数值模拟方法验证光透法监测流体饱和度的有效性：以非均质孔隙介质中的水/气两相流为例

光透法作为一种安全经济的非侵入监测方法广泛应用于室内砂箱多相流实验中,但该方法在局部空间点上结果的可靠性尚缺乏验证。鉴于当前难以采用实验手段直接进行局部监测点取样验证光透法结果,本文以非均质孔隙介质中的水/气两相流为例,基于砂箱实验开展了数值模拟研究以进行论证。研究表明:(1)模拟结果中气体在非均质含水层中的迁移规律、展布形态和饱和度分布总体上再现了光透法的测量结果。(2)数值模拟和光透法得到的6个局部点饱和度数据在各时刻均拟合较好。同时选取12个时刻共5316个监测点的饱和度数据进行分析,其决定系数达0.94,这表明模拟结果从统计角度较好地验证了光透法在局部点监测上的有效性,两者间的差异主要由人工填砂导致的介质"不均匀"引起。(3)气体总量方面,实测排水值、模拟结果与光透法计算结果均拟合较好。因此数值模拟结果系统地验证了光透法监测流体饱和度的有效性。

承压水上采煤突水监测预报理论的物理与数值模拟研究

采用三维相似模拟与数值模拟方法,研究承压水上采煤底板各含水层水压分布随采动的变化规律,即在多数情况下,距煤层底板20 m以上的小含水层在无构造带存在情况下,开采对其影响不大,但在构造带存在的情况下,可能引起构造带活化,与底部高承压含水层沟通,发生突水事故,其安全的开采区视具体情况而定。同时采用2种方法验证基于多含水层水力联系的奥灰突水监测预报理论的正确性,说明在多数情况下奥灰突水总是通过渗透通道流入与之最近的含水层,其次向高处发展,即一般经本溪组含水层到达太原组含水层,最后产生突水。研究结果表明,突水监测预报系统可以在现场推广使用。

碎石桩与水泥土桩加固液化地基的数值模拟研究

采用三维有限差分程序FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)对未加固、碎石桩加固和水泥土桩加固的液化砂土地基进行数值模拟,探讨了碎石桩与水泥土桩加固液化砂土地基的抗液化性能。研究表明碎石桩抗液化能力显著,而水泥土桩抗液化能力十分有限,证实了碎石桩加固液化砂土地基的抗液化效果与桩土共同作用的排水效应直接相关。

强夯地基工后沉降监测及数值模拟

基于现场实测的孔隙水压力资料反算出的固结系数、渗透系数等参数 ,模拟了强夯地基工后软基沉降规律 ,沉降模拟结果与实际监测结果相一致 。

基于孔隙网络模拟的致密砂岩气充注与微观气水赋存特征

中国致密砂岩气资源丰富,勘探潜力大,但已有的开发实践证实开发面临巨大挑战。为了从微观角度深入认识致密砂岩气成藏机理,气水分布,提高致密砂岩气采收率,基于孔隙网络模型,开展了致密砂岩气充注数值模拟研究,探讨了微观尺度下致密砂岩气充注机制,并分析了充注过程中气水的赋存特征,建立了不同温度压力条件下毛细管力学模型,指出了不同地质条件下含气性差异与变化的特征。研究结果表明:①毛细管压力是孔隙内流体与孔隙壁面之间的分子间相互作用力的宏观表达,相较常温常压,在高温高压地层中毛细管压力更小,成藏下限可能更低;②由于孔隙结构的非均质性特征,并非所有大孔隙都被天然气充注,与小孔隙或者窄喉道相连的大孔隙可能无法被充注而呈现局部高含水特征,开发过程中,这部分水作为自由水被产出;③孔隙网络模拟揭示了岩心尺度上的致密砂岩微观含气性增长机制与气水分布形成过程,有利于深入认识致密油气成藏机理,以及气水分布。结论认为,基于孔隙网络充注模拟技术,在实验室条件下揭示了微观气水分布形成过程和致密砂岩气充注机理,对指导致密砂岩气开发具有重要指导和借鉴意义。

