堆石坝非达西渗流场分析

坝体的渗流计算常采用近似的线性渗流计算方法,然而对于堆石结构而言,在高水力梯度的作用下,由于流体惯性力与紊流的影响,水力梯度与渗流流速之间偏离了线性的达西定律,堆石体中不同孔隙介质的交界面错综复杂更增加了渗流场形态的复杂性。此时,使用非达西渗流的计算方法,可以提高渗流计算的精度,更加客观地描述渗流场中的渗流行为。基于伽辽金加权余量法推演了Forchheimer方程的非线性有限单元法公式,应用该方法对堆石坝渗流场问题进行了数值模拟计算,并给出了工程实例。研究表明,用该方法可以很好地研究渗流场中的非达西渗流现象。对比达西渗流计算与非达西渗流计算结果之间的差异,得出了非达西渗流计算的意义。对堆石坝结构而言,非达西渗流计算的结构显示渗流场的局部区域可能出现高水力坡降区域扩散的现象。此外,水力坡降峰值对比达西渗流计算结果有所增大,这说明真实渗流场的水力坡降峰值有可能超出材料的临界水力坡降允许值,从而引起坝体的渗透破坏。     

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。     

陷落柱渗流突水机理及强度主控因素模拟

为了研究陷落柱影响区域内巷道渗流突水机制及其主控因素,采用Darcy、Brinkman、N-S方程对含水层、陷落柱、突水巷道内流场进行联动系统刻画,选取不同参数、不同边界等变量,分析影响陷落柱渗流突水强度的主要因素。结果表明:定压、定流量条件下,含水层渗透率增大会引起含水层和陷落柱交界处区域流速增大,但定流量条件下增幅较小,且会降低巷道突水流速;陷落柱渗透率的增大对突水压力和突水流速作用显著,定压条件下,随着陷落柱渗透率的增大,巷道突水流速骤增;含水层压力增高,陷落柱区域和巷道区域流速明显增大;在定流量边界下,随着陷落柱渗透率的增大,巷道突水流速仅发生微小波动;将研究结论与现有相关成果进行了对比验证分析,获得了与本文较一致的研究规律。总体分析,陷落柱影响区域巷道突水机理是含水层水压高、足量补水、陷落柱破碎区域渗透率较大且联通了含水层和巷道;其中,含水层压力、陷落柱渗透率是陷落柱渗流突水强度的主控因素。      

西部典型矿区风积沙含水层突水溃沙的起动条件与运移特征

突水溃沙是西部矿井地质灾害的主要类型之一,为研究突水溃沙灾害的临界判据与水沙运移特征,以榆横矿区含水层风积沙为例,采用自主研发的水沙两相高速渗流试验设备,对4种不同粒径范围的风积沙进行了沙粒起动试验和溃沙试验,对混合风积沙进行了水沙两相高速渗流试验。得到了影响突水溃沙的2个临界速度条件：第一临界速度即沙粒起动速度,为0.38～1.26 mm/s;第二临界速度即溃沙临界速度,为2.48～3.54 mm/s。试验结果表明：体积膨胀是沙粒群起动的必要条件,突水溃沙灾害是起动的风积沙由量变逐步积累到质变的物理过程,分为3个阶段：（1）水携沙流动,（2）水沙混合流动,（3）沙携水流动。沙粒起动是水动能转变为沙动能的过程,溃沙时水沙混合流体运动表现为颗粒群浓度波传播的特征,沙粒间通过碰撞的形式传递能量。溃沙速率随初始水力梯度的增大呈指数增长,单位时间内溃沙量随水力梯度的增大而呈线性增加。     

