节理在不同接触状态下的渗流特性解析
渗流力学知识点总结
渗流力学知识点总结一、渗流基本理论1.渗流的基本概念渗流是指流体在多孔介质中的流动现象。
多孔介质是由孔隙和固体颗粒组成的介质，流体可以通过孔隙和固体颗粒之间的空隙进行流动。
渗流现象在自然界和工程领域都有着广泛的应用，如地下水的运移、石油的开采、地下储层的注水等。
2.渗透性与渗透率渗透性是指单位压力下单位面积介质对流体的渗透能力，通常用渗透率来描述。
渗透率是介质内渗流速度与流体粘滞力之比。
一般来说，渗透性越大，渗透率越高，介质对流体的渗透能力越强。
3.渗透压力与渗透率渗透压力是指多孔介质内部由于孔隙中流体分布不均匀而产生的压力。
渗透压力的大小与介质的孔隙结构、流体的性质、地下水位等因素有关，它是影响渗流速度和方向的重要因素。
4.达西定律达西定律是描述渗透性与渗流速度之间关系的定律，它指出在流体粘滞力不考虑的条件下，渗透速度与渗透压力成正比，与渗透率成反比。
达西定律为渗流理论研究提供了重要的基础。
二、多孔介质渗流规律1.多孔介质的渗流特性多孔介质是由孔隙和固体颗粒组成的介质，它具有复杂的微观结构和介质性质。
渗流在多孔介质中受到许多因素的影响，如介质的孔隙度、渗透率、渗透性等，这些因素决定了渗流规律的复杂性和多样性。
2.渗流方程渗流方程是描述多孔介质中流体运移规律的方程，它通常由渗流方程和质量守恒方程两部分组成。
渗流方程描述了流体在多孔介质中的流动规律，它是渗流力学研究的核心内容。
3.多孔介质的稳定性多孔介质中的渗流现象可能受到介质本身的稳定性限制。
孔隙结构、流体的性质以及渗透压力等因素都会影响介质的稳定性，这对渗流速度和方向产生重要影响。
4.非均质多孔介质中的渗流非均质多孔介质中的渗流现象通常较为复杂，其渗透率、孔隙度、渗透性等参数都可能在空间上呈现非均匀性。
对非均质多孔介质中渗流规律的研究对于实际工程应用具有重要意义。
三、非线性渗流1.非线性渗流模型非线性渗流模型是描述介质非线性渗流现象的数学模型。
渗流规律
典型单元体
图1-3 REV (Representative Elementary Volume) (modified after Bear, 1972)
4.渗流速度
（1）过水断面（Cross-sectional area）是渗流场中垂 直于渗流方向的任意一个岩石截面，包括空隙面积（Av） 和固体颗粒所占据的面积(As)，A= Av + As。渗流平行流 动时为平面，弯曲流动时为曲面。
g/cm3 g/cm3 g/cm3 g/cm3
2.652.75 1.602.20
1.301.70
1.802.30
直接测定 （扰动样）
直接测定
（原状样）
直接测定(原状样)或换
算求得 d
1 w
换算求得 sat d n w
%
10-50
直接测定 （扰动样）
%
40- 换算求得
100
Sr
Porosity, Effective — The amount of interconnected pore space in a material available for fluid transmission;
expressed as a percentage of the total volume occupied by the interconnecting interstices.
图1-4 渗流过水断面 (a)实际渗透 (b)假想渗流
（2）渗流量（Seepage discharge）是单位时间内通过过水 断面的水体积，用Q表示，单位m3/d。
（3）渗流速度（Specific discharge/seepage velocity） 又称渗透速度、比流量，是渗流在过水断面上的平均流速。 它不代表任何真实水流的速度，只是一种假想速度。它描述 的是渗流具有的平均速度，是渗流场空间坐标的连续函数， 是一个虚拟的矢量。单位m/d，表示为:
渗流响应机理
渗流响应机理
渗流响应机理是一个复杂的过程，涉及到多个因素和物理现象。
以下是一些关键的渗流响应机理：
1. 达西定律：达西定律描述了渗流速度与压力梯度之间的关系，是渗流的基本定律。
当液体在多孔介质中流动时，其流动速度与垂直于流动方向的压力梯度成正比。
2. 饱和-非饱和流动：在地下水系统中，存在饱和与非饱和流动两种状态。
饱和流动是指地下水完全充满孔隙和裂隙的状态，而非饱和流动则是地下水不完全充满孔隙和裂隙的状态。
这两种流动状态的转换对渗流响应机制有重要影响。
3. 滞后效应：在渗流过程中，由于土壤或岩石的物理性质，水流在压力梯度变化时会有一定的滞后现象。
这种滞后效应会影响到渗流的响应速度和行为。
4. 边界条件：渗流系统的边界条件（如固定边界、自由边界等）会影响到渗流响应机制。
边界条件决定了水流运动的约束，进而影响到整体的渗流行为。
5. 动态响应：渗流响应是一个动态过程。
例如，在地下水系统中，水位波动会导致土壤水分的再分布，进而影响土壤的物理性质和植物的生长。
这种动态响应过程是渗流响应的重要特征之一。
6. 耦合效应：渗流响应机制受到多种因素的综合影响，包括土壤物理性质、地下水位、气候条件等。
这些因素之间的耦合效应会使渗流响应更加复杂。
总之，渗流响应机理是一个多因素、多过程的综合响应机制，涉及到多种物理现象和相互作用。
