抽象性

层间剪弱带(ISWZ)是一个特殊结构平面,宽度和间距不等,分层岩石群,渗透性比环状岩石高,这是水电站项目安全的一个风险因素。高压打包测试分步注入常用以描述ISWZ渗透性非达尔斯流很容易在高压下出现,这使达西法模型不再适用在这次研究中,提议对封闭含水层使用两种非达尔斯流分析法调查非达尔斯流渗透参数并推导出各种非达尔斯模型等效渗透系数现场测试Baihetan水电站ISWZ校验建议方法结果表明流程从完整性到销毁在整个HPPT过程的非达尔西流Izbash法比Forchheimer法在复杂测试情况下更合宜销毁后等效渗透系数比前大一或二级数值同时,有必要注意高梯度下等效渗透系数两种表达式差异的增加一或速度V级)总的来说,这些方法可用于评价ISWZ特征分析对工程稳定性的影响

开工导 言

层间弱点区(ISWZ)是一个特殊结构平面,广泛分布于岩石质量中,特别是在中国一些大型液压项目中。高头水力电站建设后,ISWZ的影响力对项目稳定很重要ISWZ结构松散,岩石折叠和高粘度提供地下水流主通道水库封存后,地下水流可能偏离达西定律,因为高速或液压梯度因高水头差而增加,与现有的达西流模型完全不同。非达尔斯流对ISWZ的影响尚缺研究

ISWZ是由于剪切相对窄带故障岩石作用引起的,这些故障岩石变化是由于物理化学机制运行直接或间接地与变形相关并经常受流体控制徐等人开发出概念模型并列层间土壤和岩石接口以预测ISWZ剪实强度[一号实验室在不同饱和度下直接切片测试研究宿主岩石和宿主岩石接口中弱层间土壤的剪切行为2并使用等量连续法评价未来Baihetan受ISWZs影响的地下电厂的稳定性3..Chen等[4发现ISWZ可视填充低渗透性填充物(泥瓦和碎片)和高渗透性填充物(石形和环状岩石折叠式填充物)。计取ISWZ规模变异,层间错开带液压传导值随比例增高而趋向汇合,并推荐Baihetan水电项目ISWZ液压传导值5..

高压打包测试是一种逐步液压注入测试,作为测定断裂岩块水力机性的方法水力学领域广泛使用举例说Cornet等[6调查压力域 水力机械联动显著影响 岩石群水力行为Cappa等[7分析现场骨折机械变形和流水交互Derode等[8评估流体和压力转移作用触发断裂介质震荡变形黄等[九九显示注入测试分两个阶段,分注入压力(稳定变化阶段加法阶段)由液压分解引起封装测试注入压力通常以中值控制以避免液压分解,很少案例用于估计液压参数因向骨折失效压力增加而受高水压

达西基于法律方程被广泛使用以确定液压传导性K级或传递性T级值[10-12..越来越多的现场测试显示测试结果中非达尔斯流出的证据,包括打包测试13和试探14流体测试断裂岩流可能导致低估T级乘以最大量级15..HPPT最明显的特征是高注入压力,这表明测试段流应有可能生成非达尔斯流某些研究开始聚焦非达尔斯流16..山田等[17取取方程Izbash方程 可用于打包测试中各种流条件Chen等[18号HPPT最大注入压力达7兆帕以理解周围岩石高压地下水流行为并使用两个非达斯法分析模型估计液压参数最近,他们建议综合方法合并打包测试数据解释、统计相关性和逆向建模,以确定喀斯特含水层系统非达尔斯流属性[19号..

