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基于数值模拟的CO_(2)地质封存项目井筒泄漏风险定量化评价方法

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工程科学与技术 2024年第1期56卷 195-205页

作者：甘满光雷宏武张力为李小春李琦中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 中国科学院大学北京100049

为评估CO_(2)地质封存场地的CO_(2)沿井筒泄漏风险,介绍了自主研发的可对CO_(2)井筒泄漏风险进行定量化评价的数值模拟WellRisk软件,将软件应用于实际CO_(2)地质封存场地--神华鄂尔多斯CO_(2)咸水层封存示范工程,定量评估该场地CO_(2)... 详细信息

为评估CO_(2)地质封存场地的CO_(2)沿井筒泄漏风险,介绍了自主研发的可对CO_(2)井筒泄漏风险进行定量化评价的数值模拟WellRisk软件,将软件应用于实际CO_(2)地质封存场地--神华鄂尔多斯CO_(2)咸水层封存示范工程,定量评估该场地CO_(2)沿注入井和监测井的泄漏量,并将软件模拟结果与美国能源部开发的NRAP–IAM–CS(The national risk assessment partnership–integrated assessment model–carbon storage)软件模拟结果进行对比,实现了CO_(2)沿井筒泄漏风险的定量化评价。定义了井筒泄漏系数,即井筒发生泄漏的有效截面积和井筒总截面积的比值,并将井筒泄漏系数作为量化表征井筒固井质量的重要参数。当泄漏系数取值为10^(–6)时,神华CO_(2)地质封存场地在1000 a内的总泄漏量为720 tCO_(2),占总注入量的0.24%,小于IPCC的风险阈值1%。因此,泄漏系数为10^(–6)或更低的井筒是低风险泄漏井,具有良好的固井质量,对应于NRAP–IAM–CS软件中井筒渗透率低于10^(–12)m^(2)的情况。泄漏系数为10–5或更高的井筒是高风险泄漏井,具有较差的固井质量。WellRisk和NRAP–IAM–CS的计算结果均表明,当注入井和监测井的固井质量良好时,神华CO_(2)地质封存场地基本不存在CO_(2)泄漏风险。

关键词： CO_(2)地质封存 CO_(2)泄漏井筒风险评估固井

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含双软弱夹层岩质边坡稳定性上限解

岩石力学与工程学报 2024年第2期43卷 412-423页

作者：袁家好鲁祖德陈从新孙朝燚范凯刘才华中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 中国科学院大学北京100049

含软弱夹层岩质边坡稳定性由软弱夹层和岩体共同控制,多层软弱夹层边坡和单一夹层边坡在地质模型、破坏模式与稳定性分析方法方面存在明显的差异。结合传统塑性理论与广义塑性理论,将极限分析上限法应用于含一定厚度的双层软弱夹层岩质... 详细信息

含软弱夹层岩质边坡稳定性由软弱夹层和岩体共同控制,多层软弱夹层边坡和单一夹层边坡在地质模型、破坏模式与稳定性分析方法方面存在明显的差异。结合传统塑性理论与广义塑性理论,将极限分析上限法应用于含一定厚度的双层软弱夹层岩质边坡中,假设上夹层符合非关联流动法则,其余均符合关联流动法则,建立滑动破坏机构,提出含双夹层岩质边坡稳定系数的计算方法。结合算例,基于序列二次优化算法求解该边坡处于极限平衡状态下的稳定系数最小值并绘制对应的破坏机构,将计算结果与3DEC离散元数值分析结果进行对比分析。结果表明:软弱夹层倾角越大,滑动破坏面越靠近坡顶,边坡稳定性越差,理论计算结果与数值结果具有较好的一致性,验证了该方法的正确性。

关键词：边坡工程双层软弱夹层岩质边坡稳定性极限分析上限法广义塑性理论滑动破坏机构

考虑温度变化下三层复合衬垫中重金属污染物一维运移理论模型

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岩土力学 2024年第2期45卷 417-432页

作者：江文豪冯晨李江山中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 中国科学院大学北京100049 中国科学院武汉岩土力学研究所污染泥土科学与工程湖北省重点实验室湖北武汉430071

针对考虑温度变化下由土工膜(geomembrane,简称GM)+土工复合膨润土衬垫(geosynthetic clay liner,简称GCL)+压实黏土衬垫(compacted clay liner,简称CCL)组成的3层复合衬垫中重金属污染物一维运移问题,基于相关假定发展得到了热传导与... 详细信息

