岩体中饱和渗流应力耦合模型研究进展

在大坝渗流与控制、各种水工隧洞和交通隧道以及地下各种洞室开挖、采矿工程与油藏开采中的水力劈裂、 岩坡和坝基的稳定性研究等领域中经常会遇到岩体的饱和渗流应力耦合问题.本文对这些领域中的渗流应力耦合问题分为6种力学模型: 等效连续介质模型、 裂隙网络模型、 双重介质模型、 断裂力学模型、 连续损伤力学模型和统计模型.前3种主要从经典的黏弹塑性本构着手考虑, 着重对渗流场的处理, 后3种则是从考虑岩体在耦合作用下发生损伤破裂行为方面切入, 着重于岩体结构内部发生质的改变带来的更加复杂的耦合效应.对这些模型进行了详细的介绍, 指出了这些模型的优缺点与适用范围, 给出了一些有代表性的研究成果, 并对该研究领域中未来的研究方向进行了展望.     

变开度岩体裂隙多相渗流实验与有效渗透率模型

岩体裂隙的有效渗透率是描述岩体非饱和或多相渗流的关键参数,而裂隙开度是影响有效渗透率的重要因素.通过自主研发的粗糙裂隙多相渗流可视化实验平台,针对天然岩体裂隙复制而成的裂隙模型开展变开度条件下的多相渗流可视化实验,研究开度变化对多相渗流流动结构以及有效渗透率的影响.研究表明:非湿润相流体运动通道,在低流量比条件下呈现出气泡流流动结构,而在高流量比条件下呈现较为稳定的通道流流动结构.随着开度的增加,非湿润相流动通道的分支变少、等效宽度增加,两相流体的有效渗透率均增大,流动结构趋于稳定.可视化结果还阐明了柱塞流流动结构下,两相流体交替占据裂隙空间的竞争机制:当非湿润相流体通道由连续转变为不连续时,裂隙进出口压差显著增加;反之,当该通道由不连续转变为连续时,压差显著减小.最后,基于分形理论以及渗透率统计建模方法,建立了考虑开度效应的岩体裂隙多相渗流有效渗透率理论模型,并通过实验测定的有效渗透率数据验证了该模型的正确性与有效性.     

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.     

裂隙岩体渗透系数确定方法研究

裂隙岩体渗透系数以及渗透主方向的确定对研究岩体渗透性大小及各向异性具有重要意义。高放废物地质处置库介质岩体的渗透性能将直接影响其使用安全性。本文运用离散裂隙网络模拟的方法对我国高放废物处置库甘肃北山预选区3#钻孔附近裂隙岩体进行了渗透性质分析。通过对3#钻孔1715～1780m段压水试验数据的反演,标定了离散裂隙网络渗流模型中的裂隙渗透参数(导水系数T)。利用标定的离散裂隙网络模型对场区裂隙岩体进行了渗流模拟,确定了该区域裂隙岩体的渗流表征单元体(REV)的尺寸大小以及渗透主值和主渗透方向。运用离散裂隙网络模型计算得出的渗透主值的几何均值与现场压水试验计算结果较接近,证明了计算结果的有效性。     

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 %。     

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.     

非连续变形分析方法的改进及应用

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.     

岩体系统渗流场与应力场耦合的广义双重介质模型的应用研究

本文通过实验资料分析, 提出了裂隙岩体应力与渗流之间的分形几何关系式。以研究区岩体系统结构为基础, 提出了岩体系统应力场与渗流场耦合的广义双重介质模型, 并将该模型应用于某水利水电工程的渗流与控制中, 对坝区岩体进行了应力场和渗流场的耦合分析, 取得了比较满意的结果。     

裂隙岩体注浆模拟实验研究

通过单一裂隙岩体和裂隙网络岩体注浆渗流模拟实验,分析和总结了裂隙岩体注浆渗流中的一般规律,并讨论了影响注浆渗流工程的各种因素。     

多组贯穿闭合裂隙岩体变形模型研究

根据等效岩体理论,并考虑闭合裂隙面摩擦效应,建立了含多组贯穿闭合裂隙岩体的数学模型,给出了岩体轴向应变、等效弹性模量与等效泊松比的表达式,系统地研究了岩块性质和裂隙参数对等效弹性模量与等效泊松比的影响。结果表明:岩块弹性模量对等效弹性模量与等效泊松比的影响随弹性模量增大而逐渐减弱,等效泊松比与岩块泊松比近似呈正比例关系;当裂隙角度小于50°时,裂隙几何参数对等效弹性模量影响较大,对等效泊松比影响较小,随着角度增大,影响逐渐减弱;岩体变形受裂隙组数影响较大,由于闭合裂隙面的摩擦效应及多组裂隙间的制约作用,含两组及三组裂隙时岩体变形较小,只含一组裂隙时岩体变形最大,无裂隙岩体变形几乎可以忽略。     

Modeling Free-Surface Seepage Flow in Complicated Fractured Rock Mass Using a Coupled RPIM-FEM Method

