松散承压含水层渗透系数变化规律与估算模型研究

我国华北隐伏型煤田的煤系普遍被第四系松散层覆盖,其中的松散承压含水层在煤矿生产中常带来矿井突水、地表沉降、井筒变形破坏等水文地质灾害,造成巨大经济损失和人员伤亡。渗透系数是反映松散承压含水层土体介质渗透能力的重要参数,其数值的合理估算,对该类煤矿水文地质灾害的防治具有重要指导意义。目前,华北隐伏型煤田松散承压含水层渗透系数往往仅通过现场抽水试验确定,基于地质勘探钻孔信息与数据估算松散承压含水层渗透系数的模型研究较少。通过收集淮北煤田祁东煤矿松散承压含水层已有抽水试验的钻孔信息与数据,选取承压含水层厚度、泥层砂层比、最厚砂层占比、有效应力与底砾层厚比作为影响指标,分别与渗透系数进行相关性分析。最终确定底砾层厚比、有效应力、泥层砂层比为关键影响指标,并分析其对渗透系数的影响规律。结果表明,松散承压含水层渗透系数随底砾层厚比的增加而增大,随有效应力和泥层砂层比的增加而减小。在此基础上,采用多元线性回归分析,提出了基于底砾层厚比、有效应力、泥层砂层比的渗透系数估算模型。并将该估算模型应用于淮北煤田祁南、朱仙庄、青东煤矿松散承压含水层的渗透系数估算,结果显示估算结果与试验值一致。      

武汉长江Ⅰ级阶地含水层水文地质参数研究及工程应用

武汉地区长江Ⅰ级阶地含水层在水流等沉积动力的分选作用和上覆土层压力的固结作用下,其渗透系数必然存在各向异性。因此,基于含水层渗透系数的各向同性和以单井稳定流抽水试验得到的含水层水文地质参数所完成的基坑降水设计亦必然与工程实际存在差异。通过现场分层抽水试验、群井抽水试验,结合三维数值模拟反演计算,得出了武汉长江Ⅰ级阶地各含水层水文地质参数的基本规律和特性,即：各含水层渗透系数自上而下逐渐增加且表现为各向异性,其水平渗透系数大于垂直渗透系数,其比值介于1.6～2.6之间。工程实例表明,采用各向异性的水文地质参数和三维渗流分析进行的超深基坑降水设计,结果更接近于实际,且有利于降低工程造价和基坑周边环境损伤,亦有利于节约宝贵的地下水资源。     

上海深部硬土渗透特性试验研究

上海深部硬土层的沉降显著滞后于水位变化, 本文通过一系列渗透试验进行了相关问题的研究, 包括初始水力坡度, 结核对渗透性的影响, 压力对渗透性的作用, 以及孔隙比与渗透系数之间规律的研究。结果表明硬土的渗透速率与水力坡度之间符合良好的线性关系, 满足达西定律; 大量的致密结核对渗透性影响微弱; 应力增加导致渗透性降低, 渗透系数与孔隙比呈指数规律变化。基于试验成果评价了1989～2007年天然硬土的渗透性变化, 此期间硬土层边界水位下降了近30m, 硬土层的沉降造成了该层渗透性的降低, 但土层的平均渗透系数改变不大。     

泄滩滑坡碎块石土饱和与非饱和水力学参数的现场试验研究

碎块石土由于块石含量较高,块石粒径较大,其水力学参数的确定具有一定困难。首先,采用双套环法对三峡库区泄滩滑坡的滑体碎块石土饱和渗透系数进行了原位试验,并根据土层孔隙率、颗粒级配等因素采用相关经验公式对试验结果进行了分析。其次,结合使用张力计和体积含水率仪对其土水特征曲线进行了现场模拟试验,并采用Fredlund模型对试验结果进行了拟合分析。最后,根据土水特征曲线和饱和渗透系数,采用经验公式估算了其非饱和渗透系数。试验及分析表明,该滑坡的碎块石土层的饱和渗透系数为(1.78～3.2)×10-2 cm/s,为强渗透性;材料的细颗粒含量越少,有效粒径及控制粒径越大,不均匀系数越小,相应的渗透系数越大。相关研究成果可以为泄滩滑坡非饱和非稳定渗透计算提供参数依据,并对同类型土体非饱和水力学参数的确定具有一定的借鉴意义。     

