热湿循环作用下节理砂岩重复剪切力学特性及本构模型

乌东德、白鹤滩等大型水库处于金沙江典型干热河谷内,其岸坡消落带岩土体除经受库水位每年大幅升降以及汛期小幅频繁变化的影响外,还包括干热河谷高温低湿气候条件以及区域高频地震和水库地震的影响。为研究干热河谷地区消落带节理岩体的损伤劣化特性,在前期水-岩作用的研究基础上,以乌东德库区典型岸坡节理砂岩为研究对象,开展了热湿循环作用下节理砂岩重复剪切试验,分析了节理岩体的剪切力学特性劣化规律和劣化机理,并分段建立了考虑热湿循环作用损伤的节理砂岩剪切本构模型。研究表明:(1)在热湿循环以及重复剪切作用下,节理砂岩的抗剪强度、剪切刚度、剪切重点剪胀值和屈服点剪切位移均呈现“快-缓-稳”的劣化趋势,其中在前3个循环周期内劣化幅度显著,劣化占比近70%,3~8个循环周期内劣化速率放缓,8个循环周期后劣化速率趋稳;(2)相比于干湿循环,热湿循环对岩石孔隙度和纵波波速的影响更大,且岩石颗粒间的连接作用在较高温度的影响下更易遭受破坏;(3)根据剪切应力-剪切位移曲线特征,建立了以Goodman模型和Clough-Duncan双曲线模型分段修正描述的本构模型,模型曲线与试验结果能够较好吻合。研究成果及方法可为干热河谷水库岩质岸坡消落带稳定分析提供参考。

基于碳减排的梯级水库消落期多目标水碳调度研究

提出基于碳减排的梯级水库消落期多目标水碳调度模型,将碳排放因子法应用于梯级水库水碳调度研究,为梯级水库消落期水碳协同调度提供技术支撑。以发电量最大和温室气体排放量最小为调度目标,采用NSGA-II算法求解模型,并以金沙江中下游6座水库与三峡水库组成的梯级水库为研究对象进行实例研究。结果表明:相较现行调度方案,在丰、平、枯不同水文情景下,发电效益最佳方案可使梯级水库年发电量提高44.3~75.9亿kW·h,增长率为4.0%~5.2%;碳减排效益最佳方案可减少温室气体排放量(CO_(2)当量)37.5~42.5 Gg/a,降低4.2%~4.7%;协调调度方案可提高年发电效益36.4~73.8亿kW·h(增长率3.2%~5.0%),减少温室气体排放量(CO_(2)当量)36.3~41.4 Gg/a,降低4.0%~4.6%。

考虑生态流量约束的梯级水库分期消落水位多目标优化调度

针对如何表征枯水期季节性特征、优化分期消落水位来指导水库群消落调度的科学问题,提出了考虑生态流量约束的梯级水库分期消落水位多目标优化调度模型。以金沙江中下游6座水库与三峡水库为研究对象,综合运用多种数理统计方法划分流域枯水期;采用逐月滑动计算法推求梯级水库分期消落水位;以生态和发电效益最大为目标函数,利用NSGA-Ⅱ算法求解调度模型,得到不同来水情景下梯级水库枯水期消落调度方案。研究结果表明:不同来水情景下,相较于常规调度方案,选定的优化调度方案可增加梯级水库发电量30.20亿~52.27亿kW·h(增加2.3%~5.0%)和供水量83.15亿~87.14亿m3(增加5.8%~7.4%),并提高河道生态流量保证率2.6%~22.9%。研究成果可为协调梯级水库生态和发电调度提供技术支撑。

基于分形理论的三峡库区消落带岸线形态特征研究

以消落带为基础数据,采用网格法计算了不同水位及各段岸线的分形维数,对其分布特征和空间分布规律进行了研究。结果表明:(1)145 m水位岸线、175 m水位线和消落带整体形态的分维值D分别为1.1996,1.3216,1.3192;(2)消落带145 m水位线相对于175 m水位线和消落带整体形态而言,相对平直简单,与岸线实际情况相符合;(3)消落带网格单元分维值整体均值为1.24,最大值为1.40,主要分布在1.05~1.3之间。

枯竭油气藏储气库出砂机理及防砂研究进展

枯竭油气藏储气库出砂会导致储层损害、井下管柱磨蚀及地面辅助设备故障等危害,严重影响储气库安全运行和有效储气能力。本文从油气藏开发阶段与储气库运行阶段出砂的异同出发,调研分析了现有枯竭油气藏储气库出砂机理、临界出砂生产压差预测以及防砂工程措施,对储气库出砂研究进展进行分析总结,指出了现有研究的不足以及未来攻关的方向。

