含水层采能区热渗耦合三维数值模型研究

以西安市某水源热泵系统为例,建立三维热渗耦合数值模型,对研究区渗流场和温度场的演化进行模拟研究。结果表明:水源热泵系统运行初期,抽灌井水位变化明显,1. 5 h后趋于稳定;随着热泵系统的运行,在水动力的驱动下,回灌井冷热锋面逐渐到达抽水井,发生热贯通后抽水井温度变化显著;含水层渗透系数越大,温度锋面的移动速度越快;抽灌井连线上渗透速度最大,温度变化最明显,随着热泵系统的运行,温度场的影响范围逐渐增大。     

水源热泵抽灌井布局及其运行过程中地下温度变化

本文以某水源热泵空调系统为例,建立了抽灌场地及周边地下水动力场与温度场的耦合数学模型,运用数值法求得系统运行过程中地下水的温度变化,分析了场地"热短路"效应和不同含水层中温度场的影响范围,以定量化的手段科学评价了场地抽灌井的布局及其可行性。分析结果表明,由于抽灌井之间的"热短路"程度较轻,场地的抽灌井布局可保证系统的高效运行。     

应用水热运移数值模拟优化地下水源热泵系统抽灌井布局

合理布局抽水井和回灌井是地下水源热泵系统长期有效运行的关键因素。以郑州市郑东新区为例,利用HST3D软件建立水热运移数值模型,优化设计地下水源热泵系统抽灌水井布局,预测地下水源热泵系统长期运行后对含水层的水热影响。结果表明:介质比热容及渗透率分别对含水层温度及水位影响显著,是较敏感的参数。方案3(3个回灌井垂直天然流向分布且位于抽水井下游)为最佳布井方式。抽灌量900,1 200,1 500及2 000m3/d所对应的合理布井间距分别为50,65,70及75m。相应布井方案的水源热泵系统运行20a,对含水层温度场的影响仅限于200m×200m的范围,抽水井温度变化小于1℃。     

水源热泵应用的细节技术探讨——以北京地区为例

鉴于水源热泵系统中存在一些技术问题未被人们所认识或未引起足够的重视,本文详细阐述了抽灌平衡时地下水动力场及温度场的影响范围估算、抽灌井轮换、水资源保护与热泵效率的关系、抽灌群井布置方式、区域地下水流场对抽灌井布局的影响、浅层地热能储量消耗与热泵的关系、起始运行期选择等七个关于热泵应用的细节技术,为应用水源热泵系统的用户和有关部门提供科学参考,以扬长避短,充分发挥水源热泵系统环保节能的优点。     

热屏障井对地下水源热泵换热影响模拟

对于场地受限的地下水源热泵项目,随着系统运行时间的增加易引发热贯通现象进而降低机组运行效率。地下水源热泵设计中,在抽灌水井连线间布设热屏障井可改变地下水流场,降低热量在抽灌井间的运移速度,有利于延长热贯通发生时间并缓解热贯通程度。通过构建地下水换热模型,模拟计算夏季制冷工况条件下36组热泵运行场景,分析了热屏障井的位置,过滤管长度及回灌量对热贯通和含水层温度场的影响规律。结果表明:热屏障井回灌量的增加有利于提升热屏障效果,但提升幅度随回灌量的增加逐渐减弱;最大水位降深值随着热屏障井回灌量的增加呈线性增长;增加热屏障井滤管长度可提升热屏障效果,提升效果随屏障井回灌量的增加逐渐增强。通过模型多周期、长时间模拟计算发现,热屏障井的运行可促使回灌的冷热量集中在回灌井一侧,对于采用冬夏季抽灌井交换运行模式的热泵系统,可充分利用含水层储能,提升机组运行效率。     

热泵耦合含水层储能技术应用研究

本文结合实际工程项目,对对井抽灌模式的热泵耦合地下含水层反季节储能效果进行研究。结果表明对井采灌热泵耦合储能系统能够实现冬灌夏用和夏灌冬用的反季节储能作用,能充分利用浅层地能资源,节约了常规能源。在冷热负荷不平衡的情况下,若系统长期运行可造成采井或者灌井周围一定区域内温度场的降低或者升高,因此在利用对井储能水源热泵空调系统时,要尽量使系统在冷热负荷均衡的工况下运行,以保护地下生态平衡。     

地下水源热泵系统和太阳能辅助热源系统的地温场数值模拟研究

地下水源热泵系统的地温场数值模拟研究对浅层地热能开发利用项目具有重要意义。通过TOUGH2建立地下水源热泵系统的水-热耦合模型,模拟了研究区多年地温场变化趋势以及抽灌井温度变化。结果表明地下水源热泵系统运行10年后部分组团出现大量冷堆积现象,影响供暖温度。依据本结果,结合场地条件,针对冷堆积现象采用太阳能辅助热源系统进行系统强化设计,并模拟研究强化后的地温场多年变化趋势,结果表明太阳能辅助热源系统可以有效提高供暖温度。     

