西安地铁穿越地裂缝的抽水试验研究

查清地裂缝水文地质情况可以为西安地铁设计和施工提供科学依据。根据西安地铁勘察工作需要,2008年7月～9月选择地裂缝穿过的西安市劳动路小学院内场地首次尝试进行跨地裂缝水文地质专项现场试验。试验内容包括试坑渗水试验、钻孔注水和抽水试验,并以1号抽水井的稳定流抽水试验为典型,研究地裂缝对地下水渗流的影响。采用带1个观测孔的稳定流潜水完整井公式、带2个观测孔的稳定流潜水完整井公式以及潜水完整井水位恢复速度计算公式等3个渗透系数计算方法,得到了地表浅层土体沿地裂缝走向和垂直于地裂缝走向的渗透系数,分析了渗透系数的差异性;最后利用MADIS有限元软件模拟场地内建筑物对地基土施加应力,探讨了建筑物对场地土体的影响。结果表明:利用上述3个公式计算,都得到沿地裂缝方向土体的渗透系数比垂直地裂缝方向的土体稍大;在同一落程中,利用潜水完整井水位恢复速度公式计算得到的渗透系数最大,利用带2个观测孔的稳定流潜水完整井公式计算得到的渗透系数次之,利用带1个观测孔的稳定流潜水完整井公式计算得到的渗透系数最小,这主要是由井损造成的;建筑物对场地土体的影响主要集中在素填土层、黄土层和古土壤层,粉质黏土层以下影响则逐渐减弱,影响深度在18m左右;由于建筑物长期对地裂缝上盘土体施加荷载,附加应力作用使地基土固结压密,导致地裂缝上盘土体的渗透系数较下盘小。     

煤层注水促抽瓦斯及其影响因素的数值模拟

为有效预防煤矿瓦斯灾害,获取煤层注水促抽瓦斯的合理参数,以常村煤矿2103工作面为例,依据多相渗流理论,采用Fluent软件的VOF模型及多孔介质模型耦合求解,对煤层注水促抽瓦斯技术及其影响因素进行数值模拟,并将模拟结果应用于现场,对比分析数值模拟与现场实测数据,二者基本吻合.研究结果表明:煤层瓦斯含量以注水孔为中心径向逐步降低,以抽采孔为中心径向逐步升高;注水前抽采阶段,随着抽采时间的增加,抽采范围逐渐增大,抽采孔瓦斯流量先快速下降,后逐步缓慢降低;注水促抽阶段,随着注水时间的增加,注水范围逐渐增大,注水流量逐步降低,煤层瓦斯含量缓慢升高,抽采孔瓦斯流量逐渐增加;注水后抽采阶段,随着抽采时间的增加,压力水覆盖范围持续增大,煤层瓦斯含量逐渐降低,抽采孔瓦斯流量逐渐减小.注水时机、注水时间、注水压力、注水方式、布置方式及钻孔间距是影响煤层注水促抽瓦斯效果的6个主要因素.瓦斯正常抽采20 d后,按照一注一抽方式及5 m间距布置注抽钻孔,在8 MPa煤层注水压力下间歇注水10 d,煤层注水促抽瓦斯效果较好.     

对称结构不对称安装粘滞消能器时的抗震设计方法

克服强行解耦法(FD)不能求解对称结构由于不对称安装粘滞消能器而产生平扭耦合地震作用的不足,提出了一种求解该种情况下的平扭耦合地震反应的新方法———两步附加刚度法(TSAS).此外,在理论分析的基础上进一步提出了中低层对称结构不对称安装粘滞消能器时的实用抗震设计方法,推导出了相应的平扭耦合地震作用的计算公式.     

基于ALE法的输电塔-风流固耦合振动特性研究

基于ALE(拉格朗日-欧拉)法推导了结构-风场联合作用的流固耦合方程,并对结构的运动方程与流体控制方程进行了空间离散及迭代求解.应用此方法,分析输电塔-风耦联自由振动特性,得到在耦合场作用下输电塔结构的振动特性,计算结果表明了本文采用方法求解非线性耦合振动问题的有效性.     

抽汲井试井分析数学模型的建立及精确解

根据抽汲井试井工艺过程及其特点，采用已知上一次抽汲结束时的地层压力分布规律建立下一次抽汲数学模型的方法，建立了抽汲井试井分析数学模型，并在Ｌａｐｌａｃｅ空间求解出了相应的精确解。将这一成果应用于长庆油田之中，结果表明：该理论能描述抽汲井的井底压力瞬变性及抽汲期井底压力变化无规律性的特征，符合实际测试工艺情况，弥补了抽汲井试井这一空白；提高了该类井试井的解释率和解释结果的可信度。同时，利用该理论还可计算抽汲过程中任一时刻的井底压力和关井时刻的井底压力，解决了抽汲井难以计算关井时刻井底压力的问题。     

特低渗透油藏压裂水平井和直井联合井网形式研究

针对特低渗透油藏特点,以某实际油藏为基础,进行了合理压裂水平井直井联合井网形式研究;运用典型地质模型和数值模拟方法,采用局部网格非均匀加密和等连通系数法对裂缝网格进行了处理;综合对比分析了压裂直井注水-压裂水平井采油、压裂水平井注水-压裂直井采油、水平井注水-压裂水平井采油、直井注水-水平井采油、直井注水-直井采油、压裂直井注水-压裂直井采油等6种井网在不同井距排距的开发效果,优选合理井网形式.研究结果表明,该特低渗透油藏开发合理井距排距为200m×160m,应用压裂直井注水-压裂水平井采油井网可以取得较好的开发效果.     