毛细饱和带横向渗流数值模拟

自主编写计算机程序构建了分别基于达西定律和非线性渗流规律的渗流数值模拟技术,并开展了稳定毛细条件下多孔介质中的横向渗流实验,揭示了多孔介质毛细饱和带中渗流流场的分布特征及其变化规律:1在渗透性良好的多孔介质毛细饱和带中的渗流,当补排水水位差增大时,总水势等势线在各区域均增大,分布得更为密集;压力势水平向梯度在各区域亦均增大;压力势垂向梯度在上升流动区增大,在下降流动区减小,在中部近水平流动区变化不大;毛细饱和带厚度在上升流动区减小,在下降流动区增大,在中部近水平流动区变化很小,且仍近似等于水静止时的毛细饱和带厚度。2在低渗透性多孔介质毛细饱和带中的低速渗流,在整个渗流区域,按达西定律推算的相同总水势值的等势线比按非线性渗流规律推算的更靠近排泄区;在水势梯度较小的区域,按达西定律计算出的总水势等势线分布比按非线性渗流规律推算的更稀疏;反之,在水势梯度较大的区域,按达西定律计算出的总水势等势线分布比按非线性渗流规律推算的更稠密;结果表明,以非线性渗透规律为基础的数学模型对低渗透多孔介质毛细饱和带中低速渗流规律的刻画更为准确。     

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。     

煤矿过沟开采突水溃砂临界水力坡度计算及应用

为了研究浅埋煤矿综采工作面在过沟开采过程中发生突水溃砂灾害的临界条件,在松散含水层液化流动的临界水力坡度推算基础上,利用承压含水层单井非稳定流抽水模型导出了实际水力坡度求解公式,提出了突水溃砂灾害发生的临界判据。并利用临界水力坡度、实际水力坡度的计算方法及突水溃砂的判定方法对哈拉沟煤矿22404工作面过沟开采突水溃砂风险性进行了预测,结果表明:该工作面的实际水力坡度为3.595,实际水头高度大于12.64 m,均小于其临界水力坡度和临界水头高度,工作面具有突水溃砂的风险。根据计算结果,对该工作面上覆松散富水层在井下进行了预疏放水和注浆固砂处理,有效预防了突水溃砂灾害的发生,保障了工作面的生产安全。     

不同围压下破碎花岗岩非线性渗流特性试验研究

随着我国高坝枢纽工程和高水头抽水蓄能电站的大规模兴建,高坝岩基和高压引水系统围岩将承受极高的渗透水压和水力坡降,不仅导致岩体渗流产生强烈的非线性,而且导致岩体发生渗漏、突透水和渗透破坏的风险急剧增大。采用Triaxial Cell三轴试验系统,开展不同围压(1~30 MPa)下阳江破碎花岗岩的非线性渗流试验,研究高水力梯度条件下破碎花岗岩的非线性渗流特性及其表征方法。试验结果表明,随着水力梯度的逐步增大,破碎花岗岩中的水力梯度与渗流流量呈非线性特征;在围压加载过程中破碎花岗岩的非线性渗流特征逐渐减弱。结合花岗岩的破碎形态和渗透率量级,提出了破碎花岗岩非线性渗流3种可能的成因机制即惯性效应、渗透失稳和固液界面效应。在该基础上分别采用二次函数型Forchheimer公式和幂函数型Izbash公式对试验结果进行拟合,结果表明二者均能很好地表征破碎花岗岩的非线性渗流行为。Forchheimer公式非线性系数既能够表征渗流的惯性效应,又能表征渗透失稳机制,其在量值上随着围压的增大呈现正负交替现象,与围压加载过程中破碎花岗岩裂纹的闭合和扩展密切相关;Izbash公式非线性系数则既能够表征渗流的惯性效应,又能表征低渗介质非线性渗流的固液界面效应,其在量值上与围压存在相关性很好的幂函数关系。研究成果对于深化高渗压、大水力梯度条件下断层破碎带和挤压带非线性渗流规律研究具有重要意义。     