COMSOL平台在城市地下多种资源相互影响分析中的应用

针对系统动力学方法在地下资源相互影响问题分析中存在的不足,引入了多孔介质多场耦合理论,以地下水源热泵形式浅层地热能资源开发的假想模型为例,运用COMSOL平台建立了温度场-渗流场-应力场耦合的数值模型,对比了地下水源热泵运行前后和对调抽/回灌井前后区域地下渗流场、地温场和应力场的变化情况。结果表明：地下水源热泵运行前后抽水井和回灌井周边的渗流场发生了显著改变,10 a之后抽水井的水温由初始的约21℃下降至约17℃,并呈现出继续下降的趋势,区域地面沉降量达2 m左右;对调抽/回灌井后,抽水井温度的下降幅度由之前的4.0℃变为不到0.5℃。COMSOL平台在地下多种资源相互影响分析及其优化利用方面展示出良好的应用潜力。     

地下水源热泵抽灌井优化布置及参数灵敏度

为了确定地下水源热泵的最佳布井方式,探明含水层温度场变化特征以及水文地质参数灵敏性,以石家庄地下水源热泵适宜区肖家营—东兆通为研究区,基于热储层的地热地质条件和热物性参数,利用FEFLOW软件构建了三维水-热耦合数值模拟模型。在2 000 m³/d的抽灌量下对不同井间距、不同布井模式-含水层温度场变化进行模拟,探讨发生热突破的可能性,并探讨温度场关于热导率、渗透系数、孔隙率等参数的灵敏度。研究结果表明：1)在单抽双灌模式下,方案C(两眼回灌井连线与地下水流向垂直,一眼回灌井位于抽水井正下游,另一眼回灌井位于沿地下水流向45°方向,即两回灌井与抽水井组成等腰直角三角形,抽水井正下游的回灌井为直角顶点)的布井方案对含水层温度场影响最小,为最优方案;2)单抽双灌模式下,抽灌量为2 000 m³/d时,方案C抽灌井间距设置在40～50 m较为合理;3)抽灌过程中,温度场对于渗透系数的改变灵敏度较高,而对孔隙率以及热导率的改变灵敏度较低。     

场地地下水源热泵系统抽灌实验及数值模拟研究

基于野外实际地下水源热泵系统和长时间抽灌实验,构建场地水文地质概念模型和水热耦合模型,进行场地地下水温度场数值模拟研究。利用场地群井观测数据对所建模型进行验证,诸观测孔各时段的绝对误差均值为0.38℃,平均相对误差率为2.00%,表明模型模拟结果良好。模型经验证后,预测不同抽灌模式下温度场分布,发现季节性交替抽灌结果优于正常抽灌,但均产生热贯通现象,说明现状抽灌井距(30 m)偏小。设计不同抽灌井距情况模拟回灌井对抽水井的影响,得到研究场地合理井距为50 m。进一步研究渗透系数、热弥散度、抽灌水量和回灌水温差对合理井距的影响,发现抽灌水量和回灌水温差的影响最大。     

载体桩在陕南粉质黏土地区的适用性研究

以陕南粉质黏土地区某住宅楼施工现场为试验场地,开展了灌注桩和载体桩复合地基的现场静载试验,结合经验法理论计算,从承载力和建设成本两个方面,对比分析了两种地基基础方案的优劣。结果显示:灌注桩和载体桩复合地基荷载-沉降曲线均为缓变型,两种方案均能提供较高的抗压承载力;当载体桩桩长超过10 m,且作为复合地基增强体时,经验法计算过程未考虑桩端阻力的扩大头效益,计算结果明显低于现场试验结果;在相同桩身用料投入条件下,载体桩复合地基较灌注桩能够提供更高承载力。在陕南的类似粉质黏土地区,建议优先考虑选用载体桩复合地基方案。     

延长油田水平井钻井关键技术研究

水平井钻井技术对延长油田低渗透油藏的勘探开发具有重要意义。从钻井设计出发,提出了三维轨迹、负位移、三增剖面等剖面优化设计以及二开的井身结构设计;针对水平井地质导向的技术难点,形成了相应的技术对策;为解决原KPAM钻井液体系抑制性较差的问题,通过室内实验确定了阳离子乳液聚合物钻井液体系配方。这些关键技术有效性的保证了延长油田水平井钻井安全平稳运行。     

黄土层中深基坑预应力锚索试验研究

在深基坑预应力锚索现场试验基础上,通过实测数据分析,提出在特定黄土地层中,当锚索锚固段长度设置合理时,其锚固段极限黏结强度标准值可高于现行规范推荐值。从试验锚索的不同荷载位移曲线,显现出预应力锚索在黄土地层中和其他黏性土地层中基本一致的受荷服役工况和荷载传递变化情况,试验曲线直观清晰地反映了每级张拉荷载下锚索的工作状态,并通过试验数据得到了相关拟合式。最后从试验数据反算锚索刚度并与现行规范推荐计算公式进行比较,得到一些有益结论。研究成果可以为黄土地区深基坑预应力锚索的设计、施工等提供参考。     

