坝基集中渗漏通道的温度场反分析与试验研究

渗漏是严重影响堤坝安全的主要形式,确定渗漏通道的位置是进行堤坝渗漏整治的前提和基础。温度场探测堤坝渗漏的研究是其中一种较便捷的方法,但是在理论上还需要进一步完善。在库水和地下水存在着温度差异的基础上,考虑堤坝发生集中渗漏后,渗漏通道中的地下水与周围土体进行热量交换,造成渗流通道附近地层温度发生改变,建立起温度场对渗漏通道的反演模型。在前人研究的基础上,考虑地温梯度的影响,可以建立有集中渗漏通道影响下的二维热传导方程,进而以现场测井的温度数据作为边界条件,对泛定方程进行求解,最终得到渗漏通道的位置。计算结果和实测结果的对比表明,通过温度场反推渗漏通道参数的方法是可行的。     

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。     

利用温度全局优化法探测堤坝多重集中渗漏

利用地温探测堤坝工程中的多重集中渗漏通道位置是一种反问题,为取得全局最优解及突破现有方法的局限性,采用不同优化算法相互配合的温度全局最优化方法,以达到有效准确探测显著集中渗漏通道的位置。结合各算法优势及目标函数不连续性等特点,选用全局搜索(GS)、多初始点(MS)及遗传算法(GA)3种方法联合补充优化。首先利用GS搜索局部最优点; 然后结合目标函数不连续点及上述局部最优点,人工增加MS优化起始点进行多初始点优化; 最后依据上述局部解,利用GA混合算法优化,从而有效提高全局最优化的概率。根据堤坝工程集中渗漏通道低温补给的特点,对优化目标函数进行了具有特定物理意义的修正; 为减少每次迭代的优化参数,基于温度测试精度提出分步优化方法,根据温度或修正目标函数残差吸引盆特征确定某步优化的集中渗漏数量; 由修正残差与温度测量精度相对大小确定优化是否终止,对应修正残差最小的优化结果为集中渗漏通道位置的真实解。结合工程实例,计算了某水库左坝肩的多重集中渗漏通道位置,分步优化了两个主要的集中渗漏位置,直接法优化3个集中渗漏位置。文献及工程实践证明了该法的正确性及有效性,为了堤坝等水利工程岩土体的集中渗漏整治提供了科学依据。     

地下水温度示踪理论与方法研究进展

对地下水温度示踪理论与方法的相关研究做了评述,介绍了当前地质体中温度场与渗流场耦合作用模型、数值模拟技术和渗流参数反演方法,并从温度示踪方法的两个主要应用领域:地表水与地下水交换和工程地下水渗漏探测(以堤坝为例),说明地下水温度示踪的应用研究.在地质体中温度场与渗流场耦合模型方面,裂隙介质、非饱和带、复杂边界条件和非D...     

基于放射性同位素的堤坝渗漏模型研究

环境同位素的方法研究堤坝渗漏是一种有效的方法,利用环境同位素堤坝渗漏研究中的基本原理,环境同位素作为天然示踪剂,标记着地下水、河水和降水。目前用来定量的描述堤坝渗漏过程的同位素场微分方程模型相对较少,在作一定的假定和简化的前提下,基于力学基本定律和微元法推导堤坝渗漏的放射性同位素微分模型,为定量计算和精确模拟堤坝渗漏提供确定性的数学模型,为分析堤坝渗漏过程提供帮助。     

基于流-热耦合模型的土石坝渗流热监测研究

为有效应用基于分布式光纤测温的渗流热监测技术,需研究待监测区的背景温度场特征。为此,建立了土石坝饱和-非饱和瞬态渗流场与温度场耦合模型（流-热耦合）,模型考虑了热对流、热传导和热扩散效应,温度边界按周期性气温考虑,且相关参数按非线性考虑,如流体黏度的热效应、导热系数受含水率影响等,其仿真结果更接近土石坝温度场的真实状态。基于典型算例,讨论了与大气温度相关的周期性波动温度场特征。计算结果表明：温度场受坝体渗流和气温的影响,库水及气温是两个重要热源,饱和带的温度受库水渗流控制,非饱和带主要受气温控制,具有季节波动特征;在土石坝心墙部位若发生集中渗漏,渗漏通道附近岩土体的温度受库水影响;若在心墙上敷设分布式光纤传感器,很容易捕捉到渗漏点位置及渗漏发生的时刻。渗流热监测技术在理论上可以反映渗流场的时空分布特征,在资料分析中还应关注由气温波动引起的温度异常。     

新安江右坝裂隙岩体渗流同位素示踪研究

应用同位素示踪方法对新安江右坝的裂隙岩体渗流场进行了研究。在单孔中应用同位素示踪技术可得到流速、流向、垂向流等水力学参数,结合相关的地下水井流理论,就可计算出裂隙等效水力隙宽、渗透系数等反映裂隙渗透性的参数,对其进行分析,就确定了渗流场的分布以及集中渗漏通道的位置。     

新安江右坝裂隙岩体渗流同位素示踪研究

应用同位素示踪方法对新安江右坝的裂隙岩体渗流场进行了研究.在单孔中应用同位素示踪技术可得到流速、流向、垂向流等水力学参数,结合相关的地下水井流理论,就可计算出裂隙等效水力隙宽、渗透系数等反映裂隙渗透性的参数,对其进行分析,就确定了渗流场的分布以及集中渗漏通道的位置.     