兰州黄河阶地卵砾石层渗透系数测试研究

采用多孔抽水、钻孔注水和单环注水试验测得兰州黄河Ⅰ级阶地卵砾石层渗透系数分别为34.19m/d、32.68m/d和26.50m/d。颗粒分析成果表明,研究区卵砾石层孔隙体系形式为卵砾类骨架形成架空大孔隙,含量较少的中细砂小颗粒难以完全充填架空大孔隙,仅起到减少大孔隙通道的作用,其渗透系数大于中细砂但小于一般意义上不含或仅含极少量中细砂的卵砾石层。对比分析可知,基于特征粒径、不均匀系数的半经验渗透系数预测值具有很大的离散性和变异性,与实测值有较大差异,作为工程建设设计参数时应通过多种方法验证其准确性。依据水文地质测试成果,结合相关资料工程经验值及地区经验,推荐研究区降水方案设计含水层渗透系数取34.19m/d。     

常州地区地面沉降及地层压缩性研究

系统分析了常州地区地下水开采动态和地面沉降发生发展历史,概述了研究区地面沉降的框架,在此基础上,系统研究了常州市分层标从1984年至2002年的分层沉降资料。根据常州地区地下水含水层系统及土层特性,将研究区松散土层垂向划分为四个不同层次,分别研究了它们的压缩变形历时特性及其与累计地下水开采量的关系,研究了各自的应变特性。由于土层结构及物理力学性质的不同、地下水开采层次及强度的差异、土层不同应力历史的影响等诸多因素的综合效应,导致了地面沉降及分层压缩特性的显著差别。常州地区的主要压缩层为第II承压含水层的顶板弱透水层,与含水层距离近的土层变形量及应变量均较大,其次是第II承压含水层本身及其与第III承压含水层之间的弱透水层。地面沉降及地层压缩与地下水开采之间的滞后效应在常州地区表现得并不明显,这一点至少在月或年的时间尺度上是正确的。     

地下水位变化模式下含水砂层变形特征及上海地面沉降特征分析

土体变形特征与其经历的应力状态有关。由于抽灌水位置和水量的变化,同一土层中不同时期的地下水位可以呈现不同的变化模式,土层表现出不同的变形特征。论文根据上海1400多个水位孔近40a的水位观测资料和各土层的变形资料,从土层变形角度将地下水位的变化方式划分为5种模式。分析了每种地下水位变化模式下土层的变形特征,并进一步分析了上海地面沉降在时间和空间上的特征。分析结果表明:地下水位的变化模式对上海土层的变形有显著影响。同一土层在不同的水位变化模式下可表现为弹性、弹塑性或粘弹塑性的变形特征;地面沉降与地下水开采量、地下水开采层次与主要沉降层具有密切的关系,开采地下水是上海地面沉降的主要原因;与现阶段含水层的水位变化模式相联系,第四承压含水层是上海最近几年来地面沉降的主要沉降层。     

上海地面沉降和土层变形机理

在总结分析以往大量野外观测资料和室内试验资料的基础上,本文论述了上海地面沉降机理和土层的变形规律。文中通过对各土层单位变形量的分析,将各土层的变形量根据含水层的水位变幅予以规格化,并运用“胀缩比”的概念,以此判断上海各土层的残余变形特征。一、上海复盖层的地质概况上海第四纪沉积物一般厚达300米。按水文、工程地质特征可划分为五个承压含水层和13个工程地质层(图1)。     

确定渗透系数的地下水位计试验法

以摆纪磷石膏堆场为例,应用空压机对磷石膏含水层进行提水试验,采用地下水位计方法求解磷石膏渗透系数。实例研究表明,结果与室内试验一致,且该方法求解简单、速度快、精度高,既适用于潜水含水层渗透系数的求解,又可推广到承压含水层渗透系数的求解,有着较好的实际应用价值。     

水力层析法与克立金法估算非均质含水层渗透系数场比较

含水层非均质性空间分布特征的识别,是准确模拟地下水流和污染物运移的前提.基于室内非均质含水层砂箱实验,分别利用水力层析法和克立金插值法刻画了非均质含水层渗透系数场.研究结果表明:(1) 水力层析法与克立金法相比,不仅可以更好地刻画非均质含水层渗透系数场,还可以更高精度地预测地下水流过程;(2) 水力层析抽水实验中,通过增加抽水实验组数可以有效地提高水力层析参数反演的精度,但是抽水实验组数增加到一定程度以后,再增加抽水组数不会显著提升参数反演的效果.后续需要进一步研究水力层析抽水实验合适的组数,进一步对抽水井进行优化布设.      

