Industrial Construction Vol.41，No.6，2011
工业建筑
2011年第41卷第6期115
裂隙岩体渗流应力耦合机制研究
张国玉
1
田晶莹
1
孙玉杰
2
王海超
2
（1.日照职业技术学院，山东日照
276826；2．山东科技大学土木与建筑学院，山东青岛266000）
摘要：隧洞开挖前，岩体中的地下水与围岩应力处于一种相对平衡状态，由于隧洞的开挖，一方面使地
下水排泄有了新的通道，
加速了水循环，破坏了原有的补给—运移—排泄系统的平衡；另一方面，造成围岩应力重分布，
部分结构面由于增压而闭合，部分岩体卸荷松弛或产生剪切滑移，人为破坏了原有的地下水渗流条件，使得隧洞自身成为地下水向外排泄的地下廊道，导致突水灾害。采用Monte-Carlo 方法建立二维离散裂隙网络，
并将其导入UDEC 软件中的岩体结构离散裂隙网络介质模型（DFN ），依据此模型，采用离散单元法对裂隙岩体渗流特性、
裂隙岩体洞室开挖力学特性以及裂隙岩体渗流应力耦合机制进行研究。结合具体实例，对不考虑水力耦合和考虑水力耦合情况下在裂隙岩体中开挖洞室的洞周围岩的力学特性做了对比。
关键词：裂隙岩体；渗流场；应力场；耦合
RESEARCH ON TRANSFUSION STRESS COUPLING
MECHANISM OF CREVASSE ROCK MASS
Zhang Guoyu 1
Tian Jingying 1
Sun Yujie 2
Wang Haichao 2
（1.School of Rizhao Polytechnic ，Rizhao 276826，China ；
2.College of Civil Engineering and Architecture ，Shandong University of Science and Technoloqy ，Qingdao 266000，China ）
Abstract ：Before a tunnel excavation ，the groundwater in the rock and the surrounding rock stress are in a state of relative balance ，because the excavation makes tunnel groundwater drain has a new channel ，thus accelerating the water cycle ，which destroyed balance of the original supplies-migration-the drainage system ；On the other hand ，the surrounding rock stress was redistributed and part of structural surface was closed due to pressurization ，part of unloading rock mass produced shear slippage ，which vandalized the original groundwater seepage condition ，thus making tunnel itself become an underground corridor to discharge water in different forms ，resulting in bursting water disasters．Monte Carlo method was used to establish 2-d discrete-fracture network ，which was input rock mass structure discrete fissure network medium model （DFN ），according to the model of the discrete element method in fractured rock mass seepage characteristics ，fracture rock cavern excavation mechanical characteristics and seepage stress coupling mechanism of fractured rock mass．Combined with concrete examples ，a comparison was done for cases of excavating caverns in fractured rocks with and without consideration of hydraulic coupling．Keywords ：the crevasse rock mass ；seepage field ；stress field ；coupling
第一作者：张国玉，男，1979年出生，硕士。
E －mail ：90993979@qq．com
收稿日期：2011－01－08
1渗流场与应力场的耦合作用
在裂隙岩体渗流应力耦合分析中，最基本的是
建立单裂隙渗流与应力的关系。下面将以单裂隙渗流应力耦合中应力场对渗流场的作用以及渗流场对应力场的作用为重点内容展开论述。1.1
应力场对渗流场的作用
从应力场改变地下水渗流场的影响作用机制来看，
应力场主要改变的是裂隙结构面的隙宽。由立方定律可知，裂隙面的渗流量与隙宽的三次方呈正比，隙宽的微小改变将引起渗流量的重大变化。隙宽的大小受作用在裂隙面上的应力所控制，因此在探讨裂隙渗流特性时，必须考虑应力作用的影响。
以前考虑较多的是正应力对渗透性的影响，一般通过试验总结出岩体渗透性与应力之间的经验公式。孔隙水压力变化会引起有效应力的变化，明显地改变裂隙张开度、流速和水压力在裂隙中的分布，裂隙渗流量随裂隙正应力增加而降低很快，
进一步研究发现应力－渗透曲线有回滞现象。随着卸载次数的增加，裂隙渗透性能降低，经过几次加卸载循环后，岩体的应力－渗透性曲线基本稳定。据此有关学者
提出了诸多的经验式来描述岩体渗透性随应力的变化［1－6］。但这些公式都是在特定条件下得出的，尚要进一步验证才可应用推广。
由于裂隙剪切变形伴随有剪胀，同时也可能使裂隙面粗糙突起剪切掉，使裂隙面粗糙度和水力特性发生改变，因此剪应力对其渗透性的影响也不可忽视。文献［3］对剪切变形与渗流耦合进行了试验探讨，结果发现：在不同应力作用下裂隙面由于剪切变形会使渗流量发生先减少（相应于剪缩），后来又增大（相应于剪胀）的变化。从而得出裂隙面剪切变形对渗透系数的影响取决于裂隙面的几何形状、剪切位移和法向应力的大小。文献［7］通过对规则、均匀和粗糙裂隙的渗流剪切试验，结合裂隙面受剪时的力学机理，研究了岩体裂隙在剪切荷载作用下的渗流特性，并对裂隙剪缩阶段过流能力的变化进行探讨。试验结果表明，剪切荷载作用下，裂隙在剪切荷载作用下渗透性随剪应力的增加而降低，且渗透系数与剪应力有十分明显的线性关系。
天然裂隙具有复杂的物质成分、结构构造及物理力学特性，特别是在高应力下的水力特性更加复杂，这无疑给数值模拟带来了相当大的困难。目前，单裂隙渗流与应力耦合的研究还远未达到令人满意的程度。在数值模拟方面，应特别关注裂隙在复杂应力环境下的力学特性和水力学特性变化，岩体在复杂应力环境下产生塑性变形，被压碎或被碾磨，裂隙面附近的岩块也可能产生微裂隙。因此单裂隙渗流应力耦合不应只是对立方定律的简单修正，应进一步考虑裂隙面的塑性变形，沟槽流现象及一些随机因素的影响。
1.2渗流场对应力场的作用
裂隙岩体中渗流场的变化及地下水的作用（包括化学潜蚀作用、物理弱化效用和力学作用等）会引起应力场环境发生相应变迁，导致裂隙岩体的渗透变形，这种变形过程具有一定的时效性，表现在：1）地下水对裂隙结构面的物理化学作用，逐渐地减弱裂隙岩体的物理力学性质；2）地下水通过力学作用，对裂隙岩体中的结构面产生扩展作用。
2裂隙岩体渗流应力耦合数值模拟
地下水在岩体裂隙中流动，在节理中具有流速与孔隙压力，会对裂隙周围岩块中应力场产生影响，使得围岩应力发生重分布，进而影响地下洞室稳定性。本部分采用离散单元法进行固/液全耦合分析，研究地下水作用下裂隙岩体地下洞室所表现出来的力学性质及规律。
2.1几何模型
地下洞室形状为马蹄形，隧洞宽4m，高7m，地下洞室顶拱中心距离地表300m。
根据相关理论研究成果，取数值模拟模型几何尺寸边长各为44m处进行数值模拟。
2.2水力学参数、物理力学参数、初始条件及边界条件
