污染物在土壤及地下水中迁移转化研究综述

系统地介绍国内外对污染物在土壤及地下水中迁移转化规律研究的方法，取得的成果，存在的问题及发展趋势。综述了水分及污染物迁移转化数学模型的求解方法，评述国内外进行的物理模型试验的装置设备，测试手段，技术路线及研究途径，对深入开展地下水环境的研究具有重要的意义。     

渗流力学研究的现状和发展趋势

渗流力学在能源、环境、水利、岩土、交通、生物等工程领域有广泛的应用,渗流力学经过约一个半世纪的发展,已经积累了相当多的成果。随着现代科学的发展以及生产实践需求的不断提高,渗流力学仍然有进一步完善和发展的广阔空间。本文简述了水利、环境、能源工程和生物学中的渗流力学问题,扼要概括了渗流力学理论研究的现状,并指出渗流力学在多孔介质描述、裂缝型介质渗流、多相多组分渗流、物理化学渗流、非线性渗流、非饱和渗流、微观渗流、渗流模拟等理论及相关方法和测试技术等方面的发展趋势。     

非饱和土渗流和变形强度特性的温度效应

高放核废料地下处置、高压电缆埋设和地热开发等工程的发展,使得温度对非饱和土基本力学性质影响的研究逐渐成为当前岩土工程的热点.从渗流特性和变形强度特性两方面出发,分析了温度对非饱和土基本力学性质的影响. 对于渗流特性,研究了温度对液相水和水蒸气运动的影响,并进一步综述了水热迁移模型的发展. 对于变形强度特性受温度的影响,从试验研究和理论模型入手,研究了非饱和土的变形和强度等随温度的变化规律,并在此基础上对温度的影响进行了总结.文中还指出了现阶段研究中存在的问题及今后的研究方向.      

基于物理界面的双重介质有限裂隙渗流模型

基于连续介质或者离散裂隙假设,含裂隙的多孔介质渗流问题有多种数学力学模型。受物理界面的启发,提出一种新的有限裂隙连续介质力学模型,可以为宏观裂隙-多孔介质内的流体输运问题等提供近似计算方案。该模型属于一类双重介质模型,将曲面上低维度的流场转化为三维空间的流场,并且与连续的多孔介质的流场耦合,在数学上表示为统一的输运控制方程和初始边界条件。这个近似模型为不方便实施高维度-低维度耦合求解的数值计算方法提供新的模拟思路,如光滑粒子流体动力学等无网格粒子类方法。     

基于三维网络模型的水驱油微观渗流机理研究

利用逾渗网络模型在微观水平进行随机模拟来研究水驱油的微观渗流规律,通过模型计 算结果与油水稳态相对渗透率驱替实验结果对比验证了网络模拟的有效性. 在此基础上,讨 论了在不同润湿条件下、水驱不同阶段的剩余油微观分布规律. 将剩余油分布形态归纳为4 种状态：孤粒/孤滴状、斑块状、网络状和油水混合状态. 研究表明,网络状剩余油的块数 较少,但所占体积比例较大. 随着剩余油饱和度的降低,最大网络状油所占孔隙数减少,剩 余油饱和度在40{\%}$\sim$50{\%}附近开始以较快速度减少. 润湿性不仅影响驱油效率,也影响剩余油分布形态. 在驱替过程中,剩余油分布总的变化趋势是逐渐趋于分散.     

具有弱夹层的封闭油藏中的瞬态渗流

多层油藏分为层间无窜流的油藏和层间有窜流的油藏。本文研究了层间有弱渗透夹层的两层油藏中两种情形的瞬态渗流,包括单层打开的瞬态渗流和一层注入、一层采出的两层油藏的瞬态渗流。用面积平均方法求出了弱渗透夹层封闭油藏中瞬态渗流的平均压降。分析表明:在渗流前期,层间窜流量逐渐增大,在后期层间窜流量趋于稳定;在单层开采的情况下:初期两层压降不同,非打开层的压降有滞后现象,并且隔层渗透率越小,油井工作强度越弱,滞后时间越长;后期两层压降趋于一致,可以作为一层油藏处理。在一注一采的油藏中,当注采量相同时,两层压降在后期趋于不同的稳定值;当注采量不同时,两层压降在后期趋于一致,但不能达到稳定。     