常州地区土的塑性指数与渗透系数的经验关系研究

粉土、粘性土的渗透系数受土的结构构造、矿物成分、颗粒级配等因素影响,而这些影响因素可在土性指标(尤其是塑性指数IP)上得到集中体现。基于常州地区土的室内渗透系数K与塑性指数IP试验数据,初步建立了粘性土、粉土渗透系数K与塑性指数IP间的地区经验关系,对常州地区土的渗透系数的确定具有参考意义。     

颗粒破碎对煤矸石渗透性能的影响

采用标准试验方法求得筑坝用煤矸石的最大干密度和相应的最优含水量。试验结果表明,击实作用使煤矸石的粗大颗粒发生破碎,导致其粒度组成改变,颗粒级配进一步趋于良好,有利于碾压密实。当粗粒质量分数大于60%时,煤矸石的破碎程度明显提高。当粗粒质量分数小于40%时,煤矸石的工程特性主要由细颗粒的性质决定。煤矸石的渗透系数和孔隙比之间存在指数关系。随细颗粒含量的增加,煤矸石的渗透性将显著降低。     

基于粗糙集理论与遗传规划的地表下沉系数预测研究

利用粗糙集理论处理大数据量.消除冗余信息等方面的优势,计算出下沉系数各影响因素的属性重要性,约简了遗传规划训练样本集,建立了基于粗糙集和遗传规划的地表下沉系数预测模型。并与BP神经网络法预测结果进行了对比,结果表明,本模型具有精度高,收敛速度快等特点,将其应用到地表下沉系数预测中是可行的。     

砂性土渗流的分形特征研究

针对砂性土颗粒结构的复杂性和不规则性,从颗粒级配和达西定律出发,基于分形几何理论,通过颗粒分析和渗透试验,建立了砂性土颗粒级配分形维数与不均匀系数的关系,从而揭示了级配分形维数的物理意义;通过线性回归,进一步探讨了级配分形维数与渗透系数之间的相关关系。研究发现:级配越好,不均匀系数越大,分维越小,渗透系数也越小。结果表明,级配分形维数是刻画砂性土的颗粒组成及其级配特征的有效参数,直观定量地描述了土的渗透性能,从而为多孔介质以及断层破碎带等裂隙介质的渗透性研究提供了一种较好的研究思路。      

颗粒级配与孔隙比对粗粒土渗透系数的影响

颗粒级配、孔隙比是决定粗粒土渗透系数的关键因素。收集并整理得到93组粗粒土全级配（d10~d100）、孔隙比数据,采用遗传算法(genetic algorithm,GA)优化的BP(back propagation)神经网络分析和预测粗粒土渗透系数,通过平均影响值法和试验验证,评价各级配粒径对渗透系数的影响大小,探讨孔隙比对粗粒土渗透系数的影响。结果表明:d50为界限粒径,在其他粒径不变,若增大d50及以下粒径,渗透系数就增大,而增大d50以上粒径,渗透系数减小;d50及以下粒径的“细颗粒”对渗透系数的影响大于d50以上粒径的“粗颗粒”;按相对权重,d20、d80、d40属于高敏感度粒径,d10、d50、d100、d70为中敏感度粒径,d30、d90、d60为低敏感度粒径。孔隙比对渗透系数的影响大于任一特征粒径,渗透系数与孔隙比呈正相关关系;相同颗粒级配的粗粒土,随孔隙比变化可使渗透系数产生数量级跨越。采用GA-BP神经网络方法,由全级配和孔隙比能较好地预测粗粒土渗透系数。     

孔喉半径对松辽盆地南部青一段特低-超低渗透储层质量的控制作用

针对青山口组一段特低-超低渗储层开发时,仍然存在储层认识程度低的问题.其中,明确特低-超低渗储层物性、含油性及流动性的主控因素是亟待解决的重要问题.利用常规压汞、核磁共振、孔渗测定、粒度分析和X衍射等实验方法,对松辽盆地南部青山口组一段特低-超低渗储层特征参数进行定量表征.结果表明:松辽盆地南部青山口组一段特低-超低渗透储层平均孔喉半径主要分布于0.3~1.7 μm之间.大于1.5 μm的孔喉半径对应常规低渗透储层,以细粒长石岩屑砂岩为主;0.5~1.5 μm孔喉半径对应特低渗透储层,以极细粒长石岩屑砂岩和粗粉砂岩为主,可动流体饱和度大于65%;0.1~0.5 μm孔喉半径对应超低渗透储层,以粗-细粉砂岩为主,可动流体饱和度介于50%~60%.孔喉半径决定了储层物性和流体饱和度特征,并在宏观上受控于沉积相带,应作为特低-超低渗储层评价的重要参数.      