在研究渗流响应机理时，需要综合考虑这些因素和过程，以便更好地理解和预测渗流行为。
渗流分析——精选推荐
渗流分析渗流分析————————————————————————————————作者：————————————————————————————————⽇期：⼤坝的渗流与防渗摘要:本⽂概述了渗流的形成、渗流的危害、渗流计算原理以及在⽔利⼯程施⼯中进⾏渗流控制常⽤的⼯程措施，总结⽬前渗流和防渗的研究成果,认为渗流或多或少的会存在于各种挡⽔、蓄⽔建筑以及⼟⽊⼯程施⼯中,⽆法避免渗流发⽣。
但是随着研究⼿段、⼯艺的不断进步,对渗流研究程度不断深⼊,已能够对不同⼯程环境下渗流进⾏定性和定量的分析，并相应采取合适的措施控制渗流，虽然⽆法避免也掌控之，也能将渗流控制在⼯程安全的范围之内。
关键字：渗流防渗渗流原理渗流和渗透控制是⽔利⼯程中的⼀项⾮常重要的课题，直接关系到⼯程的安全和投资。
许多⽔⼯建筑物的失事都与渗流有关,例如1９６4年鲍德温⼭(BaldwiｎHｉｌlｓ）坝由于铺盖与基础接触⾯产⽣渗透破坏⽽失事，1976年堤堂(Teｔoｎ）坝由于右岸⼀个窄断层发⽣渗透破坏,不到6h就发⽣了跨坝事故。
１渗流概述⽔在⼟体孔隙中流动的现象称为渗流。
⽔在⼟中的存在状态有,⽓态⽔、附着⽔、薄膜⽔、⽑细⽔和重⼒⽔，其中重⼒⽔是渗流理论研究的对象[1]。
在⽔利⼯程中，常见到的渗流类型主要有四个⽅⾯：①通过挡⽔建筑物的渗流。
⽬前已经建成的⽔⼯建筑物和许多挡⽔建筑物,如⼤坝、围堰等，⼴泛采⽤有⼀定透⽔性的材料(如⼟、堆⽯)筑成,因此⽔可以通过建筑物中的孔隙流动, 形成了渗流。
②⽔⼯建筑物地基中的渗流。
若挡⽔建筑物的地基是透⽔的，如⼟砂砾⽯、岩⽯地基等，都会不同程度的产⽣渗⽔。
③集⽔建筑物的渗流。
在⼟壤改造及建筑物施⼯中，为了降低地下⽔位,常常采⽤集⽔井或集⽔廊道,集中地下⽔，并将其排⾛，以降低地下⽔位,防⽌⼟壤盐碱化和创造施⼯条件。
④⽔库及河渠的渗流。
⽔库建成后，⽔库⽔位抬⾼,库区周围的地下⽔位也相应的抬⾼，改变了原有地下⽔的运动状况,可能导致库区附近农⽥容易沼泽化和盐碱化,使原本不受地下⽔浸润的建筑物地基变为受浸润状态。
渗流基本知识
第十二章渗流流体在孔隙介质中的运动称为渗流。
流体包括水、石油、天然气等。
孔隙介质是指由颗粒或碎块材料组成的内部包含许多互相连通的孔隙和裂隙的物质。
常见的孔隙介质包括土壤、岩层等多孔介质和裂隙介质。
有些水工建筑物本身就是由孔隙介质构成的，如土坝、河堤等。
研究渗流的运动规律及其工程应用的一门科学便是渗流力学。
在水利工程中，渗流主要是指水在地表以下土壤或岩层孔隙中的运动，这种渗流也称为地下水运动。
研究地下水流动规律的学科常称为地下水动力学，是渗流力学的一个分支。
在社会的许多部门都会遇到渗流问题。
例如，石油开采中油井的布设，水文地质方面地下水资源的探测，采矿、化工等。
在水利部门常见的渗流问题有以下几方面：（1）经过挡水建筑物的渗流，如土坝、围堰等。
（2）水工建筑物地基中的渗流。
（3）集水建筑物的渗流，井、排水沟、廊道等。
（4）水库及河渠的渗流。
上述几方面的渗流问题，就其水力学内容来说，归纳起来不外乎是要求解决以下几方面的问题：（1）确定渗流量；（2）确定浸润线位置；（3）确定渗流压力；（4）估计渗流对土壤的破坏作用。
第一节渗流的基本概念渗流既是水在土壤孔隙中的流动，其运动规律当然与土壤和水的特性有关。
一、土壤的分类一切土壤及岩层均能透水，但不同的土壤或岩层的透水能力是不同的，有时甚至相差很大。
这主要是由于各种土壤的的颗粒组成不同而引起的。
此外，在低水头下不透水的材料，在高水头作用下仍可能透水。
本章重点研究的土壤中的渗流，故可以根据土壤的透水能力在整个流动区内有无变化对土壤进行分类。
任一点处各个方向的透水能力相同的土壤称为各向同性土壤，否则称为各向异性土壤。
所有各点在同一方向上透水能力都相同的土壤称为均质土壤，否则称为非均质土壤。
显然，均质土壤可以是各向同性土壤，也可以是各向异性土壤。
均质且各向同性的土壤就透水能力而言是一种最为简单的土壤。
严格说来，只有当土壤由等直径的圆球颗粒组成时，其透水能力才不随空间位置及方向变化，才符合均质及各向同性条件。
流体力学—渗流讲解
集水廊道 和井的产 水量计算
二、达西渗流定律
19世纪50年代法国工程师达西在沙质土壤中进行了 大量的试验研究,得出了著名的渗流基本定律——达西渗 流定律。
由实验得
Q A hw s
Q kA hw s
§9-1 渗流基本定律
或
v Q k hw kJ
As
上式即为达西渗流定律，式中k称为渗流系数，一般
k=f（土壤性质、流体性质、作用力等），由实验确定。
§9-3 集水廊道和井
二、潜水井（无压井）产水量计算
仅研究完全潜水井 潜水井的产水量计算公式推导
Q Av 2 rzkJ
A 2 rz
v kJ
2k rz dz 2krz dz Nhomakorabeads
dr
J dz dr ds ds
§9-3 集水廊道和井
分离变量 Q dr 2 kzdz
大口井的渗流形式有两种假定： 过流断面为半球面，适用于含水层厚度很大的情况； 过流断面为椭球面。适用于含水层厚度较小的情况。
§9-3 集水廊道和井
对于渗流过流断面为半球面的大口井，其产水量公式为 Q=2πkr0S