龙井水库大坝的渗流和稳定分析

本文以龙井水库大坝为例,运用有限单元法对粘土心墙坝的渗流进行分析计算,同时运用瑞典圆弧滑动法和简化Bishop法对粘土心墙坝的坝体稳定进行分析计算,在此基础上对水库大坝进行了渗流安全评价和稳定性安全评价。     

岩体系统渗流场与应力场耦合的广义双重介质模型的应用研究

本文通过实验资料分析, 提出了裂隙岩体应力与渗流之间的分形几何关系式。以研究区岩体系统结构为基础, 提出了岩体系统应力场与渗流场耦合的广义双重介质模型, 并将该模型应用于某水利水电工程的渗流与控制中, 对坝区岩体进行了应力场和渗流场的耦合分析, 取得了比较满意的结果。     

基于多变量小样本的渗流代理模型及产量预测方法

多孔介质渗流过程中存在的多尺度、多变量、多物理场耦合的非线性渗流问题给复杂渗流机理的表征及数学模型求解提出了巨大的挑战, 综合考虑地下多孔介质耦合渗流过程中关键力学问题的渗流模型往往需要在计算效率和计算精度之间权衡. 近年来, 基于油田多数据的渗流代理模型为高效求解多变量非线性渗流问题提供了思路, 而渗流代理模型在实际油田中的应用往往由于记录不全, 操作不当等因素受到小样本数据的限制. 针对这一问题, 本文提出了一种基于地质?油藏?工艺的多数据小样本渗流代理模型的产量预测方法. 通过填补缺失值, 独热编码分类数据, 数据对数化及标准化等一系列数据预处理方法, 形成了油田产量预测数据库; 经过随机劈分数据集、十折交叉验证, 测试了三种渗流代理模型的预测效果. 结果表明, 三种代理模型的决定系数均超过0.8, 模型预测结果与实际数据较为吻合; 对于小样本多变量的油田数据, 合适的数据预处理方法对模型预测效果影响显著; 经过数据标准化后, 随机森林算法表现最好, 能快速准确预测石油产量(均方误差0.12, 决定系数0.87).      

循环荷载作用下考虑Hansbo渗流的饱和黏土固结分析

针对传统一维Terzaghi固结理论的局限性,本文引入了考虑时间效应的UH (unified hardening)本构模型,将Hansbo渗流模型耦合到UH本构模型固结方程中,建立了几种典型循环荷载作用下基于UH模型和考虑Hansbo渗流模型的固结方程。采用FlexPDE软件进行了数值分析,将计算结果与已有文献结果对比,验证了该算法的可靠性。在此基础上,研究了饱和黏土在几种典型循环荷载作用下的渗流固结特性,分析了各模型参数对饱和黏土固结特性的影响。结果表明：在循环荷载作用下,地基的平均固结度、沉降量等始终处于循环状态;Hansbo渗流模型参数对平均固结度的影响相对于Darcy渗流参数影响程度较大,其中UH模型中次固结系数对固结过程影响程度较大。另外,Hansbo渗流参数及土的回弹指数和渗透指数等对固结过程的影响主要体现在中期,固结过程后期将处于稳定循环状态。     

非均匀含水层中污染物的输送及生物降解的流动研究

介绍了受污染的地下水中化学物质与微生物相互作用的生化与动力过程。作为例子,提出了一个定量描述非均匀地下水流中有机物与细菌迁移变化的数学模型,并简要介绍了出现在控制方程中几个应关注的问题,如变量大梯度与特征时间尺度问题,以利于数值求解。      