针对考虑温度变化下由土工膜(geomembrane,简称GM)+土工复合膨润土衬垫(geosynthetic clay liner,简称GCL)+压实黏土衬垫(compacted clay liner,简称CCL)组成的3层复合衬垫中重金属污染物一维运移问题,基于相关假定发展得到了热传导与重金属污染物运移的控制方程,并建立了相应理论模型。通过有限差分,对所建理论模型进行了数值求解。随后,开展了与试验结果、解析解计算结果以及其他数值解计算结果的对比分析,验证了该模型的合理性。最后,以Cd^(2+)为例,分析和讨论了不同因素对运移规律的影响。结果表明,上部温度升高会使复合衬垫中Cd^(2+)的运移通量和底部浓度增大,但会使其上部浓度降低。热扩散效应对运移行为的影响会随Soret系数ST的增大而变显著,当ST为0.001、0.005、0.01、0.05、0.1 K^(-1)时,所定义的击穿时间tb依次为37.9、37.2、36.4、31.2、26.5 a。GCL和CCL最大吸附量的增大均会使t_(b)近似线性增加,且在一定渗沥液水头h_(b)下,t_(b)随GCL和CCL厚度的增大呈线性增大趋势。此外,当h_(b)从0.5m增大到1.0m时,t_(b)平均降低了8.33 a。在工程实践中,可结合GCL和CCL的吸附性能和厚度来设计复合衬垫,同时应考虑温度变化对阻隔效果的影响。

关键词：温度变化热传导重金属污染物运移 3层复合衬垫理论模型击穿时间

基于像素空间信息的孔内低照度图像孔隙结构量化方法研究

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岩石力学与工程学报 2024年第S1期43卷 3175-3186页

作者：汪进超韩增强王益腾王超张国华中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 中国地质大学(武汉)工程学院湖北武汉430074

鉴于目前井下复杂环境状态下,低反射特性岩壁上孔隙结构原位探测过程中往往存在的图像清晰度不够以及定量表征不准确等技术难题,提出一种基于像素空间信息的孔内低照度图像孔隙结构量化方法,通过同步利用孔壁图像和点云数据,得到非标准... 详细信息

鉴于目前井下复杂环境状态下,低反射特性岩壁上孔隙结构原位探测过程中往往存在的图像清晰度不够以及定量表征不准确等技术难题,提出一种基于像素空间信息的孔内低照度图像孔隙结构量化方法,通过同步利用孔壁图像和点云数据,得到非标准圆柱钻孔形态的孔壁像素空间特征信息,实现复杂地质条件下低反射特性岩层的孔隙结构定量化过程。首先,基于实际钻孔环境及测试过程中容易形成的具有纹理明暗交替现象的低照度孔壁图像特征,构建符合实际测孔状态的孔壁偏心图像校正模型,形成能够有效削弱孔壁纹理明暗现象的余弦明暗纹理抑制函数;随后,提出一种基于细节特征加权融合的低照度孔壁图像增强算法,增强低照度孔壁图像的纹理信息;最后,融合像素空间单元格的划分和像素空间点水平与垂直尺度的计算,形成利用像素空间信息的孔隙结构量化方法。同时,结合实际案例分析,验证该方法的正确性与优越性。结果表明,该方法能够得到非标准圆柱钻孔形态的孔壁像素空间特征信息,可以为复杂地质条件下低反射特性岩层的孔隙结构原位探测提供一种新的技术方法与手段。

关键词：岩石力学孔隙结构图像处理定量表征像素空间低照度图像

基于脆性缓冲理念的隧道抗错断方法及模型试验

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清华大学学报（自然科学版） 2024年第7期64卷 1116-1125页

作者：曹俊崔臻张翔宇张佳威中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室武汉430071 中国科学院大学北京100049

针对许多隧道面临的穿越活动断层挑战,该研究提出一种基于脆性缓冲理念的隧道抗错断方法。通过设计并实施模型试验,验证脆性缓冲结构在抗错断方面的有效性。研究结果表明:当断层发生错动时,采用脆性缓冲结构的隧道设计理念是可行的。通... 详细信息

