大连地下石油储备库初始渗流场数值反演

 初始渗流场分析是水封式地下石油储备库设计中的重要内容和先决条件,现场压水试验只能提供较准确的各向同性渗透系数,而不能反映各向异性的渗透特征。结合大连地下石油储备库工程,提出一种基于随机节理网络模拟技术反演岩体各向异性渗透特征的方法。首先,采用三维离散元程序3DEC内置的Fish语言,直接生成不同尺寸的三维节理网络模型,通过推导的判别式来统计模型中各组节理的个数及产状信息。其次,利用裂隙介质的渗透张量理论计算不同尺寸的岩体渗透张量,进而确定节理岩体的表征体元(REV)。根据现场压水试验实测资料,修正节理岩体的渗透张量,再利用Matlab软件计算渗透主值及渗透特征向量。最后,考虑渗透系数的空间正交各向异性,采用FLAC3D的Fl_anisotropic的渗流模型反演库区的初始渗流场,为水封式地下石油储备库水幕设计及稳定性分析提供较合理的初始渗流场条件。     

大型地下水封石油洞库裂隙岩体各向异性渗透特性的分析和应用

依托黄岛地下水封石油洞库工程,研究裂隙岩体各项异性渗透特性。考虑裂隙结构面的粗糙情况,对单一平板裂隙渗流立方定律进行修正,并推导出对应的三维裂隙岩体渗透张量计算式。根据油库库区水文地质资料可知:基岩裂隙在空间上的分布具有明显的方向性,将库区地质结构分成五个区,计算各分区裂隙岩体的渗透张量。建立基于裂隙岩体各向异性渗透张量理论的三维地下水非稳定流数值模型,运用该模型模拟施工不同阶段库址区渗流场的变化。通过对模拟结果和观测资料的对比分析,表明采用该模型的模拟结果比较符合实际,可以预测开挖及运营期间渗流场的变化。     

大柳树水利枢纽坝区渗流场与应力场耦合分析

黄河大柳树水利枢纽坝区岩体大范围发生了松动,确定其渗透特性指标并进行渗流场与应力场耦合分析具有重要的现实意义.首先,根据坝区两岸平硐内测量的优势节理裂隙组资料和左岸固结灌浆试验资料,综合确定坝区岩体初始渗透系数张量;然后,应用多重裂隙网络模型,进行3个重要断面的渗流场与应力场耦合分析.可以看出,坝区工程范围内岩体渗透性很强,初始渗透系数张量量级达10-5～10-4m/s;绕坝渗流的两个断面(A-A,B-B)主要是渗流损失问题,通过坝基渗流的断面(C-C)在坝踵处出现了应力集中现象.     

大连地下石油储备库洞室群围岩稳定性及渗流场分析

为分析水封式大连地下石油储备库洞室群围岩稳定性及渗流场特征,首先基于现场地应力实测结果的回归分析,利用Fish语言编写函数,反演初始地应力场。其次,采用三维离散元程序3DEC生成三维节理网络模型,反演库区初始渗流场的各向异性特征。最后,利用应力与渗流耦合模块实施开挖仿真计算,获取围岩应力场、位移场变化特征。考虑平行、垂直层理面不同材料特性,基于带有抗拉的Mohr-Coulomb强度储备型点安全系数,定量评价洞室群的稳定性。借鉴国外水封效果评价标准,分别从地下水位线和垂直水力坡降2个方面,分析渗流场变化特征。研究表明:在洞室周边平行层理面点安全系数为1.02～1.25,垂直层理面点安全系数为1.95～2.00。在补水隧道及注水孔组成的人工水幕系统作用下,建设期内地下水位下降3～5 m,地下水位距洞室顶55 m。开挖洞室附近平均垂直水力坡降大于1.0,满足设计规范及密封性要求。     

隧道渗流场数值模拟的实现

依某高寒区隧道工程实际,对现场结构面参数进行实测,在此基础上,利用Monte Carlo法生成节理贯通网络图,得到主要的优势结构面。利用渗透张量法计算得到不同方向的渗透系数,同时利用单孔压水试验修正,得到裂隙岩体的渗透系数张量。采用有限元软件模拟隧道的渗流场,模拟结果为下一步渗流场影响温度场的数值模拟提供渗流速度的参数。     

黄岛地下水封洞库库区三维裂隙网络模拟

 低渗透性的裂隙岩体是地下水封石油洞库建库的最佳选址区,裂隙网络模拟技术是研究离散裂隙渗流的有效手段。以黄岛地下水封洞库库区渗透性研究为出发点,在地表裂隙调查与钻孔裂隙统计的基础上,运用离散裂隙模拟软件DFN对洞库区进行三维裂隙网络模拟,得出模拟区导水系数分布图以及ZK13钻孔连通性分布图,通过将模拟结果与野外试验结果对比,认为模拟结果合理可信。实例分析表明,模拟结果能较为深刻地揭示裂隙水渗流的本质,可为后续的洞库水封效果及涌水量评价提供参考。     