The prediction of the free-surface seepage flow behavior in fractured rock mass is of significance in geotechnical engineering. There are two major issues in solving the seepage flow in complicated fractured rock mass based on the fractured porous medium (FPM) flow model, in which groundwater is assumed to flow simultaneously in both rock matrix and embedded fractures: One is the mesh generation of rock mass in the presence of the fracture network, especially when there exist a large number of stochastic fractures; the other is that a robust iteration algorithm is required since the free surface is unknown at the beginning of solution. Aiming at these two issues, this paper proposes a novel numerical method by coupling radial point interpolation method (RPIM) and finite element method (FEM), in which RPIM is utilized to model the rock matrix and FEM is utilized to model the fractures. On the basis of the variational inequality (VI) theory for free-surface seepage analysis, the computation formulations of the numerical method are derived and the corresponding computation program is developed. Three examples are solved with the present method. It is found that the VI theory can be extended to solve the free-surface seepage problem based on the FPM flow model. A crucial advantage of the present method is that the mesh generation can be greatly simplified. The present method has been verified to be a robust, efficient and reliable method for modeling the groundwater flow in complicated fractured rock mass.     

作用在裂隙中的渗透力分析

裂隙岩体中流体对岩体的作用力, 是研究岩体稳定性的重要问题。本文认为流体作用于裂隙壁面上的力包括两部分, 即垂直于裂隙壁面的流体静水压力 (导致裂隙垂向变形)和平行于裂隙壁面的拖曳力 (导致裂隙切向变形), 此拖曳力为面力。文中以单裂隙水流的立方定律为基础, 运用流体力学的动量方程, 推导出了单一平直光滑无充填裂隙、有充填的裂隙及水流和充填物一起运动情况下, 裂隙壁面承受的切向拖曳力公式。该公式对于分析流体对裂隙岩体变形性能及强度的影响具有重要价值。     

A VARIATIONAL INEQUALITY APPROACH FOR NON-STEADY SEEPAGE FLOW THROUGH THREE-DIMENSIONAL FRACTURE NETWORK

为了求解裂隙岩体有自由面非稳定渗流问题,将Darcy定律延拓至整个研究区域,使得潜在溢出边界条件满足Signorini型边界条件,建立了三维裂隙网络非稳定渗流问题的抛物型变分不等式（parabolic variational inequality,PVI）提法,并证明其与偏微分方程（partial differential equation,PDE）提法的等价性,从而将自由面上的流量条件以及潜在溢出边界上的互补条件转化成自然边界条件,降低该问题求解难度。同时给出了基于PVI提法的有限元数值求解方法,通过与交叉裂隙模型理论解的对比分析,证明了该方法的正确性。最后将该方法对含复杂三维裂隙网络的边坡进行非稳定渗流分析,计算结果表明该方法对于复杂裂隙网络求解具有较强的可靠性和适应性。     

基于虚功原理的悬索桥隧道式锚碇边坡稳定性分析

本文基于虚功原理,结合工程地质勘察资料,在岩层层面和不利结构面组合切割下,由于锚碇工程荷载作用,研究坝陵河大桥西岸隧道式锚碇边坡的整体稳定性。本文的力学分析模型采用多个块体破坏机构的分析方法,假定块体的底面和侧面均达到了极限平衡状态,安全系数可通过功能平衡的虚功原理表达式来求解。功能平衡方程中仅有安全系数一个未知数,条块底部和界面上的法向压力和切向摩擦力并不出现,求解大为简化。     

露天矿边坡饱和渗透系数随机场数值模型研究

为分析强降雨入渗及渗透系数空间变异性对闭坑露天矿边坡渗流场的影响程度，基于非饱和渗流理论和随机场理论，采用非侵入式随机方法，通过FISH语言编写非饱和区单元饱和度、渗透系数与基质吸力的修正函数，建立饱和-非饱和渗流随机场模型，开展强降雨作用的高大陡深岩质边坡渗流特征研究。研究结果表明，修正饱和-非饱和渗流随机场模型能够准确地描述露天矿边坡的降雨入渗过程。且降雨入渗主要影响到露天矿边坡浅层渗流场。随降雨持时变化，在坡面与地下水位线之间形成包围的且逐渐缩小的非饱和区。坡面最早出现暂态饱和区且厚度逐渐增加，但增幅逐渐放缓。同时坡面点孔隙水压力最早达到稳定值零，离坡面越远的点孔隙水压力达到稳定值零的用时会越长。该结论可为闭坑露天矿边坡的地质灾害风险预测提供参考意义。     

Theoretic expression of flow rate for a single fracture with linearly varying width

By means of reasonable assumption and mathematical derivation, a theoretic expression of flow rate for a single fracture with linearly varying width was obtained. The mathematical derivation was based on the cubic law and the new theoretic expression was an extention of traditional parallel plate model. This study may help to analyze seepage in fractured rock mass.     

Nonlinear Coupled Mathematical Model for Solid Deformation and Gas Seepage in Fractured Media

Based on detailed investigation into the interactional physical mechanism of solid deformations and gas seepage in rock matrix and fracture, a nonlinear coupled mathematical model of solid deformation and gas seepage is put forward and the FEM model is built up to carry out numerical analysis. The coupled interaction laws between solid deformations and gas seepage in rock matrix and fractures has been emphasized in the model, which is a vital progress for coupled mathematical model of solid deformation and gas seepage of rock mass media. As an example, the methane extraction in fractured coal seam has been numerically simulated. By analyzing the simulation results, the law of methane migration and exchange in rock matrix and fractures is interpreted.