衰减因子A加以描述,A与温度梯度的之间的关系符合广义双曲线模型;卸荷过程明显增加了加、卸荷初期冻结黏土偏应力增长速率的衰减,且随温度梯度增长,卸荷过程对冻结深部黏土偏应力衰减幅度和衰减速率影响均大于加荷过程;不考虑冻结壁(冻土墙)冻土温度的非均匀性以及卸荷路径的影响将高估冻土强度。     

考虑温度效应的固结问题有限元分析

研究热固结问题需考虑诸多因素、试验条件不易控制且所需时间长从而难以实现,因此辅以数值计算手段具有十分重要的意义。本文根据饱和土体热固结问题中温度、渗流及应力之间的复杂耦合关系,系统地探讨了二维有限单元方法的求解过程,并在FORTRAN语言环境下研制了相应的计算机分析程序APOSE-T。文中选取一典型算例并进行适当改编,应用APOSE-T程序分析研究土体热固结问题的主要规律,同时也考证了程序的正确性。研究表明,水和土颗粒的压缩性一般对孔压的变化速度有延缓作用,但对固结效果影响不显著,故一般的固结分析时可以忽略;在不考虑自身发热条件下,研究域内经历先升温然后降温的过程,但在升温前的短时间内有微小的降温,且温度对固结的影响时间不长。本文的研究成果为分析热固结过程提供了一条有效途径。     

考虑温度应力影响的立井井壁强度设计方法

 基于大量破裂井筒工程实例,对立井设计规范方法进行验证,发现规范计算方法的判断结果与实际情况相差较大。分析表明,现行立井设计规范尚未考虑温度应力的影响,而温度差会对立井体内的应力与应变产生影响是客观事实,因此有必要对其进行修正。基于弹性理论,推导考虑温度应力影响的立井强度设计计算公式,分析公式的数学特征,考察不确定性因素及提出修正思路。鉴于该问题的复杂性,建议进行更深入的研究与探讨,以便提高规范计算方法的科学性、合理性与有效性。     

基于热力学理论的水泥石热–力耦合本构模型和有限元分析

深层地热井中,水泥环在温度作用下的塑性和应力非线性对井下系统的封固性有重要影响。基于热力学理论,建立适用于水泥石的黏弹塑性热–力耦合本构模型。模型考虑了密度、弹性应变与温度之间的耦合关系以及弹性应变与耗散方程的耦合关系,能够模拟水泥石在等温试验中的诸多重要力学特性,以及在非等温试验中随温度升高而产生的强度和刚度衰减。在本构模型基础上开发瞬态传热的平面有限元程序,对中石油肯尼亚地热开发项目的套管–水泥环–围岩系统进行了温度和应力分析。研究发现,系统会在套管–水泥环界面和水泥环–围岩界面处产生应力集中,且界面处的温度附加应力在单调的温度荷载作用下呈现非单调性发展;能量耗散的考虑对于准确模拟水泥石的滞回特性和塑性变形发展十分重要。     

Determination of stress orientation and magnitude in deep wells

In this paper, we review a suite of techniques for determination of in situ stress orientation and magnitude in deep wells and boreholes. As these techniques can be utilized in both vertical and highly deviated wells, they have had extensive application in the petroleum industry where knowledge of stress orientation and magnitude at depth is important for addressing a wide range of problems. The techniques we have developed for estimation of the maximum horizontal principal stress, S_Hmax, make extensive use of observations of non-catastrophic failures of the wellbore wall—both compressive failures (breakouts) and tensile failures (drilling-induced tensile fractures) as well as the stress perturbations associated with slip on faults cutting through the wellbore. The widespread use of wellbore imaging in the petroleum industry has been a critical development that makes utilization of these techniques possible. In addition to reviewing the theoretical basis for these techniques, we present case studies derived from oil and gas fields in different parts of the world. These case studies document the facts that the techniques described here yield (i) consistent stress orientations and magnitudes over appreciable depth ranges within and between wells in a given field (thus indicating that the techniques are independent of formation properties), (ii) stress magnitudes that are consistent with absolute and relative stress magnitudes predicted by Anderson and Coulomb faulting theories, (iii) stress orientations and relative magnitudes that are consistent with regional stress indicators and tectonics observed with other techniques at much larger scales and (iv) sufficiently well-constrained estimates of the full stress tensor that are useful in application to engineering problems such as wellbore stability.     

核废料处置库近场热-水-力耦合性状

采用高放射性核废料处置库模型试验,以核废料处置库近场的膨润土及岩石为研究对象,建立轴对称模型,选用适当的热、水、力本构方程,运用有限元软件code-bright对核废料处置库关闭后处置库近场的温度场、渗流场、应力场进行考虑TH, HM, TM部分耦合与THM完全耦合的数值模拟分析。得到处置库关闭后近场膨润土及岩石内温度、液体饱和度、应力的变化规律及不同耦合对这些性状影响的敏感度。结果可为核废料处置库的规划、设计以及数值分析时耦合类型的选择提供参考。     

温度场作用下的反射裂纹应力场分析

考虑了沥青混合料的热粘弹特性,结合热传导理论,通过有限元数值模拟,研究在温度场作用下反射裂纹的应力场。分析表明,在较低温度环境下,会使基层裂纹附近存在高应力区,当其应力值大于沥青的抗拉强度时,会导致裂纹的产生并扩展到路面形成路面裂纹。提出了采用聚酯纤维增强型沥青的阻裂方案,通过数值模拟验证了其有效性。