非饱和土脱湿与吸湿水力特性对比研究

非饱和土水力相互作用特征曲线(土-水特征曲线、渗透系数函数和吸应力特征曲线等)的获取在非饱和土斜坡的渗流和力学分析中有着至关重要的作用。目前,大多数试验方法中最适合确定脱湿状态的是土水特征曲线,但能够反映降雨过后斜坡短期内入渗和径流现象的反而是吸湿状态。基于此,采用瞬态脱湿与吸湿的试验方法 (TRIM),在短时间内获取该类土脱湿和吸湿条件下全吸力(0~10~6k Pa)范围内的土-水特征曲线、渗透系数函数和吸应力特征曲线,并对其脱湿与吸湿路径下的水力特性、模型参数及滞后特性进行了对比研究。结果表明,土的脱湿过程与吸湿过程的土-水特性明显不同,两种路径下的非饱和渗透系数、进气值、饱和渗透系数等参数均存在差异,而这种差异体现了吸应力的滞后特性,而这种滞后性足以诱发该类土的滑坡。这一研究结果对提高土-水特征曲线参数拟合的精度、提高试验效率及降雨型滑坡灾害的防灾预警具有一定的实用价值。     

基于分形理论的SWCC边界曲线滞后效应模型研究

微观土颗粒及孔隙分布的非均匀性及由此引起的瓶颈效应是造成非饱和土土-水特征曲线(SWCC)滞后效应的主要原因。引入分形理论,考虑非饱和土孔径及渗流路径的微观分形特性,提出了一个用于描述水在非饱和土中渗流的毛细管模型。模型中将非饱和土孔隙简化为一系列具有不同孔径大小的毛细弯管,其孔径大小及弯曲程度假定服从分形规律。在此基础上,推导得了非饱和土的吸湿与脱湿过程的饱和度S_e~-水头高度h来描述土-水特征曲线滞后效应的特征方程以及饱和度S_e~-相对水力传导系数Kr特征方程。与室内观测结果及已有研究的对比表明,该模型相比以往方法,可更好地模拟非饱和土土-水特征曲线的滞后效应。对非饱和土吸湿与脱湿过程滞后效应的本质进行了对比分析,揭示了滞后效应产生的根本原因在于土体中流通孔隙大小的非均匀性。     

高压实膨润土脱湿─吸湿过程研究

膨润土具吸水膨胀、失水收缩的特性,本研究进行了高压实膨润土脱湿过程与吸湿过程研究,发现高压实膨润土之脱湿过程与吸湿过程并不重合,吸湿过程之变化明显比脱湿过程显著,但均体现随含水率减小,孔隙比减小的特点,此结果对非饱和膨润土性能研究有一定参考价值。     

高压实膨润土脱湿——吸湿过程研究

膨润土具吸水膨胀、失水收缩的特征,本研究进行了高压实膨润土脱湿过程与吸湿过程研究,发现高压实膨润土之脱湿过程与吸湿过程并不重合,吸湿过程之变化明显比脱湿过程显著,但均体现随含水率减小,孔隙比减小的特点,此结果对非饱和膨润土性能研究有一定参考价值。     

考虑毛细滞回效应的非饱和多孔介质渗流与变形耦合本构模型

在Wheeler本构模型框架的基础上,提出了一个水力与力学耦合的本构模型。该模型中的土-水特征曲线采用毛细滞回内变量模型,能够更好地描述水力历史变化下毛细滞回现象对非饱和多孔介质变形的影响,同时也可描述非饱和多孔介质变形对渗流的影响。非饱和土的强度不仅与吸力有关,而且受到饱和度的影响。相同的吸力下,土样经过吸湿和脱湿路径的饱和度不同,因此,非饱和土的强度也不同。此模型以体积含水率的塑性变化和体变的塑性变化为硬化参数,不仅能描述基质吸力对非饱和土的强化作用,而且考虑了饱和度对强度及变形的影响。试验结果与模型预测基本吻合,证明该模型能够模拟非饱和土的主要特性。为了简化,此模型是在各向同性荷载下推得的,有待于推广到一般的应力状态     

吸力历史对非饱和粉土动力变形特性的影响

以非饱和粉土为研究对象,利用吸力可控的动三轴仪对其进行动力变形试验,得到了在不同净围压和不同吸力路径下非饱和粉土试样的骨架曲线、动弹性模量和阻尼比,研究了先脱湿后吸湿的吸力历史对其动力变形特性的影响。结果表明,在同一净围压和吸力下,非饱和粉土试样经历过先脱湿后吸湿的骨架曲线和动弹性模量比仅经过脱湿的要高,而试样经历过先脱湿后吸湿的阻尼比比仅经过脱湿的要小;此外,随着非饱和粉土试样经历过最大吸力的增大,其骨架曲线和动弹性模量增大,而阻尼比减小。试验结果可用非饱和土的平均骨架应力和弯液面水的表面张力作用来解释,并用两项联合预测非饱和土试样的最大剪切模量。     

