利用孔中温度场分布确定堤坝渗透流速的热源法模型研究

地下水温度场是研究地下水运动的一种良好的天然示踪剂。库水或河水发生集中的强渗漏时,由于库水、河水与地下水之间的温度差异,渗漏水必将对周围地层温度产生影响。本文对这种由于热源运动而产生的影响进行研究,将渗漏通道看作是一个线热源,利用虚拟热源法推导出了地层中过余温度公式,提出了一个利用孔中温度分布研究堤坝渗漏的简化模型。利用该模型可以计算出堤坝渗透流速,为工程加固提供科学依据。

利用温度场计算渗透流速的数学模型

通过温度场探测堤坝渗漏的技术已经得到了广泛应用,利用温度场求解相关渗流参数的理论也得到快速发展。利用温度场计算渗流参数时通常假定存在一条或多条集中的渗漏通道,并在此基础上建立数学模型,计算渗漏通道的渗透流速及渗漏流量,但这种处理方式仅对渗漏通道进行研究,得到的近似结果并不一定符合工程实际。部分学者利用热传导理论及渗流理论建立数学模型,但由于其边界条件假定过于理想,模型在应用过程中存在局限性。在总结前人研究成果的基础上,设定了更符合实际情况的边界条件,建立有限空间内基于渗流问题的二维温度场数学模型,并在一定初始条件和边界条件下解出模型的解析解,最后以西藏某水库为例,验证了该数学模型的合理性。

考虑示踪剂弥散作用的渗透流速计算方法

本文在示踪剂质量守恒的基础上,考虑其弥散作用,采用单孔测试技术,推导了含水层水平流速计算公式并求解。最后,应用于工程实例结果表明,当存在较强的垂向流时,弥散作用对水平流速计算结果影响很大,不可忽略。

示踪法测定井中渗透流速的广义稀释模型研究

基于传统稀释公式和广义稀释公式存在的问题,对已有广义稀释公式在原模型基础上进行数学推导方法改进,给出理论上的严格解析解,解决了原有公式的舍入误差,简化了公式形式。以固定高度水柱为研究对象,重新建立模型,给出新的水平渗透流速计算方法。结合北江大堤文献资料给出具体应用结果,并与前人各公式进行对比分析,与考虑质量守恒和溶质弥散作用的公式结果相比误差较小,很好地反映了工程实际情况,且在数据处理和公式应用上具备简洁明了的优势,具有很好的工程应用价值。

人工示踪法测试砂土渗透流速的试验研究

流速是反映岩土体渗透特性、判断水利工程防渗效果的最直观参数;而现场岩土体中的流速却很难直接测得.自行设计室内试验装置,将食盐溶液作为示踪剂,使用电导率仪采集测试管中电导率.通过拟合得出电导率随时间的变化关系遵循指数分布,利用稀释定理计算得出测试土体中的渗透流速.将测试流速与实际流速进行对比得出,在各水利梯度下,试验中测试流速均比实际流速偏大,其误差在20％～ 30％.

一种模拟节点达西渗透流速的双重网格多尺度有限单元法

提出了一种用于模拟节点达西渗透流速的双重网格多尺度有限单元法(D-MSFEM)。该方法是多尺度有限单元法(MSFEM)与VedatBatu双重网格技术(D-FEM)的有机结合,不仅可以应用双重网格技术获得连续、精确的水头一阶导数,还可以应用多尺度基函数直接在粗网格上求解水头和达西渗透流速,从而突破了传统有限元基础框架的限制,具有极高的计算效率。同时,D-MSFEM还可以应用粗尺度节点的达西渗透流速和多尺度基函数直接获得细尺度节点的达西渗透流速,而无需在精细尺度上求解,能够节约大量的计算消耗。应用D-MSFEM和多种传统达西渗透流速计算方法对地下水稳定流和非稳定流进行了模拟,结果显示D-MSFEM具有极高的模拟效率和精度。该方法可为高效计算地下水达西渗透流速问题提供新途径。

温度及渗透流速影响下的溶解性有机质运移特征

以石英砂为动态模拟实验岩样介质,以平顶山煤田地下水补给源——乌江河水为入渗水样,开展了溶解性有机质运移特征的室内模拟实验,应用软件CXTFIT 2.1进行运移参数的拟合,分析了不同温度及渗透流速条件下溶解性有机质的动态运移特征。结果表明,石英砂中溶解性有机质的运移主要是对流和弥散过程,吸附作用及生物作用均非常微弱;温度升高时,溶解性有机质的弥散度增大,表征对流与弥散作用比率的P指数降低;渗透流速增加时,溶解性有机质的水动力弥散系数相应增大,迁移扩散能力随之增强。

