土石围堰渗流场分析及稳定性评价

为了分析上游土石围堰防渗设施的布置方案及其阻渗效果,对设有防渗墙的土石围堰进行渗流计算,确定设计洪水期的堰体渗流场,并对防渗墙入岩深度、基岩、防渗墙渗透系数等进行敏感性分析:材料渗透系数的变化对渗透坡降的影响较大,其中防渗墙渗透系数改变后的影响最为显著。同时,运用瑞典法、Bishop、Janbu法计算各工况的围堰堰坡安全系数,其计算成果显示:各工况的堰坡稳定性符合一般规律;设计洪水期以及同时考虑与地震组合作用时,堰坡的稳定系数降低明显;如不考虑防渗措施,其围堰的稳定性系数还将降低更多,说明该工程的防渗设施是有效的。防渗墙的质量优劣对堰体渗流控制和安全稳定性起着重要的作用,在施工阶段一定要严格施工质量,保证工程的安全运行。     

三维颗粒流数值模型的胶结砂岩力学特性

为了更好地反映砂岩胶结性状对力学特性的影响,以油藏储层砂岩为研究对象,建立基于平行粘结接触的三维颗粒流数值模型(PFC3D)用以模拟剪切试验中砂岩结构的破坏机理.进行PFC3D的二次开发描述平行粘结分布和力学性质,分析剪切过程中砂岩体应力比、体应变、配位数和粘结破坏与应变之间的关系,通过接触网络的演化说明力链的重要作用,验证了数值模型的可行性.对比研究了不同胶结半径比、平行粘结刚度和胶结量变化对胶结砂岩力学特性的影响,阐明了胶结性状对砂岩结构受力的控制作用,为建立特定条件的胶结砂岩破坏机理提供了科学依据.     

考虑流固耦合效应的储层砂岩力学响应分析

用柱坐标系下的三维颗粒流数值方法研究储层砂岩的力学响应。通过实际颗粒级配的数值模拟与室内三轴试验对比,确定砂岩颗粒的细观力学参数,建立基于流固耦合效应的射孔试验模型。结果表明:砂岩的宏观应力反映了油藏流速对砂岩应力的增幅,但均未超过储层砂岩的峰值强度,最大塑性区约为12.9 mm,显示局部化的砂岩破坏过程;胶结应力的变化表明流速大于3 m/s时,增幅明显的剪应力加速了砂岩的剪切破坏,且颗粒平动和转动加剧,说明砂岩的胶结破坏严重,离散颗粒数呈量级增大,塑性区扩大明显。考虑流固耦合效应的三维数值方法能有效反映油井出砂的力学特性,当油藏流动对砂岩起控制作用时,出砂几率显著提高。     

旋挖钻机截齿的破岩机理及优化研究

旋挖钻机成孔的显著优势备受关注,但实际钻孔很难达到理想的破岩效果,揭示复杂地层赋存环境的钻头破岩机理是关键。文中基于Boussinesq问题的求解,得到动力头压力和扭矩作用于截齿时的岩石受力及位移,推导截齿破岩时的侵入力及切削力表达式。建立单截齿破岩的三维数值模型,获得钻头钻进中截齿的侵入力及切削力变化规律,对比理论结果以验证数值模型的可行性。基于旋挖钻机双截齿破岩过程的数值模拟,分析钻进中的岩体力学响应及裂纹演化以揭示截齿的破岩机理,探讨不同截齿布置的旋挖钻机破岩力特征,阐明截齿倾角或偏斜角增大都将不同程度地改变破岩力大小。进一步分析截齿布置方式与不同类型地层组合的破岩效率,结果表明,截齿倾角或截齿偏斜角或截齿间距相等时,由软到硬地层的破碎比功逐渐增大,且钻进某一地层的破碎比功先减小后增大,存在最优的截齿布置使得钻进效率最高。研究成果可为旋挖钻机截齿设计的优化和破岩效率的提高提供理论依据。     

