孔隙含水层渗透系数影响因素及渗流数学模型试验研究

摘要

水热型地热资源的合理开发应当明确采灌过程中含水层渗流过程,简单恰当地描述含水层孔隙中地下水渗流行为尤为重要。目前已有大量数学建模、数值模拟及试验研究,Darcy方程和Missbach方程在低速度渗流的应用范围尚不明确。寻求利用宏观可测量参数对实际工程中地下水渗流过程的准确描述,分析渗流温度、压力等因素对渗透过程的影响仍有待完善。本文搭建地下水渗流物理模拟砂箱试验台,固体骨架采用三种颗粒级配细砂,以压力大小、加压时间和供水温度作为试验变量,完成20组工况的试验测试;获得Darcy方程适用的临界渗流速度,利用正交试验分析各因素对渗透系数的影响程度;探讨不同条件下的水力梯度和渗流速度变化关系,获得Missbach方程分段拟合关系式;并从能量守恒角度出发,通过量纲和理论分析,建立考虑流体温度变化的含水层渗流数学模型,相关研究结果如下: (1)在含水层渗流过程中,Darcy方程存在其适用的临界渗流速度,小于临界渗流速度时,Darcy方程适用性降低。临界渗流速度受土样颗粒粒径大小与加压时间影响,压力大、作用时间长将加速土样固结。压力相同,大粒径土样在长加压时间作用下,临界渗流速度与小颗粒土样短时间加压作用下相同。0.04 MPa下,土样1加压12 h与土样2加压0 h临界渗流速度均为9.8 m/d。 (2)各因素对含水层渗透系数影响程度的主次顺序为流体黏度>压力>水力梯度。随着压力和加压时间的增加与供水温度的降低,土样渗透系数逐渐减小。压力从0.02 MPa提升至0.04 MPa,加压时间变化对土样渗透系数的影响程度从60%降低到10%;供水温度变化对土样渗透系数的影响程度从95%变化到25%。 (3)Missbach拟合方程计算所得水力梯度与试验实际水力梯度的最大均方根误差仅为0.0374,能准确描述低渗流速度下的含水层渗流过程;获得不同条件下Missbach拟合方程经验系数n与m,其中指数m的取值可超出[1,2];土样水力梯度在不同条件下变化情况不同,随压力与加压时间的增加、供水温度的减小,水力梯度持续增加。 (4)建立并验证考虑流体温度变化的含水层渗流数学模型,其雷诺数适用范围为[0.0036,0.1217]。该模型在测压管高差大于1.1 m时都可以确保计算流量与试验流量的误差在5%以内;详细介绍该数学模型的应用方法,并给定不同压力和温度下能量耗散系数i的取值;该数学模型的参数均为宏观测量参数,在工程中极易测得,可作为描述实际工程中地下水渗流过程的有效方法。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 含水层渗流数学模型

1.2.2 渗透系数的影响因素

1.2.3 研究现状分析

1.3 研究内容

第二章 试验台搭建及试验方案设计

2.1 引言

2.2 正交试验理论

2.3 试验系统设计及搭建

2.4 试验方案

2.4.1 试验前期准备

2.4.2 试验流程

2.4.3 试验工况

2.5 试验台测量系统

2.5.1 水压力及地应力测量系统

2.5.2 流量测量

2.5.3 温度测量

2.6 试验不确定度分析

2.6.1 压力不确定度分析

2.6.2 流量不确定度分析

2.6.3 温度不确定度分析

2.7 本章小结

第三章 基于Darcy方程的含水层渗透系数影响因素分析

3.1 引言

3.2 不同压力对含水层渗透系数的影响

3.2.1 土样 1 渗透系数变化情况

3.2.2 土样 2 渗透系数变化情况

3.2.3 土样 3 渗透系数变化情况

3.3 不同加压时间对含水层渗透系数的影响

3.3.1 土样 1 渗透系数变化情况

3.3.2 土样 2 渗透系数变化情况

3.4 不同供水温度对含水层渗透系数的影响

3.5 各因素对含水层渗透系数的综合影响

3.6 本章小结

第四章 Missbach 方程分析及渗流数学模型推导

4.1 引言

4.2 水力梯度与渗流速度的变化关系

4.2.1 不同压力情况分析

4.2.2 不同加压时间情况分析

4.2.3 不同供水温度情况分析

4.3 Missbach 方程拟合分析

4.3.1 土样 1 Missbach 方程拟合分析

4.3.2 土样 2 Missbach 方程拟合分析

4.4 含水层渗流数学模型推导及验证

4.4.1 含水层渗流方程推导

4.4.2 含水层渗流方程验证

4.5 本章小结

第五章 结论及展望

5.1 主要结论

5.2 建议与展望

参考文献