多数HPPT用于获取断裂石体液压参数,很少进行测试评估ISWZ等断裂岩石结构平面参数特别是,非线性流研究少之又少论文的主要动机是评估HPPT高压下ISWZ非达尔斯流参数第一,建议两个非线性新分析模型描述HPPT非达尔斯流,非达尔斯流参数通过曲线安装获取以简化计算使用两种模型解释中国百建水电站的现场测试数据最后,还获取了测试期间等效渗透系数的变异性它可以为进一步的渗出分析提供参考

二叉方法论

图中显示HPP系统图解一号.Hvorslev等[20码提供不同的公式计算液压传导性ISWZ强异步渗透性强 层向渗透性强 层向渗透性弱边界无限流线横向渗透系数k正治理(3) 特定卸载q二维保持井口轴向不变


图1
语法表示高压打包测试

半稳流管方程全井封闭水可简化 去哪儿H级位头水表R从半径流中心向任意边界基于上述假设,具体卸载q二维可写为 去哪儿V级流体速度Q类常量流率测试达稳定状态M级厚度ISWZ

Laminar流出多孔或断裂介质可描述达西定律能量损耗因运动力和惯性作用增加时, 扰动流发生时 流流会偏离达西法则 即非达尔西流有两种公认的法律描述:Forchheimer法和Izbash法

2.1.Forchheimer法

Forchheimer扩展达西法则并用二次词表示动荡流引起的偏差度 去哪儿一液压梯度V级流体速度a/并b/系数表示粘和惯性能量损耗可进一步写成 去哪儿华府流体动态粘度华府流体密度g级引力加速k即渗透性,辰族非线性流系数K级渗透系数laminar流

介质漏洞系数 Forchheimer方程中线性词取决于多孔介质和流体的属性表示流固接口粘性力(粘结摩擦)损耗能量另一方面,系数 非线性术语仅取决于多孔介质属性,该介质与惯性力相关21号..

组合Eq.2和Eq.3液压属性k并辰族)Forchheimer法例

积分方程Eq.5)是

包箱测试观察井孔h华府假设头注入井半径R华府通过注入压力转换h华府高山市h华府=P级/乌合之众)!并h一号头观察井R一号,增产

执行原位HPPTs时注入压力P级量流率Q类)注入孔中可获取头部差表示H=h华府-h一号.by对应Eq.7)下Forchheimer方程可用于适配H#H-Q类曲线 去哪儿

2.2.Izbash定律

Izbash法则实证方程 也称权法 中N级并K级C级经验常量K级C级非线性流水渗透性N级非线性流指数表示从线性偏差程度

积分Eq.一号归来

组合Eq.2和Eq.11),我们现在有

时间Eq.13向eq.12常量C级华府市

Eq.12)可写成

积分表单表示

何时N级=1积分方程Eq.15)与Hvorslev方程完全相同 去哪儿K级C级等同渗透性k线性条件何时N级++1Eq16)可写成 去哪儿h华府假设头注入井半径R华府通过注入压力转换h华府高山市h华府=P级/乌合之众)!并h水头观察井R.

下Izbash方程可适配H#H-Q类曲线 去哪儿

2.3等价渗透系数

众所周知一-V级曲线直接显示渐变速度关系,曲线斜率与渗透系数相关非达尔斯流,渗透系数值不时变化,原因是曲线坡度在不同点不同。我们引入等效渗透系数量化变异

As一-V级图显示曲线2选择曲线上的任何点并连接到起始点,此线表示液压头梯度和流速之间的线性关系,斜率值对等渗透系数对线性流为等值,此点分离被称为缓冲法另一方面 斜坡一-V级曲线指从数学角度点渗透系数对等性,线指点相切性,即相切法达西流中这两个值相等一-V级曲线为直线,但当曲线不再是直线时,这两个值将不同等值渗透系数可用这两种方法计算,而每种方法根据不同的非达尔斯模式有两种表达式表显示这些方程汇总一号下图, whereK级Esf并K级易西市等值渗透系数分别取法Forchheimer方程和Izbash方程以同样方式K级etf并K级eti语言等效渗透系数两种非线性流方程


图2
透视图通过两种方法获取等效渗透系数
表1
两种方法获取等效渗透系数

多项研究使用偏差法描述液压头梯度与流速关系非线性以进一步计算,它们合并达西语和非达西语流模型以获取非达西语流渗透系数22号-25码..可渗透性系数相切法有清晰物理意义速度和梯度足够低时,这两个值之间差别微小,但明显差与速度和梯度增值之差,图中显示2.