基于高密度电阻率法数值模拟的露天铁矿充水型采空区顶板冒落动态监测研究

针对露天铁矿充水型采空区顶板厚度动态评价技术难题,本文以BIF型露天铁矿充水型采空区的地质-地球物理特征为研究基础,以高密度电阻率法的数值模拟理论为依据,选取已知充水型采空区为研究对象构建数值模型,采用数值模拟软件进行了采空区顶板厚度在采矿扰动下从17m减薄至11m和7m时动态模拟计算研究。研究成果表明高密度电阻率法可以监测露天铁矿采空区顶板厚度的动态变化,提供实时预警,防止采空区诱发的次生地质灾害,且克服了单一钻探破坏性评价的风险性,为金属矿山的安全生产提供了技术保障。

富水砂卵石地层深基坑开挖变形监测与数值分析

以长沙地铁5号线二标晚报大道站富水砂卵石地层深基坑降水开挖工程为依托,在钻孔灌注桩+旋喷桩止水帷幕的设计方案下,首先,给出了该车站深基坑止水帷幕水平位移及周边地表沉降的监测方案,完成了现场监测工作;并根据监测结果分析了止水帷幕水平位移及周边地表沉降随着基坑开挖的变化规律。然后,采用ABAQUS软件对该车站深基坑降水开挖进行了全过程数值模拟,在对止水帷幕水平位移和周边地表沉降模拟值与现场实测值进行对比、验证的基础上,就止水帷幕渗透系数、嵌入岩体深度和横向支撑对止水帷幕水平位移及地表沉降的影响进行了研究。结果表明:横向支撑结构能有效提高基坑稳定性,止水帷幕嵌入岩体深度建议保持在3~7m为宜,可为富水砂卵石地层止水帷幕嵌入岩体深度的合理设计与基坑安全施工提供参考依据。

环境水动力数值模拟的研究现状与展望

水动力数值模拟为水环境中污染物的迁移转化提供了重要的背景。水动力数值模拟的发展经历了数值计算、单因素模拟、多因素模拟3个阶段。本文在分析了环境水动力数值模拟的发展过程与研究现状的基础上，结合当前学科发展动态，预测了其未来研究的主要方向。

掘进工作面预注浆堵水技术的数值模拟

针对朱村煤矿运输大巷在延伸过程中遇到前方底板有较大突水采用预注浆堵水技术的问题,采用FLAC3D数值模拟软件对巷道掘进过程中围岩力学性质、孔隙水压力及涌水量变化进行了分析研究。结果表明,掘进工作面预注浆堵水技术能够显著改善围岩抵抗变形的能力,降低孔隙水的渗流速度,提高围岩的抗渗能力,大幅度地减少巷道涌水量。

悬挂式止水帷幕涌水量计算数值模拟及验证

在基坑工程中,为合理保护地下水资源和节约工程成本,悬挂式止水帷幕在工程中的应用越来越广泛。为更好地研究悬挂式止水帷幕基坑涌水量及影响半径的影响范围,依托北京市东城区第一人民医院基坑项目,进行了悬挂式止水帷幕基坑涌水量的数值模拟,并现场进行数据监测,从而对数值计算结果进行验证。结果表明:(1)利用有限元数值模拟软件分析的基坑内涌水量与实际监测的数值趋势相同,日涌水量可以达到1970m^(3);(2)设置悬挂式止水帷幕的基坑,原基坑降水影响半径不再适用,降水影响半径比原来有所减小;(3)随着距离止水帷幕距离的增加,基坑外水头值越来越大;随着距离止水帷幕距离的越来越大,基坑外水头值增加的趋势越来越小。