不同侧压力系数下裂隙网络岩体非线性渗流特性

基于人工裂隙网络模型,展开一系列不同边界荷载作用下含不同交叉点个数的裂隙网络渗流试验。针对所有试验工况,模型进水口水压力范围均为0～0.6 MPa,侧压力系数均由1.0增加至5.0。试验结果表明：裂隙网络体积流速和水力梯度之间的相关性可以通过Forchheimer函数进行拟合,拟合方程中线性和非线性项系数均随着侧压力系数的增加逐渐增大,而随着裂隙网络交叉点个数的增加逐渐减小;渗流试验过程中,非线性效应系数E和水力梯度J之间的相关性可采用一个幂指数函数进行描述,随着水力梯度的增加,非线性效应系数逐渐增大;随着侧压力系数的增加,裂隙网络临界水力梯度呈现逐渐增大的趋势,对于所有裂隙网络交叉点个数（1～12）,当侧压力系数由1.0增加至5.0,临界水力梯度由0.63～12.13增加至6.01～81.55;提出数学模型 对归一化导水系数 随水力梯度的增大而减小的特征进行分析,随着侧压力系数的增加,两者之间的拟合曲线逐渐上移,拟合系数 整体呈现逐渐增大的趋势。裂隙网络的等效渗透系数随侧压力系数的增加逐渐降低。     

承压含水层中非完整井附近“非达西-达西”两区渗流模型近似解析解

抽水井附近由于流速过快往往发生非达西流,而远离抽水井随着流速下降又变为达西流.为了描述这些特征,建立了承压含水层中非完整井附近“非达西-达西”两区渗流模型,即距离抽水井较近的区域由于流速较快假设发生非达西渗流,并利用Izbash公式刻画,而距离抽水井较远由于流速较慢假设仍然满足达西定律,含水层中垂向流速较小也利用达西定律描述.通过线性化近似方法结合Laplace变换和有限Fourier余弦变换对模型进行了求解,分析探讨了该两区模型下水位降深曲线特征.结果表明:抽水初期,非达西渗流区域水位降深与全非达西渗流模型结果吻合,而抽水后期两区模型非达西渗流区域的水位降深与全达西模型水位降深基本一致,但大于全非达西渗流模型的水位降深;抽水初期,两区模型中达西渗流区域的水位降深比全达西渗流模型结果大,但比全非达西渗流模型结果小;对不同时间的水位降深随井距变化曲线分析发现非达西渗流区域水位降深随Izbash公式中的幂指数n增大而减小,而在达西渗流区域水位降深基本不受n值的影响.研究成果对非完整井抽水试验参数反演具有重要理论意义.      

Experimental study on the velocity-dependent dispersion of the solute transport in different porous media

The hydrodynamic dispersion is an important factor influencing the reactive solute transport in the porous media, and many previous studies assumed that it linearly varied with the average velocity of the groundwater flow. Actually, such linear relationship has been challenged by more and more experimental observations, even in homogeneous media. In this study, we aim to investigate the relationship between hydrodynamics dispersion and the flow velocity in different types of porous media through a laboratory-controlled experiment. The results indicate that (1) the dispersion coefficient should not be a linear function of the flow velocity when the relationship between the flow velocity and the hydraulic gradient can be described by Darcy’s law satisfactorily; (2) Power function works well in describing the dispersion coefficient changing with the flow velocity for different types of porous media, and the power value is between 1.0-2.0 for different particle sizes.     

Experimental study on the velocity-dependent dispersion of the solute transport in different porous media

The hydrodynamic dispersion is an important factor influencing the reactive solute transport in the porous media, and many previous studies assumed that it linearly varied with the average velocity of the groundwater flow. Actually, such linear relationship has been challenged by more and more experimental observations, even in homogeneous media. In this study, we aim to investigate the relationship between hydrodynamics dispersion and the flow velocity in different types of porous media through a laboratory-controlled experiment. The results indicate that(1) the dispersion coefficient should not be a linear function of the flow velocity when the relationship between the flow velocity and the hydraulic gradient can be described by Darcy's law satisfactorily;(2) Power function works well in describing the dispersion coefficient changing with the flow velocity for different types of porous media, and the power value is between 1.0-2.0 for different particle sizes.     

A pore-scale numerical model for non-Darcy fluid flow through rough-walled fractures

This paper aims at developing a pore-scale numerical model for non-Darcy fluid flow through rough-walled fractures. A simple general relationship between the local hydraulic conductivity and the flow velocity is proposed. A new governing equation for non-Darcy fluid flow through rough-walled fractures is then derived by introducing this relationship into the Reynolds equation. Based on the non-linear finite element method, a self-developed code is used to simulate the non-Darcy fluid flow through fractures. It is found that the macroscopic results obtained by the numerical simulation agree well with the experimental results. Furthermore, some interesting experimental observations can be reproduced.     

