滲流力學(xué)32882

1、滲流力學(xué)滲流力學(xué)滲流力學(xué)研究的內(nèi)容流體通過多孔介質(zhì)的流動(dòng)稱為滲流。多孔介質(zhì)是指由固體骨架和相互連通的孔隙、裂縫或各種類型毛細(xì)管所組成的材料。滲流力學(xué)就是研究流體在多孔介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。它是流體力學(xué)的一個(gè)重要分支，是流體力學(xué)與巖石力學(xué)、多孔介質(zhì)理論、表面物理、物理化學(xué)以及生物學(xué)交叉滲透而形成的。滲流現(xiàn)象普遍存在于自然界和人造材料中。如地下水、熱水和鹽水的滲流；石油、天然氣和煤層氣的滲流；動(dòng)物體內(nèi)的血液微循環(huán)和微細(xì)支氣管的滲流；植物體內(nèi)

2、水分、氣體和糖分的輸送；陶瓷、磚石、砂模、填充床等人造多孔材料中氣體的滲流等。滲流力學(xué)在很多應(yīng)用科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。如土壤力學(xué)、地下水水文學(xué)、石油工程、地?zé)峁こ獭⒔o水工程、環(huán)境工程、化工和微機(jī)械等等。此外，在國(guó)防工業(yè)中，如航空航天工業(yè)中的發(fā)汗冷卻、核廢料的處理以及諸如防毒面罩的研制等都涉及滲流力學(xué)問題。滲流的特點(diǎn)在于：（1）多孔介質(zhì)單位體積孔隙的表面積比較大，表面作用明顯。任何時(shí)候都必須考慮粘性作用；（2）在地下滲流中往往

3、壓力較大，因而通常要考慮流體的壓縮性；（3）孔道形狀復(fù)雜、阻力大、毛管力作用較普遍，有時(shí)還要考慮分子力；（4）往往伴隨有復(fù)雜的物理化學(xué)過程。滲流力學(xué)是一門既有較長(zhǎng)歷史又年輕活躍的科學(xué)。從Darcy定律的出現(xiàn)已過去一個(gè)半世紀(jì)。20世紀(jì)石油工業(yè)的崛起極大地推動(dòng)了滲流力學(xué)的發(fā)展。隨著相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，如高性能計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，核磁共振、CT掃描成像以及其它先進(jìn)試驗(yàn)方法用于滲流，又將滲流力學(xué)大大推進(jìn)了一步。近年來，隨著非線性力學(xué)的發(fā)展，將分叉、混

4、沌以及分形理論用于滲流，其它諸如格氣模型的建立等等，更使?jié)B流力學(xué)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)全新的階段。滲流力學(xué)的應(yīng)用范圍越來越廣，日益成為多種工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)。由于多孔介質(zhì)廣泛存在于自然界、工程材料和人體與動(dòng)植物體內(nèi)，因而就滲流力學(xué)的應(yīng)用范圍而言，大致可劃分為地下滲流、工程滲流和生物滲流3個(gè)方面。地下滲流是指土壤、巖石和地表堆積物中流體的滲流。它包含地下流體資源開發(fā)、地球物理滲流以及地下工程中滲流幾個(gè)部分。地下流體資源包括石油、天然氣、煤層氣、地

5、下水、地?zé)帷⒌叵蔓}水以及二氧化碳等等。與此相關(guān)的除能源工業(yè)外還涉及農(nóng)田水利、土壤改良(特別是沿海和鹽湖附近地區(qū)的土壤改良)和排灌工程、地下污水處理、水庫(kù)蓄水對(duì)周圍地區(qū)的影響和水庫(kù)誘發(fā)地震、地面沉降控制等。地球物理滲流是指流體力學(xué)和地球物理學(xué)交叉結(jié)合而出現(xiàn)的滲流問題。這些問題的研究進(jìn)一步推動(dòng)了滲流力學(xué)理論的發(fā)展。地球物理滲流包括雪層中的滲流和雪崩的形成、地表圖案的形成、海底水凍層的溶化、巖漿的流動(dòng)和成巖作用過程以及海洋地殼中的滲流等。存在

6、于人造多孔介質(zhì)或工程裝置中的流體滲流稱為工程滲流，它涉及化學(xué)工業(yè)、冶金工業(yè)、原子能工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、建筑工業(yè)、輕工食品等多個(gè)部門。存在于人體和動(dòng)植物體內(nèi)的流體滲流稱為生物滲流，它包含人體和動(dòng)物體內(nèi)毛細(xì)血管中的血液流動(dòng)與呼吸系統(tǒng)的氣體運(yùn)動(dòng)，植物體內(nèi)的水分糖分的流動(dòng)等。簡(jiǎn)單地說滲流研究的意義體現(xiàn)在；滲流理論已經(jīng)成為人類開發(fā)地下水、地?zé)?、石油、天然氣、煤炭與煤層氣等諸多地下資源的重要理論基礎(chǔ)，在環(huán)境保護(hù)、地震預(yù)報(bào)、生物醫(yī)療等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中，在防