中国淄博裂隙岩溶水石油污染的特征及污染物运移的数值模拟

淄博市位于中国山东省的中部,大武水源地位于淄博市以东10～20km处,是一个开采裂隙岩溶水的特大型水源地。开采量为520000～540000m^3/d。1984年以后在水源地西部建设了30万吨乙烯工程,地基和污水管道有很大一部分直接座落在奥陶系马家沟组的灰岩和白云岩上,管道的泄漏造成裂隙岩溶水的石油污染。已经威胁到水源地的安全。含水层为奥陶系马家沟组上部的4、5、6段。岩性为石灰岩、白云质灰岩和白云岩。含水空间为溶蚀裂隙网格,具有强烈的非均质性和各向异性。地下水虽然有统一的地下水面,但具有优势流的特点,沿ENE方向有一个岩溶强发育的带。

考虑生物降解的含水层苯酚自然衰减的数值模拟研究

监测自然衰减(MNA)是一种应用较广的经济有效的土壤和地下水污染修复技术,而非水相液体(NAPL)在非均质地层中的运移过程是自然衰减效果评估的重要内容。为了准确刻画多相流体在土壤及地下水中的生物降解过程,以我国北方某典型苯酚污染场地为例,基于连续三年的地下水质动态监测数据,利用多相流数值模拟软件TOUGH3/TMVOCBio构建了考虑Monod生物降解过程的苯酚运移的多相流数值模型。模型再现了现状条件下多相态苯酚的空间分布和时间变化过程,分析了吸附和Monod生物降解参数的敏感性。最后,讨论了吸附和微生物降解参数不确定条件下,溶解、挥发、吸附和生物降解作用去除苯酚贡献率,对污染源处置的2种情景进行了模拟预测。研究发现,苯酚呈现间歇性泄漏,在地下介质中以吸附相为主,其次为液相和气相,最少为自由相。在参数不确定性影响下,生物降解作用为17.91%~58.02%,并且降水条件会影响苯酚浓度的季节性变化。在未来20年内,在苯酚污染源完全去除和保持现状泄漏条件时,第20年末苯酚总质量去除率分别达到98%和80%以上。识别了多相流模型中敏感性较高的生物降解参数,为石化场地有机物生物降解过程数值模拟提供参考,同时可为我国MNA技术的应用提供理论依据。

深部开采构造型突水危险性数值模拟分析

本文以三山岛金矿为工程背景,利用FLAC^(3D)数值软件建立矿井深部开采流-固耦合数值模型,采用房柱式交替向上充填采矿法,在模拟采动条件下,尤其是采场通过F_(3)断层时,矿体、充填体内渗流场以及塑性区的演化过程,对矿井不同开采时段、不同开采区域的突水危险性进行分析。试验结果表明:①距离断层较远时(-825 m-1盘区),随着回采活动的进行,盘区内的孔隙水压迅速降低,对相邻盘区和断层内的孔隙水压也有一定降低作用。②距离断层较近时(-825 m-2盘区),随着回采活动的进行,岩体内节理裂隙不断延伸扩展并与断层沟通,形成渗流通道,导致矿坑涌水量迅速升高,断层内孔隙水压下降。现场回采过程中,当工作面接近或通过断层带时,矿井发生突水危险性最高,应采取重点监测,并通过注浆等手段防止水害事故发生。③通过断层之后(-825 m-3盘区),受回采降压作用影响,盘区内孔隙水压整体较小,并逐渐向两侧采空区充填体扩散降低,随着埋深的增加,断层突水危险性迅速升高。

单侧采空工作面底板采动破坏微震监测与数值模拟研究

为获知单侧采空工作面煤层底板采动破坏规律,分别采用数值模拟和微震监测技术研究某矿81307工作面底板采动破坏特征。研究结果表明:81307工作面采空区侧底板潜在损伤区范围大于实体煤侧,两侧底板潜在破坏深度分别为45,25 m,工作面煤壁前方底板应力场扰动范围约50 m,扰动深度约22 m。底板微震事件集中在81307工作面采空区侧,并向工作面中部延伸90 m左右,最大破坏深度约32 m。工作面宽度方向,底板破坏区近似为1个倾斜矩形面,与+X方向夹角16.5°。数值模拟、微震监测结果在81307工作面两侧底板差异化破坏深度、方向及工作面煤壁前方底板破坏趋势等方面吻合程度高。研究结果可为相关矿井底板防治水提供现场指导作用。