裂隙岩体渗流模型研究现状与展望

裂隙岩体渗流对于边坡、地下工程及基础岩土体的承载能力有显著的制约作用。本文简要地介绍了多种裂隙岩体渗流模型研究现状,评述了几类比较有代表性的渗流模型特点以及存在的不足,为选取合理的数学模型用于求解具体的裂隙岩体渗流问题提供了参考依据,并在上述基础上提出了一些需要进一步研究的问题。指出就目前应用最为广泛的等效连续介质模型而言,裂隙岩体几何参数、有效孔隙度以及等效渗透张量的确定仍有待于更深入的研究,而从细观力学结构入手研究渗流耦合模型将具有重大的理论意义和实用价值。     

摄动理论在求解流固耦合渗流问题中的应用

通过引进小参数ε，对工程中一类强非线性耦合渗流问题采用摄动理论进行解析求解，探讨了数学模型中压力动态分布特征，并通过数值算例分析了压力随饱和度s及时间t变化的情况，可为实验确定压力-饱和度-渗透率之间的关系提供理论依据，同时为求解非线性偏微分数学方程组提供一种解析求解方法．     

裂隙岩体中非饱和渗流与运移的概念模型及数值模拟

探讨了裂隙岩体中非饱和地下水渗流与溶质运移的几种概念模型的构造及数值模拟问题 ,如裂隙网络模型、连续体模型、等效连续体模型、双孔隙度 (单渗透率 )模型、双渗透率模型、多组份连续体模型等。在裂隙岩体中 ,非饱和地下水的渗流可能只局限于岩体中的岩石组份、或裂隙网络 ,也可能在裂隙和岩石中同时发生 ;对前一种情形只需考虑单一连续体中的流动 ,而后一种情况则需要包括地下水在岩石和裂隙之间的交换。岩体中的裂隙网络往往是溶质运移的主要通道 ;但当溶质在裂隙与岩石之间的渗透和扩散是重要的运移机制时 ,就需要考虑岩石与裂隙界面处的溶质交换。为了模拟岩石与裂隙之间地下水和溶质的交换 ,就需要了解岩石与裂隙之间相互作用的模式和范围 ,使得这类问题的概念模型较单一连续体模型多了一层不确定性、其数值模拟也变得更为困难。因为在实际问题中不易、甚至根本不能判别非饱和渗流的实际形态 ,具体采用哪种模型主要取决于分析的目的和对现场数据的掌握程度。不论哪种模型都会受到模型及参数不确定性的影响 ,因此必须考虑与其他辅助模型的比较.     

含水合物沉积物多相渗流特性研究进展

天然气水合物作为一种储量大、无污染的清洁能源近些年受到了广泛关注.近20年来,中国进行了较大范围的陆海域天然气水合物储层勘探与储量预测. 2017年,中国地质调查局牵头对南海神狐海域的天然气水合物进行了基于降压渗流原理的试验性开采.国内外已进行的水合物试采工程面临着气体产量低、出砂较多等问题,其最主要的原因之一是开发过程中沉积物内复杂多相渗流机理尚不明晰.本文综述了平行毛细管模型、Kozeny模型等广泛应用于天然气水合物开发渗流分析的理论模型,对比分析了水合物开发多尺度渗流过程模拟方法,简述了国内外含水合物沉积物渗透率测试、渗流过程中沉积物物性演变以及水合物开采室内模拟等方面的渗流实验进展,总结了矿场尺度的天然气水合物储层开采过程中产气数值模拟手段,展望了多相渗流模型、储层原位含水合物样品室内测试及结构与物性演化、矿场尺度数值模拟与水平井压裂技术等应用研究的未来方向与挑战.     

可视化渗透破坏实验装置研发及土力学实践探索

传统土力学实验无法展现土体内部渗透变形,使学生难以直观理解土体渗流的基本原理。利用人工合成透明土材料,融合粒子示踪、断层成像和数字图像处理等技术,研发了可视化渗透破坏实验装置。以砂砾石管涌为例,直观展现了土体渗透破坏孕育–发生–发展–破坏全过程颗粒运移特征,论证了实验装置的可靠性。在此基础上,提出了以学生自主创新为主体,实验技术教研平台、实验课程学习平台和产学合作协同育人平台“三台一体”新的教学模式。

     

裂隙岩体非稳态渗流数值模型及其应用

为解决裂隙岩体非稳态渗流问题, 发展了一种新的数值模型. 对于单裂隙渗 流求解, 其控制方程是基于一定假设的简化Navier-Stokes方程, 数值方法采用有限差分法 和流体体积法. 在裂隙网络中, 交界处渗流可以由专门的控制方程求解. 计算结果表明, 该 数值模型既可以大幅提高非稳态渗流的计算效率, 还可以避免孤立裂隙所带来的影响. 最后, 通过两个工程算例验证该数值模型的适用性.     

