基于岩溶演化模型的隧道突水危险性评价

岩溶隧道是否发生涌突水,主要取决于洞身岩溶发育程度和岩溶系统结构类型,而这与岩溶系统的演化过程密切相关。岩溶系统的发育演化始于具有侵蚀性的水对可溶性岩体中裂隙的溶蚀扩展。基于此,本研究耦合了渗流模型和溶蚀扩展模型,并结合鸡公岭隧道区水文地质背景资料,建立了隧道区岩溶系统岩溶演化模拟模型,模拟再现了隧道区岩溶含水介质的发育情况。结果显示:随着岩溶系统的发育演化,整个系统中裂隙不断被溶蚀扩展,差异性溶蚀越来越显著,岩溶含水介质的非均质性越来越强;同时随着埋深的增加,岩溶发育程度及非均质性越来越弱;浅部和深部裂隙的平均溶蚀扩展率相差近1 500倍;鸡公岭隧道洞身标高处岩溶发育微弱,裂隙溶蚀扩展较小,仍为裂隙岩体,其等效渗透系数为0.51m/d,岩溶突水概率极低,隧道发生涌水时的涌水量为127.9m3/d,对隧道施工影响较小。     

河间隐伏型岩溶裂隙含水系统演化的数值模拟

为揭示隐伏型岩溶含水系统在不同边界条件与介质特征下的发育状况,基于地下水渗流和碳酸盐岩溶蚀理论构建耦合裂隙网络渗流与碳酸盐岩溶蚀的岩溶裂隙网络溶蚀扩展模型,模拟再现了河间隐伏型岩溶含水系统平面上发育演化过程。结果显示:岩溶系统发育过程中流量变化呈现三个阶段:第Ⅰ阶段为缓慢层流阶段,流量增速为2.2×10 -6 mL·(s·a) -1,持续时间与初始水头差呈对数关系;第Ⅱ阶段为极快速紊流阶段,流量增速为5.5×10 2 mL·(s·a) -1,持续时间与初始水头差呈线性关系;第Ⅲ阶段为快速紊流阶段,流量增速为26 mL·(s·a) -1。优势裂隙的存在使得岩溶裂隙网络溶蚀演化加快,非均质系统进入极快速紊流阶段所用时间较均质系统缩短了53%,裂隙溶蚀扩展的速度加快了12.5%。      

初始裂隙对岩溶水紊流形成的影响

岩溶地区地下发育着大量的溶洞和地下河管道,地下水流状态既有层流也有紊流,而紊流是溶洞管道形成的重要条件。紊流的形成受到岩石初始裂隙的影响,初始裂隙的张开度、分布、走向、迹长、密度等因素都影响着裂隙发育过程中水流状态的变化。通过对不同统计特征的初始裂隙网络进行水流和溶蚀的数值模拟发现,以张开度标准差反映的裂隙网络非均匀性越强,模拟紊流出现的时间就越早;主要裂隙的存在使裂隙网络的非均性增强,主要裂隙与水力梯度总方向的角度越小,紊流出现的时间就越早;当裂隙平均迹长过小时会导致裂隙连通性较差,影响裂隙水流和溶蚀作用;裂隙密度,尤其是主要裂隙密度,对岩溶发育的影响较大。相对于次要裂隙,如果主要裂隙密度偏小,紊流形成时间会大大增加,甚至很难形成紊流。当初始裂隙张开度小于0.001 cm,增大水力梯度仍没有紊流发生,岩溶几乎不发育。      

裂隙岩溶含水系统溢流泉演化过程的数值模拟

本文利用非连续裂隙网络介质模型,耦合水动力条件和碳酸盐溶蚀动力条件,建立岩溶含水系统演化的数学模型,并用数值法进行模拟分析。在已建数值模型基础上,构造了两组实例模型(降水入渗补给的裂隙岩溶含水系统和河流补给的裂隙岩溶含水系统)来研究裂隙岩溶系统中溢流泉早期演化过程。模拟发现,裂隙岩溶含水系统演化过程中,裂隙不断被溶蚀拓宽,致使系统中潜水位不断下降,许多小泉被疏干;同时不同裂隙之间存在溶蚀差异,在潜水位及优势通道附近的裂隙溶蚀速度快,而其它位置则相对慢得多,差异溶蚀促使系统形成优势溶管,优势溶管逐渐袭夺水流,形成大泉。另外对比两模型发现,降水入渗为主要补给源的裂隙岩溶含水系统,泉管道从汇向源发育;而河流入渗为主要补给源的裂隙岩溶含水系统,泉管道则由源向汇发育。      

