作用在岩体裂隙网络中的渗透力分析

从岩体裂隙网络渗流的特点出发, 以单裂隙渗透力分析为基础, 分析了二维及三维情况下岩体裂隙网络渗流对岩体裂隙壁施加的两种作用力: 垂直于裂隙壁使裂隙产生扩容的法向渗透静水压力以及平行于裂隙壁和裂隙水流方向一致的切向动水压力, 推导出二维及三维情况下裂隙单元因这两种作用力而产生的等效结点力, 并应用算例定量分析了岩体裂隙网络渗透静水压力和动水压力共同作用对岩体应力的影响, 结果显示: (a)渗透力作用下裂隙上部岩体压应力减小, 而裂隙下部岩体压应力增大, 最大压应力增大 10 .5 3%; (b)渗透力作用下裂隙岩体拉应力增大, 最大拉应力增大 9.0 9%; (c)裂隙渗透力使岩体剪应力增大, 最大值达 2 3.75 %。     

多层采动条件下采空区覆岩残余裂隙发育规律的实验研究

采空区残余裂隙的发育情况是采空区充填注浆设计需要考虑的重要因素。本文采用相似材料模拟实验的方法,探讨多层采动条件下采空区覆岩残余裂隙的分布规律和发育程度。研究结果表明：开采结束后采空区残余裂隙在剖面上具有明显的分区性,从采空区两侧到中间可划分为残余裂隙发育区、裂隙压密区和地表张拉裂隙区; 残余裂隙发育区的残余裂隙率一般介于19.54％～45.27％之间,裂隙压密区的残余裂隙率介于9.28％～19.33％之间; 离层裂隙发育高度是受采宽和累计采厚综合影响的结果。研究成果对于老采空区建筑地基的稳定性评价、采空区处治工程范围与深度的确定、注浆孔的合理布置、单孔注浆量的合理计算等都具有重要的理论研究价值和实际指导意义。     

双重孔隙介质THMM耦合模型及其有限元分析

建立了一种饱和-非饱和遍有节理岩体的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合模型,其特点是应力场和温度场是单一的,但具有不同的孔隙渗流场、裂隙渗流场和孔隙浓度场、裂隙浓度场,以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系的影响;并开发了相应的二维有限元程序.针对一个假定的高放废物地质处置库,就岩体为非饱和双重孔隙-裂隙介质和放射性核素泄漏的情况进行了数值分析,考察了岩体中的温度、负孔隙水压力、饱和度、地下水流速、核素浓度和主应力的状态.结果显示:孔隙和裂隙中的负水压力及核素浓度呈现不同的变化、分布;尽管裂隙水饱和度平均仅为孔隙水饱和度的1/10,但因裂隙的渗透系数比孔隙的渗透系数大4个数量级,故裂隙中地下水的流速约是孔隙中相应值的3倍;孔隙和裂隙中核素浓度的量值接近.     

裂隙岩体中非饱和渗流与运移的概念模型及数值模拟

探讨了裂隙岩体中非饱和地下水渗流与溶质运移的几种概念模型的构造及数值模拟问题 ,如裂隙网络模型、连续体模型、等效连续体模型、双孔隙度 (单渗透率 )模型、双渗透率模型、多组份连续体模型等。在裂隙岩体中 ,非饱和地下水的渗流可能只局限于岩体中的岩石组份、或裂隙网络 ,也可能在裂隙和岩石中同时发生 ;对前一种情形只需考虑单一连续体中的流动 ,而后一种情况则需要包括地下水在岩石和裂隙之间的交换。岩体中的裂隙网络往往是溶质运移的主要通道 ;但当溶质在裂隙与岩石之间的渗透和扩散是重要的运移机制时 ,就需要考虑岩石与裂隙界面处的溶质交换。为了模拟岩石与裂隙之间地下水和溶质的交换 ,就需要了解岩石与裂隙之间相互作用的模式和范围 ,使得这类问题的概念模型较单一连续体模型多了一层不确定性、其数值模拟也变得更为困难。因为在实际问题中不易、甚至根本不能判别非饱和渗流的实际形态 ,具体采用哪种模型主要取决于分析的目的和对现场数据的掌握程度。不论哪种模型都会受到模型及参数不确定性的影响 ,因此必须考虑与其他辅助模型的比较.     