丹江口水库消落区土地覆被空间格局分析

基于10 m分辨率的DEM数据,对丹江口水库150 m、160 m1、70 m和172 m水位淹没范围进行了提取;基于2009—2010年获取的RapidEye和Landsat-5 TM遥感数据,采用面向对象分类法,对丹江口水库172 m水位线以下的区域进行了土地覆被遥感监测。据此探讨了丹江口水库消落区土地覆被的空间特征,分析了引起土地覆被空间格局差异的影响因素。监测结果表明,丹江口水库150～160 m、160～170 m和170～172 m水位消落区的面积分别为232.0 km2、242.6 km2和43.1 km2;在各水位消落区内,土地覆被类型均以耕地为主,其面积均占各区间面积的50%左右;在低水位处裸地面积较大,高水位处森林面积较大。大坝水位调度和库岸坡度是丹江口水库消落区土地覆被空间格局差异的影响因子,高程低的区域受大坝水位调度和库岸坡度的双重影响,高程较高的区域则主要受库岸坡度的影响。

库水位下降情况下滑坡的稳定性分析

库水位的下降是库岸产生滑坡的重要原因。为了研究库水下降时坡体的稳定性,根据布西涅斯克非稳定渗流微分方程,得到了库水位等速下降时坡体内浸润线的简化计算公式。在此基础上,通过算例分析了滑带土抗剪强度、库水下降速度、下降高度以及坡体的渗透系数等对坡体稳定系数的影响。结果表明在库水位的下降过程中,坡体存在一个最危险的水位,在这个水位坡体的稳定系数最小,该位置一般在滑体的下1/3处。

三峡水库消落区土壤磷吸附特征

采集了三峡水库消落区主要土壤类型和土地利用方式的土壤样本30个,研究了土壤对磷的等温吸附过程。结果表明:三峡水库消落区土壤磷的等温吸附过程可以用单表面Langmuir方程、双表面Langmuir方程、Frendlich方程、Temkin方程描述。土壤吸磷能力为水田>旱地,黄壤>紫色土>冲积土。紫色土、冲积土的磷零点吸持平衡浓度高于发生富营养化的临界浓度(0.02mg/L)。黄壤对磷有较大的缓冲容量,而冲积土、紫色土对磷的缓冲能力较小,土壤淹水后其释放磷的风险大于黄壤。土壤的吸磷能力与土壤活性铁铝和有机质含量呈正相关,与磷吸持饱和度呈负相关。磷吸持指数可代替最大吸磷量用于评价土壤的吸磷能力,磷吸持饱和度可用来评价磷在水土界面的迁移能力。

致密低渗气藏水锁影响因素研究

针对致密低渗气藏中严重影响勘探开发效果的水锁损害,分析了影响水锁效应的因素,利用致密低渗气藏天然岩芯,从储层平均孔喉半径及渗透率、生产压差、粘土矿物种类及含量、气水相渗曲线形态等方面,开展了系统的水锁实验研究,发现储层渗透率、粘土矿物种类及含量、气水相渗曲线形态是影响水锁效应的内在因素,生产压差是影响水锁效应的外在因素。认清了影响水锁效应的因素,为深化致密气藏水锁机理与渗流机理的认识和更加有效勘探开发致密低渗气藏具有指导意义。

梯级水库群汛前消落控制多目标优化方法

大型水库汛前消落控制是流域梯级乃至整个水电系统调度的核心问题之一,关系到电网的安全、稳定、经济运行。该文以乌江干流梯级水电工程为背景,结合贵州电网水火电协调运行需求,提出梯级水库群汛前消落控制多目标优化方法,引入"基尼系数"描述梯级蓄能消落均衡程度,构建了蓄能消落基尼系数最小和发电量最大多目标优化模型;提出耦合"随机原则"和"满意原则"的多情景决策方法,挖掘来水不确定性及年初蓄能状态对目标变化趋势的影响,确定不同情景下蓄能消落基尼系数控制边界,以优选适合的梯级水库汛前消落控制方式。实际应用结果表明,该文方法可以兼顾发电效益和梯级蓄能均衡消落控制需求,得到便于实际调度操作的消落控制方式。