此处假定存在于裂隙岩体裂隙中的流体为水，并采用实验室测得的常用水力学参数进行数值分析，使得计算与分析结果具有一定的普遍性。
水力学参数：流体密度ρ=1000kg/m3；节理渗透系数k
j
=2.38?108m/s；节理一零法向应力时的
初始水力开度a
zero
=0.002m；节理一残余水力开度
a
res
=0.0004m；节理二零法向应力时的初始水力
开度a
zero
=0.004m；节理二残余水力开度a
zero
= 0.0005m。
岩体基本物理力学参数如表1。
表1基本物理力学参数
Table1Basic physical mechanical parameters
参数名称重力密度/
（kN·m－3）
颗粒密度/
（g·cm－3）
块体密度/
（g·cm－3）
吸水率/
%
饱水率/
%
饱水
系数
相对
密度
总孔隙
率/%
数值26 27 2.5 2.8 2.3 2.80.1 4.00.840.55 2.5 2.80.4 0.5
由于地下洞室埋深于地下，因此可以假定地下水位在地下洞室之上，相当于整个模型都被“浸”在水中。基于该假设，在模型四个边界上施加相应量值的静水压力，且静水压力沿竖直方向线性增加。同时在模型中施加天然孔隙水压力，与边界水压力相平衡，以真实模拟地下水在裂隙岩体中的存在状态。
由于该部分主要是进行裂隙岩体渗流与应力耦合的数值模拟，进而对比考虑该耦合作用开挖地下洞室与不考虑耦合作用开挖地下洞室对裂隙岩体地下洞室围岩稳定性的影响。因此，此处只关注引入水力环境前、后两个状态的差别，不关注地下水在裂隙岩体中的实时流速。采用稳定流动计算模式，分析地下水在裂隙岩体中的流速场、孔隙水压力场以及存在于裂隙中的地下水对其周围围岩产生的应力场及位移场的影响。
116工业建筑2011年第41卷第6期
裂隙岩体渗流应力耦合机制研究———张国玉，等117 2.3地下洞室开挖前应力场的形成
取地下水位距地下洞室顶拱中心的距离
300m，在开挖地下洞室前，令模型在天然地基应力
场、重力场与孔隙水压力场作用下固结，经过迭代计
算平衡后，得到模型的应力场（图1）。
a—考虑耦合情况；b—不考虑耦合情况
图1洞室开挖前模型竖向应力
σy的等值线分布
Fig．1Before the hole room to be excavated，
the contour of vertical the model stress
由图1可知，考虑水力耦合情况下的初始应力
场在裂隙分布较密的地方有所不同，主要因为
UDEC考虑水仅在裂隙中流动，而岩块不透水。因
此，考虑耦合情况下的孔隙水压力抵消了一部分侧
压力，使得在局部裂隙比较多的地方σ
y
值比不考虑
地下水影响下的σ
y
值要小一些。
2.4地下洞室开挖分析
取地下水位距离洞室顶拱中心300m处为分析
对象，分别采用耦合算法和非耦合算法，对此时开挖
隧洞周围岩体内的应力场、位移场和渗流场的分布
情况进行对比分析。其中，非耦合算法所得到的应
力场（图2），位移矢量场（图3），渗流场（q、p）的分
布（图4a）；耦合算法应力场（图5），位移矢量场（图
6），渗流场（q、p）的分布（图4b）。
2.4.1应力计算结果分析
由图2和图5可知，耦合算法得到的应力相对
比非耦合算法算得的要大一些，且隧洞开挖后考虑
a—σ
x
等值线图；b—τ
xy
等值线图；c—σ
y
等值线图；d—σ
z
等值线图
图2非耦合算法的等值线图
Fig．2The contour ofσ
x
by non-coupling algorithm
图3非耦合算法的位移矢量图
Fig．3The contour of displacemonl vector for
Non-coupling algorithm
耦合比不考虑耦合情况下隧洞周围岩块拉应力区有
所减少，主要是由平行于裂隙的拖曳力以及垂直裂
隙面的渗透压力引起。
a—非耦合算法；b—耦合算法
图4渗流场分布
Fig．4The contour of flow rate
2.4.2位移计算结果分析
由图3、图6可以看出，耦合算法得到洞室开挖
后洞周围岩块体的位移矢量图与非耦合算法得到的
位移矢量图有明显不同，耦合算法得到的最大位移
为1.032?10－1m，非耦合算法得到的最大位移为
1.065?10－2m，耦合算法得到的最大位移远大于非
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工业建筑
2011年第41卷第6期
a —σx 等值线图；
b —τxy 等值线图；
c —σy 等值线图；
d —σz 等值线图
图5
耦合算法的σx 等值线图
Fig．5
The stress σx of contour for coupling algoritlm
图6
耦合算法的位移矢量图
Fig．6
The contour of displacement vestor for coupling algorithm
耦合算法得到的最大位移。本部分所采用的计算模型能够正确反映渗流作用对位移场的影响，渗流作用会影响位移值，甚至改变位移矢量方向，这些影响不利于洞室的稳定性。下面将从本模型中选取具有代表意义的几处（表2），分别将耦合算法和非耦合算法的位移值进行对比（表3）。
表2
选定点坐标
Table 2
The coordinate of the selected point
m
编号坐标（X ，Y ）1（20，21.5）2（24，20.4）3
（22，23.5）
表3两种算法各点的位移值Table 3
Each spot displacement
value by two algorithms
cm
位移
点1
点2点3耦合算法
非耦合算法耦合算法非耦合算法耦合算法非耦合算法水平位移 3.18
1.01
－2.13－0.654－1.79
－0.31
竖向位移
0.491－0.087－0.573
0.099
－0.827－0.084
由表3可知，上述三点的耦合算法位移的绝对值均大于非耦合算法的位移绝对值，这说明考虑耦合作用时，隧洞围岩周围一些关键点的变形值均大于不考虑耦合作用所得到的变形值，且点1与点2竖向位移在考虑耦合算法和非耦合算法相比位移矢量改变了方向，所以在进行隧洞开挖洞室稳定性分析时，要采用耦合算法，以保证工程安全。2.4.3
渗流计算结果分析
两种算法所得到的最大孔压值相同，这是由于考虑为饱和稳定流的原因，
而最大流量不同：非耦合算法所得到的最大流量为3.989?10－3m 3
/s ，耦合算法所得到最大流量为9.064?10－4m 3
/s ，
这说明考虑两场耦合后的裂隙的隙宽发生了变化，从而导致流量不同。2.5
地下水头高度对裂隙岩体地下洞室作用分析地下水位距地下洞室顶拱中心的距离h w 是影响地下水作用下裂隙岩体地下洞室围岩的力学响应的重要因素。因此改变h w ，即改变地下水位距地下洞室顶拱中心的距离来对各阶段位移矢量场的变化
规律以及渗流场（包括流量的分布和孔隙水压力的分布，
见图7）变化规律进行分析。随着地下水位的上升，隧洞围岩周围的最大位移增大，最大流量以及最大孔压逐渐变大。因为假定岩块不透水，水只在裂隙网络中流动，说明随着地下水位的上升，裂隙岩体中的裂隙面法向位移变大，最终导致最大流量和孔压的增大。洞周围岩最大位移、最大流量以及最大孔压随着地下水位h p 的变化
曲线如图8—图10所示。由图9、图10可以看出，随着h w 的增加，最大流量以及最大孔压均几乎完全呈线性增加，这说明地下洞室围岩节理中孔隙水压力几乎完全等同于静水压力，且随着深度线性增长。这说明地下水流动所产生的动水孔隙水压力对于节理裂隙中孔隙水压力的贡献微乎其微，可以忽略，因
为地下水在节理中的流量极小，仅处于10－4m 3
/s 这
一数量级上。
裂隙岩体渗流应力耦合机制研究———张国玉，等
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a —非耦合算法；
b —耦合算法
图7
水压力分布
Fig．7
The contour of pore pressure
图8洞室开挖后洞周围岩最大位移随h p 变化Fig．8
After the chambe to be excavatd ，the change law
of the maximun displacement of wall rock with h p
图9最大流量随h p 的变化曲线
Fig．9
The maximum flow rate change curve h p
图10
最大孔压随h p 变化曲线
Fig．10
