非承压含水层定水头抽水两区井流数值模型研究

为了揭示在非承压含水层中定水头抽水试验引起的达西-非达西两区流动机理,提出基于有限差分法的地下水定水头抽水井流数值模型。该模型根据抽水的流态特征将含水层分为2个区域：靠近抽水井的有限非达西渗流区域和远离抽水井的半无限达西渗流区域,其中非达西流区域流态的模拟基于Izbash方程实现。通过与COMSOL Multiphysics的有限元数值解进行比较,验证了所提出数值解的可靠性。最后,研究有限非达西流效应对水头和抽水井抽水速率的影响以及井内水头对抽水井抽水速率的影响。研究表明：在抽水试验中非达西区域的影响不可忽略,湍流会分别导致两区流中水头较纯非达西流和纯达西流的水头偏大和偏小,且随抽水时间的增加逐渐变大;通过减小抽水井井内水头或增大非达西系数可提高抽水速率,但该影响会随抽水时间的增加而逐渐减弱;断面流量随径向距离的增大而不断减小,断面流量与径向距离曲线下降速率不断减小,且在转换界面处会出现转折点。该模型为定量研究在非达西流和达西流耦合作用下抽水井附近的井流水头特征提供了一种简洁的方法,并为调查定水头抽水测试期间的抽水速率提供理论依据。     

承压含水层中非完整井附近“非达西-达西”两区渗流模型近似解析解

抽水井附近由于流速过快往往发生非达西流,而远离抽水井随着流速下降又变为达西流.为了描述这些特征,建立了承压含水层中非完整井附近“非达西-达西”两区渗流模型,即距离抽水井较近的区域由于流速较快假设发生非达西渗流,并利用Izbash公式刻画,而距离抽水井较远由于流速较慢假设仍然满足达西定律,含水层中垂向流速较小也利用达西定律描述.通过线性化近似方法结合Laplace变换和有限Fourier余弦变换对模型进行了求解,分析探讨了该两区模型下水位降深曲线特征.结果表明:抽水初期,非达西渗流区域水位降深与全非达西渗流模型结果吻合,而抽水后期两区模型非达西渗流区域的水位降深与全达西模型水位降深基本一致,但大于全非达西渗流模型的水位降深;抽水初期,两区模型中达西渗流区域的水位降深比全达西渗流模型结果大,但比全非达西渗流模型结果小;对不同时间的水位降深随井距变化曲线分析发现非达西渗流区域水位降深随Izbash公式中的幂指数n增大而减小,而在达西渗流区域水位降深基本不受n值的影响.研究成果对非完整井抽水试验参数反演具有重要理论意义.      

越流含水层中抽水井附近非达西流两区模型近似解析解

构建了越流含水层中抽水井附近非达西流动的两区模型,即距离抽水井较近的区域为非达西流,而相对较远区域为达西流,两区之间的临界半径可根据临界雷诺数确定.采用线性化近似方法和Laplace变换相结合分别得到了非达西流区域和达西流区域的水位降深在拉氏空间下的解析解,应用数值Laplace逆变换-Stehfest方法得到其在实空...     

人工抽水引起土洞塌陷的可能性

在人工抽水过程中,抽水量越大、距抽水井越近,越可能产生土洞塌陷.在砂土层中,抽水持续时间越长,地下水潜蚀作用越强,越有可能产生土洞塌陷;在粘性土层中,避免反复频繁抽水及适当减少抽水初期的抽水量,有利于减少土洞塌陷的可能性.     

浅层地下水开采对高速铁路路基的影响

地下水开采造成的地面沉降会使高速铁路路基产生较大变形,进而影响行车安全。为研究在高速铁路附近开采浅层地下水对路基变形的影响,本文结合土体渗透固结理论,利用有限元软件ABAQUS建立三维流固耦合模型,系统分析不同抽水速度和与抽水井不同距离条件下的路基变形。分析结果表明:抽水速度和抽水井距离对高速铁路路基的变形具有显著影响。当抽水速度一定时,路基的变形随着与抽水井的距离增大而减小;当与抽水井的距离一定时,路基的变形随抽水速度增大而增大。故为减小地下水位下降对路基的影响,应严格禁止在铁路附近增加新的开采井,严格控制在影响范围内开采地下水。     

