深埋岩溶隧道爆破开挖对围岩损伤及渗流特性的影响

深埋岩溶隧道开挖会造成围岩特殊的损伤破坏形式,并且损伤区也会影响围岩渗流场及隧道边界的涌水状况,对深埋岩溶隧道爆破开挖作用下围岩的损伤及渗流特性有重要的研究意义。为了研究爆破开挖对深埋岩溶隧道围岩损伤及渗流的影响规律,基于COMSOL Multiphysics软件建立数值模型并嵌入应力-渗流-损伤耦合方程式进行计算,采用解析法计算了简化条件下岩溶隧道开挖时围岩的应力分布,并与数值计算结果进行比较。结果表明:解析法与数值法计算的围岩应力分布有一致性,爆炸荷载使靠近溶洞侧隧道肩部及脚部区域会产生较大的拉应力;爆破后会在隔水岩柱形成“齿”状损伤区,同时引起肩部及脚部区域流速的增加,其可作为判断溶洞方位的参考依据;溶洞净距减小、洞径及水压增加会引起“齿”延伸倾角及最大涌水位置变化、隧道边界涌水量的增加,可根据“齿”延伸方向判断损伤区检测的合理方位,根据最大涌水位置变化、隧道边界涌水量的变化,合理调整涌水防治措施强度及重点防治部位。研究成果可为溶洞位置判定、隧道损伤区检测以及边界涌水防治措施提供参考。

超稠油油藏热化学驱油水渗流特征

针对超稠油油藏热化学驱开发过程中不同温度区域内的油水渗流特征不明的问题,利用微观可视化实验和一维物理模拟实验,定量研究了不同温度下热水和驱油剂对驱油效率的影响及相对渗透率的变化规律,分析了热水和驱油剂驱油的致效机理和交互作用。实验结果表明:温度为70℃时,高温驱油剂驱的油相相对渗透率增大,水相相对渗透率变化较小;温度为150℃时,热水和驱油剂的协同增效作用更显著,热水驱转高温驱油剂驱和直接高温驱油剂驱的油相、水相相对渗透率均明显增大;温度超过200℃后,驱油剂在高温限制下驱油作用减弱,热水对驱油效率的提升大幅增加。研究表明:不同温度下,热水驱和高温驱油剂驱均可提高驱油效率;随着温度升高,热水对提高驱油效率的作用不断增大,驱油剂对驱油效率的贡献先增大后减小;热化学驱通过热水、驱油剂在不同温度区域的接替驱油和协同作用,能够实现超稠油油藏效益开发。该研究可为热化学驱提高超稠油油藏采收率提供参考。

库水作用下滑坡土体渗流与蠕变耦合试验研究

水库滑坡变形具有显著的渗流与蠕变耦合效应。为此,采用自主研发的渗流与蠕变耦合三轴试验仪,分别开展了渗流对蠕变的影响以及变形对渗流的影响试验研究,并改进GDS三轴仪完成了高精度控制和量测的渗流与蠕变耦合试验。结果表明:渗流作用下,土样体积变形随时间先逐渐增大后缓慢减小,主要原因是超孔隙水压力导致围压卸荷,使得土样产生回弹变形,但渗透压力持续作用于土体,使得土样体积持续缓慢减小;获取了渗流过程中土样体积的变化结果,分别建立了渗流开始前试样e-k(孔隙比-渗透系数)关系曲线及渗流稳定后试样e-k关系曲线,结果表明考虑变形影响的e-k关系曲线更能反映土体的流固耦合效应。研究成果可望为水库滑坡变形演化预测提供更加科学严密的理论和方法。