河岸带潜流层温度示踪流速计算方法

为揭示低温水影响下的河岸带潜流层的温度场和流场分布特性,利用野外水温水位实时监测试验,研究河岸带潜流层温度场在不同季节、不同空间位置上的分布特性,并利用水温资料计算获得地下水流速。结果表明:河岸带潜流层温度场在夏季和冬季分别呈现出"上暖下冷"和 "上冷下暖"的温度分层现象;通过对温度示踪方法的4种计算方法进行分析比较,得到Hatch相位法计算的地下水流速具有较高的准确性,在2014年12月15—31日时段内流速大小为1.03×10-4~7.96×10-4m/s,在空间上,断面深度增加,地下水流速降低,且不同深度流速曲线接近平行。     

北江大堤石角段基岩渗漏评价及形态机理分析

本文从地下水动态异常入手，通过对地层透水性、地下水的流速流向分析，阐明了北江大堤石角段7＋140－7＋430存在基岩集中渗漏通道，并通过连通试验证实。最后分析了基岩集中渗漏通道形成的原因。     

流场法探测土石坝渗流矢量分布的有效性分析

利用电流场的电势微分控制方程与渗流场的流速势微分控制方程的相似性原理,流场法通过检测电流场的分布来确定渗流场,并能快速查明堤坝的管涌渗漏入口。为了更精确地描述土坝管涌的渗流分布及渗流方向,可以测试迎水面和背水面的水平方向与垂直方向的电位差,模拟渗流的矢量分布。从电流密度、电位微分及电位微分绝对值等方面,阐述了矢量流场法模拟渗流矢量分布的基本原理,并以某土石坝渗漏探测为例开展了验证工作。结果显示,矢量流场法可以有效揭示土石坝的渗流等级及渗流方向,结合流场法和矢量流场法探测成果,可为查明土石坝渗漏入口、渗流等级及渗流方向提供新的思路。      

基于能量测量的声呐渗流矢量法及其应用

为准确测定天然流场和人工流场下的地下水渗漏隐患,从能量测量的角度提出了一种水文地质测井的新方法——声呐渗流矢量法,系统地介绍了该方法的基本理论、原型仪器和测试步骤等内容。以时差法测量原理为基础,融合了矢量声呐技术、航空定向技术、压力传导技术、GPS定位等多种新技术,自主研发了声呐渗流测量仪及其显控软件,能够准确测定渗漏部位、渗漏通道以及流速、流向、流量等量化指标。并以富水地层地下连续墙基坑为工程案例,建立三维可视化渗流场成像系统,揭示三维空间渗流场分布特征,动态指导基坑渗控设计和堵漏处理,通过复测验证堵漏处理效果。结果表明：声呐渗流矢量法能够实现地下工程渗漏缺陷精准定位,在无强噪声干扰的情况下,检测结果完全满足工程渗控需要;提出以渗透流速为主、单孔渗流量和渗透系数为辅的基坑渗漏风险预警分级判定指标;结合地质勘察、监测预警、现场巡查、应急处置等手段,与其他方法相互验证,提前采取处理措施,有效规避渗漏水风险。     

Generalized Hoek-Brown solution of circular tunnel considering effects of axial stress and seepage forceEI北大核心CSCD

This paper studies the joint effect of seepage force and axial stress on the stress and displacement of circular tunnel. The circular tunnel is simplified as an axisymmetric model and the seepage field is simplified as volumetric force in the stress field. The excavation cross-section of surrounding rock is assumed as a plane as well, and an axial stress perpendicular to the plane is further introduced. Nonlinear solutions for the stress and displacement of circular tunnel are deduced considering the joint effect of axial stress and seepage force, based on the generalized Hoek-Brown failure criterion and the non-associated flow rule in elastic-brittle-plastic rock mass. Numerical simulations are also employed to analyze the distribution of stress field and displacement field in plastic zone of a circular tunnel under the joint effect of axial stress and seepage force. The calculated results show that the displacement in plastic zone increases significantly with the gradient increment of the seepage pressure, compared with the situation without seepage force. The radius and stress of surrounding rock in plastic zone increase when axial stress is the intermediate principal stress, while the radius and stress have less change when axial stress is the major or minor principal stress. It can be concluded that the seepage force has negative effects on the stability of circular tunnel, and the axial stress significantly influences the stress and displacement of the circular tunnel, especially in water-rich areas. Therefore, it is necessary to consider the joint effects of axial stress and seepage force to ensure the stability of circular tunnel in water-rich area.     