具有不同转折角度的复杂单裂隙水头损失试验研究

裂隙是岩溶含水系统的重要组成部分,裂隙水流运动对岩溶含水系统水流运动起到重要的控制作用。利用自行设计研制的具有不同转折角度、不同裂隙开度的复杂单裂隙物理模型,通过室内物理试验得到有、无裂隙条件下,水头差变化曲线,并基于能量方程推导得出水流流经裂隙时产生的总水头损失计算式,计算得到不同裂隙开度(1～2.6 mm)、不同流速(0～40 cm/s)条件下,裂隙总水头损失对不同转折角度(0°～165°)的变化曲线,利用修正立方定律和达西-魏斯巴赫公式计算裂隙平行部分的沿程水头损失,总水头损失与之相减得到转折角处的局部水头损失。结果表明:随裂隙开度增大,流速增大,裂隙总水头损失、转折处局部水头损失均呈增大趋势,且流速越大,趋势越明显;对水头损失与平均流速之间的关系曲线进行拟合分析,发现裂隙总水头损失、转折处局部水头损失与平均流速之间均呈二次函数关系,可用Forchheimer方程描述,且总水头损失、局部水头损失与平均流速之间函数关系的二次项系数随裂隙开度增大基本呈增大趋势,最终得到二次项系数分布的上包线与下包线,而一次项系数分布比较集中,总水头损失的一次项系数分布于-0.1～0.5之间,转折处局部水头损失的一次项系数分布于-0.1～0.25之间。     

关于有限单元法结点水头反常的分析讨论

引言众所周知,用有限单元法模拟抽水井时,有时在某些结点上会出现负降深,即在抽水的条件下,水头非但不下降反而有上升的现象。这种现象与实际情况相矛盾,我们称之为反常现象。根据以往的文献,反常水头还有以下几个特点:主要发生在抽水井邻近的     

抽水井周围饱水介质场三维水位动态观测及地下水流运动特征

利用设计建造的抽水试验装置,采取多项潜水及承压水的抽水试验,获得大量的抽水井周围饱水介质场三维动态观测数据。试验发现：无论是潜水还是承压水状态,抽水井附近观测井的水位变化,均具有距抽水井愈远愈高、愈近愈低的漏斗状分布,抽水井附件的地下水位降落漏斗是显著的;同时发现每个观测井不同高度上的观测点的水位,均呈现上高下低的特征,说明地下水具有由上到下的运动分量,地下水由周边的供水边界向抽水井聚集运移时,运动方向是下斜向的,潜水如此,承压水也如此。分析认为,这是水头压力与水体自身重力同时起作用的结果。由此推断,在抽水时,靠近承压水含水层顶板存在强势水流,且越靠近补给源,这种强势水流越强。     

自由观测条件下共中心点抽道集叠加方法的误差分析

常规共中心点抽道集叠加方法是以水平观测面,水平反射界面、均匀介质为条件,当前提条件不能完全具备时,会带来两个方面的误差,其一是CMP道集整体离散误差,其二是CMP道集内部各道之间的离散误差.通过建立相应数学模型并进行运算分析,界定了误差（离散量）的大小范围及分布规律：离散量与观测面反射界面之间的夹角、观测面高程、反射界面倾角及同道集炮检距等相关,其变化值越大,离散距离越大;相反离散距离会随观测面与反射点空间距离的增大而变小;另外介质波速越小,其垂直离散距离越大;中心点自激自收其离散量为0.对于CMP道集中诸道△t0.离散量常存在大于目的层反射波T/4的现象;炮距越大、观测界面倾角越大、介质波速越小,其△t0离散值越大,其中△t0离散值与炮检距呈非线性关系;相反反射界面埋深越大,其△t0离散越小.根据离散量对资料影响程度的分析,指出了目前共中心点抽道集叠加方法存在着局限性.     

变流量抽水条件下的含水层参数计算

本文研究了适用于变流量抽水情况的无越流无限含水层的非稳定流公式,供实际工作中应用。因水平所限,不当之处请指正。一、流向变流量抽水完整井的非稳定流水井公式(一)承压水的非稳定流水井公式假设:(1)含水层各向同性、等厚、产状及原始水位水平;(2)无垂向越流补给,含水层具瞬时释放;(3)地下水为平面二维流,抽水量 Q(t)随时间变     

用水头损失法计算井的出水量初探

抽水试验过程可以看成是井内形成的水位下降迫使含水层的水向集水井流动，运动的水流要克服阻力损失水头，而水头的损失来源于井内形成的负压水头，其数值应加到井水位降深上。根据这一设想，结合裘布衣条件下流量与降深的比为常数的等量关系导出一公式，此公式经笔者对37眼抽水井资料进行对比验算，发现与传统的经验公式法的计算误差很小，而计算过程大大简化了。     