大型地下石油洞库自然水封性应力-渗流耦合分析

根据地质条件,地下水封石油洞库可以选择自然水封或人工水封方式。以中国首个大型地下水封石油洞库为背景,开展了岩石三轴压缩试验和现场水文试验,获得了洞库围岩变形特征和渗透特性,采用应力-渗流耦合理论,分析了该地下石油洞库的自然水封性与稳定性。岩石三轴实验表明,岩体受剪作用下体积变化情况与剪胀性密不可分。现场水文试验表明,洞库渗透系数存在一定的不确定性。通过数值分析得出如下结论：自然水封条件下,洞库水位将不满足水封要求;地下水封洞库实现水封条件的水头受水力梯度和岩体渗透性影响;洞库施工期涌水量与渗透系数存在着分形关系;施工期各洞室拱顶沉降为19～32 mm,水平收敛为16～35 mm。研究成果为中国首个大型地下水封石油洞库工程建设提供了科学依据。     

柱状节理岩体渗透性模型试验研究

针对柱状节理岩体渗透性质的研究较少,开展了柱状节理岩体相似材料的模型试验,研究了柱状节理岩体相似材料在多次围压循环加卸载作用下的渗透性质,分析得出柱状节理岩体存在表征单元体积,可以采用等效连续介质模型分析柱状节理岩体的渗流性质,提出了计算柱状节理岩体渗透率张量的方法,基于张量不变性理论,推导出了柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数的计算公式。研究表明:在围压初次加载阶段,柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数随围压加载显著降低,在随后的围压循环加卸载阶段主渗透系数保持较低值,围压的加卸载对柱状节理岩体的主渗透系数影响较少,且在每个围压加卸载阶段,柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数与围压均呈幂函数关系;柱状节理岩体渗透张量的主方向随着围压加卸载逐渐增大,在初次围压加卸载阶段增长显著,在此后的围压加卸载阶段缓慢增长;柱状节理岩体在低围压下渗透各向异性较为显著,且随着柱体倾角增大渗透各向异性逐渐减弱,在第一次围压加载阶段,随围压增大柱状节理岩体的渗透各向异性迅速减弱,当加载到高围压时,柱体倾角对柱状节理岩体的渗透各向异性几乎没有影响,在此后的围压循环加卸载阶段,柱状节理岩体的渗透各向异性稳定在较低水平,柱体倾角对渗透各向异性的影响很微弱;柱状节理岩体的渗透性质均是在第一次围压加载阶段发生显著变化,且围压卸载后渗透性质不能恢复,此后的围压循环加卸载对其渗透性质影响很小。     

裂隙岩体渗透张量计算及其表征单元体积初步研究

基于三维节理网络模拟技术,应用渗流能量叠加原理,推导节理岩体渗透张量的理论计算公式,在此基础上提出裂隙岩体渗透表征单元体积的确定方法。该方法考虑空间节理的具体分布和连通情况,同时根据节理的开度变化和立方定理又可分析应力场对渗透张量的影响,可方便、有效地进行裂隙岩体渗透特性的分析。随后讨论节理迹长、间距、开度、产状和组数等结构面几何特征对岩体渗透特性及表征单元体积的影响。最后采用上述方法,以拉西瓦水电站右岸岩体为例,计算工程岩体的渗透张量,并分析渗透表征单元体积大小及地应力对其渗透特性的影响。研究结果在工程设计中具有应用价值。     

裂隙岩体渗流场与损伤场的耦合分析

通过引入渗透压力附加柔度张量的概念以及考虑渗透张量的演化行为，详细研究了裂隙岩体渗流与损伤变形的相互作用机理。在此基础上建立了基于两场耦合的裂隙岩体渗流损伤模型。工程算例结果表叫，当存在地下流体流动时，渗流对岩体变形破坏以及损伤变形对岩体渗流场的影响是不可忽略的。     

Effects of anisotropic permeability of fractured rock masses on underground oil storage caverns

An isotropic assumption is often applied to analyze permeability tests of in situ fractured rock mass, and the homogeneous hydraulic conductivities are then used directly in the seepage analysis. However, the hydraulic conductivities are normally anisotropic in fractured rock masses and the effects of the anisotropic permeability should be taken into account in rock engineering analysis, especially for seepage analysis of underground oil storage caverns. In this study, an underground oil storage cavern project is analyzed and the Oda’s method is used to determine the anisotropy in permeability, where the anisotropy in permeability is determined using the fracture orientation and the in situ stress information from the field survey. The horizontal hydraulic conductivities are obtained based on the geometric average hydraulic conductivities from the injection tests of six boreholes. A typical cavern unit is numerical modeled using code FLAC. The effects of anisotropic permeability on water pressure, water quantities and critical gas pressure are studied carefully. The results indicate that most calculated results based on in situ hydraulic tests with isotropic permeability assumption can be used safely in the underground oil storage cavern project.     

