有自由面渗流问题的等效裂隙网络模型

为降低传统连续介质渗流模型的网格依赖性并提升数值计算稳定性,基于连续介质渗流模型,通过引入表征单元体将均匀多孔介质水平和竖直孔隙概化为正交裂隙网络,建立了有自由面渗流问题的等效裂隙网络模型。推导了等效裂隙网络模型的渗流速度、连续性方程及边界条件的等效形式,将二维渗流问题转化为一维等效裂隙网络渗流问题。结合连续型罚Heaviside函数,将湿区渗流流速扩展至整个研究区域,给出了等效裂隙网络渗流分析的有限元求解格式。通过与均质矩形坝和梯形坝其他数值解的对比分析,验证了等效裂隙网络模型的有效性。最后将该方法应用于土质斜心墙坝稳定渗流分析,计算结果很好地反映了黏土心墙防渗体与上下游坝壳堆石区的自由面分布规律,揭示了黏土心墙防渗体的阻水效应。

基于GHS模型和瞬态渗流-固结完全耦合的基坑开挖分析

以福建省厦门市滨海东大道改造工程交叉上跨厦门地铁3号线区间隧道段基坑项目为例,采用Plaxis软件建立了基坑有限元模型并确定了土体参数,对比分析了瞬态渗流-固结完全耦合与稳态渗流-固结半耦合分析方法计算得到的基坑降水和沉降差异,以及HSS模型和稳态渗流-固结半耦合与GHS模型和瞬态渗流-固结完全耦合分析方法计算得到的基坑坑底竖向位移差异。分析结果表明:采用瞬态渗流-固结完全耦合分析方法计算得到的基坑水位变化值更接近实测值;采用GHS模型和瞬态渗流-固结完全耦合分析方法计算得到的基坑坑底竖向变形和下卧地铁隧道右线管片结构竖向位移更接近实测值;因此基于GHS模型和瞬态渗流-固结完全耦合的基坑开挖分析方法计算精度更高。

水平井渗流模型分析评价及发展方向

为了进一步发展水平井技术以应对目前老油田产能下降及新增低渗储量比例不断提高的状况,需要对水平井理论进行进一步的深入研究。从最基础的渗流理论出发,总结分析国内外有关水平井的多种渗流模型,将这些模型按照所对应的渗流状态分为稳态渗流模型、拟稳态渗流模型、非稳态渗流模型以及井筒与地层耦合流动模型4类。通过对各类模型的适用条件及优缺点进行分析评价,认为稳态模型具开创性意义,但假设过于理想,与实际相差较远;拟稳态模型形式简单,却只描述了一个很短时间的形态;非稳态模型具有普遍性,但没有考虑到近井地带井筒流动的影响;而耦合模型在实际和精度方面具有优势,但却存在计算复杂的问题。在此项研究的基础上,提出了模型下一步发展方向,即以井筒与地层耦合模型为基础,进一步引入实际参量,并根据实际条件对参量进行拟合,固定部分计算参量的数值,在保证精度的前提下简化计算过程;同时,结合追踪流线与矢量井网等方法的应用,丰富研究手段。

破碎岩体非达西渗流的非线性动力学分析

基于多孔介质的有效应力原理,建立起饱和破碎岩体非达西渗流流固耦合的非线性动力学模型,并对其一维解耦动力学方程进行无量纲变换,通过逐次亚松弛迭代法,得到其收敛于平衡态的孔隙压力及渗流速度时间序列.分析了系统在不同控制参数下的动力学响应,并给出了其相轨线图案.研究表明,渗流速度时间序列曲线存在周期2轨道,当非线性项参数递增或系统远离平衡态时,系统会发生渐进失稳,引发水渗流动力灾害.

排水砂槽渗流试验与Signorini型变分不等式方法验证

排水是岩土体及工程构筑物渗流控制的主要措施之一,其实质是通过在渗流域内形成潜在溢出边界或低水位边界而实现渗流控制的。在排水渗控条件下,渗流场往往具有强烈的边界非线性特征,Signorini型变分不等式方法从理论上为稳定和非稳定排水渗流问题提供了有效的分析方法,但其实际效果还需要得到试验的验证。通过开展含5个排水廊道的排水砂槽模型试验,研究了复杂排水条件下砂土渗流的基本规律,并通过试验数据与数值计算成果的对比分析,论证了Signorini型变分不等式方法的有效性和正确性。试验结果表明,在稳定渗流条件下,排水砂槽上游侧3个排水廊道对渗流控制起主导作用,而下游侧2个廊道则失去排水功能,数值计算与试验成果吻合较好;在非稳定渗流条件下,受测压管精度、砂样均匀性和毛细效应的影响,数值计算与试验成果存在一定偏差,但也较好地揭示了复杂排水条件下砂槽中的非稳定渗流特征。排水砂槽试验结果验证了Signorini型变分不等式方法的有效性和正确性,为复杂排水条件下岩土体及工程构筑物的渗控结构优化设计提供了有效的分析手段。

煤层气多分支井形态分析

煤层气井开采的第三阶段是煤层气井开采期限的主要部分,前人研究表明可用真实气体拟压力法来精确描述这一阶段的渗流规律。因此,根据镜像反映和压力叠加原理,建立了上下封闭煤层气藏中煤层气多分支井压力分布方程。考虑多分支井沿程流动压降对产能的影响,建立煤层气多分支井稳定渗流时的产能计算耦合模型,给出了模型的求解方法,分析了多分支井形态参数对煤层气多分支井产能的影响规律。