洞庭湖湿地土壤种子库特征及其与地表植被的相关性

本文研究洞庭湖三种分布于不同水位的主要群落(荻、苔草、虉草)土壤种子库大小组成、垂直分布特征及其地表植被的相关性.结果表明:荻群落土壤种子库密度最高,为44656粒/m2,苔草群落的最低,为15146粒/m2,虉草群落的居中,为31725粒/m2.种子主要分布于土壤表层(0～5 cm),且随土壤剖面深度的增加而迅速递减.三种群落湿地种子库由53种植物组成,分属18科39属,其中多年生物种20种,一或二年生物种33种.在荻、苔草和虉草三种群落中,种子库的多年生物种分别占29.9%、35.2%和38.0%,物种多样性指数分别为0.76、0.70和0.72;地表植被物种多样性指数分别为0.53、0.17和0.45,土壤种子库与相应地表植被相似性系数分别为0.40、0.28和0.52.可见,在洞庭湖这一通江湖泊湿地,多年生地表植被所产生的种子对土壤种子库大小贡献相对有限,种子库可能主要通过其它途径(如水的流动作用)输入.

库岸古滑坡离心模型试验研究

针对一库岸古滑坡进行了水位骤降条件下失稳机制的离心模型试验。离心模型的制作考虑了原型边坡的大尺寸和非均质特征,离心试验过程中进行了上下游水位的实时控制,试验后进行了边坡土体物理特性和强度特性的对比试验。离心试验结果表明:水库蓄水导致坡脚抗滑阻力降低,坡体前缘出现裂缝并随着水位上升出现坡脚坍滑;水位骤降坡体内产生向外的动水压力,加剧坡脚滑动并形成牵引式滑坡趋势;坡脚被加固后边坡变形情况得到明显改善,滑动被阻止,边坡整体稳定性提高。离心试验前后边坡土体的物理力学试验结果揭示:坡脚滑动会造成坡体土密度和含水率重新分布,并导致近滑动区土体强度特性改变、强度指标下降。另外,水下土体随浸没时间增长黏聚力会降低直至消失。

库水位骤降时的滑坡稳定性评价方法研究

三峡水库蓄水及水位波动,将极大地改变滑坡体内的水文地质条件,库水位骤降和暴雨入渗是导致滑坡的主要因素。库水位骤降时的滑坡稳定性评价是滑坡防治中的一个难题。根据三峡水库水位调控方案和库区滑坡地下水作用的力学模式,利用有限元模拟库水位从175 m骤降至145 m时的滑坡暂态渗流场。建立了渗透力作用下滑坡稳定性评价的不平衡推力法。研究表明:滑坡的渗透系数和库水位下降速度是影响滑坡稳定性的主要因素,当库区堆积层滑坡渗透系数小于0.864 m/d,库水位发生骤降为2 m/d。库水位骤降时滑坡稳定性降到最小的水位通常在175 m水位以下10～20 m处。其研究为库区175 m水位滑坡治理提供了科学依据。

光照强度和温度对三峡水库消落区典型土壤磷释放的影响

[目的]考察3种土壤的释磷量在不同光照和温度下的变化规律。[方法]将采自重庆市涪陵区消落带的沉积物、水稻土、紫色土移至实验室内进行磷释放模拟试验。[结果]在不同模拟光照强度下,上覆水总体上偏碱性,pH和总磷均随光照强度的升高而增加。在不同温度下,总体上水体偏碱性,pH随温度的升高而增加,总磷随温度的升高而减小。[结论]光照强度促进土壤微生物把土壤中的有机态磷转化为无机态磷,从而促进内源磷的释放。温度对土壤磷释放的影响主要表现为受温度影响而生长的微生物吸收土壤释放的磷,阻挡其进入上覆水中。同一光照强度和温度条件下的土壤释磷量顺序为紫色土>水稻土>沉积物。

三峡水库消落区淹水后土壤性质变化的模拟研究

通过模拟淹水过程,研究了淹水后三峡库区消落区主要类型土壤性质的变化,发现淹水后酸性土壤的pH值升高,碱性土壤的pH值降低,Eh在淹水初期都会降低。土壤中的Zn、Cu、Pb、Cd、Cr、Hg、As的含量都有不同程度的降低,其中Hg较为显著,而有效态的Zn、Cu、Pb、Cd、Fe和Mn的含量大部分呈增加趋势,但其变化规律不尽相同。

