基于渗流-应力耦合分析的野鸡尾尾矿坝稳定性研究

基于渗流场与应力场耦合机理,对柿竹园野鸡尾尾矿坝进行稳定性研究。研究渗流-应力的耦合效应,提出了渗流-应力耦合以及渗流体积力计算的实施方案;建立二维的有限元渗流-应力耦合计算模型,分析了考虑耦合效应时的尾矿坝渗流场、位移场、应力场;最终分析了不同耦合关系对于渗流量、位移场、等效渗透集中力以及应力场的影响。研究结果表明：当前水力条件下,尾矿坝稳定性良好;尾矿坝主要受水平渗透力作用,初期坝坝顶、坝脚以及坝底等处应力集中;尾矿坝的渗流-应力作用不容忽视,不同的耦合关系对于x方向位移、渗透力的预测影响巨大;考虑渗流-应力耦合关系得到的主应力、剪应力以及竖向位移,比不考虑耦合效应时大。     

非混溶饱和两相渗流与孔隙介质耦合作用的理论研究Ⅰ--数学模型

基于连续介质力学的一般理论,在黑油多相渗流理论模型的基础上,推导了非混溶饱和两相渗流与变形孔隙介质耦合作用的数学模型方法,并对流固耦合效应进行了初步的讨论。     

地下岩体应力场-渗流场-热场三场耦合作用的数值模拟研究初探

在地下岩体变形、地震的孕育与发生过程中,多种物理场、化学场是同时存在并相互影响的,其中应力场、渗流场和热场是其最重要的物理场.文中综述了近40年来地下岩体应力场-渗流场-热场三场耦合作用的研究现状,基于渗流场与热场、应力场与热场、以及三场耦合作用的研究,从场与场之间相互影响关系入手,综合分析了从以变量为媒介到以场为媒介,从松散耦合到强耦合,从观测统计模型到数值模拟的发展历程,并阐述了地下岩体三场耦合存在的问题和发展趋势.     

寒区隧道温度场和渗流场耦合问题的非线性分析

根据传热学和渗流理论导出了带相变的温度场和渗流场耦合问题的控制微分方程 ,然后应用伽辽金法导出了这一问题的有限元计算公式 ,最后给出一寒区隧道考虑渗流时的温度场算例 .算例表明渗流对隧道的冻深影响很大 ,因此在工程设计中应该考虑渗流这一因素的影响 .     

地球物理场中煤岩瓦斯渗流研究现状及展望

煤层瓦斯渗流是煤与瓦斯突出研究中的一个重要方面,由于煤层处于复杂的地质环境中,煤层瓦斯渗流必然受到地球物理场的影响.本文基于国内外煤层瓦斯渗流研究现状,综合论述了地应力场、地温场、地电场对煤层瓦斯渗流的影响,以及多场耦合作用下的煤层瓦斯渗流,并从实验研究、理论分析、工程实践论证相结合的角度,展望了该研究领域中需要深入研究的方向和有关的发展趋势.     

地下水渗流沉降的三维耦合模型及程序的研制

研制可合理模拟预测基坑降水过程中引起地面沉降的计算机程序,并提出最优化降水方案。基于三维全耦合数值模型,笔者开发了GWS软件。GWS软件是以比奥固结理论为基础,将土体的非线性特征及土的渗透性随应力状态的动态变化考虑进去,通过耦合地下水渗流场和土体应力场进行模拟预测基坑降水过程中渗流场及地面沉降的变化。以一个实际基坑降水工程为例,经GWS软件计算得出5口井联合抽水方案,后续工程证明此方案正确、可靠。以三维全耦合数值理论为基础的GWS软件,可以为基坑降水工程引起的地下水渗流场变化及地面沉降量提供可靠的预测。     

地应力对裂隙岩体渗透特性的影响

提出了地应力场中岩体不连续面变形的本构关系，讨论了渗流与应力耦合条件下裂隙岩体渗透张量的计算方法，阐述了地应力对裂隙岩体渗透特性的影响．研究表明，地应力对岩体渗透特性的影响主要是通过改变不连续面的开度和不连续面网络的水力传导路径而产生的；裂隙岩体渗透性随岩体埋深的增加呈负指数减小，随侧压系数的增大呈双曲线减小．渗流场与应力场的耦合理论可望应用于水库诱发地震的研究中     

温度作用下煤层瓦斯解吸渗流规律数值模拟

如何提高煤层气渗透率是目前煤层气开采研究中的重要课题。基于煤层瓦斯渗流规律数学模型,利用COMSOL Multiphysics软件,对流-固-热耦合条件下的非等温煤层气解吸、渗流变化规律进行了数值模拟。结果表明,在注热条件下,煤层气渗流压力随着温度的增加而下降,且下降速度加剧,压力差越大,气体从高压区域流向低压区域的渗流速度越快。气体在煤层中径向流向井口,井口附近压力的梯度增大,气体渗流速度较快;在未受到加热影响的区域,煤层气不受外加热量影响,煤层气解吸速率保持不变;注热后煤层温度升高,可以加快煤层气渗流速度、提高渗透率、增加煤层气产量。研究成果可为煤层中注热开采煤层气的工程实践提供相应的理论依据。     

