米尺度裂隙岩体模型水流-传热试验的数值模拟分析

为了研究高放射性核废物地下处置库近场的水流-传热耦合问题,采用国内高放废物地下处置库预选场址--甘肃北山地区的花岗岩石块体,加工组合成米尺度的规则裂隙岩体模型,设置边界热源和裂隙水流,试验模拟裂隙水水流与传热之间的相互作用。作为该室内模型试验的前期理论研究,采用等效孔隙介质数值模型,着重分析了裂隙开度、裂隙流量和热源功率对流场和温度场的影响。在设定条件下,计算分析表明：热传导和裂隙水水流由热源作用初期的不耦合很快转化为耦合;不流动的裂隙水主要表现为热存储和热传导,而流动的裂隙水还引起流动传热和水与岩石之间的对流换热,使岩体温度场明显不同于单纯热传导的情况;如果保持裂隙水流量不变,则裂隙开度的变化对水流-传热影响不大;如果保持裂隙水流速不变,则裂隙开度的变化对水流-传热影响显著;热源功率越大,通过裂隙水的热流量越大,裂隙水压强越大,而当温度超过100 ℃时,裂隙水会因汽化而压强显著增大;加热7 d时,热量的输入和输出几乎相等,裂隙水流带走的热量接近热源供给的热量,模型系统基本达到了热平衡。     

裂隙岩体流-热耦合传热的三维数值模拟分析

通过对潘西煤矿水文地质条件的分析,基于裂隙岩体的流-热耦合数学模型,描述了裂隙岩体渗流场分布和水流及岩体的温度场分布,并结合边界条件及计算参数对裂隙岩体的流-热耦合传热进行了数值模拟和分析。数值模拟结果表明,岩体内裂隙水流所引发的热量迁移,对裂隙岩体的温度场分布有重要影响。断裂带及地下水流的存在改变了岩体的原有温度场分布。在渗流初期,温度梯度矢量沿渗流方向向两侧岩体方向流动,由于两侧岩体的渗透性系数低于断裂带处的渗透性系数,右侧等温线及温度梯度矢量方向逐渐向渗流方向移动,改变了两侧岩体的温度场分布。通过对断裂带内裂隙水流渗透性系数的折减,分析渗透性系数发生变化时对岩体温度场分布的影响,渗透性系数越大,伴随的热量迁移增大,对岩体的温度场分布的影响也越大。     

裂隙贯通率对双重孔隙介质热-水-应力耦合现象影响的有限元分析

为探讨裂隙的贯通率对于耦合的温度场、渗流场和应力场的作用,应用所建立的遍有节理岩体双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型,以一个假定的位于非饱和地层中的高放废物地质处置库为算例,针对裂隙和孔隙的贯通率不同的4种工况进行了二维有限元数值分析,考察了围岩中的温度、负的孔隙和裂隙水压力、地下水流速、孔隙及裂隙的渗透系数修正因子和应力的变化、分布情况。结果显示,由于裂隙贯通率的差异使得双重介质的刚度不同,引起岩体中应力状态及水平的改变,从而影响到孔隙、裂隙的孔隙率及渗透系数的量值,并导致孔隙水和裂隙水的压力大小、分布以及水流速度的变化     

低温裂隙岩体水-热耦合模型研究及数值分析

裂隙渗流会引起裂隙周围岩体中的温度场变化,在低温岩体中其影响更为明显;此外,裂隙水与周围低温岩石介质发生热交换会引起裂隙中的水冰相变过程发生,而裂隙水冻结将阻碍裂隙渗流,引起裂隙渗流场的变化。因此,低温下的裂隙岩体水-热相互作用是一个强耦合过程。考虑裂隙中的水冰相变过程和渗流作用,建立了低温冻结条件下裂隙岩体水-热耦合模型;以冻结法施工为例,考察了低温冻结过程中裂隙水渗流对裂隙冻结交圈的影响。研究结果表明：由于裂隙渗流的存在,距裂隙较远处岩石先冻结,裂隙冻结所需时间远大于周围岩石;裂隙宽度和裂隙水压力差都会影响冻结交圈时间,裂隙越宽、水压力差越大,裂隙冻结需要时间越长;随着冻结时间的推进,裂隙水渗流速度逐渐降低,当裂隙冻结后裂隙渗流停止。最后通过构建随机裂隙网络模型,利用所建立的水-热耦合模型考察了裂隙网络渗流对冻结交圈的影响,说明了在冻结法施工中考虑裂隙的重要性。     