双排抗滑桩的受力特性研究——以柳家坡2号滑坡治理工程为例

岚皋县柳家坡2号滑坡的推力和规模较大,单排桩或者一般的支挡结构已经无法满足抗滑力的要求。而双排抗滑桩在满足抗滑力的同时,更具有刚度大、稳定性高等特点。为了研究岚皋县柳家坡2号滑坡在治理过程中双排抗滑桩各排桩分担的滑坡推力的大小,通过对前后两排桩进行单独受力分析,推导出桩身变形推力的计算公式;通过对双排桩治理后的滑坡进行二维模拟,对滑坡的稳定性、应力与应变以及双排桩的弯矩与剪力进行深入的探究分析。研究表明,抗滑桩在滑面处及锚固段中部受到的剪力最大,且后排桩相较前排桩所承受的滑坡推力更大,这为抗滑桩的设计计算提供了参考意义。     

高层建筑CFG桩复合地基变形研究

采用三本不同规范推荐的方法对西安地区某一高层建筑CFG桩复合地基变形进行了计算,并通过对计算值与实测值的对比分析,探讨了不同计算方法的适用性和沉降计算经验系数的合理取值,提出了该地区高层建筑采用CFG桩复合地基的适宜性,建议了适用于前期设计阶段的变形计算方法。     

渗流作用下北京砂卵石地层多排管局部水平冻结体温度场试验

为研究渗流作用下多排管局部水平冻结体温度场扩展规律,基于相似准则,设计北京砂卵石地层冻结模型试验,从迎水面长度、顺水流长度、厚度3个维度研究渗流作用下多排管局部水平冻结体温度场扩展规律。研究表明:(1)水平冻结体中部发展速度最快,且温度最低;下部次之;上部最慢,且温度最高;(2)渗流作用使冻土柱由背水面向迎水面朝上游方向逐步交圈,且上、下游温度场不对称,冻结后期背水面呈坡屋顶形。(3)渗流作用对水平冻结体的影响随着渗流速度的增大而逐渐增大,积极冻结期末列冻土柱冻结锋面扩展速度、水平冻结体朝上游方向的平均发展速度均与渗流速度呈平方、负相关关系,渗流速度超过14.1 m/d时,冻土柱不交圈,为该模型试验的极限流速。基于等效梯形算法理论,给出的渗流作用下多排管局部水平冻结体的平均温度计算式,以便于评估水平冻结体发展状态。研究成果可为大流速地层盆形冻结施工提供依据。     

基于粒子群算法优化小波支持向量机的岩土力学参数反演

常用的确定岩土力学参数的方法有原位测试和室内试验两种,但都存在一定的局限性,参数选择的合理与否,对设计计算及数值模拟分析结果的有效性影响很大。支持向量机法在理论基础和求解算法方面都具有明显优势,为确保岩土力学参数取值的合理性,采用支持向量机法对岩土力学参数进行反演。先通过小波分析理论构造出支持向量机的核函数,再用粒子群算法(PSO)分别优化Morlet小波、Mexico小波和RBF函数的支持向量机模型参数,通过小波支持向量机模型建立反演参数与沉降值间的非线性映射关系。根据正交试验和均匀试验对需反演的岩土力学参数进行设计,结合有限元软件进行计算分析,得到学习样本和测试样本。分别采用Morlet小波、Mexico小波和RBF函数得出的预测结果和原始数据进行对比分析,发现采用Morlet小波核函数预测效果更佳。使用Morlet小波核函数预测的参数输入到Midas模型中计算建筑物最终沉降量,比较计算值与实际监测值,其相对误差不超过8.1%。研究结果表明,该方法在岩土工程参数的反演中具有良好的应用价值,对今后岩土力学参数的确定及校核提供了一种新方法。     

3种模式下钻孔灌注桩桩-土剪切特性现场试验研究

不同的桩-土剪切模式对桩-土剪切位移量的大小和桩侧摩阻力的发挥有重要影响。对抗压桩、顶拔桩和负摩擦桩等3种模式的6根钻孔灌注桩的剪切特性进行了现场加载试验与长期监测。通过对不同桩型的桩身应变、桩顶位移和桩周土沉降等试验资料的系统分析,建立了"侧阻-位移"曲线确定各模式桩-土剪切位移量和不同深度的极限侧阻力。根据不同桩-土剪切模式极限侧阻力的发挥特征,分析了桩-土相对运动方向、剪切边界约束条件、剪切位移量、加载速率和剪切历时等5个因素对极限侧阻力发挥的不同影响。讨论了利用现场顶拔桩试验结果对桩负摩阻力增大段的极限负摩阻力进行预测的可行性,供同行参考借鉴。     

神府煤田张家峁煤矿烧变岩与水库水力联系研究

为了张家峁煤矿5-2煤工作面安全回采和常家沟水库水资源保护,根据水文地质调查结果,采用水位流量响应法确定了水库水是陈家塔沟泉水的来源;按照水库、烧变岩、泉点的地质关系分析了水库补给泉水的通道,认为4-2煤烧变岩与水库存在水力联系,为开采煤层上覆烧变岩帷幕截流工程提供了重要的依据。烧变岩帷幕截流工程及相应水文地质工作证明了研究成果。