层流—紊流共存流场中岩溶裂隙网络演化过程的数值模拟方法

研究岩溶水系统的演化过程对许多资源与环境问题有着重要意义。岩溶地区水资源、油气资源的预测与开发、水土流失成因及防治等课题都与此密切相关。岩溶管道是地下水对裂隙的逐渐溶蚀扩展形成的,岩溶演化初期,所有裂隙宽度不大,流场整体成层流状态。随着溶蚀的进行,一部分裂隙优先扩大使其中的水流进入紊流状态,而另一部分裂隙中水流仍呈层流状态。文章提出一种数值方法,能够模拟层流-紊流共存流场的岩溶演化过程。利用蒙特卡洛(Monte-Carlo)方法模拟初始裂隙网络,通过非连续介质方法模拟裂隙网络中的渗流。裂隙扩展的速度通过岩石表面溶蚀速度经验公式计算,使用迭代方法求解层流-紊流共存条件下的水头非线性方程。构建了能够利用解析法求解的模型,把数值解和解析解的结果进行对比,验证了本研究的数值法及软件的可行性。      

溶蚀作用下古岩溶盆地系统中介质场演化模拟

为了研究古岩溶盆地在溶蚀作用下碳酸盐岩油气储层介质场的演化规律,基于地下水渗流理论和碳酸盐溶蚀动力理论,用数值模型模拟了均质盆地和非均质盆地2种岩溶盆地含水系统发育过程。岩溶盆地含水系统演化过程中总伴随着裂隙差异溶蚀,不管均质盆地还是非均质盆地,都越来越非均质化,强溶蚀带集中在潜水位及优势裂隙附近,在侵蚀基准面和构造裂隙及层理等大裂隙处会形成高孔隙率、渗透率的良好储层。受介质场非均质化反作用,岩溶高地区潜水位随系统演化不断下降,潜水面处的强烈溶蚀随水位不断下切而使高地区改造成竖直裂隙发育的厚储层;坡地区水平径流活跃,易于形成水平裂隙发育的储层;平原区水位相对稳定,溶蚀作用主要发生大裂隙和侵蚀基准面处,但在大裂隙网内经溶蚀可形成局部高孔隙率储层。对比两子模型发现,在岩溶盆地含水系统中,主导渗流场都要经历由局部流场向二级流场、二级流场向全局流场的转变,前者发生在坡地区内部,后者发生在坡地区与平原区之间;流畅的渗流场转换更有利于介质场发育,受大裂隙网导水作用,非均质盆地比均质盆地更快捷、更顺利地实现主导流场升级,溶蚀作用更强烈,3 ka后非均质盆地比均质盆地的孔隙率增幅大34%。     

雄安新区蓟县系雾迷山组地层水对白云岩溶蚀的模拟实验研究

为了研究雄安新区雾迷山组地层水对白云岩的溶蚀作用,文章以雾迷山组白云岩为研究对象,以井下雾迷山组地层水为实验流体,开展高温高压条件下溶蚀模拟实验。实验结果表明：（1）样品在地层水中的溶蚀速率随温度增加总体呈下降趋势,具有快速下降—缓慢增加—快速下降的特征,在100～140℃范围内明显增加。样品在地层水中的溶蚀速率随压力增加明显增大。反应溶液的Ca2+、Mg2+浓度增加量随温度、压力变化特征与样品溶蚀速率随温度、压力变化特征一致;（2）孔隙、微裂隙欠发育的样品仅在样品表面发生溶蚀,使得样品表面变模糊。孔隙、微裂隙发育的样品,沿粒间、晶间孔隙及各类裂隙溶蚀、扩展,最终呈一定程度连通;（3）埋藏成岩环境下,在100～140℃范围存在一个保持较高溶蚀能力的温度窗口,这可能是研究区雾迷山组白云岩岩溶储层形成的有利温度区间。     

新疆南天山岩溶系统介质结构特征及其水文地质效应

南天山广泛出露碳酸盐岩地层,其岩溶系统功能取决于岩溶介质结构。通过岩溶调查、分析,揭示该区碳酸盐岩地层中普遍分布溶蚀构造裂缝、层间溶蚀裂缝和溶蚀节理缝,其中溶蚀构造缝密度达1～4条/10 m、面隙率达1.15%～5.71％、缝宽10～500 mm,在岩层中呈网脉状,穿层发育,各种岩溶缝隙组合构成了以岩溶裂隙-溶缝为介质特征的岩溶系统。据此分析溶蚀缝隙体系对降水入渗、水流运移储存的意义,阐明该体系在水循环过程中的导储功能及其利用条件。提出采取工程措施,将岩溶山区的地表径流转化为地下渗流,增加降水入渗补给入渗量;同时减少水资源的蒸发损失,加大山区侧渗径流量,增加盆地边缘区的地下水资源,探索缓解山前塔里木盆地边缘地区水资源紧缺、改善盆缘地区生态环境的新途径。     

