基于鉆孔高壓壓水試驗非線性流模擬計算錯動帶滲透參數

作者：周志芳,王哲,李雅冰,沈琪,李思佳,陳朦

摘要：高壩大庫建設過程中,往往需要確定工程區附近巖土體在高水頭作用下的滲透參數,鉆孔高壓壓水試驗是其中最常用的方法之一。與其他試驗相比,高壓壓水試驗具有很高的水頭和滲流速度,很容易出現非線性滲流,這種情況下達西流公式不再適用,因此,亟需一種基于鉆孔高壓壓水試驗確定非線性參數的求解方法。本文建立了鉆孔高壓壓水試驗的非線性流數學模型,采用有限差分的方法,得到了階梯水頭變化情況下非線性流數學模型的數值解,并驗證了該數值解的準確性。在此基礎上討論了非線性參數對水頭和流速的影響,結合白鶴灘水電站玄武巖錯動帶現場高壓壓水試驗,進一步驗證了該方法的可靠性。結果表明,當非線性參數k和徑向距離r保持不變時,非線性參數β越大則試驗過程中的水頭h和流速v都越小;當非線性參數β和徑向距離r保持不變時,非線性參數k越大則試驗過程中的水頭h越小、流速v越大;且較大的β和k均會使得高壓壓水試驗能更快地趨于穩定狀態。如果仍按照達西流公式進行計算,將會高估透水介質中的水頭,進而高估玄武巖錯動帶結構面抵抗滲透破壞的能力,最終對工程穩定性產生不利影響。在白鶴灘水電站進行的鉆孔高壓壓水試驗過程中地下水發生了非線性運動,求得C2錯動帶的非線性參數β=1.62 min·m-1,k=9.60×10^(-3)m·min^(-1),該方法對于現場確定錯動帶非線性參數有較好的適用性。

發文機構：河海大學地球科學與工程學院 生態環境部南京環境科學研究所

關鍵詞：高壓壓水試驗非線性滲流錯動帶有限差分Forchheimer方程High-pressure packer testNonlinear flowStaggered zoneFinite difference methodForchheimer equation

分類號： P642.3[天文地球—工程地質學]