压实黏质砂土脱湿过程影响机制的核磁共振分析

通过对具有不同初始含水率和干密度的两种压实黏质砂土的脱湿曲线进行测试、分析和对比,并结合核磁共振技术,探讨了干密度、初始含水率和土样组分对压实黏质砂土脱湿过程的影响规律。利用核磁共振测得了试样在各级吸力下的T2时间（横向弛豫时间）分布曲线,定性地探讨了不同吸力下试样中的水分分布特征,揭示了干密度、初始含水率和土样组分对试样脱湿过程的微观机制影响。试验结果表明：干密度仅在低基质吸力条件下对试样脱湿过程产生重要影响,而在高吸力条件下初始含水率和试样组分起主导作用;核磁共振结果证实在压实黏质砂土中,小孔隙结构主要由初始含水率和试样组分控制,而大孔隙的结构主要取决于干密度;试样组分对压实土的内部结构和孔隙大小分布的影响比初始含水率大。     

荒漠地区生物土壤结皮的水文物理特征分析

通过室内压力陶土板系统测定土壤含水率与基质势的关系与Star-1土壤水分物理特征测定系统确定非饱和土壤水力传导度的方法,结合应用van Genuchten公式模拟,分析了位于腾格里沙漠东南缘包兰铁路沙坡头段人工生态防护体系生物土壤结皮的水文物理特征,确定了其水分特征曲线、非饱和土壤水力传导度、非饱和弥散系数,并与原始沙丘沙进行比较。结果表明,生物土壤结皮的持水能力是沙丘沙的3~9倍。当土壤基质势在-1~-3 000 cm的较高范围变化时,生物土壤结皮平均非饱和水力传导度低于沙丘沙(约为12%);而当土壤基质势在-3 000~-15 000 cm的较低范围变化时,沙丘沙的平均非饱和水力传导度又大大低于生物土壤结皮(约为91.0%)。正是由于生物土壤结皮特殊的质地与结构,使其非饱和水力传导度随着土壤基质势的降低,以及土壤含水量的减少,而趋于增大。与原始沙丘沙比较,生物土壤结皮独特的水文物理特点决定了它对荒漠地区土壤微生境的改善与促进作用,特别是通常情况下的高持水能力与低土壤基质势条件下的较高非饱和水力传导度,能够提高浅层土壤水分的有效性,有利于人工生态防护体系主要组分浅根系灌木、草本植物与小型土壤动物的生存繁衍。     

全吸力范围南阳膨胀土的土-水特征曲线

膨胀土的失水收缩、吸水膨胀过程分别对应着土-水特征曲线的脱湿和吸湿阶段。土-水特征曲线对于研究非饱和土的水力与力学特性有着重要作用。用压力板法（吸力范围0～1.5 MPa）、滤纸法（吸力范围0～40 MPa）和蒸汽平衡法（吸力范围3～368 MPa）,分别对南阳膨胀土进行了土-水特性试验,得到全吸力范围内的土-水特征曲线。试验结果表明：初始孔隙比大致相同土样的土-水特征曲线,在低吸力范围内脱湿曲线与吸湿曲线具有明显的滞回现象。当吸力大于300 MPa时,土-水特征曲线的滞回效应基本消失,即脱湿曲线与吸湿曲线基本重合。滤纸法所测出的土-水特性落在主脱湿和主吸湿曲线的滞回圈内。当吸力等于367.54 MPa时,含水率仅为0.325%,几乎近于0。孔隙比随着吸力的变化规律中,不仅受到吸力大小的影响,还受到吸力历史和吸力路径影响;孔隙比与吸力关系中,相同吸力时吸湿路径的孔隙比要比脱湿路径的大;在吸力低范围,吸湿路径与脱湿路径的孔隙比相近。孔隙比与饱和度关系因吸力路径的不同也存在着明显的滞回效应,接近饱和时趋近一致。变吸力情况条件下,饱和度随着孔隙比的增加而增加,蒸汽平衡法得出的孔隙比与饱和度的关系具有明显的线性关系,而压力板法做出来的低吸力范围内的线性关系不明显。     