对于渗流过流断面为椭球面的大口井，其产水量公式为 Q=4kr0S
§9-4 井群
一、井群的定义
本章主要研究了重力水在均质各向同性土壤中的 恒定流动规律。渗流理论广泛应用于诸多学科领域， 其中土木工程中的路基排水、隧道防水、桥梁及建筑 工程的基础施工降水、城市防洪工程设计等，也将用 到有关渗流知识。因此本章要求重点掌握的内容如 下：
本章小结(END)
渗流的基 本概念
重点 掌握
达西渗流 定律
均匀渗流 和渐变渗 流的特性
渗流力学有关概念要点
渗流力学有关概念2.3.1 渗流力学指专门研究流体通过各种多孔介质渗流时的运动形态和运动规律的科学。
它是现代流体力学的一个重要分支，是油藏工程、油藏数值模拟的理论基础。
2.3.2 不可压缩流体{ 刚性流体）又称为刚性流体，是指随着压力的变化，体积不发生弹性变'形的流体。
2.3.3 可压缩流体（弹性流体）又称弹性流体，是指随压力的变化，体积发生弹性膨胀或收缩的流体。
2 .3 .4 体相流体指分布在多孔介质孔道的中轴部分，其性质不受界面影响的流体。
2.3.5 边界流体指分布在孔道壁上形成一个边界层，其性质受界面影响的流体。
2.3.6 地下流体流场指地下流体与岩石相互作用所占据的、并能在其中流动的场所或空间。
2.3.7 变形介质当地层中的液体压力降低时，岩石发生变形而使孔隙空间减小，渗透率降低，这种孔隙空间发生变形的多孔介质称为变形介质。
2.3.8 可变渗透率地层变形多孔介质的渗透率不是常数，而是压力的函数，具有这种性质的油、气层称为可变渗透率地层。
2.3.9 多孔介质以固相介质为骨架，含有大量互相交错又互相分散的微小孔隙或微毛细管孔隙的介质叫多孔介质。
油气储层就是多孔介质的一种。
2.3.10 双重孔隙介质{ 裂缝孔隙介质}又称裂缝孔隙介质，是指由孔隙介质和裂缝介质两个水动力学系统构成，两个系统按一定规律进行流体交换。
2.3.11 渗流与地下渗流流体在多孔介质中的流动称为渗流。
流体在地层中流动叫做地下渗流。
2.3.12 单相渗流指在多孔介质中只有一种流体以一种状态参与流动。
如在地层压力高于饱和压力条件下，油藏中的原油流动，气藏中的气体流动等。
2.3.13 两相渗流与多相渗流指在多孔介质中有两种流体同时参与流动叫两相渗流，如油层中的油、水两相流动。
同时有两种以上互不混溶的流体参与流动叫多相渗流，如油层中的油、气、水三相流动。
2.3.14 多组分渗流指含有多种组分的烃质和非烃质混合的流体在多孔介质中的流动。
浅析水利工程中水的运动规律及渗流相关工程问题讲解
浅析水利工程中水的运动规律及渗流相关工程问题摘要：中国是一个水利工程相对较多的国家，而水利工程对改造与分配人们生活与生产实际所需要的水资源起到非常重要的作用。
我国的水利工程在使用一段时间内均会不同程度的发生渗透破坏，从而导致水利工程的正常运转受到影响，同时使下游人民群众的生命和财产安全受到威胁。
对工程进行渗流稳定分析，采取必要的除险加固措施，并达到相关规范、规定的要求，保障水利工程正常运行，发挥其兴利效益具有相当大的研究价值。
关键词：水利工程；渗透破坏；防渗加固Abstract:China is a country which has relatively more hydraulic engineering.And hydraulic engineering play a very important role in transformation and distribution of the water resource people needed for producti on and life.Hydraulic engin eeri ng in our country will always occur seepagedestroy in varying degrees when used for a period of time.Thus, this cause the no rmal operati on of hydraulic engin eeri ng to be affected and the downstream people 'lives and property safe is also threatened at the same time.To do Analysis of the seepagestability of Engin eeri ng,take n ecessary rei nforceme nt measures,meet the requireme nts of the releva nt specificati on s,guara ntee the no rmal operation and the profit of hydraulic engineering has great research value.Key words:hydraulic engin eeri ng;seepage destroy;A nti-seepage rei nforceme nt1.引言随着人类社会的不断进步，基础设施建设逐渐引起人们的重视。
渗流的基本定律(达西定律) PPT
§1.1 渗流基本概念