填砂裂隙岩体渗流传热模型试验与数值模拟

选取中国高放射核废物地下处置库重要预选场区--甘肃北山地区的花岗岩,加工组合成规则裂隙岩体,将垂直裂隙用粒径为0.5～0.63 mm的砂土填充,进行了裂隙水渗流传热试验;对模型试验进行了数值模拟,进而计算分析了热源温度、裂隙水流速和裂隙开度变化对裂隙岩体模型稳态温度场的影响。模型试验表明,当热源温度维持在120 ℃时,裂隙水仍无相变,裂隙岩体模型稳态温度场分布规律与热源温度为95 ℃时一致;热源温度越高,热源的水平影响距离越大,模型达到稳态需要的时间越长;裂隙填砂加强了裂隙两侧岩石之间的热传导,热源的水平影响距离和模型到达稳态需要的时间均明显大于无填充裂隙岩体模型的情况。模型试验得到的岩体模型温度场与数值计算得到的岩体模型温度场规律一致。试验过程中裂隙岩体模型在边界上存在一些热量散失,无法与数值计算中的绝热边界条件等同,致使试验数据低于数值计算值,并且热源温度越高,两者之间的差异越大。模型试验和数值计算均表明,邻近热源侧的裂隙水渗流对模型的温度场分布起控制作用,而远离热源侧的裂隙水渗流则主要影响该侧的边界温度和模型达到稳态所需要的时间。数值参数敏感性分析表明,裂隙水流速与裂隙开度越大,裂隙水对水平传热的阻滞作用越明显。     

渗透系数的各向异性对裂隙水渗流潜水面的影响

天然岩体是多相的不连续介质，在其中分布有大量的节理裂隙，这些裂隙的渗透能力要比岩石高几个数量级，构成了地下水流的主要通道，并控制着地下水渗流的运动规律．由于裂隙分布的方向性，导致裂隙岩体的渗流具有明显的各向异性．本文便在规则裂隙岩体模型的基础上，改变每组裂隙的渗透系数，利用有限元计算出裂隙水渗流的潜水面，分析了裂隙岩体渗透系数的各向异性对裂隙水渗流潜水面的影响．     

稀疏非正交填充裂隙岩体水流—传热—应力模型与离散元模拟

为研究填充裂隙水流速度对岩体温度和应力的影响,选取甘肃北山地区的花岗岩,制作了稀疏非正交裂隙岩体模 型,采用河砂填充裂隙后进行模型试验;并对模型试验进行离散元数值模拟,分析了模型试验所测岩体温度和热应力与数 值模拟结果的差异和原因。结果显示：填砂裂隙强化了裂隙介质的热导能力,无填充时岩体温度和热应力比填砂时低;模 型试验和离散元模拟均表明,岩体温度和岩体应力随裂隙水流速度增大而减小,但是系统达到稳态所需要的时间变短;模 型试验中斜裂隙水流对温度场起主要作用;由于现有3DEC软件不能考虑水的热物性参数随温度的变化,进而产生自然对 流换热,斜裂隙水流和靠近热源侧的竖裂隙水流对温度场起主要作用。     

稀疏非正交填充裂隙岩体水流—传热—应力模型与离散元模拟

为研究填充裂隙水流速度对岩体温度和应力的影响，选取甘肃北山地区的花岗岩，制作了稀疏非正交裂隙岩体模 型，采用河砂填充裂隙后进行模型试验；并对模型试验进行离散元数值模拟，分析了模型试验所测岩体温度和热应力与数 值模拟结果的差异和原因。结果显示：填砂裂隙强化了裂隙介质的热导能力，无填充时岩体温度和热应力比填砂时低；模 型试验和离散元模拟均表明，岩体温度和岩体应力随裂隙水流速度增大而减小，但是系统达到稳态所需要的时间变短；模 型试验中斜裂隙水流对温度场起主要作用；由于现有3DEC软件不能考虑水的热物性参数随温度的变化，进而产生自然对 流换热，斜裂隙水流和靠近热源侧的竖裂隙水流对温度场起主要作用。     

岩体渗流场与温度场耦合的连续介质模型

孔隙型岩体、密集裂隙型岩体以及孔隙—密集裂隙型岩体的渗流问题均可视为连续介质或等效连续介质渗流问题。本文从理论上分析了这种类型岩体渗流场与温度场相互影响、相互作用的机理，提出了岩体渗流场与温度场耦合分析的连续介质数学模型，并讨论了该数学模型的有限元数值求解方法。     