黏弹性聚合物驱渗流机理研究进展

聚合物驱已成为国内外化学驱中提高原油采收率主要方法之一,其在大庆油田的60年开发稳产中起到重要作用,在水驱基础上提高原油采收率达到约13%.聚合物驱主要机理为改善流度比,提高注入液的波及体积,从而提高驱油效率.近几年,聚合物溶液黏弹性能够进一步扩大其在多孔介质中的微观波及面积从而提高微观驱油效率的作用机理也逐渐被人们所认识.文章从聚合物溶液黏弹特性、聚合物驱微观可视化实验、岩心驱替实验及驱油机理理论研究4个方面进行了综合分析,对比论述了国内外关于黏弹性聚合物溶液渗流机理的研究现状、实验手段及方法,给出了聚合物溶液的黏弹性产生的法向应力能够进一步对水驱后残余油产生“拉”“拽”作用,从而使其比纯黏性流体进一步提高在多孔介质内的微观波及效率及驱油效率,明确了弹性湍流是产生表观增稠的本质,对提高驱油效率产生一定的正向影响.最后针对黏弹性聚合物驱渗流机理研究面临的问题及发展方向进行总结,弹性湍流产生的条件、黏弹性对不同尺寸孔隙内不同类型原油采收率的贡献及弹性与油藏润湿性的协同影响等机理成为未来研究的挑战与方向.论文的归纳能够为黏弹性聚合物溶液机理深入研究及矿场设计优选聚合物提供重要的参考.

高瓦斯煤层大直径钻孔卸压增透瓦斯渗流时空演化机理

矿井瓦斯抽采面临抽采率低、有效抽采周期短、瓦斯预抽体积分数不达标等困境。为实现高瓦斯低透气性煤层的精准卸压增透,以顺和煤矿2404典型深井高瓦斯低透气性煤层工作面为研究对象,基于长时力学效应理论建模、COMSOL数值分析和现场试验等方法,构建了大直径钻孔卸压煤层瓦斯运移多场耦合模型,提出了大直径钻孔瓦斯有效抽采半径的判定指标——残余瓦斯压力不超过0.22 MPa,揭示了大直径煤层钻孔卸压增透机理及瓦斯运移规律:单一大直径钻孔煤层瓦斯压力呈以钻孔圆心为对称中心的椭圆分布,即由钻孔圆心向外瓦斯压力逐渐增加,随着抽采时间延长,抽采达标区域逐渐扩大。钻孔周边应力转移特征为:随着抽采时间增加,单一大直径钻孔周边点的垂直应力呈现先增后降趋势。进一步提出了高瓦斯低透气性煤层大直径钻孔卸压增透抽采技术。模拟确定了钻孔有效抽采半径,孔间距6.0 m、直径300 mm钻孔卸压增透效果最好,其两侧3.0 m内平均渗透率为1.58×10^(-15)m^(2),远大于初始值1.15×10^(-17)m^(2)。现场应用表明,大直径钻孔瓦斯抽采远优于普通钻孔,300 mm大直径钻孔瓦斯体积分数最大值为47.2%,75 mm原钻孔最大瓦斯体积分数最大值仅为10.6%,且大直径钻孔5.0%以上高瓦斯体积分数抽采天数提高了40.2%,有效解决了小直径瓦斯钻孔治理难题,为高瓦斯煤层高效精准卸压增透强化抽采提供了有效途径。

基于RUN-XGBoost算法的土石坝渗流预测模型

针对传统土石坝渗流预测模型存在局部最优、抗干扰性差和预测精度低等问题,通过RUN算法优化XGBoost算法得到RUN-XGBoost算法,构建了RUN-XGBoost模型以获得更优的土石坝渗流预测结果。该模型在种群初始化时采用RUN算法对XGBoost算法的3个主要参数进行改进,使预测结果有较高的有效性;通过自动寻找最优参数增进算法的整体收敛速度和预测精度,同时引入随机解,使算法能够排除局部最小值并继续搜索,从而获得全局最优结果。工程实例验证结果表明,RUN-XGBoost模型具有简洁、高效、预测精度高、鲁棒性强等优点。