潜水地区基坑降水诱发地面沉降的一种改进算法

针对潜水地区的基坑工程中抽降潜水会引发周围土体沉降,带来一系列的工程事故问题,忽略群井效应后基于裘布依假设求出基坑降水后井周地下水位的降落漏斗曲线方程.引入疏干带非饱和土体的有效应力原理,同时考虑降水产生的渗流力而引发的最终附加应力在水平方向上存在分量,采用分层总和法分别计算水位降落漏斗曲线上下疏干土与饱和土各自的竖向沉降量,叠加后得到抽降水后井周地表的最终总沉降量.通过数值模拟计算并结合具体的工程实例监测数据进行对比分析.研究结果表明,提出的改进计算方法具有较高的工程实用价值.     

浅部三层结构井灌井排地下水非稳定流计算及井距确定

本文针对浅部三层结构含水层地区,研究了大面积均匀布井情况下自承压含水层或潜水含水层或自二个含水层同时抽取定流量时水井附近地下水非稳定流的计算方法。推导山三层结构含水层各层水位降深计算式,并求得了抽水初期和抽水后期的近似解。计算公式形式简单,计算方便。同时,根据同一数学模型,采用迦略金法对三组偏微分方程离散,进行数值模拟计算。应用对各层相互交替计算的迭代求解,方法比较简便。数值计算结果与解析解十分吻合。文中提出在三层结构含水层,大面积上均匀布井情况下井灌井排的水井间距的计算公式,为拟定井距提供参考依据。     

降雨过程中滑体非饱和带的滞水量计算分析

为研究滑体中的非饱和带滞水在降雨补给潜水过程中的作用,提出降雨过程中非饱和带滞水的计算方法以及以非饱和带滞水为指标的降雨阈值评价方法.通过监测降雨量、坡体潜水位及排水结构的排水流量,建立统计模型来评估降雨产生的非饱和带滞水量.利用排水隧洞影响范围内的坡体模型和均匀渗流理论正坡浸润线分析了潜水位变化所对应的土体中潜水释水量,使潜水位通过量纲变换后与降雨量和排水流量量纲一致,从而进行三者的统计模型分析.利用坡体高度饱和条件下降雨过程的监测数据建立向量自回归模型,用于计算理论降雨量,得到低水位条件下降雨过程中产生的非饱和带滞水量.根据浙江省杭金衢高速公路K103滑坡的案例,采用三次暴雨过程中的降雨、排水隧洞排水流量与潜水位监测值对降雨过程中产生的非饱和带滞水量进行了计算,分析了非饱和带滞水量对降雨补给潜水过程所起的作用,结果表明：可以将当滞水量重量达到60 kN且地下水位达到0.6 m时作为指标来确定降雨阈值.     

井点布置对采能区地下水温度场的影响

针对目前地源热泵会对采能区地下水热量运移造成一定影响的问题,通过数值模拟的方式,对地源热泵工程含水介质水-热耦合运移进行模拟,并对井群进行优化处理.通过比较不同井距、加设帷幕、水流影响等情况下地源热泵运行的水-热运移结果,讨论热贯穿问题.综合考虑避免热贯穿的多方面因素对井点布设进行优化,得出最合理的井距、抽注水轴线与地下水流的角度、是否设置帷幕以及抽注层面选择等方案.对合理指导地源热泵的井点以及井群布设具有很好的意义.     

定向渗流诱导的非对称冻结帷幕稳态温度场解析解

受水流对流传热以及冻结管热传导叠加影响,渗流场作用下人工冻结帷幕的形状具有明显的非对称性。为解决冻结帷幕形状不规则给冻结温度场计算带来的困难,以直线排布的三管冻结温度场为研究对象,采用分段等效的方法,对该类冻结帷幕的形状进行简化,基于稳态温度场的求解理论,推导得出定向渗流作用下非对称冻结帷幕稳态温度场解析解以及冻结帷幕厚度、平均温度的计算公式。为了对公式的合理性进行验证,自主构建水热耦合物理模型试验系统,并开展不同流速条件下三管冻结温度场演化规律的模型试验。研究结果表明：关键轴线上冻结温度的计算值与试验结果的吻合程度较高,解析解的合理性得到模型试验的验证。冻结帷幕的交圈时间以及非对称系数随着流速的增加急剧增大。当地层中存在渗流场时,冻结温度场变化过程较为复杂,但冻结帷幕的平均温度整体仍然表现出随着冻结帷幕厚度的增加而降低的规律。本文得出的解析解能够实现对渗流场作用下人工冻结温度场较为准确的数学描述,将为大流速渗透地层人工冻结温度场的计算提供参考。     

饱和多孔岩体中温度场渗流场应力场耦合分析

利用混合物理论,推导出裂隙岩体等效连续介质温度场、渗流场和应力场三场耦合的全耦合数学模型及其控制方程.采用全耦合求解法给出了控制方程的有限元表达式,编制了相应的二维有限元程序.给出的应用算例计算结果较好地反映了渗流、应力及温度场耦合作用下位移、孔隙水压力、温度的变化规律,表明了该计算模型与所开发的数值计算程序是合理和实用的.     

