试论承压地下水弹性释放学说及其局限性

本文分三节: (一)、可压缩流体弹性释放学说的历史概念; (二)、关于把弹性释放学说用之于承压含水层; (三)、水和岩层的弹性释放能力计算否定了弹性释放量是井水的主要来源。通过对历史过程的回顾,对矛盾现象的分析以及实例计算,表明如下的初步认识:把可压缩液体弹性释放理论简单的用来解释承压地下水的运动机理是不适宜的;依据该理论建立的井流泰斯公式,只有十分有限的适用性,尤其不能轻率的用来整理抽水试验资料推求给水度等水文地质参数。     

应用电网络模拟抽水试验求水文地质参数

(一) 模拟承压含水层抽水试验的基本原理 应用电网络模拟抽水试验反求水文地质参数,与解析解一样是针对轴对称(井)问题,以二维流偏微分方程的极座标形式为基础,然后依据该方程与电流方程的相似性进行模拟试验。 1.基本方程的变换和差分方程 如图(1) 设ρ=1gγ,则承压含水层二维渗流偏     

岩土体水力学非线性问题

非线性问题是岩土体水力学研究的主要内容之一。将岩土体水力学非线性问题按非线性性质划分为以下7类:(1)渗流区域非线性问题(具有自由面的无压渗流);(2) 本构关系非线性问题(非达西渗流);(3) 渗透参数非线性问题(非饱和渗流);(4) 流态非线性问题(多相体渗流);(5) 介质非线性问题(多重介质渗流);(6) 相互作用非线性问题(渗流与溶质运移、温度、应力等耦合问题);(7) 多重非线性问题(上述两种或两种以上非线性问题的组合)。对这7类非线性问题的背景、特点、数学性质、解法、应用等方面进行系统的分析与归纳总结。可以看出,对非线性问题的继续深入研究必将推动岩土体水力学的进一步发展。     

岩土体渗流自由面问题的重心插值无网格方法

岩土体的渗透破坏、地下工程的防渗设计等无不与渗流计算有关。针对渗流自由面问题,提出一种重心拉格朗日插值的配点型无网格方法。由于渗流自由面问题的求解区域是不规则区域,该方法通过将不规则求解区域嵌入一个正则矩形区域,在正则区域上采用重心拉格朗日插值近似未知函数,利用配点法离散渗流问题的控制方程,将重心拉格朗日插值的微分矩阵离散成代数方程表达的矩阵形式。将自由面上的边界条件通过重心拉格朗日插值离散,通过置换方程法和附加方程法施加边界条件,利用正则区域上的重心插值配点法,通过迭代确定最终自由面的位置。数值算例表明所提出的无网格方法对于求解渗流自由面问题的正确性和高精度。     

三维流问题的里兹有限元解在矿山疏干中的应用

矿山疏干过程中地下水位将大幅度地下降,部份地段还会由承压流转变为无压流。有时水位下降的幅度甚至可以达到数百米,远远超过了含水层的厚度。因此,这类问题需用三维流模型来模拟。 等参数法是研究三维渗流问题的一种有效方法。Pinder和Frlnd于1972年首先把迦辽金等参数有限     

用流固耦合方法研究油藏压裂后应力应变和孔渗特性变化

油藏压裂后将引起地应力场发生变化，使岩石变形，导致孔隙度和渗透率变化，进而影响产量，为研究这一问题，作者建立了油藏压裂后流－固耦合渗流模型，考虑了以下因素：油藏岩石变形，地应力，孔隙度和渗透率变化，人工裂缝，流体渗流与岩石应变耦合，储藏渗流与裂缝渗流耦合，非达西效应等。较详细地给出了耦合方程及推导过程，控制方程包括的未知变量有压力，饱和度及位移，11个变量，和11个方程，用有限差分方法将流体渗流和岩石应变方程离散成主对角占优的七对角矩阵，可在修改已有三维二相渗流和三维固体力学程序的基础上，采用隐式迭代方法求解，示例分析表明，用此模型可以研究储层应力变变，孔隙度和渗透率随时间和空间变化规律，为开发方案制定，整体压裂设计，压后生产管理等方面提供定量分析技术。     

渗流的PFC-CFD耦合细观数值模拟

本文针对饱和多孔介质中渗流特点,在分析渗流连续介质力学模型的基础上,采用描述多孔介质中固相颗粒和液相流体耦合的细观力学模型,其中固相颗粒采用离散元的颗粒流理论(PFC)模拟,液相流体通过求解平均Navier-Stokes方程的计算流体动力学(CFD)技术计算,并利用建议的模型对二维渗流问题进行了模拟验证。数值模拟结果表明,采用PFC-CFD耦合细观力学模型能够描述从低雷诺流到高雷诺流范围很大的流体运动,可以用于多孔介质中的渗流问题分析。     