非饱和瞬态渗流的DDA流固耦合模型研究

DDA由于处理块体大变形、大位移问题能力较强,因此被广泛应用在岩体数值模拟当中。但该方法在模拟渗流场,尤其是瞬态渗流场方面目前鲜有研究。根据立方定律建立DDA稳态渗流模型,将非饱和二维Richards方程离散化处理,推导DDA瞬态整体渗流矩阵。将水头矩阵以外荷载形式作用在块体上,建立瞬态非饱和渗流流固耦合DDA计算模型。通过对土柱入渗、砂槽入渗试验和危岩体工程案例进行数值模拟,验证了该模型的正确性,为DDA处理非饱和瞬态流固耦合问题提供新方法。

考虑启动压力梯度的致密油藏水平井裂缝干扰渗流特征

针对致密油开发中体积压裂水平井裂缝干扰的问题,在三线性流模型的基础上,通过引入半渗透边界条件和井间干扰系数α,建立了考虑未改造区启动压力梯度的致密油藏水平井裂缝干扰渗流模型,对不同干扰情况下水平井井底压力动态及产量递减特征进行了研究。研究结果表明:(1)α越大,裂缝干扰条数越多,压力动态曲线改造区线性流持续的时间越长,改造区窜流、拟稳定流动发生得越晚;未改造区启动压力梯度越大,拟稳定流发生的时间就越早。(2)裂缝导流能力越大,主裂缝线性流出现时间越早,两井裂缝导流能力越接近,α对压力动态的影响较明显。(3)α越大,井底压力相对较低的水平井初期产量越高,至晚期后,产量下降越明显,无因次启动压力梯度越大,后期产量递减越快。(4)裂缝导流能力越小,前期阶段产量曲线越靠下,两井裂缝导流能力相近时,α对产量的干扰相对较大。

应力-渗流耦合作用下不同卸荷路径对砂岩损伤特性及能量演化规律的影响研究

岩体灾害发生的本质是能量驱动下的一种失稳现象,受开挖卸荷扰动影响导致的岩体结构破裂失稳是诱发采场突水等动力灾害的主要原因之一。为探究开挖卸荷过程对岩体结构破裂的影响,明晰围岩劣化损伤规律及突水等动力灾害孕育机制,针对应力-渗流耦合因素影响下岩石损伤特性及能量演化规律研究较少的特点,采用Rock Top多场耦合试验仪,在应力-渗流耦合作用下对砂岩开展了常规三轴(C组)、不同初始损伤程度常规卸围压(W组)及循环加卸围压(X组)3种应力路径下的岩石损伤特性及能量演化规律试验研究。试验结果表明:岩石能量演化规律与应力-应变曲线具有明显相关性,基于岩石弹性应变能演化特征,将常规三轴压缩(C组)下岩石应力-应变曲线分为5个阶段,并对每个阶段U_(1)、U_(3)、U_(e)、U_(d)及渗透率变化特点进行了详细阐释(U_(e)为弹性应变能,U_(d)为耗散能,U_(1)为轴向应力对岩石做正功转化的岩石应变能,U_(3)为做负功所释放的应变能);常规卸围压过程中,U_(1)、U_(3)演化规律与C组岩石基本一致,但U_(3)负增长更为显著,岩石输入能逐渐从以U_(e)为主导转变为以U_(d)为主导,初始损伤程度对该规律无明显影响,卸围压过程中渗透率呈波动上升趋势,围压与渗透率呈负相关;循环加卸围压过程中,各能量演化规律与W组岩石基本一致,仅因时间效应而导致能量积累量存有差异。整体来看,无论何种应力路径,峰前阶段岩石均以U_(e)为主导,以能量存储为主,峰后阶段则以能量释放及耗散为主,轴向应力加载是U_(e)得以快速积累的主要影响因素,围压改变不足以引起U_(e)发生较大变化,轴向载荷作用为工程致灾的主要影响因素。此外,岩石损伤变量与围压存在明显负相关,围压越大,岩石U_(e)释放比例越小,岩石损伤越小,围压束缚作用可有效提高岩石储能能力并抑制岩石能量的耗散与释放。