3级高压打包测试

3.1.网站描述

百合水电站位于中国金沙河下游3(a))世界第二大水电项目双曲大坝最大高度分别为289米和左岸和右岸两座大型地下电厂金沙江大坝区南向北流590米,水库正常水库水位825米上游和下游头差在封存后将达235米


图3
百合水电站百合水电站地理定位图水电站布局和测试场分布主水文地理结构空间分布和试验场垂直定位

上 Permian Emeshan编程的Basalts大都暴露在大坝区,Tuff跨层除第一个岩石层顶部外在每个basalt层间开发,10个岩石层均有不同程度结构错乱,空间分布与岩石层发生相匹配(图示)。3(c))层间剪切弱带(例如C2C级3C级4结构动作组装层间5-40cmISWZC2和C4遍历左岸和右岸整个地下电厂,对地下电厂稳定有潜在威胁

周等[5调查大坝区ISWZ填充类型,可划分为四种类型:插片泥巴、带插片泥块的岩石碎片、粒子和岩石图中显示ISWZ单片4分布位置填充物可观察不同的填料有不同的渗透性特征,泥和碎片渗透性低,粒子和岩石渗透性高同一ISWZ渗透性值不同位置并因填充分布异性而异,ISWZ横向渗透性一般比垂直大得多整个ISWZ渗透力比Basalts强,Basalts组成主结构平面控制流并影响大坝水地质条件


图4
层间剪取弱带填充组成
3.2HPPT程序

图中显示3和3左岸和右岸选择两个试验场,目标区C内选择一个试验场2左岸为CZK51,另一试验场位于目标区C4右端银行编号CZK88

3.2.1井口CZK51

CZK51位于左岸主变压洞东侧,使用钻井技术搭建5口测试井570米图显示这5口井分布5.交错带中泥含量减少,碎片和砾石开发得更近,粘土含量较低在每个井口安装两台液压充气机隔离ISWZ向目标测试段注入精确压流速率Q类水注入压力P级注入井由每个压力阶段的填充数据采集处理系统测量(TIANJINSAIZHI,FEC-GJ3000),整个过程由从Schlumberger公司购买的TDDVER地下水数据挖掘器(DI1271)记录水口表

(a)
(a)
(b)
(b)
(c)
(c)
d)
d)
图5
分布剖面测试网站CZK51:(a) 空间分布B-B区钻孔剖面A-A区钻孔剖面钻孔CZK51测试场

图中显示6中进程可划分为三个阶段第一阶段为试验初级非损耗阶段,井口流速率在注入压力0.3兆帕下有光变化,表示测试段完整,注入井口水缓慢流转流速在压力中点0.5兆帕缓慢上升,观察井口头表增加


图6
流速和水表观察孔CZK51-0可按流变异和观察到的扰动性分三级:(一) 未损坏阶段,二)过渡阶段和三)受损阶段

下一阶段是过渡阶段,注入压力达0.7兆帕,流速和水表本阶段观察井口与最后压力阶段相比持续增加同时观察井水软化,测试段保持原样

注入压力进一步提升到1.0兆帕时,流速快速提高,从阻塞井流出肥料水损害阶段测试段发生重大渗透损害保持注入压1.0MPa直到流速稳定,观察井水净化测试结束时注入压力增加到1.5兆帕观察二次损害是否发生红褐水从CZK51-0和CZK51-1观察传递显示损耗在压力级1.0兆帕几乎完全,在压力级1.5兆帕中未发现扰动液

3.2.2.2井口CZK88

测试场CZK88位于右岸两排水廊交叉处,5口测试井使用钻井技术搭建,孔高705米图中显示这些钻孔分布7.主要由brecia、裁剪和泥块组成,中间部分分布breccia和碎片测试设备与前测试相同CZK51

