强地下水渗流下岩层裂隙粗糙程度的地热开采耦合预测

在地热开采过程中,若采热管跨越存在地下水渗流的热岩层,将会对管道传热及热能提取产生显著的影响。作为地下水渗流的主要通道,岩石裂隙的特性演化将显著影响水渗流的行为,继而影响采热管内流体的温度及热开采效率。然而,目前已发表的研究很少能综合探究岩石裂隙粗糙程度对地热开采的影响。因此,提出了一种针对跨越渗流岩层的全耦合地热开采模型,能够综合探究干热岩应力、地下水渗流效应、裂隙粗糙程度及管道传热效应,并提出了定量表征裂隙粗糙程度的参数h/a。结果表明:不同h/a对地层温度及管道流体温度影响显著;当h/a由0.15增加至0.30时,渗流地层水压最多减少了16.7%,地层温度最多降低了3.7℃。

不同胶结度的饱和土壤孔隙尺度结构对地下水渗流特性的影响

饱和土壤中地下水渗流过程的研究在诸多领域具有重要意义,土壤孔隙尺度结构差异对地下水渗流特性有显著影响。土壤颗粒胶结度是土壤的基本属性之一,但是目前针对不同胶结度的土壤孔隙尺度结构差异对地下水渗流影响的研究尚少。采用整体重排算法构建不同胶结度的土壤介质孔隙尺度结构,基于此运用有限元软件模拟介质中地下水渗流过程开展相关研究。结果表明:土壤颗粒胶结度对饱和土壤中地下水渗流具有显著影响。随着胶结土壤颗粒百分数Pc从0增至60.20%,流场的变异函数增大了70.15%(从1.233到2.098),即随着胶结度增大,流速空间非均质性显著增强。此外,沿地下水主要流动方向和垂直于主要流动方向上的流速概率密度分布函数均越来越发散。流速接近平均流速的区域减少,不流动区、优势流区同时显著增大。当Pc从0增至60.20%时,地下水中不流动区比例增大了23倍(从2.06%到48.31%),而优势流区比例增大了将近9倍(从0.27%到2.41%)。当平均流速不同时,渗流特征的以上变化趋势保持不变。此外,本研究发现不同胶结度介质间的孔隙尺度结构差异正是引起地下水渗流特性发生上述变化的内在原因。

城市轨道交通车站基坑围护结构渗漏点对其周边地下水渗流场变化规律的影响

[目的]在地下工程施工事故诱因中,大约20%的基坑事故是由围护结构渗漏水引起的,围护结构渗漏水会造成基坑发生大变形或失稳。为提高基坑工程施工的安全性,有必要在基坑开挖前对渗漏点进行检测,并针对渗漏点对于基坑围护结构周边渗流场的影响规律进行研究。[方法]以青岛地铁4号线某车站基坑为背景,施工前采用分布式光纤检测方法对基坑围护结构渗漏点开展了检测,并找到了疑似渗漏点。对基坑疑似渗漏点附近的地下水位进行了监测。利用SEEP/W软件模拟了不同尺寸、不同数量的渗漏点对基坑围护结构周边地下水渗流场的影响,并在渗漏点附近布设地下水位监测点以获得现场实测数据。[结果及结论]在基坑开挖降水过程中,由于坑内外地下水压力差逐渐增大,坑内地下水位逐渐下降,在止水帷幕周围形成降水漏斗。在地下水靠近止水帷幕且无渗漏点时,基坑坑外地下水位下降深度约为坑内开挖降水深度的20%;渗漏点宽度为10 mm时,基坑坑外地下水位下降深度约为坑内开挖降水深度的30%。止水帷幕出现渗漏点,导致基坑附近地下水渗入基坑内,水通量、水传导率及水压在渗漏点位置急剧增大,且其数值随渗漏点尺寸的增大而增大。基坑地下水渗流数值模拟结果与工程实测结果基本吻合,说明采用SEEP/W软件模拟地下水渗流场合理可行。

