温度梯度水分扩散系数对非饱和双重孔隙岩体中THM耦合影响的有限元分析

建立了一种饱和–非饱和遍有节理岩体的双重孔隙—裂隙介质热—水—应力耦合模型,并研制出相应的二维有限元程序。通过一个假定的位于非饱和双重孔隙—裂隙岩体中的高放废物地质处置库算例,就温度梯度水分扩散系数不同的三种工况,考察了岩体中的温度、孔隙水压力、饱和度、地下水流速和主应力的变化、分布情况。结果显示：各工况计算域中温度场及应力场基本相同, 当岩体温度梯度水分扩散系数较大时,近场的负孔隙水压力上升到很高的数值,负裂隙水压力有所下降,饱和度亦有相应的变化,当温度梯度水分扩散系数小到一定程度后,其影响也将逐渐消失。     

双重孔隙介质THMM耦合模型及其有限元分析

建立了一种饱和-非饱和遍有节理岩体的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合模型,其特点是应力场和温度场是单一的,但具有不同的孔隙渗流场、裂隙渗流场和孔隙浓度场、裂隙浓度场,以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系的影响;并开发了相应的二维有限元程序.针对一个假定的高放废物地质处置库,就岩体为非饱和双重孔隙-裂隙介质和放射性核素泄漏的情况进行了数值分析,考察了岩体中的温度、负孔隙水压力、饱和度、地下水流速、核素浓度和主应力的状态.结果显示:孔隙和裂隙中的负水压力及核素浓度呈现不同的变化、分布;尽管裂隙水饱和度平均仅为孔隙水饱和度的1/10,但因裂隙的渗透系数比孔隙的渗透系数大4个数量级,故裂隙中地下水的流速约是孔隙中相应值的3倍;孔隙和裂隙中核素浓度的量值接近.     

基于孔与裂隙网络模型的平行微裂隙对驱油的影响规律研究

认识双重多孔介质中油水两相微观渗流机制是回答形成什么类型的裂隙网络可提高油藏采收率的关键. 微裂隙的分布可以提高多孔介质的绝对渗透率,但对于基质孔隙中的流体介质,微裂隙的存在会引起多孔介质中局部流体压力和流场的变化,导致局部流动以微裂隙流动为主,甚至出现窜流现象,降低驱油效率. 本文基于孔与裂隙双重网络模型,在网络进口设定两条平行等长且具有一定间隔的微裂隙,分析微裂隙的相对间隔(微裂隙之间距离/喉道长度)和微裂隙相对长度(微裂隙长度/喉道长度)对于微观渗流特征的影响. 结果表明:随微裂隙相对长度的增加,出现驱油效率逐渐降低,相对渗透率曲线中的油水共渗区水饱和度和等渗点增加,油水两相的共渗范围减小等现象;随着微裂隙之间相对间隔增大,周围越来越多的基质孔穴间的压力差减小,在毛管压力的限制下,驱替相绕过这些区域,而导致水窜现象.      

非饱和渗流下土石坝坝坡可靠性分析

将饱和-非饱和渗流场统一起来,建立了饱和-非饱和渗流的微分方程.根据极限平衡原理,考虑基质吸力对抗剪强度的影响,采用延伸的摩尔-库仑破坏准则,建立边坡在非饱和土条件下的安全系数公式.运用饱和-非饱和渗流有限元程序,对土石坝工程进行了计算和分析,探讨了稳态和瞬态下库水位变化时,坝体内浸润面的变化、瞬态孔隙水压力分布情况.进一步采用蒙特卡罗法把渗流计算所得的瞬态孔隙水压力分布用于坝坡可靠性分析,计算坝坡的瞬态可靠指标,对土石坝在非饱和、非稳定渗流作用下,不同水位下降速度对上游坝坡可靠性的影响进行了研究.结果表明:库水位下降对坝坡产生饱和-非饱和渗流作用,渗流场受降速的影响大,库水位下降速度增大,坝坡稳定性降低;坝坡可靠指标与库水位的关系呈抛物线变化趋势,渗流浸润线开始比较陡,最后趋于平缓,而坝坡可靠指标表现为开始减小,经过一段时间达到最小值,然后逐渐增大.     

基于孔与裂隙网络模型的平行微裂隙对驱油的影响规律研究

认识双重多孔介质中油水两相微观渗流机制是回答形成什么类型的裂隙网络可提高油藏采收率的关键.微裂隙的分布可以提高多孔介质的绝对渗透率,但对于基质孔隙中的流体介质,微裂隙的存在会引起多孔介质中局部流体压力和流场的变化,导致局部流动以微裂隙流动为主,甚至出现窜流现象,降低驱油效率.本文基于孔与裂隙双重网络模型,在网络进口设定两条平行等长且具有一定间隔的微裂隙,分析微裂隙的相对间隔(微裂隙之间距离/喉道长度)和微裂隙相对长度(微裂隙长度/喉道长度)对于微观渗流特征的影响.结果表明:随微裂隙相对长度的增加,出现驱油效率逐渐降低,相对渗透率曲线中的油水共渗区水饱和度和等渗点增加,油水两相的共渗范围减小等现象;随着微裂隙之间相对间隔增大,周围越来越多的基质孔穴间的压力差减小,在毛管压力的限制下,驱替相绕过这些区域,而导致水窜现象.     