裂隙岩体渗流模型研究现状与展望

裂隙岩体渗流对于边坡、地下工程及基础岩土体的承载能力有显著的制约作用。本文简要地介绍了多种裂隙岩体渗流模型研究现状,评述了几类比较有代表性的渗流模型特点以及存在的不足,为选取合理的数学模型用于求解具体的裂隙岩体渗流问题提供了参考依据,并在上述基础上提出了一些需要进一步研究的问题。指出就目前应用最为广泛的等效连续介质模型而言,裂隙岩体几何参数、有效孔隙度以及等效渗透张量的确定仍有待于更深入的研究,而从细观力学结构入手研究渗流耦合模型将具有重大的理论意义和实用价值。     

裂隙岩体非稳态渗流数值模型及其应用

为解决裂隙岩体非稳态渗流问题, 发展了一种新的数值模型. 对于单裂隙渗 流求解, 其控制方程是基于一定假设的简化Navier-Stokes方程, 数值方法采用有限差分法 和流体体积法. 在裂隙网络中, 交界处渗流可以由专门的控制方程求解. 计算结果表明, 该 数值模型既可以大幅提高非稳态渗流的计算效率, 还可以避免孤立裂隙所带来的影响. 最后, 通过两个工程算例验证该数值模型的适用性.     

基于区域分解算法的地下水耦合模型及其应用

根据岩体中不同区域裂隙发育规模的差异分为连续区域和离散区域,在不同区域中使用不同的地下水运动数学模型,应用区域分解算法来解决这类问题。其中连续区域采用了等效连续介质模型,离散区域采用了随机裂隙网络模型,通过区域公共边界上水位和流量连续的条件将两模型耦合求解。将基于区域分解算法的耦合模型应用于锦屏水电站坝址区三维渗流场的模拟中,通过钻孔观测水位和计算水位的对比发现,该方法是有效的,能够应用于实际工程。     

岩体三维裂隙网络地质熵与渗透特性关系研究

裂隙网络是岩体地下水的主要流动通道,而工程岩体中裂隙网络错综复杂,裂隙网络的几何特征和连通性对其渗透性有着重要影响.为了综合量化裂隙迹长、间距、倾角、开度对裂隙网络连通性和渗透性的影响,基于信息熵原理,提出了三维裂隙网络地质熵理论和连通性指标-熵尺度,对比熵尺度与其他传统三维裂隙网络连通性指标,验证了熵尺度评价三维裂隙网络连通性和渗透性的合理性.结合锦屏一级水电站左岸边坡裂隙统计分布,建立三维裂隙网络渗流数值计算方法,分析不同裂隙迹长、倾角、间距、开度条件下三维裂隙面密度、无量纲逾渗密度、熵尺度和渗透系数的变化关系.结果表明:当体积率一定,考虑开度影响时,三维裂隙面密度和无量纲逾渗密度无法定量表征迹长和间距对裂隙网络连通性的影响;裂隙迹长与熵尺度和渗透系数呈负相关关系,裂隙间距和开度与熵尺度和渗透系数呈正相关关系,裂隙倾角变化对熵尺度和渗透系数影响较小;熵尺度与渗透系数的非线性关系近似满足二次多项式.     

单裂隙流-固耦合渗流的试验研究

通过对较大尺寸的单裂隙岩体试块进行不同侧面加载的渗流试验,在实验室里开展了单裂隙流 固耦合渗流研究,模拟核废料贮藏库的围岩自由面的最危险部位的渗流量 应力耦合状态。分析了裂隙岩体渗流与应力的耦合机理,获得了几种典型情况下的试验数据,并拟合出不同应力条件下单裂隙岩体渗流量与应力间数学经验公式。从而说明并非任一方向的应力增加都能使渗流量减小,而是裂隙岩体的渗流量随着双向压应力的增加而减少,随着平行于裂隙面方向的单向压应力的增加而增加。缝隙开度虽然随着法向应力的增加而逐渐减小,但最终不可能完全闭合,所以,此时流量不可能为零。同时,在试验过程中还通过闭环控制来实现被加载面的均匀受力,这为大尺寸岩体试验提供了一种很好的加载方法。     

非连续变形分析方法的改进及应用1）

首先,采用位移收敛判据对非连续变形的岩石断裂分析进行改进并程序实现. 其次,将非连续变形分析方法和裂隙网络渗流模型结合起来,建立了渗流应力耦合分析模型,研究了裂隙岩体变形对渗流的影响以及渗流与应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征. 研究发现,主干裂隙控制着渗流场分布,考虑耦合作用时的水头值比不考虑耦合作用时大,说明考虑耦合后坡体更容易变形失稳. 改进前后裂纹扩展形态基本不变,表明程序计算的收敛判据是有效的.     