考虑Hansbo渗流的饱和黏土一维弹黏塑性固结分析

为进一步深入探讨饱和黏土的固结机制,引入考虑时间效应的统一硬化(UH)本构模型描述饱和黏土变形的弹黏塑性,以及Hansbo渗流方程描述固结过程中的非Darcy渗流,修正了饱和黏土一维固结方程,并利用有限差分法进行了求解。通过与文献中一维流变固结试验结果和理论计算结果的对比,验证了所提计算方法和UH模型的适用性。然后探讨了Hansbo渗流参数及UH模型参数对流变固结过程的影响。计算结果表明:土体的黏滞效应是引起流变固结初期地基不排水面附近出现孔压升高现象的主要原因,而渗流的非Darcy特性增强了这一效应,同时土体的这两个特性还延缓了固结中后期饱和黏土地基中孔压的整体消散和地基的沉降。另外,随着回弹指数和超固结参数的增大,或渗透指数的减小,上述流变固结特性更加明显。但是Hansbo渗流参数和渗透指数对地基最终沉降量均无影响。     

热液流体泵吸上侵管流动力学模拟及其预测意义

地球流体相在各种地质过程中的行为和作用 ,是地球物质科学的核心课题。通过对山西义兴寨脉状金矿热液流体上侵动力学的模拟计算证明 ,构造泵吸驱动的矿液流动具有有压管流的性质 ,并探索引入柏努利方程对其流动状态进行描述。论证了地质流体因其性质和所处地质环境的不同 ,可划分为多孔介质中的渗流和较宽阔裂隙中的管流 (流动 )两种。赋存于地壳中深部或由岩浆冷却分异形成的成矿流体 ,在张剪性断裂活动中 ,主要由构造泵吸机制驱使其上侵成矿。热液在相对封闭 (未喷出地表 )的较宽阔的断裂系统中受应力驱动上侵流动 ,其性质接近于流体力学中的有压管流 ,可以用柏努利方程进行描述。推导出了描述热液管流上侵动力学特征的柏努利方程关系式 ,表明热液的流速与所处构造压力差、流体的性质 (温度和密度等 ) ,以及流动通道的结构特征有关。对义兴寨脉状金矿进行的计算结果证明 ,热液上侵流速场的空间变化与金矿化分布格局相吻合 ,流体的高流速地段指示含矿石英脉密集区 ,因此具有成矿预测意义。针对热液管流上侵过程建立的动力学总方程中 ,每一个变量都有明确的地质意义 ,并可以在矿区实际测量 ;绘制的几组理论关系曲线有助于具体分析各种地质和地球化学条件对成矿的控制作用。     

岩土力学中的几类非线性问题

博士学位论文摘要： 研究了岩土力学中的一些经典非线性问题，其中，第2，3章分别是针对界面问题和无压渗流问题，属于几何非线性问题；而第4 ～ 6章则是关于弹塑性和弹脆塑性方面的问题，属于材料非线性问题。 第2章导出了界面问题的混合有限元法，就岩土力学中的一些特殊的技术性难题，如大面积、非光滑接触问题、刚体自由度问题以及病态问题等给出了相应的解决方案。对混合型提法在数学上的适定性也进行了详细的讨论。 第3章研究了无渗流问题，亦即有自由面的渗流问题。经典的无压渗流问题要求自由面上每一点的压力和流量分布都为零，但…     

有自由面渗流分析的三维数值流形方法

提出了求解有自由面渗流问题的三维数值流形方法,通过构造任意形状流形单元的水头函数,推导了流形单元的渗透矩阵和无压渗流分析的总体控制方程,并给出了自由面的迭代求解策略和渗透体积力的计算方法。典型算例的数值分析表明,该方法采用数学网格覆盖整个材料区域,在自由面的迭代求解过程中数学网格保持不变,只考虑自由面以下渗流区的介质,只对自由面以下的流形单元形成总体渗透矩阵,具有精度高、收敛速度快、编程简单等优点,而且能够通过单纯形积分精确计算被自由面穿越单元的渗透作用力,因此,特别适用于有自由面渗流问题的模拟。     

试论“刚性”承压含水层及其渗流计算

通过实际观察及理论分析,笔者认为在客观上存在着大量的可被看作“刚性”的承压含水层,这种含水层中的水量来源主要是外区补给而不是弹性释放。“刚性”承压含水层具有自己的具体的渗流方程,这些方程可以用来进行相应的渗流计算,本文举例介绍了这些公式的应用。通过推证,文中指出了“刚性”承压含水层中水头压力传播的瞬时性,并概括为“刚     

孔隙-裂隙含水层地下水向水井流动特性的研究

本文讨论了孔隙-裂隙含水层地下水向水井流动特性。假定条件是孔隙、裂隙发育均匀、岩石骨架刚性等。通过1960年巴连勃拉特建立的孔隙-裂隙双重介质模型,分别对孔隙、裂隙导出了普遍适用的承压含水层地下水渗流基本微分方程。 与裂隙中水的渗流速度相比,孔隙中水的渗流速度很小,可以忽略,并借助达西定律、状态方程等辅助方程,对无越流、无限含水层轴对称问题,用拉普拉斯变换方     