The biggest pore pressure with change curve h p
3结语
本文详细论述裂隙岩体渗流应力耦合的基本理论，
并结合模型研究了单裂隙中渗流场对应力场的作用，直观给出了孔隙水压力变化时对裂隙隙宽的影响；在不考虑水力耦合及考虑水力耦合情况下，
结合实例对在裂隙岩体中开挖洞室时，其洞周围岩的力学特性，得到在裂隙岩体中进行隧洞开挖时要采用耦合算法的结论。
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艺术感，空间层次更加分明，光影感更加强烈，使冰冷的建筑空间更添人文和生活气息。
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裂隙岩体的渗流特性试验及理论研究方法 摘要：简要叙述岩体裂隙的几何特性，岩石裂隙渗流特性研究的方法。 综述了国内外裂隙岩体单裂隙、水力耦合、非饱和情况下的渗流特性物模试验研究成果，并做了相应的分析和讨论。分析表明：物模试验在研究裂隙岩体渗流特性方面具有不可替代的作用；需要进行更多的模拟实际岩体裂隙的试验；真正意义上的非饱和渗流试验还很少；分析结果为今后的裂隙岩体渗流特性物模试验研究提供了有益的方向。 关键词：裂隙岩体；渗流 ；单一裂隙；水力耦合；非饱和 一 前言 新中国成立以后，交通、能源、水利水电与采矿工程各个领域遇到了许多与工程地质及 岩土力学密切相关的技术难题，在许多岩土工程、矿山工程及地球物理勘探过程中，岩体的渗透率起到十分重要的作用，但在理论上尚未引起足够的重视，通常将岩体渗流处理为砂土一样的多孔介质，用连续介质力学方法求解。与孔隙渗流的多孔介质相比，裂隙岩体渗流的特点有：渗透系数的非均匀性十分突出；渗透系数各向异性非常明显；应力环境对岩体渗流场的影响显著；岩体渗透系数的影响因素复杂，影响因子难以确定。 岩石裂隙渗流特性研究的方法通常有直接试验法、公式推导法和概念模型法，而试验研 究是其中一个最重要最直接的途径。本文介绍了当前裂隙岩体渗流试验研究。 二 岩体裂隙的几何特性 岩体的节理裂隙及空隙是地下水赋存场所和运移通道。岩体节理裂隙的分布形状、连通 性以及空隙的类型，影响岩体的力学性质和岩体的渗透特性。岩体中节理的空间分布取决于产状、形态、规模、密度、张开度和连通性等几何参数。天然节理裂隙的表面起伏形态非常复杂，但是从地质力学成因分析，岩体总是受到张拉、压扭、剪切等应力作用形成裂隙，这种作用不论经历多少次的改造，其结构特征仍以一定的形貌保留下来，具有一定的规律性。裂隙面形态特征的研究越来越受到重视，在确定裂隙面的导水性质及力学性质方面，其作用越来越大。 裂隙面的产状是描述裂隙面在三维空间中方向性的几何要素，它是地质构造运动的果， 因而具有一定的规律性，即成组定向，有序分布。裂隙面的间距和密度是表示岩体中裂隙发育密集程度的指标。在表征岩体完整性、强度、变形以及在渗透张量计算中都需要用到裂隙面的间距和密度。裂隙面间距是指同一组裂隙在法线上两相邻面间的距离，常用S 表示。对同一组裂隙一般认为裂隙间距相等。在实际野外测量中，布置一条测线，应尽量使测线与裂隙组走向垂直。分组逐条测量裂隙与裂隙之间的距离，即可求出裂隙组的平均间距。裂隙面的密度按物理意义魄不同可分为三种：线密度、面密度和体密度。 三 裂隙岩体渗流试验研究 20世纪60年代以来，裂隙岩体渗流的研究逐步发展，已有不少结果。1856年法国工程师 达西（Darcy ）通过实验所建立的达西线性渗流定律直今仍是研究渗流的基础。 表达式： kj -=ω
第一篇 MIDAS/GTS的分析功能 岩土分析(geotechnical analysis)与一般的结构分析(structural analysis)有较大差异。一般的结构分析注重荷载的不确定性，所以在分析时会加载各种荷载，然后对分析结果进行各种组合，最后取各组合中最不利的结果进行设计。岩土分析注重的是施工阶段和材料的不确定性，所以决定岩土的物理状态显得格外重要。在岩土分析中应尽量使用实体单元真实模拟围岩的状态、尽量接近地模拟岩土的非线性特点以及地基应力状态(自应力和构造应力)、并且尽量真实地模拟施工阶段开挖过程，这样才会得到比较真实的结果。 优秀的岩土分析程序应能真实地模拟现场条件和施工过程，并应为用户提供更多的材料模型和边界条件，让用户在做岩土分析时有更多的选择。 MIDAS/GTS不仅具有岩土分析所需的基本分析功能，并为用户提供了包含最新分析理论的强大的分析功能，是岩土和隧道分析与设计的最佳的解决方案之一。 MIDAS/GTS中提供的的分析功能如下： A. 静力分析 (static analysis) 线弹性分析 (linear elastic analysis) 非线性弹性分析 (nonlinear elastic analysis) 弹性分析 (elastoplastic analysis) B. 施工阶段分析 (construction staged analysis) C. 渗流分析 (seepage analysis) 稳定流分析 (steady state seepage analysis) 非稳定流分析 (transient state seepage analysis) D. 渗流-应力耦合分析 (seepage stress analysis) 1
裂缝性油藏单井渗流规律研究 冯金德1,2，程林松1,2，李春兰1,2 1.中国石油大学石油天然气工程学院，北京昌平（102249）； 2.中国石油大学石油工程教育部重点实验室，北京昌平（102249） E-mail: kind.f@https://www.doczj.com/doc/c412816097.html, 摘 要：在进行裂缝性油藏渗流理论研究时，用常规方法难以对随机分布在储层中的不与油水井相连通的天然裂缝进行处理。针对这个难题，根据等值渗流阻力原理，将天然裂缝表征成果应用到油田开发研究中，考虑天然裂缝表征参数对渗流特征的影响，建立了裂缝性油藏单井稳态渗流的理论模型。用实际油藏参数进行了实例计算，研究了裂缝长度、裂缝开度、裂缝数目、裂缝线密度及裂缝与油井的相对距离等参数对压力分布和产量的影响。结果表明，在距井约10m范围内天然裂缝对压力和产量的影响大，超过10m范围，天然裂缝对压力产量的作用减小；裂缝开度、数量和线密度超过一定值后天然裂缝对压力和产量的影响程度减小。实现油水井、井网与裂缝参数的合理匹配，是有效利用天然裂缝，提高裂缝性油藏开发效果的关键。 关键词：裂缝性油藏；渗流；等值渗流阻力；模型 中图分类号：TE312 文献[1]认为天然裂缝所起的主要作用是提高了地层的渗透率和造成了储层的各向异性，根据等值渗流阻力原理[2]对天然裂缝进行处理，建立了研究裂缝性油藏的产能及压力分布的理论模型。该模型考虑了天然裂缝的渗透率、开度、长度、数量及裂缝与井的相对位置等参数。但模型中裂缝的数量为常数，裂缝密度是沿径向变化的，不能用来研究裂缝线密度为常数时的压力和产量变化规律。针对该问题，在文献[1]的基础上对模型进行了改进，在模型中考虑了裂缝密度。 1 地质模型 天然裂缝与流线方向平行时增产作用最显著，因此模型中只考虑天然裂缝对产量影响最大的情况，即认为天然裂缝发育方向平行流线方向。基本假设如下：①圆形供给边界的地层中央一有口生产井；②油层中存在天然裂缝，天然裂缝都为垂直缝，方向沿径向；③天然裂缝中的流体流动符合达西渗流规律；④油层水平均质等厚；⑤油层中流体为原油；⑥忽略流体及油层的弹性作用。 油层供液半径为R e，外边界压力为p e，油层渗透率为K1，生产井半径为R w，井底流压为p w，天然裂缝数量为n，天然裂缝长度为l，天然裂缝渗透率为K f，裂缝开度为b f。示意图如图1中左图所示。存在天然裂缝的油藏的简化地质模型如图1中右图所示。认为天然裂缝对油层的主要贡献是增加了油层的渗透率。因此，在天然裂缝发育处形成一个较油层渗透率高的区域（如图1中区域2），区域2的渗透率为K2，外边界压力为p1，内边界压力为p2。 国家自然科学基金项目“西部深层变形介质复杂油气非线性渗流模型”（90210019） 教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目“裂缝性低渗透油藏非线性渗流模型”（20060425001） 教育部新世纪优秀人才支持计划项目“裂缝性特低渗透油藏非线性渗流理论与开发对策研究”（NCET-05-0108）
