关于计算渗流力学问题

渗流力学能够较好地解决油、气、水田开发工程中提出的复杂而困难的力学问题,是与引用和研究新的数值方法分不开的。早在50年代初,G.H.Bruce,D.W.Peaceman,H.H.Rachford,Jr。就用有限差分方法在计算机上(IBM卡片程序计算机)求得了理想气体非线性非定常渗流的数值解。1959年,J.Douglas,D.W.Peaceman,H.H.Rachford,Jr。研究了水、油二相多维渗流非线性微分方程组的数值计算方法。1966年,Zienkiewicz把有限元方法用于二维定常渗流计算。1968年,Javendal,Witherspoon进一步用有限元方法解非定常渗流问题。渗流力学发展到现代,可以毫不夸张的说,离开了数值模拟将很难有新的突破和重大进展。由于计算渗流力学内容很丰富,限于水平,我们只就几个方面的较有代表性的问题作些不完全的综述。      

平面稳态渗流的随机有限元分析程序

岩体渗流模型中存在着许多不确定的因素，将渗透参数的随机性引入渗流有限元分析计算中会使分析结果更客观、更明确。文章首先基于小参数摄动随机有限元方法，推导出相应的渗流场随机分析中响应量(水头与水力梯度)的随机响应公式，进一步得到流速以及流量的随机响应公式。由于渗流问题与平面弹性问题模型具有较大的相似性，文章在平面弹性问题的...     

考虑渗流效应的深埋海底隧道围岩与衬砌结构应力场研究

深埋海底隧道经常处于高水压工况,地下水渗流对隧道围岩及衬砌结构安全性有较大影响.本文提出了一种含衬砌深埋海底隧道力学模型,研究了海底隧道服役阶段地下水渗流对围岩及衬砌结构稳定性的影响机理.应用保角映射方法将包含海水与围岩弹性区的半无限域映射成圆环域,根据渗流边界条件建立了各界面间极坐标下的渗流方程,得到了海底隧道渗流场解析解.将渗流场以体积力形式作用到应力场中,根据应力边界条件建立了应力平衡方程,基于考虑中间主应力影响的Drucker-Prager （D-P）准则,得到了渗流效应影响下围岩与衬砌结构的弹塑性解析解.以深圳妈湾跨海通道工程为例,将解析解与有限元数值解进行了对比,验证了本文理论解的准确性,研究了渗流效应对隧道围岩与衬砌结构应力场的影响规律.最后,分析了海水深度与内水水头对塑性区半径的影响.研究结果表明:渗流效应对围岩与衬砌结构中的环向应力影响显著,径向应力随ρ增大呈非线性增长;随着海水加深,隧道承受水压不断加大,围岩塑性区范围显著增大;增加内水水头可以有效限制围岩塑性区发展,初始阶段限制效果明显,后续增加内水水头限制效果逐渐减弱.     

西安市黑河水库左坝肩渗漏三维数值模拟及坝肩坡体稳定性分析

直接针对西安市黑河水库左坝肩渗漏这一重大工程实际问题展开研究与计算。应用三维有限差分方法对左坝肩单薄山梁的初始渗流场、蓄水后的渗流场进行了数值模拟 ,分析渗漏方式、计算相应的渗漏量 ,并通过计算说明了断层是集中渗漏通道。而后利用三维数值计算提供的水位值 ,应用极限平衡分析法 ,对左坝肩岩质斜坡稳定性进行计算与分析 ,计算结果对实际工程的决策与治理提供重要的依据。     

多重介质中弹性渗流的数值模拟

本文用数值模拟系统地研究了多重介质弹性径向渗流问题。为了反映井底附近压力分布的特点,按等比级数划分网格。用跳蛙式算法解3(n 1)个隐式差分方程组。计算结果是可信的,因为:压力的面积平均值与相应的解析解符合得很好,最大误差不超过3％;当井工作时间较短时,多重介质井底压力计算值与均质无限地层解析解符合得相当好;当时间较长时,多重介质计算压力进入拟定常状态。用CJ-709机计算绘制了29幅各种情况的压力分布和流量变化图。计算结果还给出“在定产的条件下,有限封闭圆形地层中各点的压力,经过相同的时间同时到达拟定常状态”这一有意义的结论。     

三峡库区大石板滑坡区排水系统效果评估

结合三峡库区大石板滑坡工程实例 ,以连续 36天的降雨过程为条件 ,利用已有的地下水位观测资料 ,采用人工神经网络方法预测滑坡内地下水位在排水工程实施前后的变化 ,以此作为非饱和—饱和—非衡定地下渗流计算的特定水头边界。根据计算的地下水位进行滑坡稳定性分析 ,结合稳定分析成果对排水系统工程的效果进行评价。结果表明 ,地下排水工程的实施可较大幅度地提高滑坡的稳定性。     