地下水在岩石空隙中的运动称为渗流(seepage flow/ groundwater flow)。发生渗流的区域称为渗流场。
渗流场(flow field)由固体骨架和岩石空隙中的水两部分 组成。渗流只发生在岩石空隙中。
多孔介质概念与特性
我们把孔隙岩层称为多孔介质(porous media). •多孔介质特性:
影响渗透系数大小的因素
K= f(孔隙大小、多少、液体性质) ➢ 岩层空隙性质（孔隙大小、多少） ➢ 由流体的物理性质决定,与γ成正比，与μ成 反比.流体的物理性质与所处的温度、压力有关。
渗透率
渗透系数的表达式
多孔介质（概化为等径的平行毛细管束）：
六、渗流分类 1.按运动要素(v,p,H)是否随时间变化，分：稳定流与非稳定流 2.按地下水质点运动状态的混杂程度，分：
彼此连通的网络，几何形态及连通情况异常复杂， 难以用精确的方法来描述。 由固体骨架和孔隙组成，孔隙通道是不连续的。
因此，无论是固体骨架，还是空隙空间，微观上讲都不是连续函数
普通水流与渗流
共同点： 1.总体流向取决于水头差 2.流量取决于水头差及沿程损耗 区别：水在管道中运动取决于 管道大小、形状及粗糙度；渗流运动取决于空隙大小、形状、 连通性。
三个方向均存在分流速
z x
y
图1-2-8a 一维流
岩层按渗透性分类
岩层按渗透性分类
➢同一点各方向上渗透性相同的介质称为各向同性 介质(isotropy medium)； ➢同一点各方向上渗透性不同的介质称为各向异性 介质(anisotropy medium) 。 ➢均质(homogeneity)、非均质(inhomogeneity): 指K于空间坐标的关系，即不同位置K是否相同； ➢各向同性、各向异性: 指同一点不同方向的K是否 相同。
水利水电工程设计中渗流计算解析
三、渗流计算工况因素与参数确定 １普通堤防工程 针对普通的堤防工程计算，主要有三 种形式的水位组合，这三种水位组合展开 渗流计算。其根本目的和土体渗透系数确 定的基本原则有三点： 第一，临水侧采用高水位，背水坡则 是相应水位。这种组合方式主要是为了达 到以下目标：（１）对背水坡最高逸出点、 逸出段与基础表面出逸比降进行计算，计 算所得结果可以在背水坡渗流审核、反滤 层与排水设计等环节发挥作用；（２）确 定背水坡面最高浸润线。从而做好背水边 坡稳定计算工作：（３）如果堤身和堤基 土渗透系数超过了１０一３ｃｍ／ｓ，这时需要 对渗流量进行计算，为后期防渗措施的制 定、背水坡排水设计等奠定基础。 实际计算过程中，（１）（２）两种计 算目的工况中涉及到的堤身和堤基渗透系 数．一般选取最小值平均值．（３）则选择 最大值平均值嘲。
第二．水力学。使用水力学进行求解。 与流体力学解法存在很大的相似性。按照 提出的某种假设。并且针对特殊边界条件 计算流体力学【４】。这种计算方法与流体力 学一样存在很多限制条件。
第三，模拟测试。按照流体力学和水 力学方法中存在的不足．针对实际项目的 计算也可以运用水力学模拟测试的方式求 解渗流问题。
关键词：水利水电工程；设计；渗流计算
一、渗流计算理论 １达西定律 法国有关专家针对渗透实践展开验 证，从中得出渗流量ｑ并不只是和截面面 积ａ为正比例关系，和水头耗损同样也成 正比例关系，和渗径尺寸为反比例关系． 将其代入到土粒构造和流体特性中。其定 性常数为ｋ，由此便可以确定达西定律。
公式如下：ｑ：坐｛坐…。
气体渗流机理
气体渗流机理页岩气是指那些聚集在暗色泥页岩或高碳泥页岩中,以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气。
它与常规天然气的理化性质完全一样，只不过赋存于渗透率、孔隙度极低的泥页岩之中，气流的阻力比常规天然气大，很大程度上增加了页岩气的开采难度，因此被业界归为非常规油气资源。
页岩自身的有效孔隙度很低,页岩气藏主要是由于大范围发育的区域性裂缝,或热裂解生气阶段产生异常高压在沿应力集中面、岩性接触过渡面或脆性薄弱面产生的裂缝提供成藏所需的最低限度的储集孔隙度和渗透率。
通常孔隙度最高仅为4% ~5%,渗透率小于1×10-3μm。
页岩气藏与常规气藏最主要的差异在于页岩气藏存在吸附解吸特性。
利用Langmuir等温吸附方程描述页岩气的吸附解吸现象，点源函数及质量守恒法，结合页岩气渗流特征建立双重介质压裂井渗流数学模型，通过数值反演及计算机编程绘制了产能递减曲线图版。
分析了Langmuir体积、Langmuir压力、弹性储容比、窜流系数、边界、裂缝长度等因素对页岩气井产能的影响。
在储层条件下页岩气藏中20％～80％的气体以吸附态储存在页岩基质颗粒表面，其余绝大部分以游离态储存于孔隙和裂缝中。
针对页岩气存在特有的吸附解吸特性，国外许多学者通过修正物质平衡时间、建立半解析数学模型及整合Blasingame产能递减等方法在页岩气产能方面取得了一系列研究成果，但其将页岩气藏假设为均质储层，不能页岩气藏是一种“自生自储式”气藏，开采过程中，地层压力降低，打破原来的吸附平衡，原先吸附在页岩基质表面的气体将发生解吸，形成游离态气体，最终重新到达平衡。
页岩气穿过页岩孔隙介质的流动可描述为图1所示的解吸、扩散和渗流这3个过程。
数法及质量守恒法则，结合页岩气藏渗流特征对传统的渗流微分方程进行修正，建立双重介质压裂井渗流数学模型，通过数值反演及计算机编程绘制了产能递减曲线并对其影响因素进行分析。