Midas/GTS程序简介 MIDAS IT自从2001年开始开拓市场以来，目前不仅在中国和美国建立独资公司，而且在世界20多个国家和地区建立销售网络，销售了4000多套程序、特别是程序在世界最高建筑物阿联Burj Dubai Tower、世界跨度最大的斜拉桥－中国苏通大桥以及2008年北京奥运会体育场馆、韩日世界杯体育场馆这些可以载入世界土木建筑史册的结构上的应用，都证明了MIDAS已经成为世界上最为优秀的结构软件开发公司之一。 从1989年MIDAS IT的前身－浦项集团的专业研发部门到今天的MIDSA IT，在16年的发展过程中，为了实现更准确、更便捷、更强大的技术目标，MIDAS IT的员工每一分每一秒都在不断努力着。 经过国内外岩土隧道领域专业技术人员和专家的共同努力，并考虑实际设计人员的需要，MIDAS IT开发出岩土和隧道专业有限元软件MIDAS/GTS。MIDAS/GTS主要针对岩土隧道领域的结构分析所需要的功能直接开发的程序，是通用有限元程序与岩土及隧道专业技术的完美结合，并通过了国际ISO9001品质管理认证及韩国隧道工学会等专业机构的认证。其全新的操作界面和三维分析功能，为岩土和隧道工程师提供了强有力的解决方案。 作为岩土和隧道专业有限元软件,MIDAS/GTS能够为用户提供哪些帮助? 一、多种岩土分析功能 在进行岩土结构分析的时候,往往需要对同一模型进行各种分析。作为岩土专业通用有限元软件，MIDAS/GTS为用户提供了几乎所有的岩土分析，其中包括：线性静力分析、非线性静力分析、施工阶段分析、固结分析、稳定流分析、非稳定流分析、动力分析以及边坡稳定分析等（见图1）。 （a）应力分析（b）渗流分析
第３７卷第５期 硅 酸 盐 通 报 Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．５ ２０１８年５月 ＢＵＬＬＥＴＩＮＯＦＴＨＥＣＨＩＮＥＳＥＣＥＲＡＭＩＣＳＯＣＩＥＴＹ Ｍａｙ，２０１８ 单裂隙砂岩渗流特性实验研究 王来贵，张 阳，刘向峰，陈 强 （辽宁工程技术大学力学与工程学院，阜新 １２３０００） 摘要：为研究裂隙对砂岩渗流特性的影响，利用激光共聚焦显微镜（ＬＳＣＭ）对不同粒径砂岩裂隙表面进行观测，以三维分形维数D 作为裂隙表面粗糙度表征参数，采用自行研制的多功能岩石孔隙-裂隙渗流实验系统对粗糙单裂隙砂岩试件进行裂隙渗流实验，基于量纲分析法，建立粗糙单裂隙砂岩渗流模型。结果表明：三维分形维数D 可以作为砂岩裂隙表面粗糙程度的表征参数。裂隙渗流流量受裂隙表面粗糙度影响较为明显，裂隙宽度相同时，裂隙渗流流量随着裂隙D 的增大而减小。存在一裂隙宽度阈（b ＝１７５μｍ），高于该宽度值后，裂隙渗流流量迅速增长。建立了基于三维分形维数D 的单裂隙渗流模型，与砂岩裂隙渗流实验结果对比，两者具有较好的吻合度，模型较为合理。 关键词：裂隙砂岩；渗流特性；分形维数；渗流模型 中图分类号：ＴＵ４５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１-１６２５（２０１８）０５-１８０４-０９ Experimental Research on Seepage Characteristics of Sandstone with Single Fracture WANG Lai -gui ，ZHANG Yang ，LIU Xiang -feng ，CHEN Qiang （ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬｉａｏｎｉｎｇＴｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｘｉｎ１２３０００，Ｃｈｉｎａ） Abstract ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｆｒａｃｔｕｒｅｏｎｔｈｅｓｅｅｐａｇｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓａｎｄｓｔｏｎｅ，ＬａｓｅｒＳｃａｎｎｉｎｇＣｏｎｆｏｃａｌＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＬＳＣＭ）ｗａｓｕｓｅｄｔｏｏｂｓｅｒｖｅｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｓａｎｄｓｔｏｎｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｓ．Ｔｈｅ３ＤｆｒａｃｔａｌｄｉｍｅｎｓｉｏｎD ｗａｓｕｓｅｄｔｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓ．Ｔｈｅｒｏｃｋｐｏｒｅ-ｆｒａｃｔｕｒｅｓｅｅｐａｇｅｆｌｏｗｓｙｓｔｅｍｗａｓｕｓｅｄｔｏｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｓａｎｄｓｔｏｎｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓｅｅｐａｇｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｕｇｈｓｉｎｇｌｅｆｒａｃｔｕｒｅ．Ａｎｄｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｓａｎｄｓｔｏｎｅｓｅｅｐａｇｅｗｉｔｈｓｉｎｇｌｅｒｏｕｇｈｆｒａｃｔｕｒｅｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ３ＤｆｒａｃｔａｌｄｉｍｅｎｓｉｏｎD ｃａｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｓａｎｄｓｔｏｎｅｆｒａｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｓｅｅｐａｇｅｆｌｏｗｏｆｆｒａｃｔｕｒｅｉｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｆｒａｃｔｕｒｅｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓ，ａｎｄｗｈｅｎｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｗｉｄｔｈｉｓｓａｍｅ，ｔｈｅｓｅｅｐａｇｅｆｌｏｗｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｆｒａｃｔｕｒｅ３ＤｆｒａｃｔａｌｄｉｍｅｎｓｉｏｎD ．Ｔｈｅｒｅｅｘｉｓｔｓａｆｒａｃｔｕｒｅｗｉｄｔｈｔｈｒｅｓｈｏｌｄ（b ＝１７５μｍ），ａｎｄｔｈｅｓｅｅｐａｇｅｆｌｏｗｉｎｃｒｅａｓｅｓｒａｐｉｄｌｙｗｈｅｎｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｗｉｄｔｈｉｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎ１７５ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｓｉｎｇｌｅｆｒａｃｔｕｒｅｓｅｅｐａｇｅｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂａｓｅｄｏｎ３ＤｆｒａｃｔａｌｄｉｍｅｎｓｉｏｎD ，ｔｈｅｍｏｄｅｌｒｅｓｕｌｔｈａｓｇｏｏｄａｇｒｅｅｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｔｅｓｔｌａｗｏｆｆｒａｃｔｕｒｅｓｅｅｐａｇｅ，ｓｏｔｈｅｍｏｄｅｌｉｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅ．Key words ：ｆｒａｃｔｕｒｅｓａｎｄｓｔｏｎｅ；ｓｅｅｐａｇｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｆｒａｃｔａｌｄｉｍｅｎｓｉｏｎ；ｓｅｅｐａｇｅｍｏｄｅｌ 作者简介：王来贵（１９６２-），男，教授．主要从事岩石力学系统稳定性，环境岩石力学方面的研究． 通讯作者：张 阳，硕士研究生．１ 引 言 沉积地层中的岩体存在大量原生与次生裂隙，流体通过岩体中的裂隙流动，称为裂隙岩体渗流。随着我万方数据