某电站坝址区岩溶发育特征及岩体透水性研究

某电站位于玉树县西南部的子曲河下游,属澜沧江二级水系,坝址区碳酸盐岩较发育,有良好岩溶发育的物质条件。本文根据野外地质调查及地质勘探资料,论述坝址区岩溶发育形态、规模及空间展布特征,探讨岩溶发育规律。并结合钻孔压水实验,分析坝址岩体的透水性及岩溶发育特征与岩体透水性的相关性。研究结果表明:在岩溶发育特征方面,岩溶发育明显受岩性和地质构造的控制,岩溶发育具有垂向分带性及分布不均匀性的特征;在岩体线溶蚀率与透水率相关性方面,钻孔溶隙发育的孔段,岩体透水率与线溶蚀率相关性较差,岩溶裂隙不发育的孔段,岩体透水率则与线溶蚀率有较好的相关性。     

降雨对裂隙型岩溶含水系统演化影响的数值模拟研究

本文在构建有降雨入渗及河流补给的裂隙型岩溶含水系统的概念模型基础上,采用有限差分数值方法,利用裂隙渗流立方定律及Dreybort（1996）经过实验总结出的碳酸钙溶蚀经验公式,定量地计算了裂隙型岩溶含水系统经过10 000年溶蚀的演化形态及岩溶泉的变化。模拟发现,岩溶含水系统的溶蚀主要发生在降雨入渗面处、河流补给处和岩溶泉的出露点附近。随着溶蚀的进行,岩溶含水系统的潜水位不断下降部分岩溶泉被疏干,通过计算岩溶泉汇流管道的隙宽变化,发现岩溶含水系统会出现明显的差异性溶蚀。在模拟过程中调节降雨量的大小发现降雨入渗对有河流补给的岩溶含水系统的演化影响并不显著。      

Some Investigations on Early Organization of Karst System

Karstsystemsaredynamicsystemsinspontaneoussuc-cessiveevolutionarisenfromtheinteractionbetweenwaterflowandsolub1emedium-Thecircu1ationofwaterprogres-sivelyandcontinuouslymodifiesthestructureofmediumfield,consequentlymodifyingthehydraulicbehaviorofthesystemitself'Someauthors(e.g.,FordandWilliams,l989)believedthatmostcarbonaterockswillbecomeconduitaquifersifsurficialerosionisnegligibleorsufficienttimeisgiven.Karstsystemsfailtodevelopconnectedconduiteitherduetoincompleteextension(becauseinsuffici…     

断层破碎带突水突泥演化特征试验研究

为了研究富水断层破碎带隧道突水突泥灾害演化机制,自行研制了一套可考虑质量迁移及地应力状态的大型室内突水突泥试验系统。利用该装置开展了不同水压加载方式、不同破碎带介质参数等条件的断层破碎带突水突泥灾害演化过程模拟试验。结果表明：（1）断层破碎带突水突泥灾害演化是渗流?侵蚀强耦合过程,在水压作用下,破碎带介质中的细颗粒首先发生迁移,导致充填介质孔隙结构增加,进而加速细颗粒流失,促使涌水率不断增长,随着细颗粒不断迁移流失,水流流态由层流转换为紊流,最终诱发突水突泥灾害;（2）破碎带介质初始孔隙率和施加水压越大越易诱发突水突泥,介质渗流演化特征越明显,渗流场参量如渗透率、孔隙率、雷诺数增加越快,且渗流场参量演化曲线出现突增现象;（3）梯度水压加载模式下断层破碎带介质较恒定水压加载条件下突水突泥演化特征更明显,介质发生突水突泥的临界水压更小。在此基础上,基于涌水率?时间（Q-t）、水力梯度?涌水率（i-Q）关系的流态转换分析和基于渗透率?水力梯度（k-i）关系的渗透性演化特征,建立了断层破碎带渗透演化特征概化模型。该研究结果对于断层破碎带突水突泥灾害演化机制与防治措施具有一定的理论指导价值。     

Dynamics Of Karstification: A Model Applied To Hydraulic Structures In Karst Terranes

