低渗透单相非线性渗流机制试验研究

 采用美国岩芯公司AFS300TM全自动岩芯驱替系统和鄂尔多斯盆地露头全直径低渗透砂岩岩芯,通过BP–100空气弹簧回压阀控制岩芯出口端压力,分别使用标准盐水和煤油作为渗流介质,在低压力梯度(0.005～0.300 MPa/m)条件下,通过稳态法测定岩芯饱和渗流曲线。试验结果表明：岩芯出口端流速随压力梯度增加而线性增加,没有观察到明显的启动压力梯度和非线性;通过非稳态法测试,也没有观察到明显的启动压力梯度现象。试验所用低渗透岩芯单相渗流符合达西定律,多孔介质壁面与流体(牛顿流体)的作用并不能导致单相渗流的非线性和启动压力梯度。     

粗糙岩石单裂隙非达西流动的试验和数值模拟研究

采用3D雕刻方式制作了一批具有特定粗糙度的砂岩裂隙样品,结合自行设计的可定量调整粗糙岩石单裂隙开度的装置,实现了在试验中对岩石单裂隙试样开度和表面粗糙度的定量化控制。开展一系列不同流量下的渗流试验,研究了平均开度和表面粗糙度对粗糙岩石单裂隙非达西流动的影响。结果表明Forchheimer方程可以准确的描述裂隙中流体流量与压力梯度间的非线性关系。分形维数是表征岩石裂隙表面粗糙度的有效参数,其增大主要导致裂隙的曲折程度增大而使流动路径变得更复杂,从而促进非达西流动的发生。建立了惯性渗透率与平均开度和分形维数之间的经验定量化模型,通过直接求解Navier-Stokes方程来开展三维粗糙单裂隙渗流模拟,验证了所建立模型的准确性和所开展渗流试验的可靠性。粗糙岩石单裂隙的平均开度越小、表面粗糙度越大则所建立的经验定量化模型预测的结果就越精确。     

深埋隧洞涌水预测非达西流模型及数值模拟

 由于深部岩体具有高温、高地应力、高地下水压等特点,深埋隧洞开挖必然会带来高水力梯度引起的控水断裂高流速非达西流问题。基于单裂隙高流速非达西流试验结果,建立二次型的非达西流本构模型,及非达西流影响系数与渗透率的关系式。通过构建统一的达西–非达西流本构方程,建立达西–非达西流有限元分析方法,采用共轭梯度迭代法,进行非达西流有限元方程的迭代求解。最后将理论与方法应用于深埋隧洞的涌水预测中。通过对比达西与非达西流结果表明,对于裂隙宽度较大情况,采用非达西流理论计算是十分必要的,且断层(发育溶蚀裂隙)的宽度及多条断层的交叉位置等对隧道涌水量具有较大的影响。     

裂隙岩体深埋长隧洞断裂控水模型及突、涌水量多因素综合预测

 由于深埋长隧洞围岩的力学、水力学特性明显区别于浅埋隧洞,且深部岩体不易勘探,因此深埋隧洞突、涌水量预测难度较大。针对高地应力、高水力梯度和高地温等复杂的深部地质环境,结合南水北调西线工程,提出了以断裂控水模型为基础的多因素综合评判方法。该方法是以大型断裂带为主要地下水通道的宏观地质模型作为基础;再分别研究对突涌水有影响的各种深部地质环境因素的影响规律;最后对宏观模型估算的突、涌水量进行综合修正。该方法为评价深埋长隧洞突涌水和隧洞施工与防护提供一种新的思路。     

核电站取水口建筑物的抗震性能分析

针对某百万千瓦级核电厂,运用动力时程反应分析法对取水口建筑物进行抗震分析。结合取水口建筑物场地岩性和结构特点,分别考虑运行和检修情况、波浪、冰块冲击、水压、土压和地震等作用的组合工况,对结构进行抗震性能分析,得到结构构件各个截面内力包络图,对取水口建筑物设计提供理论依据。     

裂隙岩体渗流场与应力场动态全耦合参数反演

 考虑到裂隙岩体渗流和力学行为的发生与发展往往是一个动态过程,同时现场观测资料也是一个动态的时间序列,为能及时利用现场量测的新增信息使参数反演更为合理,基于求解非恒定渗流场与弹性位移场动态全耦合正分析理论与方法,应用建立的混合遗传算法作为优化算法,同时利用水头、位移等多类型动态观测资料,建立了裂隙岩体渗流场与应力场动态全耦合的参数反演思路。为避免在耦合反问题中由于利用多类型量测资料所带来的量纲问题,采用了各时刻水头、位移的相对值来构造量纲一的目标函数。待反演参数同时考虑了力学参数与渗流参数两种类型,包括岩块的弹性模量、各组裂隙的切向与法向刚度系数、各组裂隙的初始等效渗透系数等。最后以一简单裂隙岸坡为算例,针对库水位快速上涨情况,以各时刻的动态全耦合正分析结果作为“假想”的实测数据,进行动态全耦合参数反演。反演结果表明,利用不断新增的实测资料可提高反演精度,最终获得的参数反演解与理论解吻合很好。     