Industrial Construction Vol.41，No.6，2011 工业建筑 2011年第41卷第6期115 裂隙岩体渗流应力耦合机制研究 张国玉 1 田晶莹 1 孙玉杰 2 王海超 2 （1.日照职业技术学院，山东日照 276826；2．山东科技大学土木与建筑学院，山东青岛266000） 摘要：隧洞开挖前，岩体中的地下水与围岩应力处于一种相对平衡状态，由于隧洞的开挖，一方面使地 下水排泄有了新的通道， 加速了水循环，破坏了原有的补给—运移—排泄系统的平衡；另一方面，造成围岩应力重分布， 部分结构面由于增压而闭合，部分岩体卸荷松弛或产生剪切滑移，人为破坏了原有的地下水渗流条件，使得隧洞自身成为地下水向外排泄的地下廊道，导致突水灾害。采用Monte-Carlo 方法建立二维离散裂隙网络， 并将其导入UDEC 软件中的岩体结构离散裂隙网络介质模型（DFN ），依据此模型，采用离散单元法对裂隙岩体渗流特性、 裂隙岩体洞室开挖力学特性以及裂隙岩体渗流应力耦合机制进行研究。结合具体实例，对不考虑水力耦合和考虑水力耦合情况下在裂隙岩体中开挖洞室的洞周围岩的力学特性做了对比。 关键词：裂隙岩体；渗流场；应力场；耦合 RESEARCH ON TRANSFUSION STRESS COUPLING MECHANISM OF CREVASSE ROCK MASS Zhang Guoyu 1 Tian Jingying 1 Sun Yujie 2 Wang Haichao 2 （1.School of Rizhao Polytechnic ，Rizhao 276826，China ； 2.College of Civil Engineering and Architecture ，Shandong University of Science and Technoloqy ，Qingdao 266000，China ） Abstract ：Before a tunnel excavation ，the groundwater in the rock and the surrounding rock stress are in a state of relative balance ，because the excavation makes tunnel groundwater drain has a new channel ，thus accelerating the water cycle ，which destroyed balance of the original supplies-migration-the drainage system ；On the other hand ，the surrounding rock stress was redistributed and part of structural surface was closed due to pressurization ，part of unloading rock mass produced shear slippage ，which vandalized the original groundwater seepage condition ，thus making tunnel itself become an underground corridor to discharge water in different forms ，resulting in bursting water disasters．Monte Carlo method was used to establish 2-d discrete-fracture network ，which was input rock mass structure discrete fissure network medium model （DFN ），according to the model of the discrete element method in fractured rock mass seepage characteristics ，fracture rock cavern excavation mechanical characteristics and seepage stress coupling mechanism of fractured rock mass．Combined with concrete examples ，a comparison was done for cases of excavating caverns in fractured rocks with and without consideration of hydraulic coupling．Keywords ：the crevasse rock mass ；seepage field ；stress field ；coupling 第一作者：张国玉，男，1979年出生，硕士。 E －mail ：90993979@qq．com 收稿日期：2011－01－08 1渗流场与应力场的耦合作用 在裂隙岩体渗流应力耦合分析中，最基本的是 建立单裂隙渗流与应力的关系。下面将以单裂隙渗流应力耦合中应力场对渗流场的作用以及渗流场对应力场的作用为重点内容展开论述。1.1 应力场对渗流场的作用 从应力场改变地下水渗流场的影响作用机制来看， 应力场主要改变的是裂隙结构面的隙宽。由立方定律可知，裂隙面的渗流量与隙宽的三次方呈正比，隙宽的微小改变将引起渗流量的重大变化。隙宽的大小受作用在裂隙面上的应力所控制，因此在探讨裂隙渗流特性时，必须考虑应力作用的影响。 以前考虑较多的是正应力对渗透性的影响，一般通过试验总结出岩体渗透性与应力之间的经验公式。孔隙水压力变化会引起有效应力的变化，明显地改变裂隙张开度、流速和水压力在裂隙中的分布，裂隙渗流量随裂隙正应力增加而降低很快， 进一步研究发现应力－渗透曲线有回滞现象。随着卸载次数的增加，裂隙渗透性能降低，经过几次加卸载循环后，岩体的应力－渗透性曲线基本稳定。据此有关学者
第一章 课题相关知识介绍 2.1散热片知识 散热片是一种给电器中的易发热电子元件散热的装置，多由铝合金，黄铜或青铜做成板状，片状，多片状等，如电脑中CPU 中央处理器要使用相当大的散热片，电视机中电源管，行管，功放器中的功放管都要使用散热片。一般散热片在使用中要在电子元件与散热片接触面涂上一层导热硅脂，使元器件发出的热量更有效的传导到散热片上，在经散热片散发到周围空气中去。 2.1.1散热片的材质比较 就散热片材质来说，每种材料其导热性能是不同的，按导热性能从高到低排列，分别是银，铜，铝，钢。不过如果用银来作散热片会太昂贵，故最好的方案为采用铜质。虽然铝便宜得多，但显然导热性就不如铜好（大约只有铜的50%左右）。 目前常用的散热片材质是铜和铝合金，二者各有其优缺点。铜的导热性好，但价格较贵，加工难度较高，重量过大（很多纯铜散热器都超过了CPU 对重量的限制），热容量较小，而且容易氧化。而纯铝太软，不能直接使用，都是使用的铝合金才能提供足够的硬度，铝合金的优点是价格低廉，重量轻，但导热性比铜就要差很多。有些散热器就各取所长，在铝合金散热器底座上嵌入一片铜板。 对于普通用户而言，用铝材散热片已经足以达到散热需求了。 北方冬季取暖的暖气片也叫散热片。 散热片在散热器的构成中占有重要的角色，除风扇的主动散热以外，评定一个散热器的好坏，很大程度上取决于散热片本身的吸热能力和热传导能力 2.1.2散热片结构的设计 1. 肋片的散热量 肋基导入的热量向肋端传递，经肋片传给流体，因此肋片得热平衡方程为： 肋基导入的热量Φ=Φ流体带走的热量λ 所以肋片向流体的传热量恒等于肋基截面上导入的热量，根据傅立叶定律得 每片等截面直肋散热量的计算式为： )(1)(0mH th m h m h mH th m A H H λ λθλ++ =Φ （2—1）