The anisotropic seepage analysis of water-sealed underground oil storage caverns

The analysis of the seepage field in fractured rock mass is very important to the design of an underground oil storage project and must be done in the primary stage. A novel analytical method to calculate the anisotropic permeability tensor of an initial seepage field is presented in this paper. Fracture network simulation and results of water-pressing injection tests are used for the development of analytical method. As an example, the proposed method is used to model initial and subsequent seepage fields of Dalian water-sealed underground oil storage caverns project. The changes in the seepage field during the construction and operation periods are investigated adequately. The results indicate that this design meets the requirements for the groundwater level and the vertical hydraulic gradient, although their distributions in the two periods are different, the proposed method is acceptable for the anisotropic seepage analysis.     

地下水封石油洞库渗水量预测与统计

渗水量规模与空间分布特征是地下水封石油洞库建设中的关键问题。以中国首个大型地下水封石油洞库项目为背景,采用经验公式、有限元法计算和现场实测等方法研究了该洞库渗水量规模和空间分布特征。在大量现场岩体渗透性试验基础上,获得了可靠的岩体渗透系数,采用经验公式和数值计算等方法对洞库渗水量规模和空间分布特征进行了预测。根据现场揭露的渗水形态,统计了洞库渗水量规模,获得了渗水量空间分布特征,调查了渗水部位地质特征,据此提出了渗水量控制标准和有针对性的工程注浆防渗对策。通过对比预测与统计结果,讨论了渗水量规模预测方法适用性和渗水量空间分布特征离散性等问题。研究成果为提高中国地下水封石油洞库建设水平提供了理论支持,并为复杂条件下地下工程渗流特性研究提供了工程实例。     

金川水电站地下厂房裂隙围岩渗控效应数值模拟与评价

针对金川水电站工程区复杂的地质条件和渗控措施,分别建立基于排水孔等效模拟的坝基整体模型和基于密集排水孔"弃孔算法"精细模拟的左岸厂区子模型,采用Signorini型变分不等式和自适应罚函数相结合的稳定渗流分析方法对厂区围岩的长期渗控效应进行论证和敏感性分析。在数值模拟中,为了克服传统分析所采用的均质各向同性渗透系数不能反映裂隙岩体渗透特性的不足,首先根据两岸和坝基岩体优势裂隙组的空间展布情况,基于统计学方法初步确定其渗透系数张量并获得主值及主方向,再根据钻孔压水试验资料确定的等效渗透系数对其进行修正,并通过坝址区的地下水位反分析对该方法进行了验证。结果表明,运行期工况下防渗排水系统对山体地下水位具有控制作用,主变洞和发电机层底板处于自由面之上,厂房和调压室底板稍有承压性。帷幕的渗透特性、辅助排水孔幕以及排水孔间距对渗流场分布影响很小但能显著减小厂房洞室及排水廊道的渗漏量,因此应保证防渗帷幕的施工质量并建议设置辅助排水孔幕,建议中层廊道以下的排水孔间距设为3 m,中层廊道以上的排水孔间距放宽到4.5 m。     

岩体节理三维网络模拟技术及渗透率张量分析

在现场地质调查的基础上，对节理开度的概率分布函数进行了拟合，并进行了假设分布的有效性检验。这样，在进行节理三维网络模拟时，就可以生成具有厚度的圆盘来模拟岩体节理的空间分布。岩体节理的渗流量正比于节理开度的三次方，在Monte-Carlo法生成的模拟节理开度的三维节理网络的基础上，结合所述方法对岩体渗透率张量进行分析，使岩体渗透率张量的计算更加合理可行，且计算结果能更加客观地反映岩体的渗透特性。     

Seepage–stress coupled analysis on anisotropic characteristics of the fractured rock mass around roadway

Anisotropic properties of the fractured rock masses are investigated considering the coupled effect of the seepage and stress. The equivalent permeability and damage tensor of the fractured rock mass are initially examined using a series of Discrete-Fracture-Network (DFN) models with varied size and orientations from the geological investigation data of the sandstone roadway on the floor of 12# coal seam in Fangezhuang Coal Mine. A seepage–stress cross-coupling anisotropic model considering the coupled effect of the seepage and stress is described and applied to analyze the influence of the principal orientations of the joint sets on the anisotropic properties of the rock mass. It appears that the anisotropic properties of the rock mass have a great influence on the stress distribution, hydraulic conductivity coefficient and damage zone. The model may contribute to a more reasonable explanation on the dominant effect of the joint sets on deformation and failure of rock mass.     

地下硐室围岩应力状态及相关参数测量结果的分析与评价

在深埋及压力硐室工程中,采用水压致裂法测定围岩三维应力状态,宜首先判定围岩应力的分布状况。在具有应力松弛圈、应力集中区与不受开挖影响的正常应力分布域情况下,只有分别进行计算分析,才能更为真实地揭示出硐壁围岩的三维应力分布特征。对于确定压力硐室围岩自身承载能力的水力劈裂测试成果,只有结合裂隙性状、岩层结构状况等进行全面分析,才能准确评价围岩的抗载强度。由于在高压力作用下,岩体中存在的软弱结构面有可能被张裂或扩展,从而改变岩层的透水性,因此只有按照工程运行状态下围岩实际承受的压力进行高压压水测试,才能得到岩层透水性的可靠资料。