To model the development of karst channels from primary fissures in limestone, a computer simulation of solutional widening of a fracture by calcite agressive water is proposed. The parameters defining the problem are the initial width a₀ of the fracture, its length l, and the hydraulic gradient i driving water through it. The dissolution rates limestone determine how fast enlargement of the fractures proceeds. At a calcite concentration, c, far from equilibrium, the dissolution follows a first-order rate law, F⁽¹⁾=α₀(c_eq-c); close to the equilibrium concentration, c_eq, a slow fourth-order rate law F⁽⁴⁾=β₀(c_eq-c)⁴ is valid. The results show that, at the time of initiation, the water flow through the karst channels increases slowly in time until an abrupt increase occurs. After this moment of breakthrough, the channel enlarges rapidly and evenly over its entire length by first-order kinetics. Breakthrough times have been calculated for karstification under natural conditions for low hydraulic gradients as functions of a₀, l, and i. Special attention is given to karstification in the vicinity of hydraulic structures where hydraulic gradients are high (>0.5) and channel lengths are below 200 m. We find that the breakthrough event will occur in less than 100 years, if: (i/l) > (5.3·10^?8a₀ ^?2.63P_CO2 ^?0.77) where l is in m and a₀ is in cm, (i/l) is given in m^-1, and P_CO2[atm] is the CO₂ pressure of the water entering the fracture. After this event, the channels will widen to a width of about 1 cm within only 10 years, which can cause considerable leakage near or through hydraulic structures. Finally, critical values of the parameters i, l, a₀, which give the conditions of failure in various types of hydraulic structures are discussed.     

基于数值法的三维缝洞溶蚀演化主控因素研究

碳酸盐岩储层油气储量丰富,经过长期的地质构造运动形成了复杂的缝洞结构,给油气开采工作带来了一定的难度,针对这一工程问题本文采用自主研发的岩溶演化模拟软件KarstEvolSys为数值模拟工具,研究裂缝密度和降雨补给量对碳酸盐岩岩体溶蚀演化的影响,通过控制嵌入基质体中的裂缝数量和水流补给到系统中的流速来完成模拟。研究发现:当降雨补给量不变时,基质体内嵌入的裂缝条数越多,每一裂缝捕获水流量越少,从而导致裂缝系统开度增加速率减慢,岩体的溶蚀速率变缓;当对同一岩溶系统分别补给不同的降雨量时,由于水流对系统中Ca2+浓度的稀释作用,促进了水岩化学反应,加速了含CO₂的水流对裂缝壁的溶蚀,导致岩体溶蚀速率随着降雨补给量的增加而增加。     

等效水力隙宽和水力梯度对岩体裂隙网络非线性渗流特性的影响

等效水力隙宽和水力梯度是影响岩体裂隙网络渗流特性的重要因素。制作裂隙网络试验模型,建立高精度渗流试验系统;求解纳维-斯托克斯方程,模拟流体在裂隙网络内的流动状态,研究等效水力隙宽和水力梯度对非线性渗流特性的影响。结果表明,当水力梯度较小时,等效渗透系数保持恒定的常数,流体流动属于达西流动区域,流量与压力具有线性关系,可采用立方定律计算流体流动;当水力梯度较大时,等效渗透系数随着水力梯度的增加而急剧减少,流体流动进入强惯性效应流动区域,流量与压力具有强烈的非线性关系,可采用Forchheimer方程计算流体流动。随着等效水力隙宽的增加,区别线性和非线性流动区域的临界水力梯度呈幂函数关系递减。当水力梯度小于临界水力梯度时,控制方程可选立方定律;当水力梯度大于临界水力梯度时,控制方程可选Forchheimer方程,其参数A和B可根据经验公式计算得到。其研究结果可为临界水力梯度的确定及流体流动控制方程的选取提供借鉴意义。     

A numerical model simulating reactive transport and evolution of fracture permeability

A numerical model is presented to describe the evolution of fracture aperture (and related permeability) mediated by the competing chemical processes of pressure solution and free‐face dissolution/precipitation; pressure (dis)solution and precipitation effect net‐reduction in aperture and free‐face dissolution effects net‐increase. These processes are incorporated to examine coupled thermo‐hydro‐mechano‐chemo responses during a flow‐through experiment, and applied to reckon the effect of forced fluid injection within rock fractures at geothermal and petroleum sites. The model accommodates advection‐dominant transport systems by employing the Lagrangian–Eulerian method. This enables changes in aperture and solute concentration within a fracture to be followed with time for arbitrary driving effective stresses, fluid and rock temperatures, and fluid flow rates. This allows a systematic evaluation of evolving linked mechanical and chemical processes. Changes in fracture aperture and solute concentration tracked within a well‐constrained flow‐through test completed on a natural fracture in novaculite (Earth Planet. Sci. Lett. 2006, in press) are compared with the distributed parameter model. These results show relatively good agreement, excepting an enigmatic abrupt reduction in fracture aperture in the early experimental period, suggesting that other mechanisms such as mechanical creep and clogging induced by unanticipated local precipitation need to be quantified and incorporated. The model is applied to examine the evolution in fracture permeability for different inlet conditions, including localized (rather than distributed) injection. Predictions show the evolution of preferential flow paths driven by dissolution, and also define the sense of permeability evolution at field scale. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.