裂隙岩体边坡渗流规律及稳定性分析 江峰，卢正 （武汉工业学院土木工程系武汉 430023） 摘要：从裂隙岩体边坡的渗流特征和渗流普遍规律出发，根据岩土力学、渗流力学以及工程地质学的知识，建立数学模型，通过渗流数值模拟及稳定性分析，研究水位变化情况下岩体渗流场变化规律以及对岩质边坡稳定性的影响。 关键词：裂隙岩体，渗流，数值模拟，稳定性分析 Seepage Law and Stability Analysis of Fractured Rock Slope Jiang Feng, Lu Zheng (Department of Civil Engineering, Wuhan Polytechnic University Wuhan 430023) Abstract: Based on seepage characteristic and seepage law, according to rock and soil mechanics, seepage mechanics, and engineering geology knowledge, numerical model was erected. Through numerical simulation, seepage process and stability of rock mass were studied under water head change. The effect of water head change on slope stability was analyzed. Key words: fractured rock mass, seepage, numerical simulation, stability analysis 1 引言 边坡地下水渗流对对边坡稳定有重要影响，特别对岩质高边坡而言，边坡岩体由于受风化、构造及卸荷的作用，节理、缝隙相当发达，成为地下水流通道或贮水空间。存在于裂隙岩体中的地下水一方面使岩体的物理力学性质发生变化，另一方面通过静水压力和动水压力作用使岩体引起劈裂扩展、剪切变形和位移。 水库蓄水诱发边坡破坏较著名的如1959年法国的Malpasset拱坝在初次蓄水时就发生了溃坝。同样的，1963年10月9日发生的意大利瓦依昂（Vaiont）水库左岸也发生了大滑坡。瓦依昂双曲拱坝坝高261.6m，是当时世界最高的大坝之一。当水库蓄水至225.4时，左岸山体突然下滑，体积达2.7～3.0×108m3，滑速达28m/s，水库中有5×107 m3的水体被挤出，激起250m高的巨大涌浪，高150m的洪波溢过坝顶冲向下游，约有3000人丧生。该水库开始蓄水时，就发现左岸山体蠕滑变形，但未引起水工人员的重视，随着库水位抬高，滑动面上空隙水压力加大，从而导致整个山体下滑。 在我国也有类似事故发生如1961年3月湖南资水柘溪水电站的近坝库岸滑坡，发生于震旦系板溪群砂质板岩中。由于水库蓄水，使库岸边坡受空隙水压力作用而失稳。滑坡体倾入水库中产生的涌浪溢过坝顶冲向下游，造成生命财产的严重损失。 为了对裂隙岩体边坡渗流和稳定性进行分析，本文采用有限元数值解法把渗流问题转化为求剩余问题，再经过离散化得到计算格式的解，最终达到对岩质边坡渗流进行数值模拟的目的。 2 裂隙岩体渗流数学模型及稳定性分析方法 对于地下水渗流来说，岩土—水这个体系是处于不停的变动状态，物质和能量不断转换、转移，
小论文拟采用DP模型，在应力较高的土体中，比Mohr-coulomb理想弹塑性模型的数值计算结果更精确。设定DP模型需要输入3个特殊参数，粘聚力，内摩擦角，膨胀角，其中的膨胀角是用来控制体积膨胀的大小的。在岩土工程中，一般密实的砂土和超强固结土在发生剪切的时候会出现体积膨胀，因为颗粒重新排列了；而一般的砂土或者正常固结的土体，只会发生剪缩。在使用DP模型的时候，对于一般的土，膨胀角设置为0度比较符合实际。渗流耦合分析拟采用的边界条件是全地基边界，即把要分析的模型所有的区域看成是一个封闭的整体。在计算渗流应力耦合分析时，考虑基坑空间效应，建立三维实体模型，不仅考虑施工降水耦合，也考虑施工间歇变形耦合。最终通过支护结构桩和锚杆的变形以及基坑的变形，得出以下两条结论：（1）采用渗流应力耦合理论计算的基坑工程变形形态符合实际情况，随着基坑开挖深度增加，基坑变形规律也符合实际情况。（2）渗流应力耦合情况下基坑变形与不考虑渗流耦合影响下基坑变形曲线相比，数值较大，可见，分析基坑变形时不考虑渗流耦合影响是偏不安全的，耦合分析对基坑变形的影响不能忽视。 1、基于渗流场-应力场耦合作用下的深基坑降水支护结构的位移研究工程勘察2012 本文采用大型通用岩土工程有限元软件PLAXIS对复合土钉支护进行分析,模型采用平面应变模型,土体采用Mohr-coulomb理想弹塑性模型且具有对称性，故取一半对其分析，模型底部为固定约束，侧面只限制水平位移，上表面为自由边界。 本工程的数值模拟主要为比较在有降水作用下和未考虑地下水两种情况下的支护结构体系的位移，为此，首先进行了在未考虑地下水条件下的模拟，即不考虑孔隙水压，地下水位线默认为基坑底部。其次依据实际工程的地下水位线-7.24m，进行了数值模拟，以便找到降水作用对支护结构体系位移的影响。 2、考虑流-固耦合效应的基坑水土压力计算工程勘察2011 针对地下水绕过围护墙渗流情况，分析了传统的水土压力分算、合算及考虑土体渗流-固结变形方法计算土压力的区别，并利用实测数据进行对比。 流过耦合分析，PLAXIS程序采用水土分算的方法，通过输入地下水水头执行地下水渗流程序进行计算，利用单元应力点上的压力水头求得孔隙水压力，将围护墙与土体接触界面上的有效压力与孔隙水压力值相加，得到基坑围护墙上总的水土压力分布。 3、考虑流固耦合作用的深基坑有限元分析地下空间与工程学报2012 利用FLAC流固耦合模型对复杂地质条件下深基坑降水开挖过程中深基坑的时间效应进行研究。建立考虑参数变化的弹塑性流固耦合数值模型，分析基坑开挖及降水作用下地表沉降、水压力、基底隆起随时间变化的规律。平面应变模型，土体采用修正的剑桥模型模拟，只是在理论上提出考虑基坑开挖过程中渗透系数随孔隙比变化的现象，未应用在模型模拟中。 4、考虑渗流-应力耦合基坑开挖降水数值分析广东工业大学学报2013 本文运用通用软件MIDAS/GTS考虑渗流应力耦合作用下模拟基坑开挖降水的详细过程，分析了不同阶段渗流情况,同时探讨了止水帷幕、渗透系数与不同降水深度对基坑支护特性的影响，以期为基坑降水和支护结构优化提供理论参考。采用的摩尔库伦土体模型，基坑较小，应力水平较低，平面应变模型，未考虑基坑的空间效应。 5、深基坑工程降水与地面沉降耦合数值模拟研究中国市政工程2012 采用基坑降水与地面沉降耦合模型分析，四周边界取为定水头边界，其中，求解地下水问题简化为求解地下水在多孔介质中流动的问题，建立相适应的地下水三维非稳定渗流数学模型为 地面沉降模型为 方程的求解条件为： 利用建立的三维渗流沉降模型预测抽水减压期间对水位降深和区域沉降影响。计算结果
中国科学D辑:地球科学 2008年 第38卷 增刊Ⅰ: 41~47 https://www.doczj.com/doc/c412816097.html, https://www.doczj.com/doc/c412816097.html, 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS 鄂尔多斯盆地陇东地区特低渗透砂岩储层裂缝分布规律及其渗流作用 曾联波①*, 高春宇②, 漆家福①, 王永康②, 李亮②, 屈雪峰② ①油气资源与探测国家重点实验室(中国石油大学(北京)), 北京 102249; ②中国石油长庆油田分公司, 西安 163517 * Email: lbzeng@https://www.doczj.com/doc/c412816097.html, 收稿日期: 2007-04-20; 接受日期: 2008-03-21 国家自然科学基金项目(批准号: 40572080)和石油科技中青年创新基金项目(编号: 05E7026)共同资助 摘要为了研究鄂尔多斯盆地上三叠统延长组特低渗透砂岩储层裂缝对开发的影响, 利用地表露头、岩心、薄片、测井和实验等资料, 对裂缝的成因类型、分布特征及其控制因素进行了分布, 并对裂缝的渗流作用进行了讨论. 研究区主要发育高角度构造裂缝以及水平层理缝、粒内缝和粒缘缝等成岩裂缝, 粒内缝和粒缘缝是沟通储层基质粒间孔和粒内溶孔的重要通道, 使特低渗透砂岩储层孔隙的连通性变好. 裂缝的形成与分布受古构造应力场以及储层岩性、岩层厚度和岩层非均质性等内外因素的影响, 现今应力场影响裂缝的保存状态与渗流作用. 在燕山期和喜马拉雅期构造作用下, 该区分布有北东向、北西向、近东西向和近南北向4组裂缝, 但由于岩层非均质性的影响, 在某一部位主要表现为两组近正交的裂缝分布型式. 受现今应力场的影响, 北东向裂缝的连通性好, 张开度大, 渗透率最高, 开启压力最小, 是该区的主渗流裂缝方向. 随着油田开发, 不同方向裂缝的渗透性还将发生动态变化. 关键词 裂缝 成因类型 分布特征 渗流作用 特低渗透砂岩储层鄂尔多斯盆地 低渗透储层通常是指基质的空气渗透率小于50×10?3 μm2的含油气储层[1]. 根据储层基质的平均渗透率大小, 并参照储层的微观孔隙结构及其开发特征, 低渗透储层一般可以划分为基质空气渗透率为50×10?3~10×10?3 μm2的常规低渗透储层、基质空气渗透率为10×10?3~1×10?3 μm2的特低渗透储层和基质空气渗透率为1×10?3~0.1×10?3 μm2的超低渗透储层3种类型[1]. 本文所研究的特低渗透砂岩储层包括后面2类储层, 即基质空气渗透率小于10×10?3 μm2的砂岩储层. 上三叠统延长组长6~长8油层是鄂尔多斯盆地西南部陇东地区的主力油层, 目前投入开发的西峰油田就是开采该层位. 其储层孔隙度一般为10%左右, 渗透率一般小于10×10?3μm2, 主要为0.1~2.0× 10?3μm2, 为典型的特低渗透砂岩储层[2,3]. 由于强烈的成岩作用和后期构造作用, 使得特低渗透储层非均质性严重, 天然裂缝发育, 控制了特低渗透储层的渗流系统,从而影响其开发方案的部署及其开发效果[4,5]. 因此, 裂缝分布规律及其渗流特征研究, 对特低渗透砂岩油藏的合理开发具有十分重要的指导作用. 鄂尔多斯盆地作为我国主要的特低渗透砂岩储层的分布区域之一, 在盆地中新生代构造应力场分布以及特低渗透储层裂缝的形成时期、成因机理与分布特征等方面开展过许多基础研究工作[6~11]. 自西峰