针对许多隧道面临的穿越活动断层挑战,该研究提出一种基于脆性缓冲理念的隧道抗错断方法。通过设计并实施模型试验,验证脆性缓冲结构在抗错断方面的有效性。研究结果表明:当断层发生错动时,采用脆性缓冲结构的隧道设计理念是可行的。通过观察破坏模式发现,脆性缓冲材料的粉碎和衬砌的部分脱空作用可有效分散局部剪切破坏,显著降低断层带区域衬砌的损坏程度。在上盘区域,拱顶处的脆性缓冲结构被压碎,与此同时,拱底处脱空。下盘区域的拱顶处脱空,而拱底的脆性缓冲结构被压碎。这种变形模式有效分散了断层位置的局部剪切变形,显著减轻了衬砌的损坏。在50 mm厚缓冲结构的保护下,即使错动位移达到100 mm,相当于实际情况下的4 m位移,衬砌模型表现出的损坏较小,突显了脆性缓冲结构在保护隧道结构完整性方面的强大性能。此外,从应变监测数据分析可以看出,衬砌的应变峰值并不出现在断层破碎带内,而是迁移至离断层位置较远的区域,显著减轻了断层破碎带内的应变集中现象。该研究为跨越活动断层带的隧道设计提供了重要的理论依据和实践指导,为抗错断方案的选择提供了参考。

关键词：隧道工程活动断层模型试验脆性材料

考虑干湿循环影响的残积土μ–CT扫描与渗流模拟

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工程科学与技术 2024年第2期56卷 228-235页

作者：安然陈昶牛玉璋武汉科技大学城市建设学院湖北武汉430065 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071

花岗岩残积土广泛分布于中国东南沿海地区,其孔隙结构常因炎热多雨环境引起的干湿循环而发生扩张,改变土体的渗透性能,诱发工程事故。为了揭示干湿循环作用下花岗岩残积土细微观结构与渗透特性的演变规律,对原状样进行0到8次的脱湿–吸... 详细信息

花岗岩残积土广泛分布于中国东南沿海地区,其孔隙结构常因炎热多雨环境引起的干湿循环而发生扩张,改变土体的渗透性能,诱发工程事故。为了揭示干湿循环作用下花岗岩残积土细微观结构与渗透特性的演变规律,对原状样进行0到8次的脱湿–吸湿处理,开展微米计算机层析(μ–CT)扫描试验以获取土体的3维数字化模型,并结合扫描结果与AVIZO软件进行多通道渗流模拟,最后根据试验结果分别从定性和定量角度探究了土体孔隙体积分布与渗透系数的演化规律。结果表明:根据μ–CT扫描的图像结果,花岗岩残积土内部结构被划分为赤铁矿、石英、黏土和孔隙;3维重构模型反映了孔隙结构的扩张与连通模式,孔隙数量和尺寸在干湿循环过程中明显提高,孔隙率和孔隙连通率均与循环次数呈正相关;根据孔隙体积分布曲线可将土中孔隙分为微孔、中孔、大孔和裂隙4种类别,小体积微孔在干湿循环过程中逐渐转化为大体积的连通裂隙;3维渗流模型中的流线数量和分布密度随干湿循环次数增加而明显提高,由渗流模拟计算得到的绝对渗透率和渗透系数也不断增大;渗透系数的计算值总体上与实测值的演化规律相符,说明基于μ–CT扫描结果的渗流模拟可作为评价土体渗透特性的一种辅助手段。研究结果为深入了解花岗岩残积土渗流特性的环境损伤效应提供了重要的参考价值。

关键词：花岗岩残积土干湿循环 μ-CT扫描 3维数字化模型渗流模拟

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菌丝–砂复合轻质土的静力强度特性研究

岩石力学与工程学报 2024年

作者：苟乐宇李飒张先伟天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室

聚苯乙烯颗粒或废弃轮胎与砂土混合得到的轻质土工材料被广泛应用于岩土工程，但其轻质填充材料会对环境产生危害。近年来，以农业废弃物麦麸为轻质材料、砂土为骨料、Pleurotus ostreatus菌丝为胶结材料组成的菌丝-砂复合轻质土(P. ost... 详细信息

聚苯乙烯颗粒或废弃轮胎与砂土混合得到的轻质土工材料被广泛应用于岩土工程，但其轻质填充材料会对环境产生危害。近年来，以农业废弃物麦麸为轻质材料、砂土为骨料、Pleurotus ostreatus菌丝为胶结材料组成的菌丝-砂复合轻质土(P. ostreatus MBLS)，因其质量轻、无污染等优势受到了广泛的关注。本文对P. ostreatus MBLS进行了静力三轴排水剪切，研究了不同基质含量、有效围压以及菌丝对MBLS的强度特性的影响。试验发现基质材料的增加会降低P. ostreatus MBLS的密度和抗剪强度。菌丝的加入提升了试样的抗剪强度，限制了试样的体变，使得P. ostreatus MBLS表现出一定的结构性，但提升程度存与有效围压大小有关。菌丝对试样强度与变形的作用在低围压条件下(约100 kPa)和小应变阶段更显著。P. ostreatus MBLS的制备方法简单且无环境污染风险，是浅层回填土工材料的潜在替代物，为岩土工程的低碳化建设提供理论指导与技术支持。

