渗流计算水利水电工程论文提纲

论文题目：充填裂隙网络非线性渗流特性试验与模拟研究

摘要：结构面裂隙在岩土工程、采矿工程、核废料处理及水利水电建设等实际工程中广泛存在,无论是原生裂隙还是次生裂隙都是岩体的主要透水通道。工程施工过程中,由于扰动、卸荷等作用使裂隙带不断发育沟通了附近含水沙层与工作面的水力联系,就会引发裂隙网络非线性渗流,形成涌水、突水溃沙等一系列地质灾害。因此,裂隙网络中流体运动规律以及水沙两相相互作用机理是岩土工程界亟待解决的问题。流体在裂隙网络中的流动与在多孔介质或单裂隙中的运动具有显著的差异,针对裂隙网络渗流本身所具有的复杂性和特殊性,室内试验和开发数值计算模型是研究这一问题的有效手段。因此本文主要开展了以下研究工作:（1）经过大量实践与测试,自行设计了一套满足更大压力、流量和高浓度携沙流动试验要求的平面水力输沙试验系统。配套的分相测量装置能够实时、精确测量水沙的分相流速,对管涌、变质量流、突水溃沙和泥沙起动等类似试验研究具有一定的借鉴参考意义。（2）建立了考虑局部压力损失的交叉裂隙非线性渗流计算模型,对“十”字型交叉裂隙局部压力损失和流量分配规律进行了探讨,分析了雷诺数、隙宽比和交叉角度对“十”字型交叉裂隙渗流特性的影响程度。利用COMSOL软件求解不可压缩流体的Navier-Stokes方程模拟了交叉裂隙中流体的流动特性,并提出了实际裂隙网络中压力差的简化修正方法。（3）对不同开度、不同交叉角度的裂隙网络进行较为系统的试验研究,揭示了渗流过程中裂隙网络几何特性和水力特性的复杂变化,定量的分析了裂隙开度、交叉角度对非线性渗流参数（渗透率和非达西因子）以及渗流转捩临界参数等的影响。（4）对10组不同级配的颗粒填充体进行了渗流试验研究,通过引入曲率系数和不均匀系数系这2个参量系统地讨论了颗粒级配对充填介质非线性渗流特性的影响,掌握了充填介质颗粒组成对渗流转捩临界参数的影响,以及惯性力与粘滞力之间的转化规律。综合有效粒径、孔隙率、曲率系数和不均匀系数这4个参数拟合出半经验半理论渗透率和非达西因子计算公式。（5）通过一系列的充填裂隙网络非线性渗流特性试验研究,获得了颗粒起动的临界流速范围,建立了颗粒起动临界流速与粒径之间的函数关系。探讨了级配、水动力、裂隙网络几何特性等对颗粒流失特性、分布规律以及水沙两相运移特征的影响,定性地分析了水、可移动颗粒与骨架和裂隙壁面之间的相互作用以及渗漏通道的形成机理。成功地测试了试样的质量流失特征及孔隙率等随时间的变化规律,并确定了充填裂隙网络渗透率和非达西因子的计算方法。（6）以姜家湾煤矿顶板突水事故为例,基于物理试验结果建立考虑渗流潜蚀作用的导水裂隙带突水非达西渗流模型,把老空积水区、导水裂隙带和巷道整个水流路径有机的连接在一起,并借助FELAC软件对数值模型进行求解,再现突水发生、发展动态全过程,揭示渗流潜蚀作用下导水裂隙带突水非达西渗流机理,为老空水害的预测和防治提供参考。