MIDAS/GTS 在水利水电工程中的应用
MIDAS/GTS 不仅是通用的分析软件,而且是包含了岩土和水利工程领域最近发展技术的 专业程序, 其功能包括应力分析、施工阶段分析、渗流分析、固结分析以及其他功能，在水利 水电工程的设计和安全校和中得到了广泛的应用，取得了较好的效果。 MIDAS/GTS 为全面、深入分析水利水电工程中的问题提供了强有力的支持。如：提供了 极为常用的Duncan-Zhang岩土材料本构模拟堆石坝和多数中国地区地质；提供基于达西定律的 稳态流和非稳态流分析以及渗流/应力耦合分析； 提供丰富的岩土力学的模拟方法用于确定地质 地层中出现的断层、软硬夹层、节理裂隙等特殊的地质带特性；提供了随施工阶段变化的边界 应力释放系数；提供了各种动力时间积分技术和振型迭代技术，为不良地质带的动力抗震分析 提供了坚实的基础；提供了各种动力分析方式：自振周期、反应谱分析（频域分析）、时程分 析（时域分析），且程序内含地震波数据库、自动生成地震波、与静力分析结果的组合功能。 MIDAS/GTS 解决的水利水电工程问题包括： 水坝（包括堆石坝、重力坝、拱坝）的三维仿真模拟 水坝（拱坝、重力坝、堆石坝）的动力抗震分析； 大型渡槽结构 地下管道以及架空管道结构中存在的地震响应分析、管道与土的相互作用 堆石坝方面的应用（邓肯模型） 固结沉降、渗流等等 坝体徐变方面的分析 （2007年12月Ver 300版本） 水下结构抗震分析 水闸、底板等辅助结构的设计和分析 电力系统结构抗震分析 地下厂房开挖施工阶段分析 土石坝施工阶段的稳定分析 一、大坝应力-应变静力分析 MIDAS/GTS提供了直观的三维建模功能，对大坝地层面的模拟提供了多种方式，可以很 方便的对大坝进行三维实体模拟。 MIDAS/GTS提供了施工阶段分析，可以按照施工填筑和蓄水过程，模拟坝体分期加载的 条件，并反映坝体不连续界面的力学特性。
大坝实体示意图 MIDAS/GTS提供了丰富的土体材料本构模型，同时也可以根据用户的需要进行自定义。
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第一章渗流的基本概念和基本规律 内容概要： 油气渗流是在地下油层中进行的，因此学习渗流力学首先需了解油气储集层和多孔介质的概念；流体在地下渗流需要里的作用，故还要了解流体受到哪些力的作用、地层中有哪些能量；然后学习渗流的基本规律-达西定律；流体渗流不总是遵循达西定律，就有了非达西渗流或称非线性渗流；对于地层中有多相流体同时参与流动的情况就是两相或多相渗流了，在本章也做一简单介绍。 渗流的基本规律和渗流方式 内容概要： 地层流体渗流规律复杂，但一般情况下符合渗流的基本规律，即达西定律；渗流的方式也是多种多样的，我们可以对各种渗流方式进行归类、化简，变成三种基本的渗流方式，复杂渗流再由这三种方式进行组合。本节应牢固掌握达西定律，真实流速与渗流速度的概念及其关系，掌握三种基本渗流的方式。 课程讲解： 讲解ppt 教材自学： 第三节渗流的基本规律和渗流方式 本节导学 地层流体渗流规律复杂，但一般情况下符合渗流的基本规律，即达西定律；渗流的方式也是多种多样的，我们可以对各种渗流方式进行归类、化简，变成三种基本的渗流方式，复杂渗流再由这三种方式进行组合。 本节重点 1、达西定律★★★★★ 2、真实流速与渗流速度的关系★★★★★ 3、单向流★★★ 4、平面径向流★★★ 5、球面向心流★★★
一、渗流的基本规律—达西定律 多孔介质组成复杂，流体渗流规律复杂。人们最初研究渗流规律是以实验为基础的宏观研究方法。 1.达西定律 实验步骤： （1）、调节入水阀，保持一定的进水水位 （2）、调节出水阀门，得一流量Q ； （3）、流动稳定后测流量和压差。 a:出水口(稳定水位) b:滤网 E:阀门,控制流量和水头压差 D:量杯,测流量 达西实验装置图 做多组实验：不同砂层横截面积、L 、流量、砂粒大小、液体、压差。 1-1截面总水头高度 2-2截面总水头 两截面水头差 其折算压差为 大量实验研究表明，流量Q 与折算压力差△Pr 、岩心截面积A 成正比，与液体粘度μ、测压管两截面距离△L 成反比，其比例常数与填砂粒径有关，砂粒粒径越大，流量越大，反之流量越小。 用公式表示(达西公式) Q ——通过砂岩的流量，cm 3/s ； K ——砂岩的渗透率,μm 2(=1D=1000mD)； A ——渗流截面积，cm 2； △L ——两渗流截面间的距离，cm ； μ——液体粘度，mPa·S； △Pr ——两渗流截面间的折算压力差，10-1 MPa ，即大气压。 上式可写成 a b 111P H z g ρ=+2 22 P H z g ρ=+1212 P P H z z g g ρρ?????=+-+ ? ????? r P g H ρ?=? () ()r P Q L KA μ?= ?动力阻力
. MIDAS/GTS的概要 midas中文名迈达斯，是一种有关结构设计有限元分析软件,分为MIDAS/Building,MIDAS/Gen,MIDAS/Civil,MIDAS/GTS,,MIDAS/FX+,MIDAS/NFX 。 MIDAS Family Program通过结构技术的国产化，在技术独立及强化先进竞争力的目标下，于1989年开始研发，通过迈达斯员工的热情努力及客户们的关心和鼓励，经过10年的开发，已经逐步发展成为韩国最高 的尖端结构分析及最优化设计软件。 MIDAS Family Program 自1996年发布以后，已经适用于国内外5000余个实际工程项目，产品的优秀性及信赖性也得到了认证。现在已经进入科学技术用软件的原产地美国，日本，欧洲市场。自2001年2月，作为国产科学技术用软件，从进入海外市场以来，通过包括美国，日本，中国及印度等地的独立法人在内的20个国家的代理公司，成功打进了全球40余个国家的市场。 MIDAS Family Program有包括建筑/桥梁/岩土/机械等领域的10种软件组成，现在正在被全世界的工程技术人员所使用。我们的发展目标是成为全球工程解决方案开发和提供公司，为了实现这个目标，我们会以我们核心的CAE软件开发为基础，逐步扩大到造船，航空，电子，环境及医疗等新世纪尖端科学及未来产业 领域。
岩土领域包括： 岩土隧道领域 二维地基和隧道领域 桥梁脚 手架等特殊工程领域 MIDAS Information Technology Co., Ltd.(简称MIDAS IT)正式成立于2000年9月1日，是浦项制铁(POSCO)集团成立的第一个venture company ，它隶属于浦项制铁开发公司(POSCO E&C)。POSCO E&C 是POSCO 的一个分支机 构，是韩国具实力的建设公司之一。 自从1989年由POSCO 集团成立专门机构开始开发MIDAS 软件以来，MIDAS IT 在不断追求完美的企业宗旨下获得了飞速发展。目前在韩国结构软件市场中，MIDAS Family Program 的市场占有率排第一位，在用户最满意的产品中也始终排在第一位。 北京迈达斯技术有限公司为MIDAS IT 在中国的唯一独资子公司，于2002年11月正式成立。负责MIDAS 软件的中文版开发、销售和技术支持工作。在进入中国市场的第一年，MIDAS 软件的用户就已经发展到500多家。 -2009.06 NFX 发布(机械领域结构分析系统) -2009.08 midas Building 发布(建筑领域结构分析系统) -2008.08 日本法人成立(东京 MIDAS IT Japan) -2008.05 与日本KKE 公司签订战略合作伙伴及代理协议(机械领域) -2008.04 印度法人成立(孟买, MIDAS R&D Centre India Pvt., Ltd.) -2007.12 与日本CREATEC 公司签订战略合作伙伴及代理协议 -2007.12 于韩国（株）JAIEL 信息技术公司签订战略合作伙伴协议 -2007.07 与美国Noran Engineering 公司签订战略合作伙伴协议 -2007.06 以顾客价值为中心的建筑领域MIDAS On Demand Service 实施 -2007.05 与印度Jain Infra Projects Limited 公司签订战略技术合作伙伴协议