论“单位涌水量就是导水系数”成立的特殊条件

针对截取侧向径流的抽水井,兰太权提出一个解释单位涌水量的公式,认为“单位涌水量就是导水系数”(q=T),并以砂箱试验的结果作为证据。然而,这个等式的推导过程缺少严谨的水动力学基础。砂箱试验的边界条件等价于含有1个或2个定水头边界的矩形承压含水层,单井抽水的稳定流场可以用镜像井点叠加法求解,从理论上表明单位涌水量与导水系数成正比,而比例系数取决于含水层的形状和抽水井的半径。在特定条件下,含水层和抽水井的尺寸可以造成单位涌水量与导水系数相等的情况,兰太权发表于文献中的2组砂箱试验恰好符合这种条件,但并不能证明q=T具有普适性。新的砂箱试验避免了几何尺寸的这种特殊组合,得到了显著偏离q=T的结果。     

地下水流二维、准三维及三维模型模拟结果比较

本文为三种简单的由多个含水层和弱透水层组成的越流含水系统建立了二维、准三维和三维数学模型,并对它们的解进行了比较分析。三种水流系统的二维、准三维及三维数学模型计算结果相互间的偏差随抽水时间的延长而增大,随井距的增大而减小;二维与准三维数学模型计算结果间的偏差随弱透水层越流系数的减小而减小;两种准三维数学模型计算结果间的偏差随抽水含水层与弱透水层间贮水系数比值的增大而减小;考虑弱透水层弹性释水的准三维模型与三维模型的解最为接近,它们之间的水头差当贮水系数比值一定时,随抽水含水层与弱透水层间渗透系数比值增大而减小,且随各向异性比值的增大而增大。     

单井点和单排井点布置的真空降水现场试验及比较研究

研究单井点和单排井点真空降水条件下,地层中地下水水位和抽水流量,在重力场和真空压力场耦合作用下的变化过程,并进行比较分析。试验表明,对于单井点排水条件,随着真空负压力和抽水井深度的增大,水位的下降有一定增加,而离开抽水井点较远处的水位下降更为明显。单排井点布置条件下,随着抽水井深度和抽水井间距的增大,无论是抽水井点布置方向还是垂直于抽水井点布置方向的地下水位的下降深度将有明显增大,而沿抽水井布置方向的水位下降深度更为显著。此外,在多次反复降水条件下,后续降水过程中地下水位的下降速率将有增快的趋势。试验还表明,抽水井井口的负压力小于真空泵出水口处的负压力,损失量可达12.5%,因此,在进行真空降水设计时需要考虑出水管道的长度。     

采动诱导应力集中对顺层钻孔瓦斯抽采影响的试验研究

利用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展受采动影响导致工作面前方不同应力分布条件下的顺层钻孔瓦斯抽采物理模拟试验,对抽采过程中卸压区、应力集中区和原始应力区的煤层瓦斯压力、钻孔抽采流量、应力敏感系数和无因次渗透率等参数演化规律进行分析。试验结果表明,(1)在瓦斯抽采过程中钻孔周围瓦斯压力下降速率先快后慢,越靠近钻孔的瓦斯压力等压线越为密集,瓦斯流速越大,钻孔周围瓦斯压力梯度先增大后减小;(2)随着采动应力集中系数增大,煤层渗透率降低,瓦斯抽采流量减小,其中采动应力水平最大的应力集中1区瓦斯抽采流量最小,而应力水平最小的卸压区抽采流量最大;(3)应力集中区的应力敏感系数高于卸压区和原始应力区,而该区域无因次渗透率下降速率最慢。     

抽水试验中最大降深与其影响因素的关系初探

在抽水试验中,观测孔的最大降深与很多因素有关,比如地层渗透系数、观测孔与抽水孔的距离、抽水孔的抽水量等.本文通过对山东省泰安新泰市汶南镇某村不同井距、不同流量抽水对比试验,获得流量一定,井距越大,最大降深越小;井距一定,抽水量越大,最大降深越大的关系特性,并由此总结出该抽水试验最大降深分别与抽水量及井距有较好的线性关系;利用spss软件较好的给出了山东省泰安市新泰市汶南镇某村最大降深与抽水量及井距之间的线性回归方程Smax=3.580+0.102Q-0.066L,对山东省新泰市汶南地区野外抽水试验提供了参考依据.     