地下水位变化对透—阻型岩溶塌陷影响的分析

文章从一维地下水运动和渗透力学的角度,分析比较潜水位上升与承压水位下降对岩溶地区透—阻型盖层中阻水层渗透稳定性的影响,重点讨论了承压水位下降速度(降速)与下降深度（降深）对阻水层中渗透坡降的影响,结果表明:地下水位变化（潜水位上升或承压水位下降）产生的非稳定渗流不利于岩溶洞穴开口上方阻水层的稳定,承压水位的下降对岩溶开口附近处阻水层中渗透力的影响远大于潜水位的变化;在承压层水位最大降深确定的条件下,承压水位下降速度愈快,岩溶开口附近处阻水层中向下渗透力愈大。因此,在覆盖型岩溶地区抽取地下水时,为了减缓或避免覆盖型塌陷的发生,应同时控制好最大降深和最大开采速度。      

破碎砂岩渗透特性与孔隙率关系的试验研究

利用一种专利装置与MTS815.02型岩石力学试验系统,进行了破碎砂岩的稳态渗透试验,得到了不同孔隙率下破碎砂岩的渗透率和非Darcy流 因子。通过线性回归得到了渗透率、非Darcy流 因子与孔隙率之间的关系。认为破碎岩石的渗透特性主要是由孔隙率决定的,孔隙率不仅与当前的应力有关,更取决于加载历史。研究表明,水在破碎砂岩中的渗流一般不服从Darcy定律,而服从Forchheimer关系,特别是在小孔隙率下,非Darcy性更为突出;渗透率、非Darcy流 因子与孔隙率之间的关系可用幂函数拟合。     

软土地层浅埋圆形隧道非达西渗流场解析研究

软土在低水力坡降下的渗流会偏离达西定律,即为非达西渗流模式。假设孔隙水渗透服从指数渗流模式,采用镜像法原理推导了浅埋单孔和双孔圆形隧道非达西渗流场的解析解。结合算例,对浅埋圆形隧道非达西渗流解析解与达西渗流解析解进行了对比分析与验证,并对非达西渗流指数、隧道周围土体与衬砌渗流系数比值对隧道渗流场的影响进行了讨论。结果表明：非达西渗流指数、渗流系数比值对隧道渗流量和周围土体孔压均有较大的影响;随着渗流指数逐渐增大,土体内水头损失加快,隧道周围土体孔压及渗流量逐渐减小;随着土体与衬砌渗流系数比值逐渐增大,衬砌排水能力增强,隧道渗流量逐渐增大,隧道周围土体孔压减小更大。     

Research advances in non-Darcy flow in low permeability media

More and more experimental results show that Darcy’s law is not fully applicable in low permeability media,and non-Darcy flow has been identified.In this paper we reviewed the research of non-Darcy flow experiments in low-permeability media in recent decades,discuss the existence of non-Darcy flow,and summarize its constitutive equations.The reasons for the threshold gradient were also discussed and summarized for the criterion of the critical point of non-Darcy flow.On this basis,the future development of non-Darcy flow experiments in the rock and clay media were discussed,in order to provide a certain reference for subsequent research on seepage laws in low permeability media.     

悬浮颗粒的浓度对其在饱和多孔介质中迁移和沉积特性的影响

多孔介质中悬浮颗粒迁移和沉积特性的研究对地下污染物净化、石油开采、核废料处置、水土保持等有很重要的意义。对4种不同浓度的悬浮颗粒在3种不同的渗流速度下进行室内试验,研究悬浮颗粒的浓度对其迁移和沉积特性的影响。结果表明,在一定的悬浮颗粒浓度下,随着渗流速度的增加,穿透曲线中的悬浮颗粒的相对浓度也增大。同时,渗流速度一定时,悬浮颗粒的浓度存在一个临界值,小于该临界值,穿透曲线中的相对浓度随悬浮颗粒的浓度增大而增大;大于该临界值时,相对浓度随悬浮颗粒的浓度增大而减小。另外,悬浮颗粒的临界浓度是与渗流速度相关的,随着渗流速度增加,悬浮颗粒的临界浓度也逐渐增大