7、止與治理地面沉降、海水人侵，興建大型水利水電工程、農(nóng)林工程、凍土工程等工程技術(shù)中，已成為必不可少的理論。理論分析及應(yīng)用研究工作，但投入力量較小，未能滿足工程實(shí)際的需要。因此，一方面需要增加投入；另一方面需要滲流力學(xué)界的專家學(xué)者進(jìn)行多學(xué)科交叉研究。1.2.2水庫(kù)誘發(fā)地震中的滲流問題人類工程活動(dòng)在一定條件下可誘發(fā)地震，如修建水庫(kù)、城市或油田抽水或注人工爆破或地下核爆破等均可引起地震活動(dòng)。水庫(kù)誘發(fā)地震可能毀壞水庫(kù)水壩，使人民生命財(cái)產(chǎn)遭受巨大損

8、失。水庫(kù)誘發(fā)地震的機(jī)制隨條件不同而有所區(qū)別。有的是水庫(kù)大量蓄水的載荷效應(yīng)使水庫(kù)下巖體中孔隙水壓增加，導(dǎo)致巖體中部分構(gòu)造應(yīng)力提前釋放，使地震活動(dòng)加劇。有的是因庫(kù)水沿巖體層理、節(jié)理及各種層次的裂縫滲流入巖體深部，使孔隙水壓增加，提高了巖體局部的應(yīng)力積累，進(jìn)行能量釋放而發(fā)生地震。黃河龍羊峽水庫(kù)和陜西三原縣馮村水庫(kù)地震均為上述機(jī)制的實(shí)例。有時(shí)，在上載負(fù)荷變化和入滲水影響的同時(shí)，還存在固體潮效應(yīng)，龍羊峽水庫(kù)地震與朔望固體潮的關(guān)系就相當(dāng)明顯。中國(guó)總

9、震例數(shù)的50％為外部成因的水庫(kù)誘發(fā)地震。將滲流力學(xué)與巖土力學(xué)結(jié)合起來，深入研究水庫(kù)誘發(fā)地震機(jī)制，為地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供理論依據(jù)，這是一項(xiàng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)都不能松懈的工作。這方面的研究還很薄弱。1.2.3煤層滲流煤層氣滲流與煤體力學(xué)的耦合研究對(duì)煤炭開采有重要的意義。一方面。煤層氣是煤礦生產(chǎn)的災(zāi)害隱患；另一方面，它又是一種潔凈的能源。我國(guó)煤層氣資源很豐富，是我國(guó)重要的接替能源之一。合理開發(fā)煤層氣資源可以從根本上解除煤礦瓦斯災(zāi)害隱患。煤層大多屬于孔隙裂縫

10、多重介質(zhì)，煤的孔隙和裂縫表面極不規(guī)則，煤層介質(zhì)中除瓦斯外有時(shí)還有水，瓦斯在煤孔隙裂縫表面上的吸附和解吸機(jī)制很復(fù)雜，地電場(chǎng)與溫度場(chǎng)等物理場(chǎng)對(duì)瓦斯?jié)B流有影響。多種因素影響使得煤層氣滲流問題往往非常復(fù)雜，滲流基本規(guī)律是否遵循達(dá)西線性滲流運(yùn)動(dòng)定律還需要探索。我國(guó)有關(guān)單位的科研人員在瓦斯突出的研究方面，已取得了一定的成果，但對(duì)于煤層氣滲流基本規(guī)律與機(jī)制的認(rèn)識(shí)還很膚淺，有待于進(jìn)一步研究。1.2.4石油開采中的流固耦合滲流油氣藏開發(fā)過程是多相流體滲流

11、與儲(chǔ)層介質(zhì)變形耦合的動(dòng)態(tài)過程。在交變載荷作用下，多孔介質(zhì)和流體處于不斷地膨脹和收縮交替變化狀態(tài)，不穩(wěn)定滲流過程和巖石應(yīng)力—應(yīng)變過程相互影響，其結(jié)果是在產(chǎn)出液中油的比例升高，水的比例減小，有利于提高石油的采收率和產(chǎn)量。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明以不同的頻率和幅度不斷改變壓力和流量，使油層中的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)不斷變化，有助于提高原油產(chǎn)量和采收率。因?yàn)槲覈?guó)石油年產(chǎn)量的絕大部分都是在高含水條件下獲得的，因此上述問題作為流固耦合問題進(jìn)行研究是有重要意義

12、的。除了上述四個(gè)領(lǐng)域涉及流固耦合問題外，在其他領(lǐng)域也存在類似的問題。例如，黃土地區(qū)的地面裂陷和巖溶塌陷等，需要從事滲流研究的科技入員給予足夠的重視。13輸運(yùn)過程的研究輸運(yùn)過程是當(dāng)代滲流力學(xué)中的重要課題，它涉及地下水污染的防治、土壤的鹽堿化以及三次采油等領(lǐng)域，地下水污染的原因有垃圾處理不當(dāng)，其濾液滲入地表并進(jìn)入含水層；工業(yè)廢水和生活污水誹入江湖后滲入地下臺(tái)水層；化肥和農(nóng)藥滲入地表并進(jìn)入含水層；沿海地區(qū)的海水入侵以及內(nèi)陸海相沉積層中咸水入侵