基于连续分形理论的土壤非饱和水力传导度的研究

土壤的孔隙是具有连续分形性质的物理结构,根据土壤孔隙分形结构建立了非饱和水力传导度模型。模型包括综合系数、分形维数和临界体积比3个参数,综合系数为不同土壤基质势对应的非饱和水力传导度与饱和传导度之间的水力联系,与土壤质地有关;分形维数反映土壤孔隙结构对于非饱和水力传导度的作用,土壤不同尺寸孔隙之间的连通性则通过临界体积加以描述。模型具有较为明确的物理解释。将模型应用于5种不同土壤的结果表明,所提出的非饱和水力传导度模型具有较好的模拟效果。     

高围压下砂土的渗透特性试验研究

利用高压三轴渗透试验系统,对某矿区深部的粗砂和细砂进行了高围压条件下的渗透试验。研究了同一水力梯度下渗透系数与围压的关系;同一围压下渗透系数与渗透水力梯度的关系;同一水力梯度下,围压逐级加载的渗透系数与一次加载的渗透系数之间的差别。结果表明,粗砂和细砂在同一水力梯度下渗透系数均随围压的增大而逐渐减小,在同一围压下,渗透系数会随渗透水力梯度的增大而逐渐增大;同一水力梯度下,围压逐级加载下的渗透系数明显小于一次加载条件下的渗透系数。根据围压与渗透系数的关系拟合出了两种砂样渗透系数与围压关系的数学表达式。为探究高围压下渗透系数变化的原因,研究了砂样试验过程中的体积变化和试验前后的粒度成分变化。结果表明,围压的施加过程伴随着试样的体积减小,相应的孔隙度减小,渗透系数降低;高围压条件下,砂土颗粒被挤碎成细颗粒,使得砂土的细粒含量增多,孔隙度减小,导致了砂土渗透系数的降低。     

An analytical model for multiple fractured shale gas wells considering fracture networks and dynamic gas properties

Multi-stage fractured horizontal wells play an important role in developing shale gas reservoirs by significantly improving productivity. By considering fracture networks, gas desorption, stress-sensitive fracture permeability, and pressure-dependent gas PVT properties, an analytical model is developed for shale gas wells. Fracture networks are handled based on transient linear flow, gas desorption is handled by defining a new total compressibility, stress-dependent hydraulic fracture permeability is handled by variable substitution, and pseudo-pressure and pseudo-time are used to handle pressure-dependent PVT properties. After obtaining the solution of the linearized model, a material balance method and successive substitution iteration procedure are proposed to convert the pseudo-time into real time and calculate the production contribution from gas desorption. The results show that induced fractures also have a great impact on the production of the well. Production contribution from free gas and adsorbed gas could be quantified using the proposed material balance principle and iterative method. The rank of parameters that influence the ultimate recovery is the following: half-length of hydraulic fracture, induced fracture length/hydraulic fracture spacing, hydraulic fracture spacing, conductivity of induced fractures, conductivity of hydraulic fracture, and induced fracture spacing.     

基于局域化EnKF同时同化地下水水流和溶质运移数据的渗透系数场识别研究

局域化改进集合卡尔曼滤波（EnKF）可以克服EnKF方法在使用小集合时,对参数识别精度较低的缺陷,其能同化 地下水位观测数据有效识别渗透系数场。实际工作中,溶质运移数据也较容易获得。崔凯鹏（2013）尝试增加溶质运移 数据以改进只同化水流数据对渗透系数的估计结果,但是精度提高有限。本文在其基础上修改模型,进一步增加溶质注 入井,探究同时同化水头和溶质运移数据,对渗透系数场识别效果,之后对比了局域化EnKF与非局域化EnKF参数识别结 果,并分析了溶质影响范围与参数识别的关系。结果表明：同时同化溶质运移和水头资料,比同化单一种类观测数据识别 的渗透系数精度更高;相同实现数目下,局域化EnKF比EnKF对渗透系数场的估计结果与真实场更为接近;仅考虑溶质影 响范围内的渗透系数,同化水头数据在最后时刻参数识别结果好于同化溶质运移数据参数识别结果,但差别不大。     

基于MODFLOW-SUB建立变渗透系数的地下水流-地面沉降模型

在基于MODFLOW-SUB建立的地下水流-地面沉降模型中,设定黏性土夹层内垂向渗透系数为常数,但黏性土夹层在压缩过程中,其垂向渗透系数会随之变化,因而运用该模型预测长期地面沉降可能与实际情况有较大差距。本次研究通过结合沉降过程中黏性土夹层内垂向渗透系数与水头的变化规律对SUB源代码进行改进,建立变渗透系数模型,并以美国地质调查局建立的加州羚羊谷典型结构为基础设计算例,分别对常渗透系数模型和变渗透系数模型进行模拟。结果显示：在开采初期的前20 a,两模型具有较好的一致性;随着开采的持续进行,变渗透系模型计算的累计沉降量逐渐小于常渗透系数模型,80 a内沉降量减少了约15.6%;随着开采量的增大,两模型产生差异的时间逐步提前且最终沉降差值增大;随着夹层厚度的增大,两模型产生差异的时间逐步滞后但最终沉降差值增大。由此表明,常渗透系数模型和变渗透系数模型在开采初期都具有很好的适用性,可以满足模型精度,但随着开采时间的延续,变渗透系数模型可以更好地反映实际压缩沉降过程。     