基于流固耦合富水地层盾构隧道数值模拟分析

以青岛地铁一号线某区间盾构法穿越富水地层工程为依托,运用FLAC3D软件进行三维数值模拟,研究围岩孔隙水压力、围岩竖向应力、围岩塑性区的变化规律,并以现场实测沉降数据对模型进行验证。结果表明盾构开挖对土体影响范围约为2倍洞径,拱腰处出现应力集中,拱顶处发生剪切和拉伸破坏,塑性区主要由剪切变形引起;开挖完成后,拱腰处为强渗流区。

微震监测技术探查导水裂隙带发育高度实测研究

为了防止煤层开采后导水裂隙带导通主要含水层对工作面开采造成影响,利用地表微震监测技术探查导水裂隙带发育高度。通过现场实测得出数据与公式理论计算、井下压水试验与井下钻孔电视成像、室内数值模拟等研究成果,综合分析,证明地表微震监测探查导水裂隙带发育高度技术是可行的。该技术克服了钻孔施工、压力试验等繁琐工程施工工序,避免了电视成像卡孔等技术难题,可以确定煤层顶板变形损坏后裂隙的发育规律,为煤层开采顶板裂隙带发育高度预计以及顶板水害防治工程设计提供参数依据。

微震监测技术探查导水裂隙带发育高度及规律实测研究

为了防止煤层开采后导水裂隙带导通主要含水层对工作面开采造成影响,故开展煤层顶板导水裂隙带发育高度及规律实测研究。利用地表微动监测探查导高新技术,通过现场实测得出数据与公式理论计算、井下压水试验与井下钻孔电视成像、室内数值模拟等研究成果,综合分析,证明地表微动监测探查导高技术是可行的。克服了钻孔施工、压力试验等繁琐工程施工,避免了电视成像卡孔等技术难题,可以确定煤层顶板变形坏后裂隙的发育规律,为煤层开采顶板导高预计以及顶板水害防治工程设计提供参数依据。

断层对煤层顶板突水影响的数值模拟

为得到含断层构造顶板突水通道的形成机制,本文运用FLAC 3D数值模拟软件,通过建立含断层开采力学模型,分析带压开采中孔隙水压分布特征。研究表明:断层存在时,在采动过程中,断层受断层影响,带内孔隙水压随工作面与断层距离的缩小不断增大。模拟结果在一定程度上揭示了含断层构造顶板突水通道的形成机制,为合理留设断层防水煤柱提供了理论依据。

某大跨径渡槽充水试验挠度数值模拟及实测数据分析

为了解大跨径渡槽在充水试验下结构挠度变形机理,以结构形式为(65+120+65)m的引江济淮工程(安徽段)某大跨径渡槽为研究对象,选取关键截面支撑结构及槽身结构挠度变形为研究对象,运用有限元分析软件进行了数值模拟计算,并结合现场二等水准监测数据加以对比分析,判断了结构的刚性,总结了结构受力行为的一般规律,进一步验证了渡槽设计理论和假定,探索了具有普遍意义的规律,为发展设计计算理论、完善现有规范积累了资料。

不同湿度混凝土动力抗压性能数值模拟分析

本文基于随机骨料建立了二维混凝土的细观数值模型,利用无厚度cohesive单元模拟界面层及基体的损伤,用弹性单元模拟孔隙水,并结合黏性效应、惯性效应,模拟分析了应变率和孔隙含水率对混凝土抗压强度、峰值应变和弹性模量的影响。结果表明:动力分析时混凝土组成材料采用静力参数,考虑了惯性效应与黏性作用后,数值模型可以很好地反映动力荷载作用下混凝土名义动力强度增长因子(DIF)、单轴压缩弹性模量和峰值应变随应变率增加而增加的宏观现象,以及随着孔隙含水率增加混凝土静动态抗压强度线性减小、DIF线性增加、率效应增强的变化规律。以应变率和孔隙含水率为参数,提出了以干燥混凝土静态抗压强度为基准的含水混凝土动态抗压强度的预测公式。