冲击载荷下含瓦斯煤动力学破坏特征与瓦斯渗流规律分析

为探究不同冲击载荷和瓦斯压力作用下的含瓦斯煤动力学特征、裂隙扩展及瓦斯渗流变化规律,采用含瓦斯煤岩冲击损伤-渗流试验系统开展含瓦斯煤冲击试验以及原位渗流测试,并结合工业CT扫描系统进行试样裂隙结构的三维重构,分析含瓦斯煤内部裂隙扩展特征及其对瓦斯渗流的影响规律。研究结果表明,冲击载荷和瓦斯压力对含瓦斯煤的动力学性质、变形过程、裂隙扩展和渗流规律均具有重要影响,具体表现在:①受围压和轴压的影响,冲击载荷耦合瓦斯压力条件下的含瓦斯煤应力-应变曲线无明显压密阶段;含瓦斯煤的变形过程主要经历了弹性变形阶段、应变强化阶段及破坏阶段。②冲击载荷的增加对含瓦斯煤动力学参数具有强化作用,气体压力的升高则劣化了含瓦斯煤动力学参数;冲击载荷越大,瓦斯压力越高,含瓦斯煤的裂隙扩展愈充分,所形成的裂隙结构愈复杂。③含瓦斯煤的渗流规律受控于裂隙扩展,冲击载荷耦合瓦斯压力作用下,含瓦斯煤中存在孔隙流动、孔隙流动-裂隙流动并存及裂隙流动等3种气体流动形式;含瓦斯煤冲击破坏后,随着气体压力增加以及气楔作用的增强,瓦斯流动形式可由孔隙流动依次转变为孔隙流动-裂隙流动并存和裂隙流动;裂隙扩展和流动形式共同影响含瓦斯煤渗流规律,含瓦斯煤渗透率随瓦斯压力的增大总体上符合先增大后减小的变化趋势。

双向渗流下考虑应力时空效应的组合桩复合地基固结理论研究

碎石桩和不排水桩联合使用的组合型复合地基,既可以提高地基承载力,又可以加快土体固结,对处理饱和软黏土地基有很高的应用价值。基于双向渗流的轴对称固结计算模型,考虑中心及外围碎石桩的体积压缩、桩体施工的扰动效应,建立了组合碎石桩-不排水桩复合地基固结微分方程,采用解析法推导了附加应力随时间和深度变化下的组合桩复合地基固结解析解,包括碎石桩、桩间土的平均超静孔隙水压力解和复合地基整体平均固结度解。进行退化研究,并与已有解分析对比;验证了此解的正确性,且通过参数分析研究了复合地基的固结性状。结果表明:复合地基底部附加应力越小、碎石桩与不排水桩布置越密集,固结越快;碎石桩施工的扰动效应对复合地基影响大于不排水桩;忽略碎石桩体积压缩的影响会高估复合地基固结速率,且桩径比越小,误差越大;理论解预测的复合地基固结度与实测值拟合性较好。

基于渗流作用下含断层的露天矿边坡稳定性的数值模拟研究

为研究含断层露天边坡在渗流作用下的稳定性问题,采用FLAC3D数值模拟技术构建断层作用下的滑体力学模型,获得顺倾层状边坡分条稳定系数表达式,进而对渗流作用下含断层边坡稳定性进行数值模拟分析。对岩体强度的弹性模量、内聚力、内摩擦角和岩体抗拉强度等4种影响因素进行敏感性分析,通过分析这4种因素在不同工况下边坡的位移、应力、应变和安全系数,得出了各参数的敏感性分析曲线。从敏感性分析曲线可知,岩体的内聚力对边坡稳定性的影响最大,弹性模量对边坡稳定性的影响最小。开挖不同阶段边坡稳定性的主要影响因素存在差别,其中,前期以断层为主,后期则逐渐转化为渗流作用。该研究为今后露天矿边坡稳定性分析提供了科学依据,对于边坡稳定性分析具有重大的工程实际意义。