关键词：土力学轻质土菌丝三轴剪切试验强度结构性

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高强高韧锚杆钢能量吸收特性研究

岩石力学与工程学报 2024年第S1期43卷 3204-3216页

作者：王鼎何满潮周辉王琦王旭春中国矿业大学(北京)机械与电气工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 青岛理工大学土木工程学院山东青岛266033

在深部地下工程中,研发和应用新型金属支护材料越发引起人们的关注与重视,然而关于其在预应力和围岩加载过程中的能量吸收规律和特性尚不清楚,亟待进行相关研究。因此,基于晶体塑性方法,以新型高强高韧锚杆钢为例,比较分析不同金属支护... 详细信息

在深部地下工程中,研发和应用新型金属支护材料越发引起人们的关注与重视,然而关于其在预应力和围岩加载过程中的能量吸收规律和特性尚不清楚,亟待进行相关研究。因此,基于晶体塑性方法,以新型高强高韧锚杆钢为例,比较分析不同金属支护材料的力学和能量吸收特性。同时采用以物理机制为基础的晶体塑性模型,研究不同预应力和围岩加载速率对高强高韧锚杆钢能量吸收特性的影响。研究结果表明,传统金属支护材料在能量吸收密度方面存在发展瓶颈。与传统金属支护材料的能量吸收密度与极限抗拉强度存在倒置关系不同,新型高强高韧锚杆钢在保持高强度(>940 MPa)和较大延伸率(>0.4)的同时,具有极高的能量吸收密度(>3.5×10^(8)J/m^(3)),是现有金属支护材料的3~7倍。晶体塑性模拟结果表明,通过调整预应力和控制围岩加载速率,可以进一步提高锚杆钢的能量吸收能力。例如,通过提高预应力可以快速提高材料的有效能量吸收速率,并能抵抗围岩加载速率的影响。当预应力增加至接近材料的屈服应力且围岩加载速率控制在10-2MPa/s以下时,可以使高强高韧锚杆钢获得最大的有效应变量(>0.54)和最高的有效能量吸收密度(>4.5×10^(8)J/m^(3)),充分发挥高强高韧锚杆钢的能量吸收特性。研究结果为高强高韧锚杆钢在高地应力支护工程上的应用提供理论依据和技术指导。

关键词：岩石力学能量吸收高强高韧锚杆钢围岩大变形预应力加载速率晶体塑性

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中国大规模盐穴储氢需求与挑战

岩土力学 2024年第1期45卷 1-19页

作者：杨春和王贵宾施锡林朱施杰郑铸颜刘伟范金洋中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 中国科学院大学北京100049 重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室重庆400044

氢能是来源广泛且低碳清洁的能源,大力发展氢能产业是实现双碳目标和应对全球能源转型的重要举措。在氢能“制备―储存―运输―应用”全产业链中,储氢难问题长期制约着氢能产业高质量发展。盐穴储氢具有成本低、规模大、安全性高和储氢... 详细信息

氢能是来源广泛且低碳清洁的能源,大力发展氢能产业是实现双碳目标和应对全球能源转型的重要举措。在氢能“制备―储存―运输―应用”全产业链中,储氢难问题长期制约着氢能产业高质量发展。盐穴储氢具有成本低、规模大、安全性高和储氢纯度高等突出优势,是未来氢能大规模储备的重要发展方向,也是我国能源低碳转型的重大战略需求。综合调研了我国制氢产业和氢能消费现状,分析了我国盐穴储氢的需求。调研了国外利用盐穴储存天然气和氢气的技术及工程现状,总结了我国盐穴储气库发展和建设历程。对比了利用盐穴储存天然气、氦气、压缩空气和氢气的异同点,提出我国盐穴储氢面临三大科技挑战:层状盐岩氢气渗透与生化反应、盐穴储氢库井筒完整性管控、储氢库群灾变孕育与防控。研究成果明确了我国氢气储备需求的快速增长趋势和大规模盐穴储氢的重点攻关方向。

关键词：盐穴储氢层状盐岩氢岩反应井筒完整性库群灾变