高密度电法在地下水渗流通道探测中的技术应用

地下水渗流可能会引起土体物理性质改变,引发地质灾害。高密度电法用于地下水探测宏观成像分辨率高,采用高密度电法对某居民区地下水渗流通道进行探测,通过观察分析视电阻率反演图像,追踪低电阻率异常来判断地下水渗流通道及富水区位置,最终发现场区内地下水在重力的作用下由西向东,通过地下车库顶板上方和地下车库外墙间两个渗流通道,在场区东南侧汇聚成富水区,造成下方毛石护坡局部涌水。该推断为下一步处理方案设计提供了准确的依据。

基于地下水渗流中地电场响应的矿井水害预警试验研究

通过建立渗流–电测模型,在渗流过程中采用网络并行电法仪进行时空域地电场参数试验,首次取得渗流中地电场参数的空间瞬态响应。以电位、电流等时线和视电阻率等时面特征为依据,发现渗流过程中自然电场在时空域均表现为上升趋势,自然电位等时线的极值点指示渗流位置,并具有超前感应能力。激励一次场电压、电流可以精确确定渗流液面与渗流速度,适合于非均匀地质体渗流规律的研究。实时视电阻率图像具备跟踪识别渗流区域和相对水量变化的能力,随着视电阻率变低,地下水渗流趋向饱和。通过对五沟煤矿的实际地电场监测,提前2 d成功预报了1013工作面底板出水,巷道自然电位极值点指示出水位置,视电阻率等时面指示出水水源层位。采用井下地电场的空间同步监测技术,可用来进行煤层底板水害的实时监测研究,在矿井突水灾害防治中具有应用前景。

地下水渗流对基坑支护结构上水土压力的影响分析

暴雨或长时间的降雨、地下水管的渗漏等是造成地下水渗流的重要条件,对基坑支护结构的安全影响大,也是为何基坑事故多发生在降雨之后的根源。分析了基坑开挖过程中地下水渗流产生的条件,并从地下水渗流对土体强度的影响、对作用在支护结构上水压力的影响、对土体自重应力的影响3个方面进行了分析。认为地下水渗流增大了支护结构上的土压力,对于粘性土判断采用“水土合算”或“水土分算”的依据不只是土体渗透性的大小,关键在于渗流是否发生。在支护结构的土压力计算中,只要支护结构在开挖和使用阶段基坑外侧存在地下水渗流,对于粘土和粉土应当采用水土分算的计算方法。因此,在基坑工程中,预防和阻止地下水渗流的发生是相当重要的一个环节。

基坑工程地下水渗流模型试验系统研究

设计了符合基坑工程条件的模型试验系统,可以模拟基坑地下水渗流。模型试验系统由土箱、排水箱、进水箱、上水箱、下水箱、测压装置等组成。通过给定进水箱与排水箱的水位可以实现基坑内外水头恒定,从而形成稳定的渗流。利用模型试验系统已经完成的试验为悬挂式截水帷幕基坑地下水渗流以及完整井条件下的层状含水层渗流,获得与实际工程相符的渗流流网形态,用来研究地下水渗流场的特征和规律。试验结果可指导实际工程设计,同时可用来修正基坑规程中地下水涌水量、坑外水位降深以及降水引起的沉降计算等。

隧道围岩内地下水渗流边界效应影响研究

根据水位条件、施工工艺和防排水设计原则将隧道渗流计算围岩透水边界条件大致划分为4种类型,并分析了不同透水边界条件适应的施工工况。基于复变函数理论和保角映射方法,推导得出4种透水边界条件下隧道围岩内任一点孔隙水压力和隧道涌水量解析计算公式,通过与数值解的对比,印证了解析解的准确性。在此基础上,根据不同透水边界条件下隧道涌水量和围岩关键点孔隙水压力随埋深直径比(h/D)的变化规律,分析了透水边界条件的变化对浅埋隧道和深埋隧道的影响,并探讨了浅埋水下隧道渗流计算中透水边界条件的选取。相关结论与认识对于隧道渗流计算和排水设计具有一定的指导作用和参考价值。

