考虑低速非达西的第一类越流系统中承压完整井稳定流模型

基于忽略非线性段的存在启动压力梯度的非达西数学模型,采用数值差分法求解第一类越流系统中承压完整井非达西稳定流方程,并分析了抽水量、导水系数、越流系数及启动压力梯度对达西与非达西条件下的承压水头分布差异的影响。结果表明:考虑非达西流情况后,随距抽水井距离的增大,达西、非达西条件下的水头分布差异先增大后减小,在无穷远处趋于零。距抽水井较近时,抽水量、导水系数、越流系数及启动压力梯度对两种条件下的水头分布差异影响不大。随着远离抽水井,抽水量、导水系数及启动压力梯度越大或越流系数越小,两种条件下的水头分布差异越大。随着距离进一步增大,差异逐渐减小并趋于零。     

支持毛细水的横向渗流机制研究

通过实验与机制分析研究。表明;支持毛细水带与饱和水带之间,存在密切的水力联系。在两河渠间无入渗补给的潜水稳定流中,支持毛细水带与饱和水带构成统一的渗流场。这个渗流场可用支持毛细水带的虹吸管束模型与饱和水带已有的流管束模型并联来描述。该条件下的潜水位面不是流面,在排水河渠边壁也不存在所谓的“渗出面”。横向渗流存在高速带,分布在潜水位以上或以下的毛细饱水带与两侧河渠底界连线上以的饱和水带;再向上或向下的过水断面渗流速度均渐变小。     

井外爆炸点源激发井孔声波场

利用井外爆炸点源激发的声波场与井孔的相互作用模拟井间地震的物理过程,推导了全频域井孔内外声波场的理论计算公式,并针对不同震源主频、不同源距(震源到井轴的径向距离)和软硬地层进行了井内声场的全波模拟与频率-相速度分析。结果表明:井外爆炸点源激发井孔内外的声场等效于无穷多级声场迭加的结果;震源靠近井壁时的频率-相速度图与震源在井内时相似;震源的主频越高、源距和接收器离井轴的径向距离越大、地层越硬,则顾及的多级声场的项数就要越多;震源主频越低、源距越小,井中激发的斯通利波则越强。     

一次洪水后河流对地下水影响数学模型及其应用研究

流域内的河流与地下水之间存在着密切的水力联系,为研究一次洪水过后河流与沿岸地下水之间关系,在分析其水文地质条件基础上,建立河流与地下水之间数学模型,求解了潜水含水层水位、沿岸侧向单宽流量、渗流速度等,并以淮河流域的王家坝站附近地下水为例进行计算,分析了其地下水动态变化特征,讨论了渗透性与给水度对河流回水过程中对潜水的影响,研究结果为地下水与地表水关系应用具有一定参考价值。     

河道水位降落对边坡稳定的影响

利用水槽试验和理论分析相结合,研究河道水位降落时岸坡渗流对边坡稳定的影响。考虑渗透力作用,分析岸坡上泥沙颗粒的受力特点,推导出临界稳定坡度与渗流水力梯度的关系。在渗流为向上和向下指向时这一关系和水槽试验数据吻合很好。测量结果表明,向上的渗流使得临界稳定坡度减小,而向下的渗流作用相反。另外,渗流对岸坡稳定的影响大小和渗流方向密切相关。给出了岸坡临界稳定坡度取值最小时的渗流方向。     

基于扩展有限元法的碳酸盐岩地热储层岩体裂缝扩展行为

水力压裂作为一种主要的地热能开采手段,其压裂效果除与岩体基本物理力学性质有关外,还与裂隙分布、地应力状态、压裂工程参数等密切相关.为了探究以上因素对水力压裂过程中裂缝扩展行为的影响,以冀中坳陷碳酸盐岩储层岩体为研究对象,基于扩展有限元法,建立裂缝扩展流固耦合模型,分析了水平应力差、射孔方位角、注入液排量和压裂液黏度等参数对裂缝扩展行为的影响.结果表明:单裂缝扩展时,射孔方位角越小、注入量越大、越有利于裂缝扩展;双裂缝扩展时,水平应力差增大,裂缝偏转程度变小;水力裂缝与天然裂缝相交时,较小水平应力差有利于天然裂缝开启.      