(a)
(a)
(b)
(b)
(c)
(c)
d)
d)
图7
分布图和段视图测试场CZK88:(a) 空间分布B-B区钻孔剖面A-A区钻孔剖面钻孔CZK88测试场

图中显示8井口流速相对较低 当注入压力0.3兆帕到1.5兆帕时 表示目标段渗透性差无损阶段 压水缓慢扩散流速率和水表观察井口略增并随波推增,当压力升至2.0兆帕和2.5兆帕时过渡阶段内部填充结构开始变换高梯度而无损


图8
流速率水槽CZK88-1可按流变异和观察到的扰动性分三个阶段,(一)非损化阶段,(二)过渡阶段和(三)损化阶段

注入压力达3.0兆帕时,发现注入流速快速提高,同时从井口CZK88-1观察到大量红褐泥水排放显示测试段受损观察井口水流仍然扰动,注入压力增至3.5兆帕流速快速上升 压力阶段中, 二级损坏发生在本节流速快速下降 最终稳定在测试结束过程期间观察洞头部没有变化,可能是注入井附近部分损坏,然后ISWZ泥填再快速阻塞以形成新稳定状态,观察洞水头不受影响

4级结果和讨论

二次测试估计ISWZ非DARCA流属性2和C4..都注入井半径R华府值为3.75cm和长度I级测试段面积分别为4mCZK51和2mCZK88井口CZK51试验段平均厚度约0.95米和0.68米4井口CZK88根据以上HPPT进程分析,使用两个非Darcian流模型获取非Darcian参数H-Q曲线搭配两组值根据内部结构变换解释测试过程,第一个阶段包括无损阶段和转换阶段,当测试段相对完整性时用于解释流,第二个显示损级渗出特征流速快速达稳定状态前一节分析后, 我们选择每个水压级平均流速安装曲线

4.1.非达斯流属性ISWZ
4.1.1.井口CZK51

五个压力级划分为两个主要部分以获取非达卡参数,原因是测试段结构改变前三级为未损坏阶段,后三级为受损阶段注意两个阶段都包含过渡阶段点,本阶段测试段内部结构开始改变,但并非完全损坏,因为未损坏阶段结束和受损阶段启动

图中显示9(a)相容曲线取自两种非达尔斯流模型 都与观察点完全匹配注意Forchheimer法则之四词为负表示结果毫无意义反之,Izbash定律效果良好图中显示损害阶段两种非达尔斯流模型获取的曲线9(b)Izbash法律模型比Forchheimer法律模型合用相匹配最适非达尔斯流参数显示于表2byEq.九九和Eq.10Forchheimer法理和Eq.20码分别为Izbash定律

(a)
(a)
(b)
(b)
图9
H#H- Q类非达尔斯流模型从HPPT数据中获取曲线CZK51
表2
非达尔西亚流参数根据CZK51中HPPT数据估计
4.1.2.井口CZK88

九级压力CZK88划分为两个主要部分非损坏级包括从0.3兆帕到2.5兆帕的压力级,这些压力级无损后三个阶段是损害阶段,过渡阶段最后点考虑为损害起始点

适当结果显示图10(a),两个曲线相似 无损阶段表格显示获取的非达尔斯参数3渗出特征类似于钻孔CZK51特征,Forchheimer法中非线性词为负值,非线性索引小于Izbash法中1增加头差无关小 直觉看到曲线向下倾斜主要原因是内结构因填充粒子逐步冲走而变化,导致测试段渗透性持续变化从图中可见10(b)Forchheimer法则在损害阶段获取的曲线有相似问题,导致无谓结果

