施工期盾构隧道上浮机理与控制对策分析

从盾构隧道上覆土的最小厚度计算入手,提出因注浆浆液或泥浆、水等液体包裹管片而形成的静态浮力通常不足以使隧道上浮;在分析注浆压力分布模式的基础上,将注浆压力可能产生的动态上浮力与浆液环产生的静态浮力进行了比较,认为因注浆压力产生的动态上浮力是盾构隧道施工中产生上浮的主要原因,进而提出了控制盾构隧道管片上浮的最小上覆土厚度及最大注浆压力计算式,验算结果与实际情况吻合;最后,基于对管片上浮机理的分析,对管片上浮控制提出了一些建议,并提出为防止管片上浮,需依据埋深、周围土体特性、注浆孔在管片环上的位置情况等对注浆压力实施动态控制.     

盾构隧道同步注浆纵环向整体扩散理论模型

针对目前现有的盾尾同步注浆扩散模型以浆液纵环向流动相互独立为前提,未考虑浆液流动的关联性问题,基于Bingham流体本构模型和流体力学原理,分析盾构隧道同步注浆扩散模式机理,建立了盾尾同步注浆纵环向整体扩散理论模型。基于时空离散概念,设计求解该理论模型的数值算法。结合工程实例,对理论模型和数值算法进行了验证,并与现有的环向独立扩散模型计算结果进行对比和分析。分析结果表明:纵环向整体扩散模型相较于环向扩散模型,改进了假定条件,不需引入环饼厚度等敏感假定参数,更加贴近工程实际情况;浆液压力整体上呈现着上小下大重力主导的趋势,竖向梯度约为16 kPa·m~(-1),而在注浆孔附近局部区域浆液压力分布较为复杂,与注浆孔位、浆液流动方向以及注浆压力与环境压力之间的压力差等因素有关。     

固结-注浆等因素影响下的盾构沉降数值模拟分析

盾构施工引起的地表工后沉降受到包括土体应力变化、超孔隙水压力、注浆压力以及浆液弹模等多种因素的影响.利用应力传递理论计算出假定扰动区内的超孔隙水压力分布.基于牛顿体理论对浆液在盾尾的扩散形式进行理论分析,求得注浆压力的环向分布情况;借助试验研究了浆液弹模的时变性和注浆压力消散稳定情况.结合有限元软件对工后沉降进行模拟,计算了工后前90d左右的地表沉降值,分析了扰动度、注浆压力、浆体弹性模量对工后地表沉降的影响.算例模拟结果显示与实际情况十分吻合.     

盾构隧道壁后注浆浆液时变半球面扩散模型

在假定注浆浆液为粘度时变性流体且浆液沿半球面扩散的前提下,应用达西定律对盾构管片注浆扩散半径及浆液对管片产生的压力进行了理论推导,得到了浆液扩散半径及对管片产生的压力的计算式.通过具体实例,对比分析了考虑浆液粘度时变性和不考虑浆液粘度时变性2种条件下注浆压力、注浆时间、浆液初始粘度、土体渗透系数对浆液扩散半径及浆液压力的影响,得到了浆液压力的分布形式.分析结果表明,注浆压力和土体渗透系数较大且注浆时间较长时,浆液的粘度时变性对浆液扩散范围和压力的影响显著;可通过调整注浆压力、注浆时间、浆液特性来调整注浆效果.     

考虑自重的盾构壁后注浆浆液驱替渗透扩散

针对砂砾石地层中盾构壁后注浆施工过程,考虑浆液扩散过程的自重作用及浆液驱替效应,分析不同位置注浆孔浆液的渗透扩散特征.首先分析了重力作用下宾汉姆浆液渗透扩散运动方程,根据浆液球形扩散的连续性方程,建立浆液驱替渗透扩散模型,并给出顶部和底部注浆孔浆液扩散的解析解.计算结果表明:当考虑浆液驱替效应时,重力作用对浆液扩散距离的影响更加显著.基于浆液驱替效应的渗透扩散模型表明:在高渗透性地层中,当采用低压注浆时,随着注浆时间的增加,浆液所受重力对浆液渗透扩散过程的影响显著.     