土坡降雨入渗影响因子模拟实验

综合模拟实验土坡降雨入渗的各种常见影响因子,实验结果表明:土质对降雨入渗能力的影响明显,土中粘粒含量越高,颗粒越细微,粒间孔隙越小,吸、保水性能越强,开始入渗速度较快,在一定时间后入渗趋于平缓,浸润线前锋位置与雨水之间存在滞后现象;土体结构都对土体入渗能力产生较大影响,随着土体密实程度的增加,土体水力传导度减小,其水分入渗能力明显降低,开始入渗速度较快,在30min过后入渗趋于平缓;在临界含水量内,渗透系数与饱和度成反比;在正常温度范围内,对渗透影响不明显;坡度与累积入渗深度基本呈凸形曲线关系;随着植被覆盖度增加,累积入渗量成直线增加。     

细观非均匀性对脆性岩石材料宏观破坏形式的影响

岩石材料的宏观力学特征是材料内部细观力学特性的综合反映。对于脆性岩石材料,其内部的非均匀性对材料的宏观破坏形式有着重要的影响。应用演化细胞自动机方法（ECA）对岩石的非均匀性进行了初步的探讨。该方法以位移、力、应力和应变等矢量和张量作为系统的基本变量,定量计算了反映岩石破坏过程中应力集中以及应力重新分布的过程。在宏观上则认为脆性岩石材料是一种非均匀性材料,并假定脆性岩石材料的非均匀性符合Weibull分布,坡度参数m是Weibull分布中的反映分布非均匀程度的重要参数。通过对符合Weibull分布中不同坡度参数的脆性岩石材料进行数值模拟试验,发现由Weibull分布中的坡度参数表示的非均匀性是影响脆性岩石材料破坏方式的重要因素,材料的坡度参数越小,材料越不均匀,其破坏形式则越具有随机性;材料的坡度参数越大,材料越趋于均匀,其破坏形式越具有规则性,即趋于弹性材料的破坏形式,这与试验结果是吻合的。     

煤岩水力压裂裂缝扩展规律实验研究

为了分析煤岩水力压裂裂缝扩展规律,采用真三维水力压裂物理模拟实验平台进行煤样真三轴水力压裂物理模拟实验,模拟不同地层应力、渐进角条件下煤样水力压裂过程。实验表明:天然裂隙和割理是影响煤岩裂缝扩展的重要因素,导致裂缝扩展规律复杂多样化;当水平应力差系数值kh1时,水力压裂裂缝趋于沿最大水平主应力方向扩展,当kh值1时,水力压裂裂缝趋于沿天然裂隙方向扩展,当kh值=1时,水力压裂裂缝扩展方向处于不定状态;渐近角对水力压裂裂缝扩展的影响程度总体上小于天然裂隙、割理和水平应力差,实验结果与煤矿井下压裂裂缝观测结果一致。     

沙坝地形上沿岸流不稳定运动模式变化特性

为研究沙坝地形上沿岸流不稳定运动特征模式变化特性,建立了考虑底摩擦影响的不稳定模型,并用该模型计算了两种沙坝地形(坡度分别为1:40和1:100)上的不稳定特征模式,这些模式内容包括不稳定运动波长、传播速度、不稳定增长率和扰动速度场。将这些结果与忽略底摩擦计算结果进行了比较,分析了底摩擦对不稳定特征模式的影响。上述研究表明沙坝地形上不稳定运动传播速度约为时均沿岸流最大值的0.71~0.79;1:40沙坝地形上产生不稳定运动所用的时间比1:100地形上更短;底部摩擦可以很大程度上抑制沿岸流不稳定运动的产生;一般观测到的(准)韵律形、新月形沙坝都在后剪切区(紧邻时均沿岸流最大值向海方向区域)产生;不稳定运动在沙坝处运动最强,并且坡度越缓,不稳定运动沿岸方向波长越长。     