1 页岩气解吸特征及吸附解吸方程页岩气藏是一种“自生自储式”气藏，开采过程中，地层压力降低，打破原来的吸附平衡，原先吸附在页岩基质表面的气体将发生解吸，形成游离态气体，最终重新到达平衡。
节理在不同接触状态下的渗流特性
1
引
言
性好的节理，无法反映出不同粗糙度节理的差别。 面积接触率修正法也是表征组合形貌的方法之一， 适用于在一定法向应力作用下已接触上的节理面， 对于未接触或处于张开状态的节理并不适用，故无 法全面反映各种接触状态下的特性。由此可知，需 寻找一种新的方法来表征不同类型节理在不同接触 状态下的表面形貌和组合形貌特征，以分析渗流特 性的变化规律。 通过对节理面进行错位，可获得不同的接触状 态。接触状态改变，使得节理内空腔体的空间分布 发生变化。使用 TJXW–3D 型岩石节理表面形貌测 量仪[13]，对节理表面形貌进行测量；用自行编制的 表面形貌和组合形貌参数计算软件，计算节理表面 和节理内空腔的分形维数。通过对节理试件错位改 变其接触状态，进行在不同接触状态下节理的渗流 试验，分析不同接触状态下节理的渗流特性，也为 今后节理的应力–渗流耦合特性研究打下基础。
在岩体工程中，地下水是影响工程稳定的重要 因素。岩体中存在不同程度发育的节理，由于节理 的渗透系数是完整岩石的几倍甚至几十倍，使得节 理成为地下水流动的主要通道。因此，要了解并掌 握岩体的渗流特性，首先应开展对节理渗流特性的 研究。水在节理中流动时，其流动特性受到节理表 面粗糙程度的影响，即节理的表面形貌；而当节理 发生相对位移时，渗流特性也会发生改变，此时， 节理的表面形貌并未发生变化，对渗流特性产生影 响的是构成节理的两个面组合在一起的组合形貌。 故在不同的接触状态下，节理的表面形貌和组合形 貌是影响节理渗透特性的关键因素，需做进一步研 究。因此，有必要在对节理的表面形貌和不同接触 状态下的组合形貌做定量化分析的基础上，进行节 理的渗流试验，也是今后进行节理应力–渗流耦合 特性研究的基础。 对节理中水流运动规律的研究开展的比较早， 但大多未考虑节理表面粗糙度的影响，因此，其研 究成果在实际应用中存在一定的局限性。如： N. Barton 和 V. Choubey[1]的 JRC 修正法在一定范围内 受到广泛的认可，但忽略了节理在不同接触状态下 的组合形貌特征的影响。为了研究自然节理中水的 渗流特性，需采用各种方法研究节理表面形貌对其 的影响。此外，B. Amadei 等[2 影响；P. A. Witherspoon 等[7
渗流运动要素
渗流运动要素渗流运动是指液体在多孔介质中的流动过程。
它在地质、土木工程、环境科学等领域中都有广泛的应用。
渗流运动的要素包括多孔介质、渗透率、渗流速度、渗流方向和渗流规律等。
1. 多孔介质多孔介质是指由固体颗粒或空间网状结构构成的物质，其中包含许多孔隙。
常见的多孔介质有土壤、岩石、过滤材料等。
多孔介质的孔隙结构和孔隙度对渗流运动有着重要影响。
2. 渗透率渗透率是衡量多孔介质渗透能力的指标。
它反映了单位面积内液体通过多孔介质的能力。
渗透率与多孔介质的孔隙结构、孔隙度、孔隙连通性等因素密切相关。
3. 渗流速度渗流速度是指单位时间内液体通过多孔介质的速度。
它受多种因素影响，如压力差、渗透率、孔隙度等。
渗流速度的大小直接影响渗流过程的快慢。
4. 渗流方向渗流方向是指液体在多孔介质中的流动方向。
它受多种因素影响，如压力差、渗透率、多孔介质的孔隙结构等。
渗流方向的确定对于渗流运动的研究和应用具有重要意义。
5. 渗流规律渗流规律是指多孔介质中液体渗流的基本规律。
它包括达西定律、布尔斯定律、塞博尔特定律等。
这些定律描述了渗流速度与渗透率、压力差之间的关系，为渗流运动的研究提供了理论基础。
渗流运动是一个复杂的过程，涉及到多种因素的相互作用。
在地质领域中，渗流运动对于地下水资源的开发和管理具有重要意义。
在土木工程领域中，渗流运动对于土壤的稳定性和工程结构的安全性有着重要影响。
在环境科学领域中，渗流运动对于地下污染物的迁移和传输具有重要意义。
要深入研究渗流运动，需要综合考虑多种因素，如多孔介质的性质、渗透率、渗流速度、渗流方向和渗流规律等。
通过实验、数值模拟和理论分析等方法，可以揭示渗流运动的机制和规律，并为实际问题的解决提供科学依据。
渗流运动是一个复杂而重要的过程，涉及到多种因素的相互作用。
深入研究渗流运动的要素，对于地质、土木工程、环境科学等领域的发展具有重要意义。
只有充分理解和把握渗流运动的要素，才能更好地应对实际问题，实现可持续发展。
多孔介质中的渗流特性分析
多孔介质中的渗流特性分析多孔介质是一种由固体颗粒或纤维构成的材料，具有复杂的微观结构和多个孔隙空间。
在自然界和工程领域中，多孔介质渗流特性的分析对于地下水资源开发、油田开采、土壤水分运动以及过滤、吸附、传质等过程的理解和优化都至关重要。
本文将对多孔介质中的渗流特性进行详细的分析。
首先，多孔介质中的渗流特性与其微观结构和孔隙结构密切相关。
多孔介质的孔隙结构可以分为连通和非连通两种类型。
连通孔隙结构指的是孔隙之间存在直接通路，使得流体可以自由通过；而非连通孔隙结构指的是孔隙之间没有直接通路，流体无法自由通过。
多孔介质的渗透性主要由其孔隙结构决定。