基于Hansbo渗流的圆柱土样Biot固结分析

诸多黏性土渗流试验表明,在低水力梯度下渗流会出现明显偏离Darcy定律的现象.为了分析渗流的非Darcy特性对固结过程的影响,引入Hansbo渗流方程描述圆柱土样内的渗流,重新推导轴对称条件下的Biot固结方程,并给出方程的Crank--Nicolson有限差分格式.通过与Darcy渗流条件下轴对称Biot固结方程解析解的对比,验证计算方法的有效性.然后分析Hansbo模型参数对圆柱土样固结过程的影响.计算结果表明:与Darcy渗流相比,Hansbo渗流会延缓圆柱土样的固结过程.随着Hansbo渗流参数m或I1的增大,在固结前期,Mandel--Cryer效应会更加显著,即孔隙水压力峰值将提高,且达到该峰值的时间会延迟;在固结中后期,孔压消散滞后的现象也更加明显.不过,Hansbo渗流对位移的影响很小.     

基于渗透率连续变化的低渗透多孔介质非线性渗流模型

基于低渗透多孔介质渗透率的渐变理论,确定了能精确描述低渗透多孔介质渗流特征的非线性运动方程,并通过实验数据拟合．验证了非线性运动方程的有效性。非线性渗流速度关于压力梯度具有连续-阶导数,方便于工程计算;由此建立了低渗透多孔介质的单相非线性径向渗流数学模型,并巧妙采用高效的Douglas-Jones预估一校正有限差分方法求得了其数值解。数值结果分析表明：非线性渗流模型为介于拟线性渗流模型和达西渗流模型之间的一种中间模型或理想模型,非线性渗流模型和拟线性渗流模型均存在动边界;拟线性渗流高估了启动压力梯度的影响,使得动边界的移动速度比实际情况慢得多;非线性越强,地层压力下降的范围越小,地层压力梯度越陡峭,影响地层压力的敏感性减弱,而影响地层压力梯度的敏感性增强。     

可变形多孔介质中的一维非定常耦合渗流

在Ｂｉｏｔ理论的基础上,考虑到可变形多孔介质的渗透系数依赖于孔隙变形的特点,建立了耦合渗流问题的基本方程;用初始层校正法求出了一维非定常耦合渗流问题的摄动解;实例计算表明,耦合分析与非耦合分析之间的判别较大,因此耦合效应不能忽略。     

多孔介质非线性渗流问题的摄动解

考虑变形多孔介质渗透参数(渗透率和孔隙度)与孔隙压力呈负指数变化的特点，建立了多孔介质渗流问题的数学模型，采用积分变换方法求出了一维非线性渗流问题的摄动解，并对常数渗透参数和指数渗透参数的渗流问题进行对比分析，计算结果表明：两者之间的差别较大，且渗透参数的变化对于流体渗流中后期过程有着重要的影响，但对渗流早期影响不大，这对于定量研究工程中非线性渗流问题模型参数的相对重要性提供了可靠的理论依据。     

BIOT’S CONSOLIDATION ANALYSIS FOR CYLINDRICAL SOIL-SAMPLE BASED ON HANSBO’S FLOW1)

诸多黏性土渗流试验表明,在低水力梯度下渗流会出现明显偏离Darcy定律的现象. 为了分析渗流的非Darcy特性对固结过程 的影响,引入Hansbo渗流方程描述圆柱土样内的渗流,重新推导轴对称条件下的Biot固结方程,并给出方程的Crank--Nicolson有限 差分格式. 通过与Darcy渗流条件下轴对称Biot固结方程解析解的对比,验证计算方法的有效性. 然后分析Hansbo模型参数对圆柱 土样固结过程的影响. 计算结果表明：与Darcy渗流相比,Hansbo渗流会延缓圆柱土样的固结过程. 随着Hansbo渗流参数m或I¹的增大,在固结前期,Mandel--Cryer效应会更加显著,即孔隙水压力峰值将提高,且达到该峰值的时间 会延迟;在固结中后期,孔压消散滞后的现象也更加明显. 不过,Hansbo渗流对位移的影响很小.     

变系数渗流场的正交各向异性边界元分析

本文给出了计算复杂渗流场的简化方法.首先由加权余量法得到变系数渗流问题的积分方程.再将区域及边界剖分,对各单元使用形心处的渗透系数而化为正交各向异性问题.最后用正交各向异性问题的基本解,得到对应于边界单元法的线性代数方程组.算例表明方法可靠.     