大流速渗透地层三管冻结稳态温度场解析解

采用“分段等效”的方法对水热耦合作用下三管冻结稳态温度场的冻结锋面进行简化,通过定义“调节系数”,利用势函数叠加原理推导了三管冻结温度场解析解。结合三管冻结大型物理模型试验,将解析解计算结果与试验结果进行比较。结果表明,解析解计算结果与试验结果较为吻合。当渗流速度由0增加至6 m/d时,渗流场的存在使得三管冻结温度场进入稳定阶段的时间延长了1000 min,是无渗流速度时的1.57倍;同时,上游区域冻结锋面的扩展范围减小,下游区域的扩展范围增大,两侧区域的扩展范围基本相等。由解析解可以得出,渗流场使得上、两侧、下游轴线上的平均温度由-9.15、-7.76、-9.10℃降低为-9.71、-10.02、-9.10℃,说明渗流场的存在对三管冻结稳态温度场分布规律影响较大,为大流速渗透地层人工冻结设计提供参考。

井中测定流速广义示踪稀释物理模型

建立了存在垂向流条件下广义的井中示踪剂稀释物理模型。当井或孔所揭露的含水层中存在垂向流时 ,可分为 3种情况 :即经过含水层的垂向流量沿程不变、增加或减少。物理模型在稳定流场及垂向流量不随时间变化的条件下 ,考虑了这 3种不同的情况 ,事实上进入到稀释水柱的水为水平流和垂向流两种不同来源水的混合 ,据此建立了相应的数学方程并求出解。应用广义示踪剂稀释模型可以在存在垂向流的条件下测定水平渗透流速 ,并对各种情况下误差产生的原因进行了详细的讨论。

基于示踪连通试验和流速测试的地下连续墙渗漏研究

地下连续墙是地铁车站常见的围护结构形式,地下水渗漏会危及基坑稳定和施工安全。采用示踪连通试验和流速测试相结合的探测方法,以某地铁车站地下连续墙为例,在地下连续墙两侧布设钻孔进行地下水连通试验,同时在钻孔中进行示踪流速探测,对探测结果进行对比分析,判断地下连续墙是否存在地下水渗漏,探明隐患的具体位置,并提出防渗处理建议。文章所提出的探测方法可为类似工程提供借鉴和应用。

岩溶热储井间连通性的示踪研究

岩溶热储储层的不均匀性强,采灌井之间的连通性不易确定。示踪技术可以将运移参数量化,有效刻画储层流体的特征,研究回灌井和开采井之间的水力联系,包括导水通道,流体流速等信息,对长期回灌可能引起的开采井的冷却进行预测,是岩溶热储井间连通性研究十分有效的技术。本文以华北牛驼镇地热田雄县地区为例,针对蓟县系雾迷山组岩溶热储,采用荧光素钠示踪剂,进行了1口井注入,10口井观测的群井示踪试验。采用裂隙介质溶质运移模型,对示踪试验数据进行了解释,得到优势通道的长度、渗透流速、纵向弥散度、回收率等储层性质,获得了试验区内采灌井之间的连通特征。对调整采灌井布局提出了建议。

广义示踪稀释模型中水平渗速计算公式再讨论

基于传统稀释公式和前人推导的广义稀释公式存在的种种问题,在钻孔中存在垂向流的情况下,在合理的物理模型的基础上,考虑了渗透流速是示踪剂稀释时间的函数,重新推导了示踪方法测流速的稀释公式。通过3个公式的实例计算比较和误差分析,在钻孔中存在垂向流干扰时,孔中上下部垂向流速差得越大,新推导的公式与传统稀释公式计算出的渗透流速的相对误差越大,这一点与实际情况相吻合,因此新公式的计算结果更加可信。

泥灰岩中溶解性有机质迁移转化机理研究

利用土柱实验装置,以平顶山矿区地下水补给区内采集的新近系泥灰岩和乌江河河水作为岩样介质和入渗水样,开展模拟溶解性有机质迁移转化的室内土柱淋滤实验,分析了不同温度和渗透流速条件下溶解性有机质的迁移转化特征。结果表明:溶解性有机质在泥灰岩中主要是通过对流、弥散、吸附作用和生物降解作用等过程进行迁移转化;在一定温度范围内,温度升高时,泥灰岩对溶解性有机质的吸附作用随之减弱,生物降解作用则相应增强;渗透流速增大时,泥灰岩对溶解性有机质的吸附作用和生物降解作用均是相应减弱。

堤坝渗漏瞬态温度场模型

为研究堤坝渗漏初期渗漏通道周围的温度场分布,结合集中渗漏通道自身特点假定渗漏通道为圆柱状,考虑到渗漏通道周围岩土体介质同时存在热对流与热传导两种热量交换形式,建立渗漏流体流动的瞬态温度场模型。根据确定的边界条件和初始条件,用分离变量推导出渗漏通道中的温度分布公式。将该模型应用于北江大堤石角段管涌地区,将实测的温度数据代入模型,反演出渗漏流速。计算结果表明:采用温度场模型反演得到的渗漏流速与同位素示踪法得到的渗透流速结果相近,验证了所建立的模型是可行的。