温度梯度水分扩散对双重孔隙岩体中THM耦合影响的有限元分析

建立了一种饱和-非饱和遍有节理岩体的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型,并研制出相应的二维有限元程序.通过一个假定的位于非饱和双重孔隙-裂隙岩体中的高放废物地质处置库算例,就温度梯度水分扩散系数不同的三种工况,考察了岩体中的温度、孔隙水压力、饱和度、地下水流速和主应力的变化、分布情况.结果显示:各工况计算域中温度场及应力场基本相同,当岩体温度梯度水分扩散系数较大时,近场的负孔隙水压力上升到很高的数值,负裂隙水压力有所下降,饱和度亦有相应的变化,当温度梯度水分扩散系数小到一定程度后,其影响也将逐渐消失.     

基于物理界面的双重介质有限裂隙渗流模型

基于连续介质或者离散裂隙假设,含裂隙的多孔介质渗流问题有多种数学力学模型。受物理界面的启发,提出一种新的有限裂隙连续介质力学模型,可以为宏观裂隙-多孔介质内的流体输运问题等提供近似计算方案。该模型属于一类双重介质模型,将曲面上低维度的流场转化为三维空间的流场,并且与连续的多孔介质的流场耦合,在数学上表示为统一的输运控制方程和初始边界条件。这个近似模型为不方便实施高维度-低维度耦合求解的数值计算方法提供新的模拟思路,如光滑粒子流体动力学等无网格粒子类方法。     

单裂隙岩体水力裂缝扩展机理的数值模拟

应用真实破裂过程分析系统软件RFPA2D2.0-Flow,采用细观方法表达岩石材料非均匀特性,建立了渗流-应力-损伤耦合模型;模拟分析了裂隙岩体在具有不同角度、不同长度、天然裂隙中点与井孔之间不同间距的单一天然裂隙条件下的水压致裂过程;通过对模型内拉伸裂缝萌生及扩展的描述,得出了天然裂隙角度、长度、天然裂隙中点与井孔的间距对裂隙岩体内水力裂纹的扩展及与天然裂隙相交模式的影响趋势。模拟分析结果表明:天然裂隙角度对模型稳定性影响较小,但对裂纹扩展模式的影响较大;天然裂隙与井孔间距的减小使模型的失稳水压值随着裂隙角度的增加而逐渐增大,但最大值与间距未减小时基本相同;随着天然裂隙长度的增加,模型的承载能力逐渐减弱,且减弱的幅度逐渐增大。     

非达西渗流拟启动压力梯度推算

岩体启动压力梯度的大小是石油开采,工程防渗处理等方面需要考虑的影响因素。非线性渗流现象已被广泛所认同,低渗透性岩渗流存在启动压力梯度,它基本代表了流体产生渗流时的压力梯度大小。试验对试样进水端水压进行长期稳定控制,出水端采用精确测定流出水体积变化量的方法进行流量测定; 当渗出端水体积的变化量与时间呈直线关系时,即认为该时段渗透特征符合达西定律。通过对具有不同渗透性的软弱岩系统的试验测试,根据实测渗透系数与压力梯度的正相关关系,提出了拟启动压力梯度推算的"三次平均法",即:首先统一调整实测渗透系数值,然后确定绝对渗透系数值,再根据该值确定V0值, 3次取平均推算拟启动压力梯度的方法。分析表明:拟启动压力梯度随围压升高而增大,随岩石的绝对渗透系数降低而增大; 在渗透压差增大过程测得的拟启动压力梯度大于降低过程的拟启动压力梯度,这些都与理论分析结果相吻合。实例说明拟启动压力梯度推算"三次平均法"较为合理,易于推广使用。这为通过室内试验确定工程岩体启动渗流压力梯度的大小,提出了一种新的思路。     

温度梯度水分扩散系数对非饱和双重孔隙岩体中THM耦合影响的有限元分析

建立了一种饱和–非饱和遍有节理岩体的双重孔隙—裂隙介质热—水—应力耦合模型,并研制出相应的二维有限元程序。通过一个假定的位于非饱和双重孔隙—裂隙岩体中的高放废物地质处置库算例,就温度梯度水分扩散系数不同的三种工况,考察了岩体中的温度、孔隙水压力、饱和度、地下水流速和主应力的变化、分布情况。结果显示：各工况计算域中温度场及应力场基本相同, 当岩体温度梯度水分扩散系数较大时,近场的负孔隙水压力上升到很高的数值,负裂隙水压力有所下降,饱和度亦有相应的变化,当温度梯度水分扩散系数小到一定程度后,其影响也将逐渐消失。     