高堆石坝水力耦合模型及工程应用

建立了高面板堆石坝非线性变形与非稳定渗流的水力耦合模型。该模型分别采用邓肯E-B模型和抛物Signroini型变分不等方法模拟堆石体的非线性应力变形过程和非稳定渗流过程,并通过修正的Kozeny-Carman模型表征堆石体的渗透特性对变形和围压的依赖关系。在面板渗透系数反演分析的基础上,应用上述模型对水布垭面板堆石坝进行了渗流–变形耦合分析。通过对数值模拟结果与实测数据的对比分析,表明因面板的绝对防渗作用,堆石体中的水力耦合效应并不显著,且上述模型可在一定程度上揭示堆石坝的渗流及变形发展趋势;但因忽略了流变、湿化、室内试验参数的尺寸效应以及非饱和渗流等,上述模型也存在较为突出的局限性。研究成果对于高面板堆石坝的水力耦合分析具有一定指导意义。

不渗透区域对渗流场流线分布影响研究

建立了考虑源(汇)影响的含有不渗透区域复杂边界条件下均质油藏稳定渗流的数学模型。利用边界元方法求解数学模型,获得了地层中任意一点的压力公式。提出了流线场的生成方法。绘制了考虑复杂边界条件和不渗透区域影响的流线分布图,并分析了流线分布的特征。通过分析表明,不渗透区域的大小、形状和位置对整个油藏的流线分布均存在不同程度的影响,因此,如果根据地质资料已确定出油藏内存在不渗透区域,则在井网优化和调整注采方案时必须考虑不渗透区域的影响。

原地浸矿单孔注液稳渗流量计算

为确定原地浸矿工艺中单孔注液流量,开展5组单孔注液现场试验,获得不同注液流量下孔内水头及影响半径的实测数据。假设孔周湿润体近似为椭球体,取饱和度Sr=80%等值面围成的区域为研究对象,将单孔注液稳渗过程等效为以孔内水头及Sr=80%等值面上基质吸力为驱动力的入渗问题,建立单孔注液稳渗流量计算模型,利用试验结果进行模型验证。结果表明:原地浸矿单孔注液孔周等效水力梯度随孔内水头的变化较小,对于砂土类矿体可取平均值为5.62;单孔注液稳渗流量与孔内水头近似呈线性关系,模型误差绝对值在12%以内,表明单孔注液稳渗流量计算模型是有效的。

裂隙岩体核素迁移的稳态时间模型

将裂隙岩体渗流视为裂隙网络流 ,核素仅在岩体裂隙网络流中迁移 ;核素在迁移过程中同时存在吸附和解吸作用 .基于图论和单一裂隙渗流的立方定律 ,建立了裂隙岩体裂隙网络渗流模型 ;在此基础上 ,考虑核素在裂隙网络流中迁移时既被裂隙表面吸附同时又发生解吸 。

汉江兴隆水利枢纽一期土石围堰二维渗流分析

汉江兴隆水利枢纽一期土石围堰坐落在50-60 m深的覆盖层上,覆盖层上层为厚15-30 m粉细砂、含泥粉细砂层,抗渗稳定性差,下层为30余m厚的砂砾石层,透水性大。围堰防渗采用塑性混凝土防渗墙上接复合土工膜心墙方案。为了解方案的防渗效果,采用二维稳定渗流模型和理正渗流分析软件,计算比较了不同防渗墙深度对应的渗透出逸比降和单宽渗流量。结果表明,悬挂式防渗墙不能有效控制渗透出逸比降和渗流量,与下部相对不透水层接触的着底式防渗墙渗流控制效果显著。

三维稳定渗流的非线性复合单元高斯点求解分析

土石坝渗流分析是确定渗流控制标准、评价大坝安全稳定,对渗流自由面及临界水位的计算是分析研究的主要内容,同时在坝坡抗滑稳定性评价中意义重大。文章结合三维稳定渗流场数学模型原理,构建坝体有限元模型,通过自编有限元求解程序,计算复合单元高斯点法求解坝体渗流的非线性问题,对比实测值验证该程序的可行性。

非稳定渗流问题的变分不等式方法及工程应用

Signorini型变法不等式方法是求解有自由面渗流问题的一种新方法,该方法理论基础严密,并克服了渗流溢出点的奇异性。通过给出一种含有Signorini型互补条件的抛物变分不等式(PVI)方法,将Signorini型变法不等式方法从稳定渗流分析拓展到非稳定渗流分析,并给出了其有限元数值计算格式和数值模拟流程。在此基础上,针对已有的砂槽模型试验数据,通过对比研究基于PVI方法的非稳定渗流分析成果和饱和-非饱和渗流分析结果,论证了该方法的有效性,并讨论了该方法的适用条件。最后,应用上述方法对含有复杂渗控措施的水布垭工程开展了非稳定渗流分析,通过与大坝坝体、趾板、灌浆廊道围岩、地下厂房围岩等部位实测渗压数据和坝后量水堰实测流量数据的对比分析,表明计算结果很好地反映了水布垭工程厂、坝区岩土体在蓄水及运行过程中渗流场的变化规律,系统揭示了混凝土面板、防渗帷幕、排水孔幕及排水廊道等工程渗控措施的渗流控制效应。研究成果对于含有复杂渗控措施、并具有稳定补给源的岩土工程非稳定渗流分析具有指导意义。