剖面渗流有限元中井列的计算方法研究

摘要

减压井（井群）是渗流控制的重要措施，但是目前井及井列的有限元算法存在着计算量大或者精度较低的问题。本文着重对剖面有限元中长列井及多列井的算法进行研究，并在杆单元法的基础上，提出了虚拟旁路法来模拟井周绕流的附加渗径以及井内阻力，实现了剖面渗流中井列的计算功能，在几乎不增加计算量的情况下显著地提高了计算精度。
　　 文章采用虚拟旁路法中支旁路的长度来模拟长列完整井的附加渗径，用支旁路的截面积来模拟井周的过水面积。剖面中井节点的水位为井列线方向的平均水位，新增井节点的水位为原始井水位，通过每一条支旁路的水量正比于两节点的水头差。计算时只计入虚拟支旁路对相应井节点的贡献，可直接计算，无需迭代。计算中，只对正对称流修正，反对称流的水头和流量由程序自行迭代计算，与“以沟代井列”中的“井周阻力修正法”相比较，避免了对反对称流的影响。
　　 对于长列非完整井，井底以上部分按照长列完整井计算，井底以下部分按照长列浅井计算。文章推导了剖面渗流中长列浅井的水头和流量关系表达式，并对“以沟代井列”中的沟水位进行修正，同时对沟节点作为有限元计算中的奇异点进行修正。
　　 利用FROTRAN语言对上述模型在剖面渗流有限元的基础上编制了井列的计算程序，并通过大量算例及适用性分析证明：该计算方法对于各种长列井及多列井都具有较高精度。同时结合从化市某拦河坝的排水孔群，运用虚拟旁路法与当量渗透系数法分别进行计算，两种方法的计算结果非常相近，进一步说明了该方法是合理的，可以为渗流控制分析提供参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 单个排水井的计算方法

1.2.2 井列的计算方法

1.2.3 非完整井的计算方法

1.3 本课题研究的主要问题

1.4 论文结构

第二章 虚拟旁路法计算并列的算法描述和模型

2.1 有限元法计算剖面渗流

2.1.1 基本方程和基本假定

2.1.2 定解条件

2.2 长列井的算法描述

2.2.1 单列完整井的算法描述

2.2.2 单列非完整井的算法描述

2.3 长列井的计算模型

2.3.1 单列完整长列井的虚拟旁路法

2.3.2 单列非完整长列井的虚拟旁路法

2.3.3 多列井相互干扰的计算方法

2.3.4 考虑井阻力情况下减压井的模拟计算

2.4 本章小结

第三章 程序编制

3.1 程序编制的目的

3.2 程序编制

3.2.1 节点排序和单元划分

3.2.2 总体渗透矩阵和节点水头列阵的形成

3.2.3 整体矩阵的存储方式及大型稀疏矩阵方程组的解法

3.2.4 程序流程图

3.2.5 输入输出文件说明

第四章 算例验证及适用性分析

4.1 算例资料

4.2 单列完整井计算结果

4.2.1 井距对计算结果的影响

4.2.2 井径对计算结果的影响

4.2.3 含水层厚度对计算结果的影响

4.2.4 补给距离和补给强度对计算结果的影响

4.2.5 网格大小对计算结果的影响

4.3 多列完整井计算结果

4.3.1 井列距对计算结果的影响

4.3.2 含水层厚度对计算结果的影响

4.3.3 补给距离和补给强度对计算结果的影响

4.3.4 网格大小对计算结果的影响

4.4 单列非完整井计算结果

4.4.1 贯入度对计算结果的影响

4.4.2 网格大小对计算结果的影响

4.4.3 含水层厚度，补给距离及补给强度对计算结果的影响

4.5 多列非完整井计算结果

4.6 本章小结

第五章 工程实例

5.1 工程概况

5.1.1 工程介绍

5.1.2 地质、水文介绍

5.2 两种计算方法结果对比

5.2.1 排水孔的简化模拟

5.2.2 排水孔通畅时各种工况下计算分析对比

5.2.3 排水孔淤堵时各种工况下计算分析对比

5.3 采用虚拟旁路法计算新设计方案

5.4 本章小结

结论

1 结论

2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致 谢