正交与非正交稀疏裂隙岩体水流-传热对温度影响的数值分析

为研究正交与非正交稀疏裂隙岩体水流-传热对温度的影响,采用三维离散单元法程序(3 Dimension Distinct Element Code,简称3DEC)分析正交与非正交稀疏裂隙岩体水流-传热对温度场影响规律。研究表明:正交裂隙水流显著改变了岩体温度场;由于交叉裂隙水流动传热,致使裂隙水流动区域等温线出现明显的断续态,从瞬态到稳态,岩体温度升高,温度梯度逐渐减小。对比正交裂隙岩体模型,当横裂隙向下倾斜,纵裂隙靠近热源时,裂隙岩体温度升高;对比非正交裂隙岩体模型,当横裂隙倾斜度不变,纵裂隙远离热源时,裂隙岩体温度降低。非正交裂隙出水口水温高于正交裂隙出水口水温,纵裂隙靠近热源时裂隙出水口水温高于纵裂隙远离热源时裂隙出水口水温;非正交裂隙岩体模型比正交裂隙岩体模型达到稳态所需要的时间更短,纵裂隙靠近热源时的模型比纵裂隙远离热源时的模型达到稳态所需时间更长。     

Seepage-heat transfer coupling process of low temperature return water injected into geothermal reservoir in carbonate rocks in Xian County,China

Fracture seepage and heat transfer in the geothermal reservoir of carbonate rocks after the reinjection of low temperature geothermal return water is a complex coupling process,which is also the frontier of geothermal production and reinjection research. Based on the research of cascade comprehensive development of geothermal resources in Beijing-Tianjin-Hebei (Xian County),the carbonate geothermal reservoir of Wumishan formation in the geothermal field in Xian County is investigated. With the development of the discrete fracture network model and the coupling model of seepage and heat transfer,the numerical solution of seepage field and temperature field with known fracture network is reached using the finite element software COMSOL,and the coupling process of seepage flow and heat in carbonate rocks is revealed. The results show that the distribution of temperature field of fractured rocks in geothermal reservoir of carbonate rocks has strong non-uniformity and anisotropy. The fracture network is interpenetrated,which constitutes the dominant channel of water conduction,and along which the fissure water moves rapidly. Under the influence of convective heat transfer and conductive heat transfer,one of the main factors to be considered in the study of thermal breakthrough is to make the cold front move forward rapidly. When the reinjection and production process continues for a long time and the temperature of the geothermal reservoir on the pumping side drops to a low level,the temperature of bedrocks is still relatively high and continues to supply heat to the fissure water,so that the temperature of the thermal reservoir on the pumping side will not decrease rapidly to the water temperature at the inlet of reinjection,but will gradually decrease after a long period of time,showing an obvious long tail effect. The distribution of fractures will affect the process of seepage and heat transfer in carbonate reservoirs,which should be considered in the study of fluid thermal coupling in carbonate reservoirs.     

低温环境下含表面裂隙硬岩温度场及冻胀演化过程分析

寒区含表面裂隙硬岩与大气连通,易受外界低温环境引起裂隙内部水分凝结,造成裂隙带附近形成温度场突变,进而随水冰相变产生冻胀力,二者随着冻结活动处于动态演化之中,涉及到温度场、渗流场及应力场等多场问题。目前的研究大多依据数值模拟结果,描述裂隙岩体温度场、应力场分布特征及规律,考虑从基础理论解析计算角度,探究低温环境下裂隙岩体温度场、冻胀力演化规律鲜有报道。针对含表面裂隙硬岩在低温环境下发生的冻结现象,从传热学理论、相变理论、弹塑性力学及断裂力学理论等多角度出发,探讨随着冻结深入含表面裂隙硬岩内部温度场及冻胀荷载演化过程,提出对应解析表达式,引入多场耦合数值程序Comsol-Multiphysics进行数值模拟验证,结果表明,文中提出的温度场及冻胀荷载演化解析表达式与数值模拟结果具有较好吻合度,可满足对含表面裂隙半无限板模型温度场、应力场演化过程分析,对于裂隙岩体在低温环境下温度场、应力场演化及热-力耦合分析具有较好借鉴价值。     