基于非达西渗流的饱和黏土一维流变固结分析

 为进一步深入探讨饱和黏土的固结机制,引入Merchant流变模型描述其流变固结过程,并同时考虑低速渗流曲线段和较高速渗流直线段的Hansbo渗流方程描述固结过程中的非达西(Darcy)渗流,修正Terzaghi饱和黏土一维固结方程,并给出有限体积法数值求解格式。通过对比已有的Darcy渗流条件下流变固结方程解析解,证明本文数值方法是有效的。然后探讨Hansbo渗流参数和Merchant流变参数对流变固结过程的影响。计算结果表明,渗流的非Darcy特性和流变效应都延缓饱和黏土中孔隙水压力的整体消散速率和地基的沉降速率,同时考虑这2种特性比单独考虑其中任一种特性时达到同一固结度需要的时间要长。而且,考虑流变效应时按变形定义的固结度要小于按孔隙水压力定义的固结度。     

基于非Darcy渗流的饱和黏土一维非线性固结分析

在考虑土体变形非线性的基础上,引入描述非Darcy渗流的Hansbo方程,修正饱和黏土一维固结方程,并采用有限差分法对该方程进行求解。通过与Davis和Raymond一维非线性固结理论解析解的对比,证明本文数值方法的有效性。在此基础上,探讨土体非Darcy渗流参数、压缩指数以及地面荷载值对固结过程的影响。计算结果表明,非Darcy渗流延缓饱和黏土中孔隙水压的消散速率和地基沉降速率,且随着压缩指数与渗透指数之比c或非Darcy渗流参数m和i1的增大,孔压消散速率和地基沉降速率都变慢,即不考虑渗流非Darcy特性的固结分析将会高估孔压消散速率和地基沉降速率,而地面荷载对固结进程的影响则与固结时间和压缩指数与渗透指数的比值有关。     

锦屏二级水电站隧洞涌水的数值反演与预测

 锦屏二级水电站位于河间高山峡谷岩溶区,大规模隧洞群的开挖会显著改变地下水循环条件,形成隧洞涌水,辅助洞施工期间的涌水特征表明,锦屏山体存在12条陡倾导水裂隙带。利用MODFLOW建立5种工况下的三维稳定流模型,着重刻画对涌水起重要作用的导水裂隙带。以各涌水点的实测涌水量为拟合依据,使用UCODE数值反演软件对模型进行校正,关键参数得到优化,从而提高模型可靠度。参考辅助洞的防渗模式,模型预测防渗前后隧洞群的总涌水量分别为40.35和31.19 m3/s,隧洞开挖致使工程区内两大泉断流。泉水的恢复需要更有效的防渗措施。     

石灰岩应力–应变全过程的非Darcy流渗透特性

利用瞬态渗透法测定了石灰岩在应力-应变全过程的非Darcy流渗透特性，发现一种新的试验现象，即在峰后大应变状态下非Darcy流β因子为负。这一试验现象使得人们可以立足于实验室试验来验证、预测和分析岩石渗流失稳现象和规律。建市了一种瞬态法测定岩石渗透特性的试验系统的动力学模型，介绍了由孔隙压力差单一时间序列提取非Darcy流渗透特性参数（渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数）的方法，并对石灰岩标准试样进行了应力-应变全过程的渗透试验。研究表明，无论在峰前还是峰后，石灰岩的渗流都不服从Darcy定律；当非Darcy流β因子为正时，非Darcy流的渗透率小于Darcy流的渗透率；当Darcy流β因子为负时，由于裂隙的贯通，孔隙压力迅速衰减，石灰岩中渗流可能失稳。提出的非Darcy流渗透特性的测定方法，继承了以往实验室试验的成熟技术，只是在数据处理方面进行了尝试，既不增加试验成本，又不加大试验的技术难度，便于被用户接受。     

煤层气储层含水率对煤层气渗流影响的试验研究

 以晋城煤业集团赵庄矿3#煤层无烟煤制备的成型煤样为研究对象,设计煤样含水率对甲烷渗流的影响试验方案,利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置”,较真实地模拟在煤层气开采中煤储层含水率的变化对煤层气渗流的影响规律。研究结果表明：恒定温度和有效应力、不同含水率条件下,随着煤样含水率的减小,甲烷有效渗透率增大。在本试验煤体含水率范围内,煤体含水率与甲烷有效渗透率关系可用线性函数表述。煤储层中的水通过占据煤储层渗流孔隙空间,使煤层气运移喉道减小,使其运移困难。根据对试验结果的分析,理论上论证可以把注水湿润煤体作为防治煤与瓦斯突出的措施之一。