孔隙结构的几何性质如孔隙直径分布、孔隙形状等都对渗透性产生影响。
其次，多孔介质中的渗流特性还受到多种因素的影响。
渗流特性的研究需要考虑流体的物理性质、多孔介质的化学性质以及宏观外部力场等因素。
流体的物理性质包括粘度、密度和表面张力等，这些参数会影响渗流速率和渗透压力。
多孔介质的化学性质则主要涉及其吸附性能、离子交换和酸碱性等，这些性质会影响多孔介质的渗透性和流场分布。
此外，宏观外部力场如重力场、压力场和电场等也会对多孔介质的渗流特性产生重要影响。
多孔介质中的渗流可以用流体力学和多相流理论进行建模和分析。
流体力学是研究流体运动规律和力学性质的学科，其中的达西定律和斯托克斯定律常被用于描述多孔介质中的渗流现象。
多相流理论则考虑了流体和固体相的相互作用，用于描述多孔介质中多个相（如气体-液体、液体-固体）同时存在的渗流现象。
通过建立适当的数学模型和方程组，并结合合适的边界条件，可以定量描述多孔介质中的渗流特性，如渗透率、流速分布和压力场分布等。
在实际应用中，通常采用实验和数值模拟相结合的方法研究多孔介质中的渗流特性。
实验方法主要包括渗透率试验、渗透性测定、压力变化实验等。
这些实验可以获取多孔介质的物理特性参数，验证模型的可靠性，并得到与实际应用相关的渗流特性信息。
不同分子量聚合物溶液在多孔介质中的渗流特性研究
值 ． ］ 根据 Ｃ 配制出该分子量聚合物溶液 ， 。 测其流
变曲线 ， 利用最小二乘法拟合 出用来表征聚合物溶
液性质的幂律指数 咒的值 ， 最后利用岩心的水测渗 透率 Ｋ 和孔隙度 西值 ， 由多孔介质等效剪切速率
公式确定聚合物溶液 的驱替速度 Ｕ 实验 中选用 ４ ． 种分子量的聚合物分别在 ７ 种渗透率岩心上进行流
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２ ０ 年 ３月 ０７
第２ ２卷第 ２期
西安石油大学学报 （ 自然科学版 ） Ｊ ｕｎｌ ｆ ｎＳ ｉ ｕＵｎｖｒｉ （ ｔｒｌ ｃ ｎ ｅ ｄｔ ｎ ｏ ｒａ ｏ ａ ｈｙ ｉ ｓ ｙＮａ ａ Ｓｉ ｃ ｉｏ ） Ｘｉ ｏ ｅ ｔ ｕ ｅ Ｅ ｉ
明， 在消除黏度效应条件下， 高分子量聚合物比低分子量聚合物降低水相渗透率的能力强； 聚合物 分子量越 高， 多孔介质渗透率越低 ， 阻力 系 数和残余 阻力系数越大， 聚合物越早突破 多孔介质 ； 当平
均孔 隙半径 与聚合 物 分子尺 寸之 比 大于 ４时 ， 多孔介 质 的孔 隙通 道一般 不会 发 生聚合 物堵 塞 ．
常规注水采油过程 本文主要应用英 国联合胶体 ３． 公司生产的同一系列部分水解聚丙烯酰胺产 品， 从 聚合物溶液单相流动角度出发 ， 通过等黏度条件 下 岩心渗流实验 ， 研究不 同分子量聚合 物在多孔介 质 中流动参数 的变化规律． 通过测量用 以描述聚合 物 溶液在多孔介质中的流动特性 的阻力系数 、 残余 阻 力系数和不可人孔隙体 积等参数 ， 分析多孔介 质孔 隙特征参数和聚合物分子量对流动行 为的影响 ， 并 初步揭示聚合物分子尺寸与岩心孔隙结构之间的几
Ｅ ｍａ ： ｇｗｕ ｎ ｉ ｇ ｓ ａＯ１ － ｉｓ ｃ ｗｅ ｘ ｎ ＠ ｉ ．３Ｉ ｌｙ ａ ｎ Ｔ
流体基本渗流规律
流体基本渗流规律油气层是油气储集的场所和流动空间。
储集层限制流体运动的范围，也影响着流体渗流的形态，同时还决定流动边界形状。
所以，油气储集层是渗流重要的外部条件。
油气层中储存流体的空间一般有：粒间孔隙、裂缝和溶洞三类孔隙结构。
在渗流力学中把这种以固相为连续骨架，并含有孔隙、裂缝和溶洞体系的介质称为“多孔介质”。
一般砂岩油气层由粒间孔隙构成储存流体的空间，像这种只有一种孔隙结构的多孔介质称为单重介质。
在某些油气层中常常同时存在两种或三种孔隙结构，如孔隙-裂缝或孔隙-裂缝-溶洞，分别称为双重或三重介质。
一般灰岩油气层是具有孔隙及裂缝的双重介质，目前关于三重介质的研究并不很多。
渗流力学中把油气层中流动的油、气、水统称为流体。
流体通过多孔介质的流动叫做渗流。
渗流力学是研究流体在多孔介质中的运动形态和规律的科学。
第一节油藏流体渗流的基本规律在油、气储集层中油、气、水构成一个统一的水动力系统。
这个系统是由含油区、含气区（当有气顶存在时）和含水区（当有边水或底水存在时）所组成。
在一个储油层中孔隙相互连通，其中的流体相互制约、互相作用，每一局部地区的变化都会影响到整体，即一个油层属于一个水动力系统。
不同的油层间一般有良好的低渗透隔层（如泥岩、页岩等），成为不同的水动力系统，但由于各种不同的地质、构造运动等原因, 不同油层间有时也可能窜通，成为一个水动力系统。
由于同一水动力系统中流体是相互制约的，因此在讨论渗流规律之前，首先要了解油、气、水在油藏中的分布状况及油藏类型等。
一、油藏中的静态状况(一)油、气、水在油藏中的分布状况地下油气总是储集在各种构造中（如背斜、断层、岩性、不整合构造），以最常见的背斜构造为例（如图3.1.1所示）阐明静态条件下油、气、水在其中的分布。
油藏中油和水的接触面称为油水界面，投影到水平面上，即为含油边缘。
严格地说应分为含油内边缘和含油外边缘，实用上一般取内、外边缘的中间位置为含油边缘。
油气界面在水平面上的投影称为含气边缘。
渗流力学.