基于微观孔喉结构的剩余油形成机理与动用界限

基于岩心实验,利用T2谱对不同孔喉半径的含油量进行了分析,确定了微观剩余油含量较高的孔喉半径分布状况;基于大、小孔喉并联模型,应用伯肃叶流动方程,考虑微观储层条件下的主要作用力,对原油的滞留机理及流动规律进行了研究;基于孔渗关系方程,确定了剩余油的动用界限,结合目标区块不同孔喉半径对应的剩余油分布特征,提出了高含水期剩余油挖潜对策。结果表明,随着驱替倍数的增加,大孔喉中的油逐渐驱出,水相逐渐变为连续相,小孔喉中形成“注水绕流式”的滞留剩余油;随着小孔喉半径的增大,临界驱替压力梯度减小,目标区块潜力孔喉半径为35μm,对应的临界驱替压力梯度为0.06MPa/m;上述成果应用到渤海SZ、QHD陆相稠油油田高含水期开发调整,由定向井反九点注采井网调整为水平井联合定向井行列、五点井网,采收率分别提高14.1%、15.2%,极大改善了高含水期开发效果。     

幂律流体在内管做行星运动的环空中流动时的内管法向应力分布

给出了运动双极坐标系中幂律流体在内管做行星运动的环空中流动时的控制方程以及内管法向应力分布的计算公式.在采用有限差分法对控制方程进行数值求解的基础上,利用计算公式对内管法向应力分布进行了数值计算;绘制了内管法向应力分布曲线,并对其影响因素进行了分析.结果表明,内管自转和公转速度、环空偏心度是影响内管法向应力分布的主要因素,而压力梯度的影响很小.     

幂律流体在内管做行星运动的环空中流动时的内管法向应力分布

给出了运动双极坐标系中幂律流体在内管做行星运动的环空中流动时的控制方程以及内管法向应力分布的计算公式。在采用有限差分法对控制方程进行数值求解的基础上,利用计算公式对内管法向应力分布进行了数值计算;绘制了内管法向应力分布曲线,并对其影响因素进行了分析。结果表明,内管自转和公转速度、环空偏心度是影响内管法向应力分布的主要因素,而压力梯度的影响很小。     

泥砂介质注浆渗流通道形成力学机理分析

为研究在泥砂介质中的注浆渗流通道形成机理,设计了注浆实验系统;并由实验结果可知化学浆液在泥沙介质中渗流的主要形式为柱形渗流和面形渗流两种;在格里菲斯判据的基础上,推导了浆液形成渗流通道所需要的最小注浆压力p min;在渗流力学的基础上分析了浆液在介质中渗流的的压力损失,得知浆液在渗流通道不同位置处的注浆压力p1;当p1p min时,浆液将劈裂被注介质形成新的渗流通道;当p1p min时,浆液将停止劈裂被注介质,该通道封闭。     

水泥-水玻璃浆液在圆砾层的扩散规律

基于浆液在孔隙介质中的渗流方程,推导出了圆砾层中浆液流动时间、注浆量、扩散半径的计算式,并在一定的假设条件下,获得了水泥-水玻璃浆液粘度随时间变化的规律,探讨了不同注浆压力和浆液流动时间对浆液扩散半径的影响.浆液扩散半径随注浆压力的增大呈非线性增大,随浆液流动时间的增大呈非线性减小.圆砾层防渗注浆工程实例验证了圆砾层双液注浆计算式的正确性.     