金川Ⅲ矿区岩体分类及其力学特性参数预测

本文针对金川Ⅲ矿区岩体质量及参数,并在11个钻孔数据资料的基础上,采用数学统计和数值模型来分别分析矿区岩体质量和力学参数的特征。对11个钻孔的资料进行详细的统计分析,进行每一个钻孔不同深度的岩体节理裂隙统计和岩体分类评价,并由此获得了建立矿块力学参数模型的数据。再建立表征整个岩体特性的三维力学模型,并揭示了矿块力学特性的分布特性和变化规律。此研究为崩落法采矿设计和数值模拟提供可靠的依据。     

岩体水力劈裂的应力-渗流-损伤耦合模型研究

利用无单元法追踪裂纹扩展的优势研究模拟岩体水力劈裂的数值分析模型。定义损伤变量以描述岩体的损伤程度对岩体渗透性和强度的影响,建立了岩体水力劈裂的应力-渗流-损伤耦合分析模型,并编制了基于无单元法的计算程序。综合考虑应力、渗流及损伤之间的相互作用影响,分析了具有初始裂纹的岩体平面应力模型的裂纹扩展过程,指出考虑渗流作用时的裂纹扩展角大于不考虑渗流作用时的裂纹扩展角。同时,裂纹内水压力和渗流的作用对于裂纹的扩展方向和扩展长度具有较大的影响。     

岩体渗流及参数敏感性对块体稳定性影响研究

首先利用离散单元法中的流固耦合技术模拟出裂隙岩体渗流场,并计算得到作用在可动岩石块体上的渗流压力;然后基于块体理论,研究渗流压力对岩石块体动力稳定性的影响,得到有无渗透水压力作用两种情况下块体动安全系数对比曲线.结果表明,渗透水压力的存在使得块体的动力稳定性降低.同时,发展了一种基于参数敏感性的块体稳定分析技术,利用该技术可对粘聚力和摩擦角在各种不同取值组合下的稳定性进行快速计算,已在实际边坡工程中应用,实践证明其简单、方便且准确,具有很高的工程应用价值.     

基于图像识别的裂隙煤层气非Darcy渗流模拟

煤层气在煤岩裂隙中流动时,由于其粘度系数较小,很容易产生非Darcy现象.因此,考虑煤层气的非Darcy渗流将会使得研究结果更加客观和准确,对煤层气开采具有实际意义.首先将实物裂隙高清拍照导入Matlab软件中进行图像二值化处理,再利用COMSOL软件对二值图像进行模型重构和数值模拟.模拟结果显示,煤层气渗流速度随着裂隙尺度的变化而不断改变,速度随时间不断增加,但区域渗流速度分布状态保持不变.与Darcy结果的对比分析可知,相同压力梯度下,考虑非Darcy因素的产气量要明显小于仅考虑Darcy因素的情况.同时,结果显示,在渗透率不同的煤裂隙中,煤层气的渗流速度不同.渗透率较大时,渗流速度相对较大,同样,渗透率较小时,渗透速度较小.     

高渗压下水-岩相互作用试验研究

新研发的岩石高压渗透试验仪以静态伺服阀为主要控制元件,在脱离计算机控制条件下可使试样进水端水压保持不变。出水端水压采用调速阀控制,实现了高渗透压力下长时间的水-岩相互作用试验研究。在此基础上,提出了水-岩作用渗透液体不同时段各离子浓度变化的分析方法,并容易得到不同时段试样渗透性变化规律。为研究水-岩作用对岩石强度的影响,按基本相同条件,对该试样及未经长期水-岩渗流作用同一岩性试样进行了高渗压下的常规三轴试验,提出以试样临近破坏时的有效侧向应力大小进行强度分析,并按上述实际所加侧向压力大小及有效侧向压力大小,进行了常规饱水三轴压缩试验。试验得出,所研究蚀变岩在高渗压下水-岩作用结果与常温、常压条件测试结果类似,蚀变岩与库水的水化学反应微弱,对其自身岩体的渗透性及力学性质影响均较小。