非均质底水油藏水平井合理生产压差实验研究

利用底水油藏水平井小尺度离散化物理模拟装置,研究不同生产压差以及不同含水阶段变生产压差对水平井采出程度和含水率等开发指标的影响。结果表明:原油黏度较高时,较小压差下中低含水阶段单位含水率上升所对应的采出程度随生产压差的增大而增大;较大压差下进入中高含水阶段含水率随采出程度的增加上升幅度减缓。原油黏度较低时,在中低含水阶段,单位含水上升所对应的采出程度随生产压差的增大而减小,在含水率达80%左右出现明显拐点。利用基尼系数定量描述不同压差下各渗透率条带的采出程度差异度。基尼系数越大,各渗透率条带采出程度差异越大,基尼系数与综合采出程度呈"负相关"关系。原油黏度较大时,较大生产压差可将"单一指进"变为"多指进"而提高综合采出程度;在高含水阶段过分放大压差,底水驱替效果变差。原油黏度较小时,较低生产压差在中低含水阶段可获得较好的开采效果;在中高含水阶段放大生产压差可提高底水驱替效率。对于I类普通稠油,水驱有效系数与变压时含水率呈幂函数关系,较低含水率阶段增大生产压差能获得较好的开采效果。

库水位下降时隔水底板倾斜的层状岸坡中浸润线的解析解

库岸边坡中的地下水对其稳定性起决定作用,然而目前却没有统一的公式用来计算岸坡中的浸润线。为此,根据三峡库区广泛存在的隔水底板倾斜的层状非均质岸坡建立了基本模型,求得了稳定渗流和非稳定渗流两种情况下,库水位下降时岸坡中浸润线的解析解。同时,结合算例进行了分析,证明该方法在实际工程中具有指导意义。

弱固结砂岩气藏出砂物理模拟实验

海上弱固结砂岩气藏一旦出砂,危害极大,准确地预测出砂尤为重要。目前国内外关于出砂预测的模型均基于一定的假设条件进行理论计算,参数较多,直接影响到预测精度。笔者基于出砂物理模拟实验,首次研制了一套气井出砂物理模拟实验装置,并进行了大量实际储层全直径岩心模拟实验,测定了岩心发生出砂时的临界压差与流量,通过相似原理反算出实际生产时的出砂临界压差。根据实验测试结果,回归了生产压差与岩心单轴抗压强度的拟合关系,形成了一种简单有效的弱固结气藏出砂预测方法。该方法首次在南海某深水气田进行了应用,预测误差可控制在10%以内。

库水位升降作用下大型堆积体边坡变形破坏预测

库岸边坡的变形破坏及稳定性研究是目前国内外研究的热点之一。基于水电站库区一大型堆积体边坡,通过现场原位直剪试验获取岩土体的力学参数,利用岩土数值分析FLAC3D软件,考虑了堆积体与基岩基覆接触带介质的应变软化特性,对水库蓄水和下降过程中边坡的变形破坏特征进行了分析预测。结果表明,在库水升降作用下变形主要发生在堆积体内部;根据堆积体的变形特征可分为3个区:前缘牵引变形区,变形量最大;中间过渡区,变形量最小;后缘被牵引变形区,变形量介于前缘和中间之间。模拟过程中,在坡体的不同位置设置位移监测点,得到了蓄水和水位下降过程中各监测点的位移时程曲线,监测结果显示,水位下降时堆积体前缘易形成局部失稳。通过剪应变增量判断堆积体边坡在库水作用下可形成2个潜在的滑动破坏面。

三峡水库澎溪河消落区土-气界面CO_2和CH_4通量初探

水库近岸湿地(消落区)温室气体(CO2、CH4)产汇是水库温室气体效应问题的重要组成部分.本文以三峡水库支流澎溪河的白家溪、养鹿两处大面积消落区为研究对象,于2010年6 9月水库低水位运行期间,对近岸消落区土-气界面CO2、CH4通量进行监测.白家溪消落区土-气界面CO2通量均值为12.38±2.42 mmol/(m2·h);CH4通量均值为0.0112±0.0064 mmol/(m2·h).养鹿消落区CO2、CH4通量均值分别为10.54±5.17、0.14±0.16 mmol/(m2·h).总体上,6 9月土-气界面CO2通量呈增加趋势,而CH4通量水平呈现显著的递减趋势.消落区土地出露后植被恢复,在一定程度上促进了土壤有机质含量的增加,使得6 9月CO2释放通量的总体趋势有所增加.消落区退耕后,其甲烷氧化菌的活性得到恢复,加之在土地出露曝晒过程中土壤透气性增强,使得消落区土壤对大气中CH4吸收氧化潜势增强.尽管如此,仍需进一步的研究以明晰消落区土-气界面CO2、CH4产汇的主要影响因素.