高黏性浆液在富水破碎带隧道涌水治理中的应用

富水破碎带隧道的涌水常常会引起一系列地质灾害, 其中高黏性浆液作为一种治水材料, 在富水破碎带的治水过程中发挥了积极的作用. 实验测量得到了常用水泥浆液和高黏性浆液黏性随时间变化的规律, 并分析黏度变化对注浆治水的影响. 引入孔隙率、渗透率动态模型,建立了适用于富水破碎带注浆治水的流固耦合数学模型, 分析了高黏性浆液注浆过程中压力梯度、应变率和孔隙率变化, 确定高黏性浆液流动半径. 结合浅层填充挤压、深层高压挤密的注浆思路设置了排水减压孔, 参考计算结果设计试验方案. 通过监测隧道涌水量和检测钻孔取芯, 验证了数学模型和试验方案的合理性. 试验结果表明, 隧道涌水量下降了97%, 达到了封堵涌水的目的; 现场芯样充填饱满密实, 抗压强度较原始地层提高了2~4 倍, 围岩整体防渗性能和稳定性得到大幅提升. 该结果不仅验证了数学模型的合理性, 还为类似地层治水处理提供了新的思路.     

环形浅液池内双组分溶液耦合热溶质毛细对流渐近解

采用匹配渐近展开法求解环形浅液池内热溶质耦合毛细对流中心区域渐近解,分析Soret效应和浮力对流动的影响。结果表明,当不考虑溶质毛细力和浓度的不均匀引起的浮力作用时,该解与环形浅液池内纯工质热毛细浮力对流或热毛细对流的渐近解完全一致;在浅液池内,浮力的影响较小,耦合的热溶质毛细力对流动过程起主导作用;当各种耦合的驱动力作用方向相同时,流动加强,相反,一旦存在反向的情况,则流动必然相互削弱。     

同位网格有限体积法在变密度浆液流场计算中的应用

为研究自膨胀浆液的扩散机理,基于现代计算流体动力学理论,建立了一种变密度浆液二维流场计算方法.该方法采用结构化同位网格剖分计算区域,利用有限体积法离散浆液流动控制方程,借助动量插值技术构建压力修正方程;采用压力耦合方程组的半隐式算法(SIMPLE)迭代求解动量离散方程和压力、速度修正方程.通过变密度浆液在二维矩形狭槽中自由膨胀算例对该算法进行检验.结果表明,该方法求解正确,并具有较高的计算精度,为建立膨胀性高聚物注浆材料在二维裂隙中流动扩散仿真分析方法奠定了基础.     

利用漏失曲线计算抽油机井悬点静载荷

抽油机井示功仪测试的上、下漏失曲线反映了抽油杆在静止状态下的受力.本文提出了利用漏失曲线计算悬点静载荷的方法,分析了上、下漏失曲线的载荷组成;建立了测试上、下漏失曲线时抽油杆的受力平衡方程;通过对方程的分析,得到抽油杆自重、泵出口压力、液柱载荷以及抽油杆所受浮力的计算公式.分析了用传统方法计算抽油杆柱自重和泵出口压力时产生较大误差的原因.该方法测试数据简单,计算结果更符合实际.所得到的参数对油井工况诊断和油井工艺方案设计具有重要作用.     

盾构壁后注浆宾汉姆浆液驱替渗透扩散模型

以宾汉姆流型浆液为研究对象,基于浆液对地下水的驱替效应,运用广义达西定律及渗流力学相关理论,推导了壁后注浆球形驱替渗透扩散模型.通过算例分析了考虑浆液驱替效应时浆液的渗流扩散特征,并针对影响浆液渗透扩散的主要因素进行了分析.结果表明:考虑浆液驱替效应时,扩散锋面浆液压力随着扩散距离的增加沿下凹形曲线递减,虽然锋面浆液压力变化量较小,但对浆液的扩散半径影响较大,注浆1 h时浆液扩散距离减小约23%.     