地下水渗流场可视化动态模拟与应用研究

针对地下水模拟系统缺乏动态处理和时空分析能力,基于有限元数值计算理论方法,以虚拟环境中可视化技术为支撑,提出了地下水渗流场可视化动态模拟的体系架构。设计了虚拟开采井条件下的流场仿真模拟和水位动态模拟算法,并通过建立流场的拓扑结构和特征提取、以及区域布点、质点途经单元的流速计算等,实现复杂流场的连续流线生成与动态跟踪模拟。以北京市平原区地下水渗流场为例,表明所提出的方法能够有效而准确地实现地下水渗流场三维动态模拟与可视化显示。

基于地下水渗流方程的三维地面沉降模型

针对地下水抽取引起的大面积地面沉降的问题,提出了一种计算方法。该方法基于饱和与不饱和岩土介质中地下水渗流理论,计算出三维状态下的大面积地面沉降。提出的方法被结合到地下水渗流的三维有限元法分析中,计算时考虑了地层的可压缩性,并被用来分析软土的固结,将该法与太沙基理论及固结试验的结果进行比较,结果表明其误差小于2%。该法还被用来分析单井抽取承压地下水引起的周围地基的沉降及承压水层由于挡水板的阻断作用而引起的下游侧的地基的沉降。

地下水渗流对竖埋管换热器传热影响的数值模拟

地下水渗流对竖埋管换热器与岩土体的热量交换具有显著影响。该文应用地下水渗流理论和传热学理论,建立考虑热传导和地下水渗流共同作用的热渗耦合传热模型;针对南宁河流阶地土层,模拟分析地下水渗流对竖埋管换热器传热的影响。研究结果表明:1)地下水渗流可以强化地埋管的换热,且随着渗流速度的增大,强化换热作用越明显;2)地下水渗流对换热器热交换的影响具有方向性,在此基础上,对竖埋管换热合理的布置方式进行分析;3)南宁河流阶地地区,仅考虑砂砾层存在地下水渗流对换热的影响,更符合工程实际。

河流-地下水渗流系统对城市污水的净化作用及机理

通过野外试验与理论分析 ,研究了河流 地下水渗流系统对城市污水的净化作用及机理 .结果表明 :河流 地下水渗流系统对城市污水的COD、重金属、氮等具有很好的净化作用 ,对COD的去除主要是好氧微生物降解 ,其次为厌氧微生物降解 ,重金属与挥发酚主要是土壤吸附作用 ,而氮的去除是好氧环境中的硝化作用与厌氧环境中的反硝化作用的联合作用的结果 。

地下水渗流对地埋管换热器周围温度场的影响

为确定地下水渗流对土壤源热泵地埋管换热器周围温度场的影响,以U型地埋管换热器传热系统为例,构建了等效当量直径的单管圆柱换热器传热物理和数学模型,并用多物理场耦合分析软件COMSOLMultiphysics 4.2a对夏季工况下地埋管换热器周围温度场进行数值模拟计算,通过有无渗流条件下不同导热系数、孔隙率土壤温度场变化的对比分析,确定引起温度场变化的主导因素,为下一步试验提供了重要依据。

地下水渗流对地埋管传热影响的理论分析

根据有渗流时无限大介质中线热源温度响应的解析解,讨论了在不同地下水流速和土壤热物性条件下,地下水渗流对地埋管与周围土壤的换热影响;并介绍了在地埋管换热器设计中,选择Pe数作为是否应考虑地下水渗流因素的判别条件。