微生物灌浆加固裂隙岩体的渗流特性分析

裂隙岩体的防渗加固是影响工程稳定和安全的关键技术问题之一。在以往微生物加固砂土技术基础上,将微生物加固技术应用于裂隙岩体灌浆加固,研究结果表明,(1) 加固前围压对裂隙岩样的水力开度影响很大,加固后裂隙被碳酸钙沉积物充填,岩样的渗流由裂隙渗流转变为孔隙渗流,单位渗流量和渗透系数由围压和渗透水压共同控制;(2) 微生物灌浆加固后,不同围压和渗透水压力作用下裂隙岩样的单位时间渗流量减小了80.12%～90.04%,渗透系数可达到10–6 cm/s数量级;(3) 裂隙岩样灌浆加固过程中微生物诱导产生的CaCO3沉积物具有较好胶结作用,将劈裂岩样胶结为一个整体,达到了加固防渗效果。研究成果可为裂隙岩体的灌浆加固提供较好的参考。     

裂隙网络非连续介质渗流场与温度场耦合分析研究

在岩体水力学研究中,一个重要问题就是岩体渗流场与温度场的耦合分析。笔者关注了国内外相关的研究,对其发展的趋势进行了展望。系统综述了裂隙岩体渗流-温度耦合的研究情况,阐明了裂隙岩体三种渗流模型的特点、适用范围及裂隙网络非连续介质模型的研究概况,分析了裂隙岩体渗流-温度耦合作用研究及工程应用。最后,提出基于裂隙网络非连续介质渗流温度耦合分析是目前亟待解决的课题,并指出今后需要深入研究的问题。     

裂隙网络非连续介质滲流场与温度场耦合分析研究

在岩体水力学研究中，一个重要问题就是岩体渗流场与温度场的耦合分析。笔者关注了国内外相关的研究，对其发展的趋势进行了展望。系统综述了裂隙岩体渗流一温度耦合的研究情况，阐明了裂隙岩体三种渗流模型的特点、适用范围及裂隙网络非连续介质模型的研究概况，分析了裂隙岩体渗流一温度耦合作用研究及工程应用。最后，提出基于裂隙网络非连续介质渗流温度耦合分析是目前亟待解决的课题，并指出今后需要深入研究的问题。     

渗流作用下深埋巷道围岩热交换过程的数值模拟

为了研究深埋巷道围岩温度场的分布规律,基于传热学和渗流理论建立了深埋巷道围岩的热扩散数学模型,结合边界条件采用MATLAB对其进行了数值求解,获得了在风流和渗流耦合作用下围岩的温度场和温度矢量分布。研究结果表明,渗流改变了围岩初始温度场和温度矢量的对称分布的状态,围岩内部的温度场可划分为向内扩散区和向外扩散区。在围岩与风流的热交换作用下,巷道的壁面温度将接近风流温度,温度矢量零点的范围呈现出逐步增大的趋势。当热交换达到平衡状态时,向内扩散区的温度场呈现为环状对称分布状态;而向外扩散区等温线的形状没有明显的改变,但等温线的分布逐渐稀疏。     

作用在裂隙中的渗透力分析

裂隙岩体中流体对岩体的作用力, 是研究岩体稳定性的重要问题。本文认为流体作用于裂隙壁面上的力包括两部分, 即垂直于裂隙壁面的流体静水压力 (导致裂隙垂向变形)和平行于裂隙壁面的拖曳力 (导致裂隙切向变形), 此拖曳力为面力。文中以单裂隙水流的立方定律为基础, 运用流体力学的动量方程, 推导出了单一平直光滑无充填裂隙、有充填的裂隙及水流和充填物一起运动情况下, 裂隙壁面承受的切向拖曳力公式。该公式对于分析流体对裂隙岩体变形性能及强度的影响具有重要价值。     

不连续面在双重介质热-水-力三维耦合分析中的有限元数值实现

在建立双重介质热-水-力耦合微分控制方程的基础上,提出了裂隙岩体热-水-力耦合的三维力学模型,对不同介质分别建立以节点位移、水压力和温度为求解量的三维有限元格式,开发了双重介质热-水-力耦合分析的的三维有限元计算程序,在有限元数值分析中不连续面应力计算采用等厚度空间8节点节理单元进行离散,而不连续面渗流和热能计算时采用平面4节点等参单元进行离散,这样保证了不同介质之间的水量、热量交换和两类模型接触处节点水头、温度和位移相等。通过高温岩体地热开发算例,揭示了在热-水-力耦合作用下不连续面处于低应力区,其张开度随运行时间的延长呈非线性增加,非稳定渗流阶段不连续面显著地控制着渗流场的整体分布,它的水头远高于拟连续岩体介质的水头,而进入稳定渗流阶段不连续面的控渗作用不明显,由于高温岩体地热开发系统中存在大规模的热量补给,不连续面对岩体温度场分布的影响并不显著。