改进的PFC流固耦合模型及其储层页岩渗透破坏模拟研究

深入研究储层页岩的裂缝扩展及其渗透性演化过程是有效确定储层页岩气采收率的关键.基于颗粒流离散元法(PFC)软件,针对PFC经典流固耦合算法的局限性,提出使用几何图形替换接触定义流体流动管道的流固耦合分析方法,解决经典算法中因为接触破坏而导致流动管道失效的问题,能更真实地描述页岩破坏后的裂缝优先流效应.建立基于改进流固耦合算法的层理页岩颗粒流模型,分析荷载作用下页岩渗流过程中的孔隙压力和流量演化规律,对比试验结果以验证其算法的合理性.进一步研究了不同围压组合渗透压的页岩渗透特性,其结果表明：层理倾角对页岩初始渗透率的影响显著,围压一定时,其初始渗透率随层理倾角增加而增大,围压越小则影响程度越大;渗透压一定时,初始渗透率随围压增大而减小.最后,深入研究了不同围压组合渗透压的页岩破坏模式,显示不同荷载组合下的裂缝形态差异显著,高围压高渗透压下的页岩破坏微裂缝多,以X型剪切破坏或拉-剪混合破坏为主,而低围压低渗透压下的页岩破坏大多沿层理面形成剪切破坏.以上成果可为水力压裂诱发储层页岩损伤破裂的渗流通道形成及其渗透性演化提供科学依据和技术支持.     

复合地层盘形双滚刀的破岩过程分析

复杂环境中的隧道施工常遇到软硬不均或岩性变化大的复合地层,TBM的掘进施工优势凸显.但工程应用显示两类地层的岩土力学、地质特征等显著差异,复合地层的TBM隧道掘进与均质地层的破岩过程不同.为了提高复合地层TBM盘形滚刀的破岩效率,建立考虑裂隙网络扩展过程的双滚刀破岩三维离散元模型,模拟软硬不均复合地层中不同节理间距、节理倾角以及围压下的滚刀破岩过程,探讨对应的最优滚刀间距.其结果表明:节理对复合地层滚刀破岩是有利的,节理间距越小,岩体越破碎,破岩荷载越小,功耗也越小,破岩效率高;且节理倾向于软岩时,由于节理面的阻隔作用导致破碎区沿着节理界面延伸而无法贯通到临近岩层,软岩更易充分破坏;围压越大,则破岩荷载越大,功耗越大,则破岩效率相对较低.可见,复合地层的破岩过程中地层岩性及赋存环境的主导作用相对明显,进一步反映了复合地层不同于均质地层的滚刀破岩特征,这对深入研究复合地层TBM双滚刀破坏机理、滚刀优化设计及提高破岩效率具有重要的工程价值.     

考虑流固耦合效应的饱和砂土渗透破坏数值模拟

综合考虑水压力梯度力和拖曳力产生的流固耦合效应,建立3维颗粒流(PFC3D )数值模型,从细观角度分析砂土颗粒运动及水压力分布,与理论结果比较以验证数值模型的可行性,并建立实际的饱和砂土渗流模型,模拟超过临界水力梯度后的砂土颗粒运动及赋存状态。结果表明：水流速和颗粒级配对介质颗粒运动的影响较大,颗粒刚度比和摩擦系数的影响相对较小,但较软的颗粒能提高计算效率。该模型可从宏细观角度更准确地反映饱和砂土介质的渗透破坏机理,对实际工程的渗透破坏具有指导作用。     

持续开采的储层砂岩出砂机理分析

基于3维颗粒流数值模型,从细观角度模拟油藏恒速持续流动时的砂岩力学响应,分析出砂的发生和发展过程.射孔周围砂岩的应力变化曲线说明油藏流动增大砂岩的应力,持续时间越长,应力增幅越大,砂岩更易剪切屈服而破坏,出砂几率越大.油藏恒速持续流动时,砂岩的颗粒粘结剪应力比张拉应力的增幅更明显,说明砂岩的破坏以剪切为主.颗粒的平均位移和旋转再次说明油藏的持续流动增大了油井的出砂几率.结果表明油藏的持续高速流动对砂岩受力干扰较大,出砂几率增大,为持续开采中的出砂与产能平衡提供了重要的科学依据.     

黏土隧道稳定的力学机制研究

运用Acutronic 661型离心机研究超前小导管注浆加固圆形隧道的塑性变形机制,试验隧道在平面应变条件下的超固结黏土中开挖,小导管采用具有一定硬度的合成树脂模拟,管间相互重叠形成拱形加固区,设置在圆形隧道开挖面的两侧.试验目的在于研究隧道建设过程中小导管注浆"洞侧加固"工艺对地表沉降和隧道稳定性的影响.在此基础上,从塑性极限分析上限法的基本原理出发,构建小导管注浆黏土隧道的垮落机制,采用解析法导出双角变量稳定率上限方程,通过该方程进一步讨论隧道埋深、土体强度、小导管注浆体对单圆形隧道稳定率上限解的影响.最后由离心模型试验结果证实其上限解的正确性.