Stochastic analysis of free surface flow through earth dams

This research investigated the unconfined flow through dams. The hydraulic conductivity was modeled as spatially random field following lognormal distribution. Results showed that the seepage flow produced from the stochastic solution was smaller than its deterministic value. In addition, the free surface was observed to exit at a point lower than that obtained from the deterministic solution. When the hydraulic conductivity was strongly correlated in the horizontal direction than the vertical direction, the flow through the dam has markedly increased. It is suggested that it may not be necessary to construct a core in dams made from soils that exhibit high degree of variability.     

Numerical simulation of groundwater flowing to horizontal seepage wells under a river

A horizontal seepage well, consisting of an interconnected vertical well, galleries, chambers and small-diameter radiating bores, is used to acquire relatively clean water that has been filtered through natural alluvial deposits in a riverbed. It has wide application, especially in arid and semi-arid areas. The lack of calculation formulae or models for horizontal seepage wells, up until now, has resulted in several false applications. Based on the analysis of groundwater flow characteristics, it has been concluded that several flow regimes coexist and hydraulic head loss exists in the horizontal seepage well. To avoid the difficulty of confirming the flux or head distribution in such a complex system, the model boundary of the whole horizontal seepage well has been moved to that of just the vertical well, and the well-aquifer system was treated as a heterogeneous medium, where the horizontal seepage well itself is a highly permeability medium. A mathematical model has been developed, based on the coupled seepage-pipe flow, by the introduction of equivalent hydraulic conductivity according to different flow regimes. Then a three-dimensional finite difference numerical model, based on the mathematical model, was developed and applied to a horizontal seepage well in China. The numerical model verified the groundwater flow characteristics of the horizontal seepage well. An erratum to this article can be found at     

防渗墙粗粒土槽孔泥皮的抗渗性试验研究

通过自制泥浆渗透试验仪,针对粗粒土地基防渗墙泥皮的渗透稳定性问题,开展了护壁泥皮抗渗性能的试验研究。结果表明,泥皮具有明显的截渗作用;不同压差作用下泥浆渗透形成的泥皮具有不同的抗渗特性,压差越大、泥皮越致密,抵抗渗透破坏的能力越强,泥皮的渗透性也就越小;反压渗水作用下泥皮的抗渗性能较正压渗水作用下的抗渗性能差;随着水力作用持续时间的增长,泥皮的结构发生变化,孔隙增大,流速逐渐增大,在较大水力梯度作用下会发生破坏;泥皮的临界水力梯度与其形成时压差作用大小有关,泥皮形成压差越大,正、反向渗水的临界水力梯度越大;反之,临界水力梯度越小。关于泥皮抗渗性能的深化认识,对于完善防渗墙设计与施工具有重要的意义。     

砂砾石与砂接触冲刷试验研究

渗流作用下土层之间的接触面是较易发生渗透破坏的薄弱环节。在开展砂砾石渗透破坏试验研究的基础上,针对砂砾石与砂的接触面渗流及渗透破坏特性,利用大型竖向渗透仪和自主研制的环状径向水平渗透仪,研究了竖向和水平渗流作用下接触面渗流和渗透破坏的影响因素及接触冲刷的发生、发展过程。研究结果表明,典型的砂砾石与砂的接触冲刷破坏过程可分为稳定渗流阶段、过渡阶段和破坏阶段3个阶段,可用2个特征水力坡降进行划分,稳定渗流阶段与过渡阶段的分界点对应的水力坡降称为启动坡降,过渡阶段与破坏阶段的分界点对应的水力坡降称为破坏坡降;砂砾石与砂组合试样的渗透系数随砂砾石密度的增大、颗粒变细而减小,砂砾石与砂接触冲刷的抗渗坡降则随砂砾石密度的增大、颗粒变细而增大,在水平渗流情况下试样的渗透系数较竖向的大,但接触冲刷的抗渗坡降较竖向的小。     