地应力对裂隙岩体渗透特性的影响

提出了地应力场中岩体不连续面变形的本构关系，讨论了渗流与应力耦合条件下裂隙岩体渗透张量的计算方法，阐述了地应力对裂隙岩体渗透特性的影响．研究表明，地应力对岩体渗透特性的影响主要是通过改变不连续面的开度和不连续面网络的水力传导路径而产生的；裂隙岩体渗透性随岩体埋深的增加呈负指数减小，随侧压系数的增大呈双曲线减小．渗流场与应力场的耦合理论可望应用于水库诱发地震的研究中．      

渗流和地震耦合作用下边坡稳定性分析

正地下水渗流和地震对边坡的稳定性都有重要影响,渗流和地震共同作用这一复杂工况下的边坡稳定性问题已成为当前岩土工程研究的热点问题之一。主要问题是渗流和地震共同作用时稳定性的计算方法需要探索和完善;各种影响因素需要深入分析和研究。本文的研究工作为解决复杂工况下的边坡稳定性分析和评价提供了一种新的思路,这一工作对多工况耦合作用下的边坡失稳机理研究和稳定性评价具有重要的理论参考和实际意义。本文在前人已有工作的基础上,基于极限平衡理论和数值模拟开展了渗流和地震两种工     

地震作用下三峡库区典型堆积层滑坡变形特性研究

选取三峡水库区地震频发的兴山县一典型厚层堆积型滑坡为研究对象,以实测库水位波动与地震发生时间点关系为基础,并参照V度地震烈度,采用静力-渗流-动力多场耦合3D数值模拟方法,对滑坡变形机理进行研究。结果表明:(1)地震作用与库水位波动密切相关,不利的渗流条件和地震动荷载作用相互叠加,渗流场-动力场耦合作用共同导致滑坡体发生变形;(2)堆积层滑坡体结构相对均质,无显著不良地质单元,除堆积体临空面附近外,其对地震波几乎无放大效应;(3)V度地震烈度条件下,连续地震对堆积层滑坡变形量的影响有限且收敛,但仍有必要对滑坡体变形进行长期监测。     

饱和岩石的动态渗透率和动电耦合系数解析式

动态渗透率和动电耦合系数是描述岩石中渗流波动和弹性-电磁耦合波效应的重要参数.本文基于毛细管束模型,提出了流体饱和孔隙介质的动态渗透率和动电耦合系数的解析表达式和简化表达式,并通过与前人近似式结果的对比,分析了不同表达式的合理性和适用性.在此基础上,理论分析了孔隙几何形状和孔径分布对渗透率和动电耦合系数的频率响应以及井孔震电耦合波场的影响.研究结果表明:当认为孔道均匀且达西渗透率、孔隙度和弯曲度恒定时,孔隙几何形状的影响很小,可以忽略,而前人的近似式高估了孔隙几何形状的影响;孔径分布的影响显著,随着孔径分布的增大,渗透率的临界频率显著减小,动电耦合系数的临界频率显著增加,震电测井的斯通利波及其伴随电场幅度显著增大.     

电缆地层测试器测量的油水两相有限元模型

在电缆地层测试器的测量过程中，油水两相共渗的情况普遍存在，此时其测量过程的数学模型是非线性的耦合场问题，无法用解析方法求解.加上测量中存在抽吸探针与地层、井筒接触面几何形状复杂、探针与地层尺寸相差悬殊等问题，使得应用渗流力学中较为成熟的有限差分方法求解数学模型也不能获得理想的结果.本文应用适合于处理复杂几何形状计算的有限元方法，根据地层测试器测试过程中油水两相渗流的数学模型，首次建立了地层测试器测量油水两相渗流的有限元模型，给出了验证和求解的实例.运用本文所建立的计算模型可以更准确地模拟测试过程中压力和饱和度随时间和空间变化的情况,为正确使用地层测试器提供指导.     

渗流作用下河岸深基坑支护结构稳定性分析

河水径向渗流会对河岸基坑稳定性及支护结构内力产生显著影响。以某深基坑工程为背景进行了三维流固耦合数值模拟分析,研究了渗流对深基坑土体及支护结构受力与变形的作用规律。研究结果表明：1初始水位时,渗流作用对土体水平应力与土体剪应力的影响较小,但水位上升后,坑底处土体水平应力明显增大,在坑壁拐角处应力集中现象突出,土体剪应力在开挖面以下的底脚处最大;2土体水平位移与竖向位移均在水位上升时呈递增趋势;3桩身弯矩与剪力在水位上升初期有较大增加,之后增长速度减小;4上层、下层锚杆的自由段和锚固段轴力在水位上升初期均有明显增加,但之后增加幅度很小;5安全系数在水位上升初期降低较多,之后以较小速度呈线性减小。     