(a)
(a)
(b)
(b)
图10
H#H- Q类非达尔斯流模型从HPPT数据中取出曲线CZK88
表3
非达尔西亚流参数根据CZK88中HPPT数据估计

从两个阶段的结果中可以看出Izbash的法律更适合解释HPPT的非达尔语流趣味的是非达尔斯指数值介于0至1之间,与前非达尔斯流研究成果不同,即值与前非达尔斯流N级介于1至2之间的泛例26-30码..与这些研究不同,测试过程比较复杂,包括高梯度下低渗透性中非达尔契流和高压下内部结构变化测试结束部分销毁提高ISWZ渗透性,导致流速快速提高,使曲线偏离前压力阶段形成的线性关系

4.2等价渗透系数变换

因Izbash定律对HPPT比较合适,两种等效渗透系数可以从本模型的适配结果中获取,可写成

图中显示11a)项11和表4等量钻孔CZK51相切法比分离法大流率上升后,两个值之间的差值继续增加值显示测试段渗透性强 并有渐增过程测试段内部结构随填充冲去而持续改变特别是在受损阶段,值快速增值,同时,由于非线性提示法,两种方法之间的值差较大N级最小值通过切换法获取的值比分离法获取值大倍数表示等效渗透性实际值在最后注入压力阶段被低估过渡阶段渗透系数的增加显示损害开始发生时注入压力为0.7兆帕同时,过渡阶段的两个值通过不同条件相容结果获取这两种值微小差错


图11
井口不同压力级等效渗透系数变化 (a)CZK51和b)CZK88,详细结果未损阶段为c)CZK51和d)CZK88
表4
井口CZK51用两种方法在不同注入压力下获取等效渗透系数

图中显示11和表5等效渗透性CZK88分片特征相切法所得值较大,图中显示11d)级最大差点是相切方法值约一阶比偏差法大明显差别的原因与CZK51结果相同,CZK51相对小值N级产生如此大差别受损阶段等效渗透系数被低估表示试验段渗透性强于实际案例预期值后应注意这一差分

表5
井口CZK88用两种方法在不同注入压力下获取等效渗透系数

5级摘要和结论

很少有研究SWZ非达尔斯流条件下渗透性,这对岩石质量稳定至关重要。在这次研究中,两个非达尔斯流模型,如Forchheimer法和Izbash法改进描述关系H#H并Q类高压打包测试过程详细分析HPPT在ISWZs完全压力过程这两种模型的长处是简单易行和高精度,对推广应用有良好的价值但这些方法有高要求测试条件 水流需要在每个压力阶段达到稳定值

ISPZ内部结构复杂,在整个HPPT进程期间高非线性观察流可发现匹配稳定值H#H并Q类在每个压力阶段Izbash定律比Forchheimer定律合宜同时 等效渗透系数 破坏阶段范围 1x106m/s和1x107m/s比1x10范围非损级高一二级4m/s和1x105级m/s使用装配参数两种方法所得等效渗透系数之差将随梯度提高可见度更高(一或速度V级)有必要研究非达尔斯流时注意这一点

名词性

H级: 水表头
R: 辐射坐标
q二维: 特效卸载
V级: 流速
Q类: 量子流速率
M级: 深水层
一: 液压梯度
a/: 系数描述粘性能量损耗
b/: 系数描述惯性能量损耗
华府: 流动动态粘结
华府: 流密度
k: 可渗透性
g级: 重力加速
K级: 渗透系数laminar流
辰族: 非线性流系数
h华府: 水表头测试井半径R华府
R华府: 好半径
h一号: 水表口观察井
R一号: 注入井与观察井之间的辐射
P级: 压强
H#H: 头差
A级: 适配参数
B级: 适配参数
N级: 非线性流指数
K级C级: 非线性流水渗透Izbash定律
C级: 常量
C级一号: 适配参数
K级e类: 等价渗透系数

数据可用性

支持本研究结果的测试数据可应请求从相关作者处获取。

利益冲突

作者声明,他们没有已知的竞相金融利益或个人关系,这些利益和个人关系可能似乎会影响本文所报告的工作。

感知感知

这项工作得到了中国自然科学基金会主体方案(Grant No.9174204