大斜度井多簇水力压裂裂缝扩展数值模拟

大斜度井多簇水力压裂技术是开发低渗透油气田的有效手段,但压裂过程中出现的裂缝转向、应力干扰问题使得裂缝扩展形态十分复杂。本文基于全局粘聚区模型建立大斜度井3条裂缝同时扩展的有限元数值模拟,对不同井斜角、原位应力差条件下的裂缝注入点压力、裂缝形态进行研究。研究表明：当井斜角由20°增大至80°时,裂缝起裂逐渐变难,起裂压力增幅达47.38%,且中缝受边缝的干扰程度降低;裂缝形态由初始沿射孔方向延伸逐渐转向至沿垂向应力方向,且当井斜角等于60°时3条裂缝合并成一条主裂缝。当地应力差由0 MPa增大至5 MPa时,3簇裂缝的起裂压力逐渐降低,且中缝受边缝应力干扰程度增加;裂缝形态由沿着3条初始射孔方向延伸不发生明显裂缝转向,到起裂于初始损伤区之后迅速发生裂缝转向。该有限元计算模型可对现场大斜度井多簇水力压裂施工提供一定参考。     

框架柱在地基土支承损失条件下的内力分析

利用有限元法，通过对一栋１２ 层钢筋混凝土框架结构在１０ 种地基土支承损失条件下，土与上部结构协同工作的三维分析，探讨了框架柱内力变化的基本趋势．结果表明，支承损失对柱子轴力影响很小，对弯矩值的影响较大；但随着楼层的增高和表示地基土支承损失的土中孔洞尺寸的减小，以及其所在位置与基础地面距离的加大，对柱弯矩的影响逐渐减小．     

水上飞机静水起飞过程水气耦合性能分析

采用多相URANS(unsteady RANS)方法,针对水上飞机静水起飞过程中的性能分析,提出了一种新的数值模拟研究思路。通过考虑起飞过程中气动力和水动力之间的耦合影响、升力和浮力对水线位置高度变化的影响以及阻力和发动机推力对模型前进速度的影响,得到模型起飞过程中的受力变化趋势。模拟前通过分别计算标准模型的气动力和水动力并与实验数据对比,对数值计算方法进行了验证,模拟过程中通过VOF(volume of fluid)方法实现对自由液面界面的捕捉,最后通过对静水起飞过程中模型受力变化进行分析并与实验结果比较,对本文中的水气耦合数值计算进行了验证,计算结果表明,水上飞机低压载状态起飞过程中所受总阻力是缓慢增加的,并不会出现往复;同时水线高度逐渐下降,下降速度逐渐加快,且不会出现埋艏现象。     

反映动态启动压力梯度的低渗透油藏渗流模型

基于流体边界层理论,建立了一种描述在低渗透油藏流体非线性渗流特征的新模型,获得了动态启动压力梯 度的连续变化函数。应用考虑动态启动压力梯度的非线性渗流模型,建立了一维单相流体流动的数学模型,并应用全 隐式方法对离散方程进行了线性化处理;对比研究了线性渗流模型、拟线性和反映动态启动压力梯度的非线性渗流模 型下地层压力的分布特征及流体非线性渗流系数对动边界扩展的影响。数值结果表明：受动态启动压力梯度的影响 在近井区域地层压力下降幅度更大,在远井区域的地层压力越高,地层压力下降范围更小;非线性系数数值越小,流体 流动的非线性程度越强,动边界的扩展速度越慢。     

水平井筒两相流压力计算模型

对水平井筒变质量分层流动进行了微元段流动分析,根椐气相和液相的连续性方程及动量方程,忽略加速度的影响,得到了气、液两相的混合动量方程,并由此建立了水平井筒变质量气、液两相流动的压力梯度模型,该模型中考虑了流体从油藏到井筒流动的影响。利用已有的处理水平管分层流动的方法,计算了考虑流体沿水平井筒有径向流入时水平井筒的压力分布。因为水平井筒上不同点的生产指数不同,所以,本模型更接近于实际。对沿井筒的压力降和流入剖面进行了实例计算。结果表明,随着水平井半径的减小,压力降逐渐增大,从而产生了不均匀的流入剖面