考虑渗透动水压力时等效连续岩体渗流场与应力场耦合分析的数学模型

渗流对等效连续岩体的作用力包括渗透静水压力和渗透动水压力（渗流体积力）两部分。文中较全面地引入渗流与应力之间的相互作用关系,同时考虑渗透静水压力和渗流体积力的作用,以渗透系数与空隙率,体积应变的关系为桥梁,建立等效连续岩体渗流场与应力场耦合分析的数学模型,并采用有限元数值方法结合算例进行双场耦合分析与计算。结果表明,计入耦合作用,岩体各应力分量有不同程度的增大。     

管井(群井)降水在基础施工中的应用

介绍了利用管井（群井）降低地下水位线的方法及原理,该方法对基础开挖特别对渗流量较大的砂性地基效果显。     

双面排水条件下未打穿竖井地基固结计算

通过在竖向排水井底面以下土层中设置虚拟砂井, 得到了双面排水条件下考虑土层三维渗流从而更符合实际情况的解析解.根据所得解编制了计算程序, 分析了在双面排水情况下未打穿竖向排水井地基的固结性状, 并与单面排水情况进行了比较, 比较显示双面排水使未打穿砂井地基固结速率大为提高.同时, 以此解为基准, 对现有未打穿竖向排水井地基平均固结度近似计算公式和方法进行了较为详细的比较, 得出了现有近似计算公式及方法适用的范围.     

单排水孔轴对称填充流场解析解

工程中通常布置排水孔以降低岩体内部渗流压力.在运行过程中,充填物堵塞排水孔会限制排水能力,威胁工程安全.目前,对于填充排水孔的分析,主要考虑非填充区域的纯流体运动,却鲜有同时考虑填充区域和非填充区域的水流运动.鉴于此,建立自由流-渗流耦合理论模型,分析岩体内轴对称填充排水孔的流速分布,该理论模型中,排水孔中非填充区域纯...     

Development and validation of THM coupling model of methane-containing coal

Based on nine necessary basic assumptions for THM coupling model, this research comprehensively applied the theories of elastic mechanics, seepage mechanics and heat transfer, and established a real three-field and two-way coupled mathematical model to reveal the connections among seepage field, deformation field and temperature field within the system of methane-containing coal. In comparison between numerical and analytical solutions, the coupling modeling for THM of methane-containing coal was proved to be correct by model application in the physical simulation experiment of coal and gas outburst. The model established in this paper was the improvement of traditional seepage theory of methane-containing coal and fluid–solid coupled model theory, which can be widely used in prevention of coal and gas outburst as well as exploitation of coal bed methane.     

渗流问题的拓扑优化

分析拓扑优化中的密度惩罚函数插值法SIMP（Solid isotropic material with penalization model）,将结构力学中的拓扑优化方法应用到渗流问题的拓扑优化设计中,用有限元的方法建立了简单的理想状态下的渗流问题的拓扑优化数学模型,并采用基于剃度法的数值解法-优化准则法（OC系列算法）,以设计具有最小能量损耗情况下的流体最佳流动路径的拓扑分布。以一组二维渗流问题为例,说明了该模型的有效性,为渗流问题的优化设计提供了一种有效的新思路和方法。     

渗流井合理竖井降深确定

通过采用单位面积河流在单位水头差作用下的渗漏量来表征河流渗漏能力,建立渗流井取水理想模型,分别计算了在不同河流渗漏能力和含水层渗透性能条件下,竖井降深对渗流井出水量的影响。建立渗流井取水非稳定流模型,计算了在前期稳定竖井降深不同条件下,河流断流后渗流井出水量衰减过程及竖井降深发展过程。提出渗流井合理竖井降深应根据河流与地下水是否脱节以及含水层渗透性能,在岸边渗流井中部及一侧各布设一个观测孔,根据观测孔水位进行确定。对于含水层渗透性能较强地区,渗流井竖井降深应使得渗流井范围内地下水位与河流脱节,但高于辐射孔顶面;对于含水层渗透性能较差地区,渗流井竖井降深应使得侧部观测孔水位接近河床底面或刚出现脱节。     

软黏土三维水-热-力耦合冻融模型及应用

人工地层冻结法是沿海地区软黏土进行地层加固的一种常见绿色工法,地下空间开挖的大型及复杂化使目前冻结法面临更加复杂的渗流环境.为此,通过分凝冻胀理论刚性冰模型的三维化推广,建立能考虑水分迁移的热-水-力耦合作用冻胀融沉模型,以模拟复杂渗流环境下的人工冻结工程.基于模型使用COMSOL有限元进行模拟,与同尺寸室内模型试验数...