均质非饱和土一维稳态流水头垂直分布的解析解

渗流场水头分布计算是进行渗流量和渗流水力坡降计算的基础,准确、有效地求取渗流场水头分布是渗流计算的关键环节。对均质非饱和土体一维稳态流的流动方程进行分析,考虑到渗透系数是与基质吸力相关的函数,通过数学变换,给出了稳定渗流场的解析通式,并基于渗透性函数中的Gardner模型,给出了非饱和土一维稳态流水头垂直分布的解析解。该解析通式表明,均质非饱和土一维稳态流水头垂直分布主要受地表水头、深度和流动率3个因素控制。分别计算了一维稳态蒸发条件下粉土和黏土两种典型土类水头沿垂直方向的分布。计算结果表明：稳态蒸发条件下粉土层和黏土层内的水头分布表现出相似的变化规律,即自地表至地下水位处随着土层深度的增加,水头分布呈现出加速递减的趋势;在相同的蒸发条件下,对于相同深度处的黏土和粉土而言,黏土层内水头更高些;对同一种土类而言,在较大的蒸发状态下同一深度处土层内水头更高。反之,则较低。     

Using zero-thickness elements to simulate suspended cut-off walls in a regional seepage field

A regional seepage field is usually simulated by 2D horizontal seepage finite element method (FEM). However, the Dupuit assumption means that it does not take into account hydraulic head loss caused by vertical flow. In order to simulate a regional seepage field containing suspended cut-off walls by 2D horizontal FEM without any loss of accuracy and efficiency, a zero-thickness element is introduced. The zero-thickness element is used to model suspended cut-off walls and take into account the hydraulic head loss caused by vertical flow near the walls. The matrix equation is deduced. The deduction is based on the resistance coefficient method and the analytical solution of flow near suspended cut-off walls under plane condition. The accuracy of the method is assessed by comparing with 3D FEM results. These coincide with each other both in discharge and hydraulic head. The method is an effective way to simulate a suspended cut-off wall in a regional seepage field with 2D horizontal FEM.     

河流附近非水平初始面潜水渗流分析

考虑初始面非水平条件,建立河流边界控制下的半无限含水层渗流模型,提出非水平初始面及其相关参数（a、t_N）的简易计算方法,并探讨模型的适用条件。分析表明,该法适用于观测数据较少、地下水水位变幅相对于潜水含水层厚度较小、且观测孔距河岸较近条件下河流附近潜水含水层渗流计算。结合实例,采用查表法和配线法求解模型。计算结果表明:参数a和t_N的计算值不同,水位计算误差在0.02 m以内,较原公式精度有明显提高。新模型为初始面非水平条件下的潜水渗流计算提供一种简易方法。     

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。     

断层破碎带隧道突水突泥灾变演化模型试验研究

为研究断层破碎带隧道开挖扰动作用下突水、突泥灾变演化过程,建立了三维地质模型试验系统,以江西永莲隧道F2断层突水、突泥灾害为例,通过大量的材料配比及物理力学性能参数测试,研制出适用于流-固耦合模型试验的新型断层及正常围岩相似材料,对隧道突水、突泥灾害进行研究。试验结果有效地揭示了无支护条件下断层破碎带隧道的洞周位移、渗流压力、应力-应变以及突出物质量等特征参数对时效性的响应规律。随着时间的增长,渗流压力整体呈上升趋势,越靠近开挖面其波动范围及幅度越大;突出物质量在发生突水、突泥灾害前出现短时减小后迅速增加;洞周围岩拱顶以竖向位移为主,而拱腰以水平位移为主;在相同相应力状态下,拱腰位置应变比拱顶位置大。将试验灾变特征与现场实际演化过程进行对比分析,两者结果较为吻合。该系统可广泛应用于其他地下工程的模型试验研究,其研究方法及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。