地下水源热泵系统热平衡预测三维数值模拟

为了准确模拟预测地下水源热泵系统运行期间的地下水渗流场与温度场的变化规律,避免未来地下水源热泵系统运行期间出现的冷热贯通现象与堆积问题,科学合理地设计地下水源热泵系统。以江苏南通益兴集团地下水源热泵示范工程为例,建立了地下水渗流与热量运移三维耦合数值模型,并结合地下水源热泵系统的设计运行方案,预测分析了未来地下水源热泵系统的热平衡发展趋势。结果表明,该工程按设计方案运行,整个区域地下水温度逐渐升高,出现热堆积问题。采用春秋季与冬季多加热生活用水增加制热负荷量的方法,可有效缓解热堆积问题。     

基坑工程管井回灌优化设计探讨

目前基坑管井回灌设计及优化尚无专门成熟的方法,通过不同基坑回灌类型的分析,提出了基坑管井回灌设计原则及设计流程,并对回灌参数进行了探讨,对回灌可施加的最大压力进行了分析,通过285组基坑水文地质数值模型的计算,对比分析了不同渗透各向异性系数、回灌井结构、回灌井位置和保护建（构）筑物位置下的渗流特征,提出了回灌设计综合指数,从经济、技术及施工难度角度综合评估回灌对保护建（构）筑物以及对坑内降水的双重作用,指导抽灌一体化设计。     

高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合机制与数值实现

采用渗流力学、断裂力学理论结合Monte Carlo方法描述岩体裂纹的随机分布,研究高水压作用下岩体原生裂纹的变形和翼形裂纹的萌生、扩展、贯通的渗流-断裂耦合作用机制,建立高水压作用下岩体裂纹的渗流-断裂耦合数学模型,给出该数学模型的求解策略与方法,在Fortran95平台下开发高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合分析程序HWFSC.for。高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合体现在岩体裂纹网络和渗流初始条件都随渗流时步变化。对高压注水岩体裂纹扩展过程进行渗流-断裂耦合分析。结果表明,高压注水条件下,岩体裂纹扩展存在起动水压力,当水压力大于起动水压力时,裂纹尖端开始萌生翼形裂纹,随着裂纹水压力的增加,翼形裂纹扩展,进而与其他裂纹搭接贯通,停止扩展。渗流-断裂耦合分析考虑了裂纹动、静水压力对裂纹产生的法向扩张效应及翼形裂纹的扩展而形成新的渗流通道两方面的影响,连通裂纹数随渗流的发展而增加。岩体裂纹的渗流-断裂耦合分析,能较真实地再现岩体裂纹的水力劈裂现象,描述岩体裂纹的扩展、贯通过程及与之相耦合的渗流响应。     

镇泾油田致密砂岩钻井泥浆侵入正、反演计算

钻井泥浆侵入到地层中会影响储层的饱和度和地层电阻率,通过油、水两相渗流模型和混合流体模型正演出泥浆侵入后的地层饱和度和电阻率分布,反演过程对阵列感应采用最优化方法来完成,并对混合流体正演模型和反演模型进行了修正,修正后的模型计算结果更准确。镇泾油田致密砂岩泥浆侵入深度和电阻率的正、反演计算结果表明,泥浆的侵入深度与钻井泥浆滤失量、地层孔隙度和持水率有关,泥浆侵入深度的复杂性与地层孔隙结构的复杂性是一致的。     

基于Fredlund & Xing模型的渗流分析在川东红层梯田滑坡中的应用

四川省巴中市通江县新场镇七家沟村二社水头上滑坡为川东典型红层梯田滑坡,区内类似斜坡覆盖范围广泛,但针对该地区此类滑坡的渗流分析研究较少。在对滑坡区进行大量野外调查、勘查、资料收集的基础上,综合运用卫星遥感、无人机航拍、机载LiDAR、室内试验等技术手段,基于Fredlund&Xing土水特征曲线数学模型,采用Geo-Studio中SEEP/W模块进行渗流分析,将不同时间阶段分析结果与SLOPE/W模块耦合,继而得到稳定系数与降雨、时间之间的动态变化关系,揭示了滑坡的变形过程和形成机理。研究显示：（1）连续降雨促使坡体地下水位升高,稳定性降低,最终导致水头上滑坡整体失稳破坏;（2）滑坡变形过程、地下水出露特征与Geo-Studio计算结果基本吻合,说明基于Fredlund&Xing数值模拟在类似地区能提供较为准确的模拟结果;（3）开垦梯田（水田）会降低坡体稳定性。研究结果可为四川山区类似滑坡灾害进行隐患排查和主动防范提供理论支撑,为防灾减灾提供参考依据。     

不同水力荷载路径下煤体微观渗流特征及宏观破坏研究

为探究煤体在不同水力荷载路径下的微观渗流特征,通过CT三维重建技术,建立了基于煤体微观结构的双介质渗流模型,并设计了恒定速度加载（LP1）、常规脉动加载（LP2）和强加载缓卸载加载（LP3）3种水力荷载路径,进行了在不同循环荷载路径下的煤体注水渗流数值模拟试验。另外利用自行搭建的煤体注水装置,探究了3种荷载路径下的宏观损伤情况。结果表明：联通裂隙占孔裂隙结构的73.49%,是影响煤体渗流的主要因素,而孔径为9～23μm的孔隙是孤立孔隙中的主要部分,数量和体积占比均超过了50%;煤体内部孔裂隙结构和荷载路径对渗流速度和压力的分布特征具有重要影响。LP1沿注入方向平均渗流速度的波动较大,LP3则抑制效果明显,且LP3路径较LP1和LP2随时间有较大跨度。LP3的荷载路径相对于LP1具有脉动荷载的疲劳损伤效果,并且造成的损伤程度强于LP2。该研究可为煤体微观结构研究和煤层注水技术参数优化提供方向。     