岩体渗流场与应力场耦合的集中参数型数学模型研究

本文在分析岩体的地质特征、参流特征的基础上,提出了岩体渗流场与应力场耦合的集中参数型数学模型,给出了耦合集中参数型数学模型辨识的递推公式,讨论了该模型的应用前景。     

井筒气液两相流对致密气压裂水平井试井的影响

多段压裂水平井技术是目前开采致密气最常用的方法之一,在致密气压裂水平井试井测试中常常伴随着一定的产水量,井筒气液两相流会增加井筒流体的流动阻力,加大井筒流体流动对试井解释的影响.为了明确井筒气液两相流对致密气藏压裂水平井试井的影响,提高产水致密气压裂水平井的试井解释精度,建立了一种井筒气液两相流与地层渗流耦合的试井模型,采用数值方法对模型进行求解,获得了考虑井筒气液两相流的压裂水平井试井理论曲线、压力场分布及裂缝产量分布.研究结果表明:井筒气液两相流会增加试井理论曲线中压力和压力导数值,造成靠近入窗点的压力扩散要快于远离入窗点的压力扩散,引起靠近入窗点的裂缝产量要高于远离入窗点的裂缝产量.现场实例分析进一步说明,不考虑井筒两相流可能会对产水压裂水平井的试井解释结果产生很大误差,主要表现为水平井筒假设为无限大导流能力会使得拟合得到的表皮系数偏大,将测试点视为入窗点会使得拟合得到的原始地层压力偏小.所建立的考虑井筒两相流的压裂水平井试井模型为产水致密气井试井资料的正确解释提供了重要技术保障.      

2010年7 ·27四川汉源二蛮山滑坡-碎屑流特征与成因机理研究

2010年7月27日凌晨4时许,四川省汉源县万工乡二蛮山发生大规模滑坡,约48×10⁴m³的强风化玄武岩体,在前期降雨的影响下高位高速滑出,随即解体转化为碎屑流,沿沟谷高速运动,沿途不断携卷和铲刮堆积于沟床及两侧斜坡的表层松散物质,使滑体的体积和含水量不断增大。当运动到沟谷中段时,因沟道在此向右偏转,在强大的惯性力作用下,部分碎屑流体冲向左岸斜坡,将居住于此的双合村一组5户村民房屋掩埋,造成20人失踪; 另一部分碎屑流体继续沿沟谷高速运动近1.4km才最终停止。约30min后,堆积于沟谷中段深切沟道内的滑坡堆积物,在重力作用下再次启动,形成二次滑坡。二次滑坡缓慢蠕滑流动数小时,最终到达万工新集镇,将部分房屋推倒掩埋,造成92户房屋受损、1500人被迫紧急转移。本文在对灾害现场进行详细地质调查的基础上,结合现场测绘、颗分试验、航拍等手段,对二蛮山滑坡体的基本特征进行了较深入的调查研究,对滑坡发生及成灾原因进行了初步分析。结果表明,滑源区相对突出的地形条件、风化破碎的玄武岩体和有利的结构面组合是滑坡发生的基本条件; 前期降雨期间爆发的泥石流对滑源区坡脚的掏蚀、强降雨的饱水加载作用以及雨水沿陡倾张裂结构面的下渗软化作用,是诱发滑坡发生的直接原因。二蛮山沟谷原为一高频泥石流沟,滑坡发生前并无明显的滑坡迹象,滑坡的发生表现出极强的隐蔽性和突发性以及高位高速远程运动和危害巨大的特点,同时,主滑坡发生后在短时间内滑坡区再次启动发生二次滑坡,这些现象和特点具有特殊性,也具有典型性,值得深入研究。