基于双重介质渗流-应力耦合模型的高压压水试验渗透参数反演

高压压水试验过程中岩体易发生水力劈裂产生裂隙,岩体内部孔隙、裂隙双重导水,渗流场和应力场相互作用,导致岩体渗透参数的时空变异性。基于高压压水试验反演渗透参数需考虑双重介质渗流-应力耦合作用下产生裂隙前后渗透系数的变化规律,利用渗流-应力耦合数值模型结合工程现场高压压水试验数据进行参数反演,计算得到不同压力阶段下灰岩岩体渗透率。主要结论如下:发生水力劈裂前,随着注液压力的增大,渗透率及孔隙水压力在不同压力阶段之间分界明显,渗透率反演值与规程公式计算值相近;发生水力劈裂后,岩体渗透率增大约2倍,孔隙介质渗透率和通过的流量出现陡减现象。

考虑流体相变效应的粗糙裂隙非线性渗流换热机理

三维粗糙裂隙渗流换热机理的研究,对提升地下热储层的热提取率意义重大。当前,热开采过程中的多场耦合问题已取得了丰富的成果,但热开采过程中流体的相变作用对裂隙渗流特性及传热变化的影响却鲜有涉及。为剖析流体相变作用下的非线性渗流换热机理,以三维粗糙裂隙为研究对象,基于Fluent软件建立单相与多相流-热耦合模型,对比是否考虑相变作用的不同入口流速、入口温度和壁面温度时的局部换热系数分布特征。结果表明未考虑相变作用时,壁面局部粗糙程度控制局部换热系数的分布特征;基于Forchheimer公式,得知流体传热过程中非线性渗流特性显著。考虑相变作用后,流体呈现类似剪切稀释流体的特征,而气相体积分数则对系统换热过程起主导作用。因此,考虑流体的相变效应可以更准确地揭示热开采过程中的渗流特征和热提取效率的演化机理。

成层土中基坑二维稳态渗流场解析解研究

成层土中基坑渗流场与均质土层中渗流场有较大差别,最有可能发生突涌事故的位置也不同,因此准确确定成层土中基坑二维稳态渗流场是基础工程建设中的重要课题。针对成层土中基坑稳态渗流问题,将基坑周围土体按成层条件划分为多个区域,采用叠加原理和分离变量法给出各区域水头分布的级数形式解,根据各区域间连续条件和傅里叶级数正交性求得成层土中基坑二维稳态渗流场水头分布的显式解析解。将解析解计算得到的水头分布、挡墙水压力与有限元软件计算结果进行验证,并将解析解退化为单层土形式与半解析解进行对比,结果吻合较好,验证了解析解的正确性和有效性。将解析解与考虑水土相互作用的水压计算方法和等效渗透系数方法进行对比,基于解析解进一步给出计算基坑内出逸比降、挡墙水压力和抗突涌安全系数的计算公式,并结合工程案例分别采用解析方法和等效渗透系数方法对成层土中基坑的抗突涌性能进行分析对比。研究结果表明:解析解在求解成层土中基坑渗流场时更贴合实际情况;考虑不同土层间渗透系数差异时,水头在渗透性较差的土层中变化更快;上层土体渗透系数较小时,在土层分界面处发生突涌的风险比挡墙底部更大;等效渗透系数方法在求解某些成层土基坑渗流场时误差较大。

隧道拱顶渗漏稳态渗流场的解析研究

针对隧道运营中发生拱顶渗漏且无泥沙涌入的稳态渗流情况,结合保角变换法和分离变量法推导出隧道拱顶渗漏稳态渗流场的显式解析解.应用PLAXIS有限元软件建立数值模型,从渗流场分布、衬砌水压力两方面验证所得解的正确性,通过与现有解析解、数值解、试验结果的渗流量对比来验证所得解的准确性.进行参数分析,探究隧道埋深、渗漏宽度对衬砌水压力和渗流量的影响规律.结果表明,衬砌水压力在以渗漏位置为中心±60°范围内明显降低;随着隧道埋深的增大,衬砌最大水压力减小,渗流量先减小后增大,且渗流量最小值对应的隧道埋深随着地表水头的增大而增大;随着渗漏宽度的增大,衬砌最大水压力减小,渗流量增大,当渗漏宽度大于0.05 m时,渗漏宽度变化对水压力和渗流量的影响较小;在渗漏宽度较小时进行渗漏控制的效果明显.