考虑潜水面的基坑二维稳态渗流场解析解

对考虑潜水面悬挂式止水帷幕支护下的基坑二维稳态渗流场进行了解析研究,并给出一种求解潜水面的解析方法。根据对称性取基坑半截面,并根据边界的连续条件将其分为3个规则区域,使用分离变量法分别将3个区域的水头分布表示为级数解的形式,结合区域之间的连续性条件及级数正交条件得到各区域渗流场的显式解,根据潜水面所满足的总水头等于位置水头的条件确定潜水面。将解析解方法计算结果与室内试验、有限元分析结果进行比对分析,结果验证了解析解的正确性,解析方法相较于有限元数值方法具有更高效的计算效率。对潜水面位置进行参数分析,发现止水帷幕插入深度、基坑宽度及深度对潜水面位置有不可忽视的影响。随着过水断面厚度的增加,潜水面位置逐渐降低,不考虑极端状态的情况下可认为帷幕底部至不透水层顶面的距离与潜水面在止水帷幕上的位置呈线性关系;随着基坑尺寸的增加,潜水面位置呈下降趋势,基坑内侧半宽度对潜水面的影响明显小于帷幕底部至不透水层顶面的距离,且随着基坑内侧半宽度的增加影响越来越小;潜水面位置随着基坑深度的增大而降低,基坑深度对潜水面位置的影响相对较大。     

循环剪切作用下三维粗糙裂隙非线性渗流特性数值模拟研究

研究了循环剪切过程中剪切位移和循环次数对三维粗糙裂隙非线性水力特性的影响。首先,基于天然粗糙裂隙面的高程数据生成三维裂隙面,并通过前人的研究结果确定循环剪切过程中的法向位移变化值,建立了16个开度空间模型,从而得到了不同剪切位移和循环次数下接触面积和开度分布情况,发现当循环次数一定时,随着剪切位移的增加,原本吻合的上下表面发生错动,平均开度和各向异性增大,接触面积减小;剪切位移一定时,随着循环次数的增加,上下表面起伏在剪应力作用下被磨平,接触面积增大,平均开度减小。将模型导入数值模拟软件进行计算得到流量数据,结果表明,水力梯度随流量变化规律符合Forchheimer定律。循环1次时,随着剪切位移从4 mm增加到10 mm,线性Fochheimer系数减小了88.3%,非线性Fochheimer系数减小了95.2%;循环2次时,随着剪切位移从4 mm增加到10 mm,线性Fochheimer系数减小了95.4%,非线性Fochheimer系数减小了99.7%,两系数减小的幅度随循环次数增大而增大。进一步分析发现,剪切位移的增加对裂隙渗透性有促进作用,循环次数增加对渗透性起抑制作用。此外,...     

考虑渗流的饱和粉土地层盾构开挖面稳定分析

土压平衡盾构在穿越高水位钱塘江粉土地层时,地下水与密封舱之间的高水压差会产生过大的指向开挖面的渗透力。钱塘江粉土黏聚力低,开挖面自立性差,且土体模量小,过大的渗透力会使土体产生更大的变形,导致开挖面失稳。数值模拟中合理选取土的本构关系与模型参数,对计算结果的可靠性十分重要。为了研究渗流条件下开挖面稳定性问题,基于室内试验,对钱塘江粉土的摩尔-库仑本构模型和摩尔-库仑应变软化本构模型参数进行研究。研究发现,钱塘江粉土的剪应变是轴向应变的1.5倍;根据三轴卸荷试验得到应变软化内摩擦角和剪应变的关系,当剪应变为4.7%时内摩擦角达到峰值为25°,剪应变为7.4%时内摩擦角达到残余值为21°,剪应变在4.7%～7.4%之间时,内摩擦角线性减小。采用有限差分软件建立39组三维分析模型,通过与离心机试验的极限支护压力和地表沉降对比发现,相同水位情况下,摩尔-库仑应变软化本构模型计算的极限支护压力与离心机试验的最小误差为3.1%,最大地表沉降的误差为5.67%。证明了在钱塘江粉土地层中使用摩尔-库仑应变软化本构模型的可行性及模型参数的可靠性。     

岩土基坑开挖过程中的周围土体渗流-应力耦合模型

传统渗流-应力耦合模型仅考虑土体的各向同性特征,忽略了工程中应力与渗流的非线性影响,导致计算结果与实际情况偏差较大,由此,设计一种岩土基坑开挖过程中的周围土体渗流-应力耦合模型。搭建测试装置,利用瞬态试验法测定岩土基坑周围土体渗透率,分析岩土基坑周围土体基质块微观结构,得到土体变形方程并求解;从宏观角度分析土体应力,得到应力边界的面力结构,构建土体渗流-应力耦合模型。根据实际情况设定工程边界条件,选择某建筑工程中岩土基坑作为分析实例,测试结果表明,该模型计算结果与实际情况的误差低于0.2 m,可以为岩土基坑开挖提供参考。