水力压裂中裂纹扩展的数值模拟

水力压裂是在高压粘滞流体或清水作用下地层内裂缝起裂与扩展的过程。由于包含岩石断裂和流-固耦合等复杂问题,对该过程的数值模拟具有相当大的挑战性。本文建立基于有限元与离散元混合方法的裂纹模型,模拟岩石裂纹扩展,实现了连续向非连续的转化;建立双重介质流动模型,裂隙流作为孔隙渗流的压力边界,孔隙渗流反作用裂隙的压力求解,处理了流体在基岩与人工裂缝中的协调流动;将裂纹模型与流体流动模式进行结合,建立断裂-应力-渗流耦合形式的力学模型,进一步分析了水力压裂的基本过程,综合多种数值计算方法,编写程序,在验证岩体裂纹模型与双重介质流动模型有效性的基础上,对压裂过程进行复现,将模拟结果与文献结果进行了对比,并讨论了所构建模型的优缺点。     

露天矿边坡饱和渗透系数随机场数值模型研究

为分析强降雨入渗及渗透系数空间变异性对闭坑露天矿边坡渗流场的影响程度，基于非饱和渗流理论和随机场理论，采用非侵入式随机方法，通过FISH语言编写非饱和区单元饱和度、渗透系数与基质吸力的修正函数，建立饱和-非饱和渗流随机场模型，开展强降雨作用的高大陡深岩质边坡渗流特征研究。研究结果表明，修正饱和-非饱和渗流随机场模型能够准确地描述露天矿边坡的降雨入渗过程。且降雨入渗主要影响到露天矿边坡浅层渗流场。随降雨持时变化，在坡面与地下水位线之间形成包围的且逐渐缩小的非饱和区。坡面最早出现暂态饱和区且厚度逐渐增加，但增幅逐渐放缓。同时坡面点孔隙水压力最早达到稳定值零，离坡面越远的点孔隙水压力达到稳定值零的用时会越长。该结论可为闭坑露天矿边坡的地质灾害风险预测提供参考意义。     

非饱和土-隧道系统动力响应计算的波函数法

针对非饱和地基土中埋置隧道的三维动力响应计算问题, 提出了波函数法.采用无限长的Flügge薄壁圆柱壳模拟圆形隧道衬砌,采用流、固、气组成的三相介质模拟非饱和地基土体.分别采用分离变量法以及Helmholtz矢量分解定理求解薄壁圆柱壳的振动控制方程与非饱和土的波动方程.根据隧-土交界面与地表面处的应力、位移以及孔隙流体压力等边界条件,利用平面波与柱面波的转换性质,实现了隧道内作用单位简谐载荷时隧道衬砌与土体系统动力响应的耦合求解.通过与既有单相弹性介质2.5维有限元-边界元法、两相饱和多孔介质2.5维有限元-边界元法以及三相非饱和介质Pip in Pip半解析法的计算结果进行对比, 验证了本文计算方法的可靠性. 最后,基于该方法, 通过算例分析了不同饱和度下非饱和土-隧道系统的动力响应特征.结果表明, 饱和度对土体动位移与超孔隙水压力的幅值响应有较大影响.该方法的非饱和地基土参数退化后,也可用来计算和分析饱和地基土或单相弹性地基土与隧道系统的动力响应.      

非饱和颗粒材料的多孔连续体有效压力与有效广义Biot应力

多孔连续体理论框架下的非饱和多孔介质广义有效压力定义和Bishop参数的定量表达式长期以来存在争议,这也影响了对与其直接相关联的非饱和多孔介质广义Biot有效应力的正确预测.基于随时间演变的离散固体颗粒-双联液桥-液膜体系描述的Voronoi胞元模型,利用由模型获得的非饱和颗粒材料表征元中水力-力学介观结构和响应信息,文章定义了低饱和度多孔介质局部材料点的有效内状态变量:非饱和多孔连续体的广义Biot有效应力和有效压力,导出了其表达式.所导出的有效压力公式表明,非饱和多孔连续体的有效压力张量为各向异性,它不仅对非饱和多孔连续体广义Biot有效应力张量的静水应力分量的影响呈各向异性,同时也对其剪切应力分量有影响.文章表明,非饱和多孔连续体中提出的广义Biot理论和双变量理论的基本缺陷在于它们均假定反映非混和两相孔隙流体对固相骨架水力-力学效应的有效压力张量为各向同性.此外,为定义各向同性有效压力张量和作为加权系数而引入的Bishop参数并不包含对非饱和多孔连续体中局部材料点水力-力学响应具有十分重要效应的基质吸力.所导出的非饱和多孔介质广义Biot有效应力和有效压力公式(包括反映有效压力...     

地下水位上升下黄土斜坡稳定性分析

黄土高原一些地区,由于塬上引水灌溉使得地下水位不断抬升,造成黄土滑坡频繁发生。地下水位变化严重影响着黄土斜坡的稳定性。基于饱和-非饱和渗流理论和延伸的摩尔-库伦破坏准则,结合室内饱和和非饱和试验结果,针对泾阳南塬一典型黄土斜坡,考虑地下水位上升情况下,对其进行了瞬态饱和-非饱和渗流分析;然后将计算得到的瞬态孔隙水压力分布用于斜坡的极限平衡分析。结果表明:地下水位上升对暂态渗流场和斜坡稳定性有明显影响;考虑非饱和渗流和吸力强度的边坡稳定分析方法更加符合实际情况。