关键词：突水;裂隙网络;非线性渗流;渗流潜蚀;水沙两相渗流;数值模拟

学科专业：岩土工程

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 单裂隙渗流特性研究

1.2.2 交叉裂隙渗流特性研究

1.2.3 裂隙网络渗流特性研究

1.2.4 水沙两相流动特性研究

1.2.5 突水溃沙机理研究

1.3 研究目的及内容

1.4 研究方法与技术路线

第2章 平面水力输沙试验系统研制

2.1 研制目的及意义

2.2 试验系统的设计

2.2.1 供水系统

2.2.2 裂隙网络渗流模型

2.2.3 多孔板的设计

2.2.4 分相测量装置

2.2.5 背压装置

2.2.6 在线饱和装置

2.2.7 数据采集系统

2.3 试验系统的检测

2.3.1 系统的密封性及传感器的稳定性

2.3.2 数据采集系统的精准性

2.4 本章小结

第3章 交叉裂隙非线性流动特性

3.1 单裂隙非达西渗流的数值模拟

3.1.1 单裂隙中流态转捩的判别

3.1.2 非达西因子与渗透率的关系

3.2 不计局部压力损失的交叉裂隙非线性渗流模型

3.3 考虑局部压力损失的交叉裂隙非线性渗流模型

3.4 模型结果分析

3.4.1 雷诺数对“十”字型交叉裂隙渗透特性的影响

3.4.2 隙宽比对“十”字型交叉裂隙渗透特性的影响

3.4.3 交叉角度对“十”字型交叉裂隙渗透特性的影响

3.5 本章小结

第4章 裂隙网络非线性渗流特性试验研究

4.1 试样制备和试验方案

4.2 试验结果与分析

4.2.1 水力梯度与流量的关系

4.2.2 渗流流态的划分

4.2.3 渗流转捩机理

4.2.4 角度和开度对渗流转捩临界参数的影响

4.2.5 非线性渗流方程的确定

4.2.6 角度和开度对渗透率和非达西因子的影响

4.3 本章小结

第5章 充填介质非线性渗流特性试验研究

5.1 试验装置

5.2 试验材料与方案

5.2.1 不均匀系数对渗透特性的影响

5.2.2 曲率系数对渗透特性的影响

5.3 试验方法

5.4 试验结果及分析

5.4.1 流态的划分

5.4.2 不均匀系数对渗流参数的影响

5.4.3 曲率系数对渗流参数的影响

5.4.4 渗透率和非达西因子计算公式的修正

5.5 本章小结

第6章 充填裂隙网络非线性渗流特性试验研究

6.1 渗流参数的时变规律

6.1.1 质量流失特征

6.1.2 孔隙率动态变化规律

6.1.3 充填裂隙网络渗透率和非达西因子的确定

6.2 试验材料与方案

6.2.1 试样制备

6.2.2 试验方案

6.3 试验方法与步骤

6.4 试验结果与分析

6.4.1 颗粒的运移规律

6.4.2 颗粒起动临界流速与粒径的关系

6.4.3 渗漏通道的形成机理

6.4.4 渗流场时空演化规律

6.4.5 水沙两相运移特征

6.4.6 充填介质对裂隙网络渗流特性的影响

6.5 本章小结

第7章 姜家湾煤矿导水裂隙带突水非达西渗流数值模拟

7.1 矿区水文地质条件

7.1.1 地层结构及含水层特征

7.1.2 矿井充水条件

7.1.3 采空区积水情况

7.2 导水裂隙带突水特征

7.3 变质量导水裂隙带突水非达西流模型

7.3.1 含水层中单相流体控制方程

7.3.2 导水裂隙带中混合流体控制方程

7.3.3 巷道中混合流体控制方程

7.3.4 辅助方程

7.3.5 三种流动区域过渡的边界条件

7.3.6 方程总结

7.4 变质量导水裂隙带突水非达西流模型的数值求解

7.4.1 FELAC软件简介

7.4.2 基于FELAC软件的模型数值求解

7.5 算例分析

7.5.1 数值模型建立

7.5.2 计算参数的确定

7.5.3 结果分析

7.5.4 导水裂隙带突水危险性分析

7.6 本章小结

第8章 结论与展望

8.1 结论

8.2 展望

参考文献

致谢