地下水在地震前兆应力场演化过程中的作用

采用应力场与渗流场耦合的三维数值模拟方法,通过干模型和湿模型的对比,研究了地下水在地震前兆应力场演化过程中的作用。研究结果表明, 地下水的存在,不单增加了前兆应力场时空演化的流变性,并促使应力向断裂带聚集,而且还增加了震前的破裂水平。尤其是在短临阶段,这种作用更加显著, 但随深度的增加,地下水对应力场分布的影响作用逐渐减小。     

储层岩石流动电位频散特性的数学模拟

利用储层岩石流动电位的频散特性评价复杂储层已经成为勘探地球物理领域关注的热点,但是目前还没有形成基于储层岩石储渗特性及电化学性质的具有普遍指导意义的理论方法和数学模型.本文利用微观毛管理论,通过随时间谐变条件下渗流场和电流场的耦合模型,建立了描述储层岩石流动电位频散特性的数学方法,定量分析了频率域储层岩石动态渗透率、动电耦合系数和流动电位耦合系数随储层岩石孔隙度、溶液浓度和阳离子交换量的变化规律.研究结果表明:储层岩石流动电位频散特性是储层流体惯性力与流体黏滞力相互作用的结果.储层岩石孔隙度越大,储层维持流体原有运动状态的能力越大,临界频率越小;储层岩石的溶液浓度和阳离子交换量对临界频率没有影响.储层岩石的孔隙度越大,流体流动能力越强,流动电位各耦合系数的数值越大;溶液浓度越小或阳离子交换量越大,孔隙固液界面的双电层作用越强,各耦合系数的数值越大.     

多尺度孔隙岩石的核磁共振扩散耦合现象及其探测方法

油藏岩石的孔隙连通性是反映流体渗流难易程度的重要参数,对渗透率、有效孔隙度等岩石物理参数的评价具有重要作用.连通的孔隙中,核磁共振(NMR)弛豫的交换会产生扩散耦合现象,可作为孔隙连通性的表征和探测方法.本文提出利用横向弛豫T 2-T 2脉冲序列测量岩石的扩散耦合现象.运用随机游走方法模拟多孔岩石的核磁共振响应特征,分析扩散耦合的影响因素,推导表征扩散耦合强度的弛豫交换速率计算公式.结果表明:孔隙间的扩散耦合强度与T 2-T 2脉冲序列的混合时间呈正相关性,基于双孔弛豫交换模型推导的弛豫交换速率计算公式能够准确表征双尺度孔隙系统的扩散耦合强度.在孔隙尺寸不满足快扩散条件时,会出现与扩散耦合无关的非对角峰信号.针对含多类型孔隙的碳酸盐岩模型,随混合时间的增加,扩散耦合强度变大,一维T 2谱的形态畸变程度加重,在T 2-T 2二维谱中,代表微裂缝、粒间小孔、溶蚀大孔的信号能量变化趋势不同,反映不同类型孔隙间的连通性存在差异.本文的分析与讨论丰富了核磁共振弛豫在岩石物理性质评价中的应用方向,对利用核磁共振评价复杂孔隙岩石的孔隙结构和连通性提供了新思路和新方法.     

一种基于逾渗模型的裂隙岩石渗透系数确定方法

针对裂隙岩体提出了一种基于双重逾渗模型的渗流系数分析方法。通过变参数研究,考察了岩体中渗流和孔压分布的不均匀;根据裂隙长度的不同将岩体分为孔隙控制渗流模式和裂隙控制渗流模式。这种模型不仅能够同时考虑孔隙和裂隙的作用,而且在模拟大规模裂隙网络时更加快捷简便。     

单孔同位素稀释示踪法测定地下水渗流速度、流向的技术发展

地下水渗流速度、流向不仅是地下水渗流场研究中两个重要的动态参数,而且是测定含水层渗透系数、渗流量等水文地质参数的主要参量.本文结合前人研究成果,系统梳理了应用放射性同位素测定地下水渗流速度、流向的技术方法与工作流程等,其中比较详细的分析了井孔中有垂向流和无垂向流情况下,应用放射性同位素单孔稀释法测定渗流速度的方法与适用条件,旨在为广泛开展地下水渗流场参数的野外观测与研究提供可行的技术途径.作为一种地下水渗流场参数定量研究的技术方法,单孔稀释示踪法在与渗流场研究有关的水库诱发地震机理、地下流体对构造活动的影响过程、地下流体强震异常解释、地震地下流体异常落实等方面具有广泛的应用前景.     

松散承压含水层水位的同震响应实验与数值模拟

为深入理解井水位同震响应机理,本文开展了向完整井-松散含水层系统输入由不同频率和振幅（加速度）组成的正弦波荷载的振动台实验。以实验模型为物理模型,建立了振动作用下松散承压含水层中孔隙水压力响应的流固耦合模型和含水层水流与井流的相互作用模型,并运用多物理场耦合模拟软件COMSOL Multiphysics对实验过程进行了数值模拟。实验中观测到的四种典型水位变化形态与野外场地同震井水位变化形态相似。数值模拟结果显示,本研究建立的数学模型能较好地反映松散承压含水层中孔隙水压力和水位的响应情况。本文研究对解释地下水同震响应机制、岩体渗流稳定性和安全问题具有重要意义。