渗流力学渗流力学研究的内容流体通过多孔介质的流动称为渗流。
多孔介质是指由固体骨架和相互连通的孔隙、裂缝或各种类型毛细管所组成的材料。
渗流力学就是研究流体在多孔介质中运动规律的科学。
它是流体力学的一个重要分支，是流体力学与岩石力学、多孔介质理论、表面物理、物理化学以及生物学交叉渗透而形成的。
渗流现象普遍存在于自然界和人造材料中。
如地下水、热水和盐水的渗流；石油、天然气和煤层气的渗流；动物体内的血液微循环和微细支气管的渗流；植物体内水分、气体和糖分的输送；陶瓷、砖石、砂模、填充床等人造多孔材料中气体的渗流等。
渗流力学在很多应用科学和工程技术领域有着广泛的应用。
如土壤力学、地下水水文学、石油工程、地热工程、给水工程、环境工程、化工和微机械等等。
此外，在国防工业中，如航空航天工业中的发汗冷却、核废料的处理以及诸如防毒面罩的研制等都涉及渗流力学问题。
渗流的特点在于：（1）多孔介质单位体积孔隙的表面积比较大，表面作用明显。
任何时候都必须考虑粘性作用；（2）在地下渗流中往往压力较大，因而通常要考虑流体的压缩性；（3）孔道形状复杂、阻力大、毛管力作用较普遍，有时还要考虑分子力；（4）往往伴随有复杂的物理化学过程。
渗流力学是一门既有较长历史又年轻活跃的科学。
从Darcy定律的出现已过去一个半世纪。
20世纪石油工业的崛起极大地推动了渗流力学的发展。
随着相关科学技术的发展，如高性能计算机的出现，核磁共振、CT扫描成像以及其它先进试验方法用于渗流，又将渗流力学大大推进了一步。
近年来，随着非线性力学的发展，将分叉、混沌以及分形理论用于渗流，其它诸如格气模型的建立等等，更使渗流力学的发展进入一个全新的阶段。
渗流力学的应用范围越来越广，日益成为多种工程技术的理论基础。
由于多孔介质广泛存在于自然界、工程材料和人体与动植物体内，因而就渗流力学的应用范围而言，大致可划分为地下渗流、工程渗流和生物渗流3个方面。
地下渗流是指土壤、岩石和地表堆积物中流体的渗流。
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第29卷第7期岩石力学与工程学报V ol.29 No.7节理在不同接触状态下的渗流特性夏才初1，2，王伟1，2，3，曹诗定1，2，4(1. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092；2. 同济大学地下建筑与工程系，上海200092；3. 闵行区建设工程安全质量监督站，上海201100；4. 上海市政工程设计研究总院，上海200092)摘要：将取自雅砻江水电站锦屏二期工程施工现场的白色大理岩，采用劈裂法制成张拉性人工节理试件，用TJXW–3D型岩石节理表面形貌仪测量节理的表面形貌，并采用自行编制的表面形貌和组合形貌参数计算软件，分析其用以表征节理表面形貌的节理面二维分形维数，以及用以表征组合形貌的节理内空腔的三维分形维数。
对节理面进行错位，以改变其接触状态，然后进行不同接触状态下节理的渗流试验。
将试验实测结果与传统的经验公式及各种修正公式的计算值进行比较，发现利用现有经验公式分析试验结果存在较大的偏差。
通过对实测数据做进一步分析，发现表征节理表面形貌和组合形貌特征的分形维数也是影响节理渗透率的重要因素之一。
综合考虑节理透过率以及表征节理形貌的分形维数等因素对节理渗透特性的影响，得到更为合理的节理渗流经验公式，该公式具有更广阔的应用前景。
关键词：岩石力学；表面形貌；组合形貌；节理；接触状态；错位；渗流；分形中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2010)07–1297–10 FLOW CHARACTERISTICS OF JOINTS UNDER DIFFERENT CONTACTCONDITIONSXIA Caichu1，2，W ANG Wei1，2，3，CAO Shiding1，2，4(1. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 200092，China；2. Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China；3. Construction Safety and Quality Supervision Station，Minhang Sub-station，Shanghai201100，China；4. Shanghai Municipal Engineering Design andResearch General Institute，Shanghai200092，China)Abstract：Seepage characteristics of rock joints under different contact conditions are studied. Artificial tension rock joints are made of white marble samples taken from construction site of the Yalong River(Jinping II Project)，using cleaving method. Surface topographies of rock joints are measured by a three-dimensional TJXW–3D-typed portable rock surface topography measuring instrument. A self-programmed software is used to calculate parameters for rock joints，including not only 2D fractal dimension of surface topography for each single joint surface，but also 3D fractal dimension of composed topography for vacuum formed by two coupled joint