非饱和土二维固结简化计算的研究

针对较高饱和度的非饱和土二维固结问题展开研究。对于较高饱和度的非饱和土,如饱和度 时,将孔隙中气、水近似地看作可压缩的气、水混合流体后,非饱和土近似为土骨架和混合流体的二相土。考虑混合流体的压缩性,建立混合流体的连续方程。联立平衡方程和混合流体的连续方程,求出应力-应变和混合流体压力;再建立水连续方程求解水压力,继而求出气压力、吸力等。算例表明：加载和消散过程中,混合流体与水压力变化基本一致,气压的作用并不大;地基变形过程与高速公路填筑过程中地基变形发生规律一致。说明该简化方法是合理的,并促进了非饱和土固结变形计算走向实用化。     

求解热质输运-反应体系动力学模型的指数拟合有限体积法及模拟软件

热质输运-反应体系对于热液成矿、污染物迁移等均十分重要．该体系包括热质输运、流体渗流、地球化学平衡计算、多组分化学反应－输运过程耦会等动力学过程．介绍了求解热质输运－反应动力学方程的指数拟合有限体积方法,并编制了相应的计算机软件．     

开采地下水地面沉降三维数值模拟分析

根据汉口新业大厦水文地质与工程地质条件,建立开采地下水非稳定流定解问题三维数学模型,利用现有承压含水层非稳定流定解问题数值方案求解,重点讨论了源汇项的具体数学表达式。又简介根据达西定律和水均衡原理,建立了三维有限差分数值方程及其解法。根据土的有效应力原理和压密原理推导出了抽水沉降非线性压密方程,并研制了相应的三维有限元和有限差分计算程序。最后,对该环境岩土工程问题进行了分析和评价,计算结果与实测结果符合较好。     

非饱和土一维固结混合流体方法的解析分析

对采用混合可压缩流体方法分析非饱和土一维固结问题的固结方程进行了求解,在得到的解析解的基础上,对影响非饱和土一维固结的因素进行了分析。分析结果表明,在采用混合流体方法计算非饱和土一维固结的孔隙水压力时,所用公式与计算饱和土一维固结的太沙基理论公式基本相同,不同之处在于引入Bishop有效应力系数来体现孔隙气对孔隙水的影响。而在非饱和土孔隙气压的计算公式中除了体现孔隙水对孔隙气的影响参数以外,还有体现孔隙气体的可压缩性对固结影响的参数。在所有影响因素中,影响非饱和土一维固结最重要的因素是孔隙流体的渗流路径。     

考虑非Darcy渗流时循环荷载下饱和黏土一维固结分析

考虑到土体处于超固结状态下的压缩性一般要比正常固结状态下的低,引入描述非Darcy渗流的Hansbo方程,修正了Terzaghi饱和黏土一维固结方程,并将其推广到低频循环荷载作用的情况。采用有限体积法对该方程进行了求解,并讨论了非Darcy渗流参数、循环荷载周期以及超固结状态下土体压缩性对固结进程的影响。计算结果表明,在矩形波载作用下,按孔压定义和按变形定义的固结度都随时间增长而震荡增加,且按孔压定义的固结度的震荡幅度明显大于按变形定义的固结度。另外,非Darcy渗流减缓了地基的沉降速率,且循环荷载周期越短,或超固结状态下压缩性越高,地基的沉降速率就越慢。     

地下水向水平井三维流动的有限层分析

基于地下水向水平井三维流动数学模型,利用半解析数值分析原理推导了层状各向异性承压含水层有限层方程,给出了水平井源汇项计算公式,编制了相应的计算程序,实现了有限层方程的求解。通过算例的解析解和有限差分解验证了有限层法及程序的正确性,对比分析了有限层法与有限差法的计算效率。结果表明,有限层法适于层状各向异性承压含水层中地下水向水平井三维流动问题的模拟分析,且具有较高的计算效率。     

基于非牛顿指数渗流和分数阶Merchant模型的一维流变固结分析

为进一步深入分析饱和黏性土的一维流变固结机制,引入Koeller定义的弹壶元件修正Merchant模型,并以此描述土骨架的黏弹性变形行为;同时引入非牛顿指数渗流模型描述流变固结中的非达西渗流,推导出一个新的饱和黏性土一维流变固结方程,并用隐式有限差分法进行数值求解。通过与有关文献中退化模型结果的对比,验证了有限差分算法的有效性。在此基础上,分析非达西渗流模型参数以及分数阶Merchant流变模型参数对流变固结过程的影响。计算结果表明:分数导数阶数和黏滞系数对地基沉降的影响比对孔压消散的影响更为明显,且分数导数阶数越小或黏滞系数越大,地基沉降需要的时间越长。同时,比起达西渗流,非牛顿指数渗流会延缓地基中的孔压消散,使得沉降发展变慢。另外,考虑流变效应时地基沉降要慢于孔压的消散。