地下热水回灌过程中渗透系数研究

地下热水回灌是处理地热开发利用中所引发的热储层压力降低和弃水污染环境等问题的有效方法。第三系热储层的回灌过程中，由于物理阻塞和化学阻塞，导致热储层的渗透性下降。回扬可在短时间内消除或缓解堵塞问题，提高回灌效率。将利用回灌试验数据求得的渗透系数进行回归，得到渗透系数衰减方程。用数值方法模拟渗透系数对回灌的影响，对比渗透系数为常数与渗透系数变化两种情况，结果表明渗透系数衰减是第三系回灌能力下降的主要原因，渗透系数是影响回灌的重要因素。     

确定Brooks-Corey土壤水力特性模型参数的垂直入渗方法

在水平入渗方法的基础上,提出了一种不需测定饱和导水率,仅利用一维垂直入渗试验即可确定Brooks-Co-rey模型参数的新方法.利用封丘县两种质地土壤的入渗资料,对所提出的方法进行了检验.结果表明,只要入渗历时足够长,基质势和重力势作用相当,垂直入渗方法确定的土壤水力参数与水平吸渗方法的预测结果相近;利用预测的参数,数...     

河床水力传导度及其各向异性的测定

采用直接测定法观测了黑河中游段河床水力传导度及其各向异性,结果表明:河床水力传导度不仅存在较强的各向异性,而且存在空间尺度上的变异性.河床中心位置在垂直、水平和θ=30°方向的平均水力传导度分别为0.45、22.49和1.71 m/d,河床边分别为5.95、29.69、16.80 m/d.在同一测点,水力传导度随着与水平方向的夹角增大呈幂函数曲线下降.试验结果表明河床边是河水的主要渗漏区,并且以侧渗为主.     

空气扰动技术修复氯苯污染地下水的影响因素研究

通过实验室一维砂柱模拟研究了不同影响因素下空气扰动技术(air sparging,AS)修复氯苯污染地下水的效果,包括介质渗透性、曝气方式、共存污染物、残余饱和态氯苯。结果表明:介质渗透性极大地影响着AS的效果,渗透系数越大,去除效果越好。对渗透系数为10-5m/s数量级及其以下的介质应用AS较为困难;在曝气时间相同的情况下,对于渗透系数为5.1×10-4m/s的中砂,脉冲曝气较连续曝气效果好,对于渗透系数为6.2×10-3m/s的粗砂,2种曝气方式效果相仿;苯和氯苯共存时各污染物的去除存在协同作用;AS对残余饱和态氯苯的去除存在着明显的拖尾效应。     

咸淡水驱替过程中含水介质渗透性变化的试验研究

在野外水文地质调查的基础上,采集青岛市大沽河下游咸水入侵区砂样,首先对含水介质的粒度和矿物组成进行了分析,然后通过室内砂槽模拟试验,对咸淡水驱替过程中含水介质的渗透性变化规律进行了研究。结果表明,当咸淡水相互驱替时,含水介质的渗透性会发生显著变化,这种变化主要是由于驱替液盐浓度的变化,使得伊利石、高岭石和绿泥石等非膨胀性粘土矿物经释放、迁移、絮凝和沉积,从而重新分布所引起的。含水介质渗透性的变化具有明显的非均质性,即位于距入水处不同水平距离以及不同高度处的含水介质,其渗透性变化规律有所不同。     

Relationship between hydraulic conductivity of karst collapse column and its surrounding lithology

Groundwater inrush from karst collapse column (KCC) is a serious water hazard in North China. The factors determining the hydraulic conductivity of KCC remain unclear. This study analyzes the hydraulic conductivity of two KCCs from the same coal mine region and one KCC from different strata and statistically compares lithology-related data for KCCs from 11 coal mines in North China. Finally, we calculated the probability of the hydraulic conductivity of KCC and compared these calculations with field data. The results indicate that the hydraulic conductivity of KCC is mostly affected by surrounding lithology formation and closely correlated with mudstone content. When the thickness ratio of mudstone in the surrounding strata is less than 0.5, the hydraulic conductivity of KCC is more likely to be permeable. This observation of the mudstone thickness ratio provided here can be used as a criterion to qualitatively assess the hydraulic conductivity of KCCs.