地下水渗流力学的发展进程与动向

回顾Darcy定律建立150周年来,地下水渗流力学的发展进程。关于经典理论,根据渗流问题的基本方程与计算方法,从地下水资源评价、地下水流系统中的传质与传热、非饱和土渗流、计算渗流力学4个方面,概述其应用研究的发展历程;从参数的尺度效应、非饱和土渗流、非连续介质渗流、带自由面渗流4个方面,概述其发展的研究现状。结合经典理论的缺陷,讨论了现代渗流理论的发展动向;在回顾Biot耦合渗流理论的发展进程的基础上,探讨存在于耦合渗流理论中的可能缺陷,提出结合Biot波动理论的可能解决方向。

地下水渗流对地埋管管群传热的影响

建立了有地下水渗流时地源热泵地埋管管群热渗耦合传热模型,通过数值模拟方法研究了地下水渗流对管群内不同位置钻孔换热的影响,渗流方向角和钻孔布置形式对管群换热的影响。研究结果表明,地下水的渗流削弱了管群在垂直于渗流方向上的热影响,增强了沿渗流方向的热影响。地埋管管群无论顺排还是叉排布置,都存在一个最优渗流方向角,此时管群换热效果最好,而且渗流方向角的影响随渗流速度的增大而增强。

上海地面沉降地下水渗流场与地层应力场分析

为有效控制上海地面沉降发展,利用地下水位与地层变形的实测资料,分析了地下水渗流场与应力场的变化特征及其制约机制。结果表明:地面沉降与地下水渗流场、第四纪地层的应力场关系密切;开发利用地下水资源以及工程建设活动,是渗流场与应力场发生变化的重要影响因素;地层空间分布的不均一也使渗流场和应力场发生突变并呈现非线性;深部含水层集中开采导致的地下水位持续下降以及浅部含水层的工程降水和建筑荷载,是上海地面沉降防治面临的新问题。该研究有助于上海地面沉降系统调控对策的制定与防治技术措施的实施。

地下水渗流作用下的盾构隧道开挖面安全系数上限分析

利用数值模拟技术对地下水渗流情况下盾构隧道开挖面的渗流场进行模拟,获得了隧道开挖面周边各节点的孔隙水压力。基于极限分析上限定理,利用各节点孔隙水压力计算出隧道开挖面上限破坏机制中的孔隙水压力功率,并将其视为一个外力功率代入虚功率方程中,构建出考虑渗流影响的开挖面安全系数目标函数。通过非线性序列二次规划法对该目标函数进行优化计算,得到开挖面安全系数上限解。利用强度折减法验证了该方法的有效性,并将其用于考虑地下水渗流作用的盾构隧道工程实例分析。研究表明:在考虑地下水渗流的情况下,开挖面安全系数随土体黏聚力、摩擦角、开挖面支护力的增大而增大,随地下水位的升高而减小;开挖面的破坏范围随摩擦角的增大而显著减小,但地下水位线的位置对开挖面的破坏范围影响较小。

纪村水电站防渗墙及铺盖区地下水渗流示踪分析

纪村水电站铺盖廊道扬压力观测值近年有增大趋势,2000年后当库水位超过54 m时,右无砂管排水量出现陡增,为此防渗墙和防渗铺盖的防渗性能受到特别关注。从物理化学示踪和地下水流速流向和垂向流的示踪看,防渗墙和铺盖的防渗性能总体是好的,但存在局部小的渗漏点。右无砂管排水量由通过防渗墙、防渗铺盖及斜墙伸缩缝入渗的库水和右土坝基岩中沿F16断层集中渗透的地下水组成,后者是右无砂管排水量的重要组成部分,占74.7%,同时也是铺盖廊道扬压力呈增大趋势的主要原因。今后防渗重点应该是对F16断层的处理。

地下水渗流条件下地埋管换热器的传热模型

提出了有限长线热源渗流传热模型,根据获得的解析解分析了地埋管换热器周围介质的温度响应。比较了有限长线热源和无限长线热源两种渗流模型,分析了地下水渗流速度及地埋管相关参数对热扩散的影响。研究表明,地下水渗流可改善地埋管换热器的换热性能,提高换热量,从而可降低系统的初投资。