荧光光电法在库岸滑坡地下渗流监测中的适宜性研究

以单孔稀释数学模型为理论依据,建立荧光光电流与坡体地下渗透流速的数学关系模型,设计开发适用于库岸坡体观测孔的地下渗透流速的荧光光电监测探头及测试系统。通过开展室内试验,研究不同浓度荧光溶液的光电流特性,以及环境水温、酸碱度、浑浊度等地下水环境因素对荧光光电流强度的影响,进而论证荧光光电法在库岸滑坡地下渗流监测中的适宜性。结果表明:5~25 ℃温度范围内,光电流强度随荧光溶液浓度增大而增大,在0~0.006 5%的低浓度范围内存在显著的线性关系,满足应用荧光光电测速法进行坡体地下渗透流速监测的理论条件要求;在荧光溶液浓度一定的条件下,光电流强度随温度升高而逐渐减小,线性规律明显,且不同浓度的拟合直线呈近似平行分布,斜率不大。温度对光电流强度的影响远低于浓度变化带来的影响,但实际应用时起始量测温度与结束量测温度基本相等,温度对坡体地下渗透流速的监测结果产生的影响可忽略不计。强酸性条件下会降低荧光剂的分子活性,使光电流强度明显下降,但加入碱中和后荧光溶液活性恢复,选用的Luyor 6200荧光试剂可满足常规酸性和碱性地下水环境下渗透流速的监测。浑浊度对光电流影响较大,但浑浊荧光溶液经历长时间静置后,光电流强度可恢复至正常荧光溶液的光电流强度值;依据试验可知,开展现场应用时,测孔成孔后至少需静置4 d以上才能达到观测要求。最后,给出了应用荧光光电测速法开展滑坡体渗透流速现场监测的实施方案。

基于示踪方法的土石坝绕坝渗漏探测

通过在钻孔中投放放射性同位素,对地下水渗流场进行标记,然后探测其浓度变化,利用同位素单孔稀释法得到钻孔中地下水的渗透流速,确定地层中的强渗漏带。利用温度示踪方法可以判别是否存在库水渗漏,其依据是库水与坝后地层温度分布规律不同,库水底部为低温,而地层温度随深度增加而上升,从而使当地地下水也具有随深度增加的趋势。若钻孔附近存在低温库水渗漏,则在钻孔温度分布曲线会出现拐点或低温谷。将此异常点作为孔中库水和当地地下水的分界点,根据所探测的渗流速度就可以分别计算出两部分的渗漏量。以某土石坝为例,利用同位素综合示踪方法进行了绕坝渗漏的判别和计算,为采取防渗加固措施提供依据。

堤坝渗漏的线热源模型研究

探讨一种在复杂介质条件下研究堤坝渗漏的线热源法模型。在堤坝发生管涌之前,地层中一般都会存在集中的渗漏通道。当渗漏地层为非均质的断裂、溶洞、破碎夹层等复杂介质时,堤坝中温度的变化不但与地层温度分布有关,还与地下水的渗流有关,地下水可以直接(对流)或间接(热传导)将流体的温度传递给周围介质并形成有规律的分布。将堤坝渗漏通道中的渗漏水流概化为线热源,基于热传导理论,建立堤坝渗漏的线热源模型,求解渗透流速。通过工程实例计算,其结果与采用同位素方法直接测得的渗透流速较为吻合,证明采用线热源模型计算渗透流速,其结果是可靠的。

基坑降水对声纳渗流检测精度的影响分析

随着声纳渗流检测技术在水文地质勘探中的应用,其测量结果精度的高低对获取的水文地质参数的准确性起着至关重要的作用。文章依托南宁某基坑工程,采用现场试验方法,同时考虑天然流场和人工流场,分三个阶段对基坑止水帷幕进行声纳渗流检测,对比不同阶段渗漏缺陷暴露的情况,同时根据渗透流速量级变化判断其检测结果精度的高低,并在实际工程中验证其准确性。研究结果表明:不同降水阶段的渗透流速大小变化显著,基坑地下水位降深每增加10 m,声纳检测到的渗透流速平均提高1~2个量级。其原因为降水导致基坑内外水头差增大,水力坡度的增加使渗漏缺陷附近的渗流场发生变化,高水头作用下渗透流速变化明显,渗漏缺陷定位更加精准,声纳检测精度也越高。可见,抬高基坑内外水头差对墙体渗漏缺陷的精准定位十分必要。因此,在对基坑止水帷幕采取声纳渗流检测时,建议将地下水位降至基坑底板以下,以提高检测结果的精度,有效探测止水帷幕渗漏风险。

基于示踪剂质量守恒的测流模型研究

地下水渗透流速是一个很重要的水文地质参数,示踪技术可较为准确地估算地下水渗透流速。针对前人计算公式受诸多条件限制或存在不足之处,根据示踪剂质量守恒原理重新建立了示踪稀释物理模型,利用微元法推导了含水层水平流速计算新公式,修正了广义稀释定理,讨论了新公式与传统公式的内在联系,给出了实测数据的处理方法。应用于工程实例,表明采用新公式能够得到更为丰富的含水层水平流速变化信息,并与地质条件相一致,计算结果更为可靠的。

单井同位素示踪技术在轩岗矿区岩溶水勘察中的应用

本文介绍了应用单井同位素示踪技术在轩岗矿区测试岩溶水渗透流速、流向和垂向流的技术方法与实测成果，以及测试成果在计算渗透系数、划分含水层和隔水层、分析渗流场特征等方面的应用。证实该项技术在岩溶水水文地质勘察中具有重要作用。