分析理论手册 78第一篇 MIDAS/GTS的分析功能 1. 概要 岩土分析(geotechnical analysis)与一般的结构分析(structural analysis)有较 大差异。一般的结构分析注重荷载的不确定性，所以在分析时会加载各种荷载，然 后对分析结果进行各种组合，最后取各组合中最不利的结果进行设计。岩土分析注 重的是施工阶段和材料本身的不确定性，所以决定岩土的物理状态显得格外重要。 在岩土分析中应尽量使用实体单元模拟围岩的状态，尽量真实地模拟岩土的非线性 特点以及地基应力状态(自应力和构造应力)，并且尽量真实地模拟施工阶段开挖过 程，这样才会得到比较真实的结果。 优秀的岩土分析程序应能真实地模拟现场条件和施工过程，并应为用户提供更多的 材料模型和边界条件，让用户在做岩土分析时有更多的选择。 MIDAS/GTS不仅具有岩土分析所需的基本分析功能，并为用户提供了包含最新分析 理论的强大的分析功能，是岩土和隧道分析与设计的最佳的解决方案之一。 MIDAS/GTS中提供的的分析功能如下： A. 静力分析 (static analysis) (1) 线弹性分析 (linear elastic analysis) (2) 非线性弹性分析 (nonlinear elastic analysis) (3) 弹塑性分析 (elastoplastic analysis) B. 渗流分析 (seepage analysis) (1) 稳定流分析 (steady state analysis) (2) 非稳定流分析 (transient state analysis) C. 应力－渗流耦合分析 (stress-seepage coupled analysis) D. 固结分析 (consolidation analysis) (1) 排水/非排水分析 (drained/undrained analysis) (2) 固结分析 (consolidation analysis)
收稿日期:2006-07-14 作者简介:付静(1972-),女(汉族),山东惠民人,副教授,博士研究生,主要从事油气开发与流体力学研究。 文章编号:167325005(2007)0320081204 裂缝性低渗透油藏渗流规律实验研究 付 静1 ,孙宝江1 ,于世娜1 ,孙 鑫1 ,马欣本2 ,刘家军2 ,楼一珊 3 (1.中国石油大学石油工程学院,山东东营257061;2.中石化江苏油田分公司,江苏金湖211600; 3.中国石油大学石油天然气工程学院,北京102249) 摘要:对某油田断块含天然裂缝的低渗透储层渗流特征进行了实验研究。本实验在常规渗流实验岩心夹持器末端增加了一套回压控制装置,渗流实验过程中,通过给岩心施加不同的回压,模拟了储层在变压条件下的流体渗流情况。得到了裂缝性低渗透储层岩心水相渗透率随回压的变化曲线。实验结果表明,裂缝的存在对低渗透储层的渗流特征有明显的改造,裂缝开启前,储层渗流可以看作是基质岩石渗流,裂缝对渗流的影响不大;裂缝开启后,由于其渗流能力较强,将发挥主要的渗流通道作用。 关键词:裂缝性低渗透油藏;渗流特征;回压;水相渗透率;实验研究中图分类号:TE 344 文献标识码:A Exper i m en t a l study on seepage flow l aw of fractured low per m eab ility reservo i r F U J ing 1 ,S UN Bao 2jiang 1 ,Y U Shi 2na 1 ,S UN Xin 1 ,MA Xin 2ben 2 ,L I U J ia 2jun 2 ,LOU Yi 2shan 3 (1.College of Petroleum Engineering in China U niversity of Petroleum ,D ongying 257061,Shandong P rovince,China; 2.J iangsu O ilfield Co m pany of S I NO PEC,J inhu 211600,J iangsu P rovince,China; 3.Faculty of Petroleum Engineering in China U niversity of Petroleum ,B eijing 102249,China ) Abstract :The seepage fl ow characteristics of a typ ical fractured l ow per meability reservoir were studied by experi m ents .The conventi onal seepage fl ow experi m ental equi pment was refor med by additi onal back 2p ressure contr olling syste m in the end of core holder .The seepage fl ow characteristics of this bl ock were si m ulated by exerting different back 2p ressure for core .The relati on curves of water phase per meability of reservoir cores and back 2p ressure were obtained .The results show that the ex 2isting of fractures has influence on percolati on fl ow characteristics of l ow per meability reservoir .Bef ore fractures open,the fluid fl ow in reservoir can be thought as fluid fl ow in matrix,and the effect of fractures on fluid fl ow is less .After fractures open,the fractures are the main fluid fl ow channel . Key words :fractured l ow per meability reservoir;seepage fl ow characteristics;back 2p ressure;water phase per meability;ex 2 peri m ental study 低渗透油藏在我国石油开发中占有重要的地 位。该类油藏中一般多发育有裂缝、微裂缝,其开采特征也明显受到裂缝的影响,比如,裂缝的存在使得该类储层的压敏效应更加明显,裂缝的开启、闭合对储层渗流能力有着较大影响。同时,这类储层渗透率一般具有明显的各向异性,在油田注水开发中沿裂缝方向容易引起井的暴性水淹等。目前人们对低渗透油藏渗流特征研究已做了大量工作,但针对含裂缝的低渗透油藏渗流规律方面的研究还较少,笔 者通过室内实验对该类储层的渗流机理和渗流特征进行研究,为该类储层的开发提供理论依据。 1 实 验 111 实验设备及实验原理 实验设备如图1所示,与常规渗流实验装置不同,本实验装置在岩心夹持器出口端设有一回压控制系统。 在以往渗流实验中,由于实验设备的局限性以 2007年 第31卷 中国石油大学学报(自然科学版) Vol .31 No .3 第3期 Journal of China University of Petr oleu m Jun .2007