双剪统一弹塑性有限差分方法研究

基于拉格朗日有限差分方法,建立了双剪统一弹塑性有限差分计算格式,并利用VC++语言编写动态链接库文件将双剪统一弹塑性模型导入拉格朗日有限差分程序FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)中进行计算分析。双剪统一弹塑性有限差分方法可以模拟复杂应力状态下结构的渐进破坏,无需形成刚度矩阵,对于材料非线性问题无需进行迭代计算,因此在理论和工程应用中都有积极的意义。本文利用双剪统一弹塑性有限差分方法对拉压强度不等材料的厚壁圆筒受内压、中心带孔板条受拉压、条形基础下的地基极限分析及边坡问题进行了数值分析并与滑移线场等解析方法计算结果进行对比,结果均吻合较好。     

裂缝性低渗透油藏流-固耦合理论与数值模拟

根据裂缝性低渗油藏的储层特征,建立适合裂缝性砂岩油藏渗流的等效连续介质模型。将渗流力学与弹塑性力学相结合,建立裂缝性低渗透油藏的流-固耦合渗流数学模型,并给出其数值解.通过数值模拟对一实际井网开发过程中孔隙度、渗透率的变化以及开发指标进行计算,并和刚性模型以及双重介质模型的计算结果进行了分析比较.     

渗流-应力耦合随机性分析方法与应用

基于摄动随机有限元法计算参数随机性对渗流-应力耦合问题的影响, 以渗透系数和弹性模量为基本随机量, 推导了渗流-应力耦合摄动随机有限元迭代格式, 在此基础上对现有计算渗流场和应力场的单场随机计算程序进行改造. 使用改造程序对某大坝渗流-应力耦合问题进行分析, 并与商用软件计算结果进行对比.结果表明, 两种方法计算结果基本一致, 揭示了工程实际中的流固耦合规律, 改造的程序还可以输出商用软件未涉及的随机特征.     

非连续变形分析方法的改进及应用

首先,采用位移收敛判据对非连续变形的岩石断裂分析进行改进并程序实现.其次,将非连续变形分析方法和裂隙网络渗流模型结合起来,建立了渗流应力耦合分析模型,研究了裂隙岩体变形对渗流的影响以及渗流与应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征.研究发现,主干裂隙控制着渗流场分布,考虑耦合作用时的水头值比不考虑耦合作用时大,说明考虑耦合后坡体更容易变形失稳.改进前后裂纹扩展形态基本不变,表明程序计算的收敛判据是有效的.     

一种改进格林元方法及在渗流问题中的应用

采用格林公式和基本解推导出直接边界积分方程来求解渗流问题.边界积分方程数值离散基于格林元方法(Green element methond),改进了原方法中压力和压力导数的求解方法,命名为混合边界元方法(Mixed boundary element method).相较于格林元类方法,该方法显式考虑了求解节点的外法向流量值和压力值,并使求得的数值解在求解区域上能够连续,符合实际的物理过程,在不增加额外未知数的情况下提高了计算精度.分析了不同网格类型对模拟计算结果的影响,并对稳定渗流问题、非稳定(瞬态)渗流问题和非稳态问题进行了实例计算,结果显示改进方法提高了计算精度,并对各类渗流问题有较好的适应性.     

非连续变形分析方法的改进及应用1）

首先,采用位移收敛判据对非连续变形的岩石断裂分析进行改进并程序实现. 其次,将非连续变形分析方法和裂隙网络渗流模型结合起来,建立了渗流应力耦合分析模型,研究了裂隙岩体变形对渗流的影响以及渗流与应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征. 研究发现,主干裂隙控制着渗流场分布,考虑耦合作用时的水头值比不考虑耦合作用时大,说明考虑耦合后坡体更容易变形失稳. 改进前后裂纹扩展形态基本不变,表明程序计算的收敛判据是有效的.     

库水位上升条件下边坡渗流场模拟

库水位的上升将导致边坡体内渗流场的变化,进而引起边坡的失稳破坏。边坡体内的渗流场是饱和渗流与非饱和渗流共同作用的结果,通过对库水位上升过程中坡体内地下水位线的位置变化及相应的渗流场参数的计算表明:由于上部松散堆积体与基岩渗透系数的差异,基岩内地下水位线的抬升速度明显滞后于上部松散堆积体;体积含水量、压力水头、流速和水力梯度等渗流参量在基岩中的变化幅度较小,而在上部松散堆积体中的变化幅度则相对较大。这说明库水位上升对上部松散堆积体的影响相对来说还是比较明显的。     

页岩气在超低渗介质中的渗流行为

基于页岩气藏复杂孔隙结构和页岩气在纳米孔隙表面的滑脱和吸附-解吸附等现象,通过引入表观渗透率,修正Darcy渗流模型,得到了页岩气渗流本构方程. 将计算结果与Darcy模型计算结果进行了比照,结果表明,在产量定常情形下,基于非Darcy渗流模型得到的井底压力高于Darcy流结果; Darcy流模型得到的压力衰减速度较快,改进后的渗流模型更能准确描述与表征页岩气渗流过程;研究结果可为页岩气藏的经营与管理提供基础参数.