文档介绍：第 6 章地下工程渗流场和应力场耦合研究
知识要点:
; 岩土介质渗流-应力耦合理论
; 岩土介质渗透性演化模型
; ABAQUS 渗流-应力耦合相关命令介绍
; 低渗透介质非排水卸载数值仿真分析
; 地下洞室开挖过程模拟
; 油气储层注采过程模拟
; 隧道围岩开挖扰动区数值模拟
本章导读:
本章主要介绍了采用大型通用有限元软件 ABAQUS 进行渗流-应力耦合分析的功能及其数值实
现的基本过程,其主要内容为:岩土介质渗流-应力耦合理论、岩土介质渗透性动态演化模型、
ABAQUS 渗流-应力耦合相关命令、低渗透介质非排水卸载数值仿真分析、地下洞室开挖过程模拟、
可变形油气储层注采过程中渗流场与应力场动态耦合分析以及隧道围岩开挖扰动区数值模拟。
岩土介质渗流-应力耦合理论
流固耦合理论是渗流力学与固体力学交叉而生成的一个力学分支,它是研究地质环境中流体与
岩体相互作用的一门科学,其研究与应用已涉及到了水力水电工程的渗流与控制、水库诱发地震、
有害核废料处理、煤矿瓦斯泄漏及石油开发等领域。近年来针对岩石低渗透特性的研究已成为国内
外岩土工程界关注的热点之一,我国实施与规划中的石油/天然气地下能源储存、低渗透油气田开发、
高瓦斯矿井瓦斯抽放、放射性废料地质深埋处置等工程,都涉及到在复杂的地质结构中建造地下工
程。
渗流-应力相互耦合的力学机理
在诸多岩土工程中,如石油天然气开采、地下水抽放、地热开采、核废料处理、煤层瓦斯突出、
水库诱发地震等渗流问题,均涉及到流固耦合渗流问题,此项研究已成为目前科学研究的热门课题。
传统的流-固耦合模拟中,孔隙度和渗透率是保持不变的,而在实际的渗流过程中,由于孔隙流体压
力的变化,一方面要引起多孔介质骨架有效应力变化,由此导致渗透率、孔隙度等的变化;另一方
面,这些变化又反过来影响孔隙流体的流动和压力的分布。因此,需考虑孔隙流体在多孔介质中的
流动规律及其对多孔介质本身的变形或者强度造成的影响,即考虑多孔介质内应力场与渗流场之间
的相互耦合作用。
岩土体的流-固耦合是水体流动和介质变形相互作用、相互影响的结果,完全流-固耦合模型的
相互作用机理如图 6-1 所示,由变形和孔隙水相互作用而产生可称为“直接耦合”,如图中的过程Ⅰ
和Ⅱ;而“间接耦合”是孔隙度的改变引起渗透系数的变化,孔隙度和渗透系数的变化由有效应力
的变化而引起,孔隙的减小会引起介质截面积和所含水量的减小,进一步使得材料刚度增大,如图
中的Ⅲ和Ⅳ,间接耦合使得耦合系统呈非线性,导致多孔介质的渗透系数呈各向异性。
应力场(Ⅳ)
应力、应变
(Ⅱ) 力学参数
孔隙体积的改变
水力参数(Ⅰ)
渗流场
(Ⅲ) 孔隙水压力、流量
图 6-1 完全流-固耦合系统相互作用的力学机理
多孔介质中流体渗流规律
孔隙流体的渗流行为遵循 Darcy 定律或 Forchheimer 定律,Darcy 定律一般适用于低渗流流速,
是线性关系;而 Forchheimer 定律是非线性定律,主要模拟更高流动速度的情况,Darcy 定律可以认
为是 Forchheimer 定律的特例。
Darcy 定律用于表述为层流条件下通过多孔介质的渗流速度与水力梯度满足线性关系,在一维
条件下有:
Q
vgrad′= =−kHkJ = (6-1)
A
p
式中,v′为平均渗流速度;Q 为流量,A 为过水面积;k 为渗透系数;H 为测压水头,Hz=+ w ,
gρw
z 是某指定参考面之上的高度, ρw 为流体密度, gradH 为水力梯度。
可以发现,式(6-1)表示的渗流速度是一种假想流速,即认为过水断面中任意一点均存在着水
流(包括固体骨架上也存在着水流),实际上,过水断面有两部分,一是孔隙空间,另一部分是固体
骨架。但是,水流仅能通过孔隙空间流动,可供水流通过的面积为 nA ( n 为孔隙率);有时孔隙空
间中一部分为死端孔隙,水流不能通过,可用有效孔隙率 ne 来描述,可供水流通过的面积为 nAe 。
因此,实际渗流速度 v 可表述为:
Q v′
v = = (6-2)
nAee n
饱和条件下,考虑有效孔隙率 ne 情况下的 Darcy 定律表达式为:
nHe vk= −=grad kJ (6-3)
在一维条件下,渗透速度 v 、水力梯度 gradH 和渗透系数 k 是一个标量;但在三维条件下,渗透速
度 v 和水力梯度 gradH 是矢量,若对于各向同性介质而言,k 是一个标量,对于各向异性介质来说,
k 是一个二阶张量