考虑轴向力和渗透力时圆形隧道广义Hoek-Brown解

为了研究渗透水压力和轴向应力共同作用时隧道围岩的应力和位移变化趋势,将圆形隧道简化为轴对称模型,假定渗透场以渗透体积力作用在原应力场,以围岩开挖断面为假定平面,引入垂直于该平面的轴向应力。基于广义Hoek-Brown强度准则和非关联流动法则,推导出考虑轴向应力和渗透场共同作用时弹-脆-塑性围岩的应力和位移非线性解,采用数值算例分析了轴向应力和渗透力共同作用时隧道围岩塑性区应力场和位移场的分布规律。计算结果表明：与无渗透水压力作用下的模型相比,渗透力作用使得围岩塑性区各点位移增大,并且内外水头差越大,位移增大越明显。当轴向应力为中主应力时,围岩塑性区半径和塑性区各点应力增大,轴向应力为大主应力和小主应力时,围岩塑性区半径和塑性区应力变化较小。因此,渗透力的存在不利于隧道围岩的稳定性,并且轴向应力的大小对于富水地区隧道围岩的应力和位移分布具有较大影响。在施工设计时考虑渗透力以及轴向应力的共同影响对于保证隧道围岩稳定性具有重要意义。     

张家川水源地渗流井允许开采量的数值模拟计算

在分析渗流井的结构与水流特征的基础上,通过引入等效渗透系数,结合当地地质、水文地质条件,构建渗流井取水的“渗流-管流”耦合模型,用于神木县张家川傍河水源地渗流井取水工程。确定水源地的布井方式与开采方案,计算水源地的平、枯水期允许开采量。结果得出：干水期允许开采量为35500 m3/d,枯水期允许开采量为11800 m3/d。     

渗流作用下深埋巷道围岩热交换过程的数值模拟

为了研究深埋巷道围岩温度场的分布规律,基于传热学和渗流理论建立了深埋巷道围岩的热扩散数学模型,结合边界条件采用MATLAB对其进行了数值求解,获得了在风流和渗流耦合作用下围岩的温度场和温度矢量分布。研究结果表明,渗流改变了围岩初始温度场和温度矢量的对称分布的状态,围岩内部的温度场可划分为向内扩散区和向外扩散区。在围岩与风流的热交换作用下,巷道的壁面温度将接近风流温度,温度矢量零点的范围呈现出逐步增大的趋势。当热交换达到平衡状态时,向内扩散区的温度场呈现为环状对称分布状态;而向外扩散区等温线的形状没有明显的改变,但等温线的分布逐渐稀疏。     

考虑滑脱效应和温度场的煤层气渗流数值模拟

由于煤层气的解吸热效应,煤层气的运移过程是一个非等温过程。因此,温度场对煤层气渗流有着重要的影响。前人在研究煤层气渗流规律的研究中并没有同时考虑滑脱效应和温度场因素的影响,而在实际的深部开采中综合考虑滑脱效应和温度场的影响对研究深部煤层气运移规律有着重要的意义。因此本文建立了考虑滑脱效应及温度场的煤层气渗流数学模型,利用有限元数值方法研究了考虑滑脱效应和温度场耦合的煤层气运移规律;研究了考虑滑脱效应和温度场对压力场分布的影响;对考虑滑脱效应及温度场因素的煤层气产量进行了预测。得出了随着温度的升高煤储层的压力在降低,温度的升高对煤层气的产量有着负面的影响这一重要结论。     

单井注水改变填埋场中垃圾土温度的模拟

为了加速填埋场降解的稳定化,渗滤液回灌常被应用在工程实践中。使用竖井进行回灌是较为有效的方式之一。伴随着液体的注入,由于对流的产生,垃圾土温度势必会发生改变。基于无锡填埋场注水试验,对该现场试验过程中垃圾土温度的改变进行模拟。为此,建立了考虑渗透系数和孔隙率随深度变化的渗流模型,以及考虑渗流影响的热对流-热传导模型,并利用数值计算方法进行求解。在对比计算值和试验值之后,发现所建立的模型能较好地模拟注水期间渗滤液水位和垃圾土温度的变化规律。结果表明：在离注水井超过6 m处的位置,显现的液位相对滞后,至少滞后0.15 d,而且距离越远滞后的时间越长;在液位以下,注水井周围的垃圾土温度均低于初始温度。但是在径向上远离注水井3.6 m之外的垃圾土温度并不是全低于初始温度,在新老垃圾土交界处之上2 m范围内,会出现温度高于初始温度的现象,温度差可达3 ℃;新填垃圾土的已降解时长对单井注水工况下温度分布的影响较为显著。