surfaces. Then seepage experiments of the artificial rock joints are carried out. During the experiment，contact condition of rock joints varied by offsetting the relative position of the joints from 1 mm to 6.5 mm. Deficiency of traditional empirical formulas，such as Darcy s law，cubic flow law and its modified formula，and seepage formula in turbulent flow，are exposed by comparing experimental results with calculating ones from those traditional收稿日期：2010–02–25；修回日期：2010–03–31基金项目：国家自然科学基金资助项目(40472142，50579088)作者简介：夏才初(1963–)，男，博士，1984年毕业于中南大学采矿工程专业，现任教授、博士生导师，主要从事岩石力学、地下结构等方面的教学与研究工作。
E-mail：tjxiaccb@• 1298 •岩石力学与工程学报2010年empirical formulas. After a thorough study of experimental results，it is discovered that fractal dimensions of single joint surface topography and composed joint topography have great influences on the seepage characteristics of rock joint. By taking permeability and the topography coefficients of rock joint into consideration，a new empirical formula for seepage in rock joints that highly matches the test results is presented，which is much more reasonable in theory and accurate in practice than traditional formulas.Key words：rock mechanics；surface topography；composed topography；rock joints；contact condition；offset；seepage；fractal1 引言在岩体工程中，地下水是影响工程稳定的重要因素。
岩体中存在不同程度发育的节理，由于节理的渗透系数是完整岩石的几倍甚至几十倍，使得节理成为地下水流动的主要通道。
因此，要了解并掌握岩体的渗流特性，首先应开展对节理渗流特性的研究。
水在节理中流动时，其流动特性受到节理表面粗糙程度的影响，即节理的表面形貌；而当节理发生相对位移时，渗流特性也会发生改变，此时，节理的表面形貌并未发生变化，对渗流特性产生影响的是构成节理的两个面组合在一起的组合形貌。
故在不同的接触状态下，节理的表面形貌和组合形貌是影响节理渗透特性的关键因素，需做进一步研究。
因此，有必要在对节理的表面形貌和不同接触状态下的组合形貌做定量化分析的基础上，进行节理的渗流试验，也是今后进行节理应力–渗流耦合特性研究的基础。
对节理中水流运动规律的研究开展的比较早，但大多未考虑节理表面粗糙度的影响，因此，其研究成果在实际应用中存在一定的局限性。
如：N. Barton和V. Choubey[1]的JRC修正法在一定范围内受到广泛的认可，但忽略了节理在不同接触状态下的组合形貌特征的影响。
为了研究自然节理中水的渗流特性，需采用各种方法研究节理表面形貌对其的影响。
此外，B. Amadei等[2～6]均通过引入不同的粗糙度修正系数来表征节理表面形貌对渗流特性的影响；P. A. Witherspoon等[7～9]采用对隙宽密度分布函数进行修正的方法来分析节理面粗糙度对渗流特性的影响；K. Iwai[10]在试验中发现，表面粗糙度对节理水流规律的影响主要与隙面的面积接触率有关，J. B. Walsh[11]模仿热传导理论，周创兵和熊文林[12]通过数学推导，提出了面积接触率修正法。
以上方法均是利用隙宽分布函数来表征表面形貌对渗流的影响，由于隙宽分布函数本身与接触状态有关，所以这些方法在一定程度上能反映节理的组合形貌。
但是，隙宽是上下节理面高度的差值，对吻合性好的节理，无法反映出不同粗糙度节理的差别。
面积接触率修正法也是表征组合形貌的方法之一，适用于在一定法向应力作用下已接触上的节理面，对于未接触或处于张开状态的节理并不适用，故无法全面反映各种接触状态下的特性。
由此可知，需寻找一种新的方法来表征不同类型节理在不同接触状态下的表面形貌和组合形貌特征，以分析渗流特性的变化规律。
通过对节理面进行错位，可获得不同的接触状态。
接触状态改变，使得节理内空腔体的空间分布发生变化。
使用TJXW–3D型岩石节理表面形貌测量仪[13]，对节理表面形貌进行测量；用自行编制的表面形貌和组合形貌参数计算软件，计算节理表面和节理内空腔的分形维数。
通过对节理试件错位改变其接触状态，进行在不同接触状态下节理的渗流试验，分析不同接触状态下节理的渗流特性，也为今后节理的应力–渗流耦合特性研究打下基础。
2 试件的制备及试验装置2.1 试件的制备试件均为白色大理岩，取材自四川省境内的雅砻江水电站锦屏II期工程的施工现场。
加工工艺为：首先在施工现场采用常规爆破和钻、凿、切割的方法获取不规则立方体的岩块试样；再在实验室内用水钻法(钻头内径约50 mm)钻取岩芯并切割，制备成 50 mm×100 mm的圆柱形试件；最后采用劈裂法将圆柱形试件沿径向劈开，制成人工张拉性节理试件(见图1)。