无单元Galerkin法的电流场与渗流场耦合正演

联合求解渗流场与电流场是确定土石坝渗流精确分布及评价渗流严重程度的重要途径.为解决水文-地球物理方法中存在的渗-电拟合度差及分辨率损失严重等问题,针对电性参数对水文状态变量的敏感性,本文开发一种基于无单元Galerkin法(Element-Free Galerkin Method,EFGM)的渗流场与电流场耦合正演算法.一方面,通过引入岩石物理关系经验公式及水文状态变量构建耦合模型;另一方面,通过滑动最小二乘法构造形函数,利用罚函数计算边界条件,以解决耦合模型的构建过程中对网格单元过度依赖问题来提高渗-电拟合精度.数值模拟的渗-电关联响应及耦合正演中,分析了土石坝内电流场及渗流路径,探索了各分量对土石坝不同附属结构体的异常响应特征.关联响应结果显示,饱和区内渗-电关联响应吻合较好.但由于非饱和渗流的特殊性,非饱和区介质岩石的物理特性会随着饱和度、孔隙度等因素的变化而发生改变,从而导致土石坝内非饱和区物性参数的分布与饱和区不同,从而造成非饱和区内渗-电场关联响应存在差异.在非饱和区域,耦合电位及电流密度分布与渗流分布吻合度高.渗-电耦合结果对实施模型约束的水文-地球物理耦合反演具有重要理论和实际意义.

稠油油藏体相流体非线性渗流理论模型

根据稠油油藏体相流体渗流特点,建立基于稠油吸附边界层和屈服特性影响下的稠油体相流体非线性渗流理论模型及启动压力梯度理论公式,并利用岩心渗流与启动压力梯度试验结果对理论模型计算结果进行验证。结果表明:理论计算结果与试验结果拟合较好,启动压力梯度理论公式计算结果平均偏差为7.77%,稠油油藏体相流体非线性渗流理论模型计算结果平均偏差为7.50%,均在可接受偏差范围内,并且该模型针对不同流变类型的流体渗流都具有较好的普适性。

考虑渗透系数空间变异性的堤防工程渗流分析

水力参数的空间变异性对堤防的渗流状态有明显影响,对其进行量化分析可为堤防的安全运行提供保障。为此,基于随机场理论建立了非侵入式随机渗流分析框架,研究了复杂堤防在不同随机场参数下堤防内水力坡降、渗流量等渗流控制指标的变化规律。结果表明,变异系数每增大0.2,堤防内粘土的水力坡降最大值增加20.4%,中砂则增加60.5%,水力参数空间变异性的影响不可忽视。此外,同时考虑堤防内所有材料的随机渗流特性与仅考虑粘土随机渗流特性相比,粘土内最大水力坡降和流量存在较小波动,这意味着粘土作为主要防渗材料,其渗流安全主要受自身材料属性的影响。

基坑提前排水围堰渗流稳定及排水策略研究

围堰渗流及边坡稳定关系到围堰自身稳定以及基坑能否及时形成干地施工条件,极大影响到主体建筑物的工期。依托于澜沧江TB水电站围堰施工与基坑排水工作,对围堰防渗墙各施工阶段基坑水位骤降条件下的堰体渗流稳定与边坡稳定性进行了研究。结果表明:随着防渗墙的施工逐步完成,围堰体浸润线的再次稳定用时逐步减小,且基坑内外水位差更大的条件下浸润线稳定用时更长;在围堰防渗墙处于一期槽施工完成二期槽泥浆固壁条件下,若能控制基坑单次水位骤降不超过0.9 m,则堰体边坡能保持稳定,此时可允许基坑提前排水。在此基础上,对TB水电站基坑提前排水策略及方案进行了研究。研究结果可为类似工程提供参考。