基于钻孔高压压水试验非线性流模拟计算错动带渗透参数

高坝大库建设过程中,往往需要确定工程区附近岩土体在高水头作用下的渗透参数,钻孔高压压水试验是其中最常用的方法之一。与其他试验相比,高压压水试验具有很高的水头和渗流速度,很容易出现非线性渗流,这种情况下达西流公式不再适用,因此,亟需一种基于钻孔高压压水试验确定非线性参数的求解方法。本文建立了钻孔高压压水试验的非线性流数学模型,采用有限差分的方法,得到了阶梯水头变化情况下非线性流数学模型的数值解,并验证了该数值解的准确性。在此基础上讨论了非线性参数对水头和流速的影响,结合白鹤滩水电站玄武岩错动带现场高压压水试验,进一步验证了该方法的可靠性。结果表明,当非线性参数k和径向距离r保持不变时,非线性参数β越大则试验过程中的水头h和流速v都越小;当非线性参数β和径向距离r保持不变时,非线性参数k越大则试验过程中的水头h越小、流速v越大;且较大的β和k均会使得高压压水试验能更快地趋于稳定状态。如果仍按照达西流公式进行计算,将会高估透水介质中的水头,进而高估玄武岩错动带结构面抵抗渗透破坏的能力,最终对工程稳定性产生不利影响。在白鹤滩水电站进行的钻孔高压压水试验过程中地下水发生了非线性运动,求得C₂错动带的非线性参数β=1.62 min ·m-1,k=9.60×10-3m ·min-1,该方法对于现场确定错动带非线性参数有较好的适用性。     

山东省汶泗河冲洪积平原孔隙含水层层间水力联系研究

山东省汶泗河冲洪积平原轴部第四系厚度较大,孔隙地下水分层分布,由于补给径流条件不同导致其水质差别较大,研究含水层间的水力联系对于水资源管理及优质地下水可持续开发利用等具有十分重要的意义。采用群孔抽水试验方法研究苑庄水源地浅层和深层孔隙水之间的水力联系。群孔抽水后6眼抽水井水质指标整体高于抽水前,附近有串层水井的抽水井增加最大,4项指标平均升高1.07倍。抽水试验期间深层观测孔水位变化与抽水井相一致;浅层观测孔水位除有串层的孔稍有下降趋势外,其它孔均呈现自然波动状态。附近有串层水井的抽水井抽水量中浅层孔隙水的补给量比例比其它抽水井要高4倍。抽水前后水质、抽水期间水位动态变化规律、抽水井抽水量中浅层孔隙水补给量占比均表明深层孔隙水在开发利用过程中会受浅层孔隙水影响,但是可通过合理止水减弱含水层之间的水力联系。     

低渗透油藏启动压力梯度对井间储量动用的影响分析

低渗油藏存在启动压力梯度,严重影响了油藏开发效果,启动压力梯度越大,则储层动用程度越差.依据低渗透油藏流体渗流机理,采用单相渗流的生产动态数据及试井解释资料,利用试井方法求得研究区的启动压力梯度,并建立启动压力梯度与渗透率的相应关系.分析了典型反九点井组的注水井与边井及角井井间的驱动压力梯度变化特点,若得到注采排距过大,则在注采连线中点处的驱动压力梯度有可能小于启动压力梯度,在非主流线上驱动压力梯度就更小,从而导致无法建立有效的驱替系统,影响井间储量的动用.该方法采用定量分析低渗透油藏井间储量动用情况,为同类油藏确定井间剩余油分布及合理的井距提供了参考.     

双层抽水试验中观测井井筒效应的数值模拟研究

建立了具有代表性的双层含水层抽水概念模型,基于等效渗透系数法建立了井筒—含水层耦合数值模拟模型,利用该模型模拟了双层抽水试验中观测井井筒及周边水头降深的分布、观测井内部水流的垂向分布、含水层与观测井的补给关系。分析了井筒效应的发生机理及观测井井筒内径和径距对井筒效应的影响规律,得出以下主要结论:在双层含水层中利用不完整井抽水时,同一水平位置不同高度处的水头降深不一样,由此导致的垂直方向的水头差会导致观测井内产生垂向水流,水流的流量受观测井井径和径距影响,井径越大流量越大,径距越大流量越小;观测井中的垂向流量会导致井筒周边含水层水头的重分布,此即井筒效应。距离观测井越近,受井筒效应影响越大。同时井筒效应的影响程度和影响范围受观测井井径和径距决定,井径越大影响程度和范围越大,径距越大影响程度和范围越小。