Grain size, composition, porosity and permeability contrasts within cross-bedded sandstones in Tertiary fluvial deposits, central Spain

Permeability measured with a portable probe permeameter on outcrops of cross-bedded sandstones ranges between 0·9 and 19 D. The highest permeability (2–19 D with an average of 8·5 D) occurs in the coarsest grained foreset laminae (CFL), intermediate values (2–12 D with an average of 5·3 D) occur in finer grained foreset laminae (FFL) and the lowest values (0·9–10 D with an average of 4·8 D) occur in bottomset layers (BL). In the cross-beds the average grain size ranges from medium grained sand in the CFL to fine grained sand in the FFL and BL. In all three subfacies, the average size of the primary pores is approximately 1φ unit smaller than the average grain size. The abundance of unstable carbonate clasts correlates with increasing average grain size, micritic clasts being most abundant in the CFL. Conversely, quartz content increases with decreasing grain size and is highest in the FFL and BL. Diagenetic destruction of primary porosity by compaction and cementation, as well as generation of secondary porosity through dissolution, were controlled by the original mineralogical composition of the sand. Contrasts in grain size determine the primary pore size contrasts and differences in composition between CFL, FFL and BL. Permeability contrasts reflect variations in average primary pore size rather than differences in total porosity. Probe permeability contrasts between CFL, FFL and BL depend on contrasts in average pore size and contrasts in mineralogical composition between the subfacies.     

加载历程对配径碎煤渗透特性影响的试验研究

为了证实加载历程对破碎煤样渗透特性的影响,利用一套由齿轮泵、换向阀、溢流阀和渗透仪等组成的渗透回路,在CMT5305型电子万能试验机试验系统上测试了配径碎煤在两种不同试验方案下的渗透特性,得到了两种方案配径碎煤的渗流速度、渗透率、非Darcy流? 因子与孔隙度的关系。研究表明：①第1种试验方案的渗流速度和渗透率与孔隙度的关系用幂函数拟合,第2种试验方案的渗流速度和渗透率与孔隙度的关系可用指数函数拟合。②孔隙度较大时,渗透率和非Darcy流? 因子与加载历程有关;孔隙度较小时,渗透率和非Darcy流? 因子趋于稳定,与加载历程无关。③随着孔隙度的减小,方案1非Darcy流? 因子由负变正,配径碎煤的渗透性加强;方案2非Darcy流? 因子始终为负值,配径碎煤的渗透性减弱。④两种方案的非Darcy流? 因子与孔隙度均可采用三次多项式拟合,多项式的系数与加载历程有关。     

南海北部白云深水区高变地温梯度砂岩渗透率定量预测

地温梯度如何影响砂岩成岩演化和储层物性变化是地学界的热点问题. 以具有高变地温梯度特征的白云深水区为例,通过分析大量不同地温梯度地区的样品,以地温梯度0.1~0.2 ℃/100 m为递进间隔,对比分析了不同地温梯度区间内不同粒度砂岩储层渗透率随埋藏深度变化的趋势,建立了砂岩渗透率的定量地质预测模型,展示了砂岩渗透率与地温梯度之间的内在联系. 结果表明,一定埋深范围内,随地温梯度升高,渗透率每下降一个数量级,砂岩埋深下限差异呈台阶式减少;相同地温梯度区间内,高成分成熟度、低塑性岩屑含量的含砾砂岩、粗粒砂岩、中粒砂岩和细粒砂岩的渗透率下降程度不同,相邻粒径砂岩等效渗透率埋深下限差异相近,随地温梯度增加,相邻粒径砂岩等效渗透率下限埋深差异呈规律性减小;低渗与特低渗砂岩储层的地层深度段随地温梯度升高而明显变小,粗粒砂岩特低渗储层的埋深下限可作为白云深水区常规油气勘探的极限深度. 研究成果对于揭示地温梯度对砂岩成岩演化作用的影响及物性演变效应具有重要的意义,对油气勘探有积极的指导作用.