裂隙岩体三维渗透张量及表征单元体积的确定

将基于复合单元法的数值试验和现场单孔压水试验相结合,对裂隙岩体的三维渗透张量及表征单元体积(REV)进行研究。首先根据研究域岩体的裂隙统计参数及分布规律,运用蒙特卡罗方法在统计域内生成三维随机裂隙网络,然后利用复合单元法计算不同尺寸岩体试件在不同方向上的等效渗透系数,以此计算岩体的三维渗透张量及REV尺度,最后利用现场单孔压水试验结果来修正裂隙岩体的3个渗透主值。在小湾水电站工程中,运用该方法对坝区岩体的三维渗透特性进行分析,得到修正后的岩体三维渗透张量,分析结果表明,结合单孔压水试验和基于复合单元法的数值试验来确定裂隙岩体的三维渗透张量和REV是合理且有效的。     

裂隙岩体三维渗透张量及表征单元体积的确定

 将基于复合单元法的数值试验和现场单孔压水试验相结合,对裂隙岩体的三维渗透张量及表征单元体积(REV)进行研究。首先根据研究域岩体的裂隙统计参数及分布规律,运用蒙特卡罗方法在统计域内生成三维随机裂隙网络,然后利用复合单元法计算不同尺寸岩体试件在不同方向上的等效渗透系数,以此计算岩体的三维渗透张量及REV尺度,最后利用现场单孔压水试验结果来修正裂隙岩体的3个渗透主值。在小湾水电站工程中,运用该方法对坝区岩体的三维渗透特性进行分析,得到修正后的岩体三维渗透张量,分析结果表明,结合单孔压水试验和基于复合单元法的数值试验来确定裂隙岩体的三维渗透张量和REV是合理且有效的。     

裂隙岩体等效渗透系数张量数值法研究

由于核废料地质储存、地热开采、深部油气开采的工程需求,裂隙岩体渗透性及其随着应力、温度的影响受到广泛关注。通过温度-渗流-应力耦合三轴仪对大理岩人工裂隙渗透率随应力及温度变化规律进行了试验研究,获得了大理岩闭合裂隙渗透率随应力、温度的变化趋势及受影响程度。在试验基础上,通过数值方法研究了裂隙岩体等效渗透系数的尺寸效应及各向异性,获得了该裂隙岩体的等效渗透系数REV及渗透张量。     

裂隙岩体几何与力学尺寸效应的关联性研究

利用块体化程度指标,从岩体空间结构角度,揭示岩体几何与力学尺寸效应的关联性。基于GeneralBlock软件构建35种不同结构面延展性和间距组合的岩体多尺度三维裂隙网络模型,利用所提出的块体化程度修正理论,计算不同尺度岩体的块体化程度,确定裂隙岩体的几何特征尺寸(即几何REV);通过GeneralBlock–3DEC模型关联参数的对接,构建多尺度岩体离散裂隙网络模型,分析岩体抗压强度、弹性模量等特征力学参数随岩体尺寸的变化规律,计算裂隙岩体的力学特征尺寸(即力学REV);比较几何REV与力学REV的计算结果,探讨岩体几何尺寸效应与力学尺寸效应的关联性。研究表明:岩体几何REV尺寸小于岩体力学REV尺寸,且岩体力学尺寸效应主要由岩体几何尺寸效应引起;随着岩体尺度的增加,反映岩体结构特性的几何特征参数先趋于稳定(即先期达到几何REV),达到力学REV后岩体的力学特征参数趋于稳定。     

岩体表征单元体与岩体力学参数

在岩体多场耦合分析中,许多采用岩体表征单元体(REV)讨论岩体的渗透特性。事实上,岩体REV是岩石力学的一个基本科学问题,它是选取岩体力学模型以及确定岩体力学参数的基础。从REV的基本概念出发,阐述岩体REV的力学意义;根据岩石及岩体的结构和地质特征,定义了岩石力学中常见的6个尺度,并分析了REV与其它尺度的关系;归纳总结并提出了岩体REV的3种确定方法:能量叠加法,地质统计法,数值模拟法;讨论了岩体REV与岩体力学模型及岩体力学参数取值之间的关系;提出了岩体力学参数的"5S"相关性和岩体力学参数场的概念和分析方法。     

应力对裂隙岩体渗流影响的研究

研究了应力变化对裂隙岩体渗流特征的影响。假设裂隙网络由等效隙宽相等的相互平行的一组裂隙组成，由于应力变化而导致的隙宽变化控制了裂隙岩体渗流的变化，据此得出了裂隙岩体渗透系数及渗流量与应力的关系式。通过裂隙岩体渗流试验，证实了关系式的正确性。利用此关系式及有限元方法计算，得出了裂隙岩体渗透系数随应力的变化值。     

应力对裂隙岩体等效渗透系数影响的离散元分析

 基于现场调查的裂隙网络信息及裂隙网络模拟技术--Monte-Carlo法,采用UDEC中的Fish语言编制裂隙岩体计算模型生成程序DFN-GEN。此程序解决由于裂隙繁多而引起的网格离散困难的问题,可生成大量随机节理,直接进行网络离散,生成裂隙岩体计算模型(DFN),最终用于水力耦合数值计算。结合DECOVALEX国际合作项目TASK C子课题,利用DFN-GEN程序生成裂隙岩体计算模型,研究裂隙岩体水力学特性,探讨应力对裂隙岩体等效渗透系数的影响规律,为研究核废料处置库、坝基、边坡等裂隙岩体工程实践提供方法。     

节理岩体表征单元体尺寸确定的数值模拟

从节理岩体表征单元体的力学意义出发,在通过对某物理试验结果进行模拟以验证RFPA程序模拟节理岩体强度及破裂模式具有适用性的基础上,提出一种基于RFPA数值模拟确定节理岩体表征单元体的方法。该方法基于蒙特卡洛法生成二维节理裂隙网格,实现节理裂隙的表征,将其导入岩石破裂过程分析软件中,分析节理岩体弹性模量和单轴抗压、抗拉强度的尺寸效应和各向异性,并据此确定了节理岩体的表征单元体尺寸。最后,针对某采场围岩节理面统计参数,分析讨论节理岩体的尺寸效应和各向异性,通过综合分析确定了节理岩体的弹性模量、抗压强度和抗拉强度等参数,并得出其表征单元体的尺度为6 m×6 m,这为后续的岩石力学研究奠定基础。     

基于三维裂隙连通率的裂隙岩体表征单元体研究

三维裂隙连通率综合反映了岩体内裂隙发育特征,是评价工程岩体稳定性的一个重要参数。为合理选取具有代表性的裂隙连通率,基于投影法对水平向三维裂隙连通率的尺寸效应进行分析研究,进一步确定岩体表征单元体尺寸。首先,对实测裂隙数据进行几何参数统计分析,采用逆建模方法建立一个100 m×100 m×140 m的裂隙网络模型。在模型中的10个不同高程上设置水平向的投影基准面,基准面尺寸位于5 m×5 m～100 m×100 m范围。利用投影法计算各投影基准面的三维裂隙连通率,分析三维裂隙连通率随研究尺度的变化情况。采用T检验和F检验判定各级尺寸与最大研究尺寸的研究区域的连通率均值和方差是否存在显著差异。研究结果表明,当研究尺寸达到65 m×65 m时,连通率均值和方差进入稳定状态,该尺寸可视为研究岩体水平方向的表征单元体。     

柱状节理岩体随机模拟及其表征单元体尺度研究

柱状节理岩体地质成因特殊,地质结构特点与常见岩体有很大不同,成规则或不规则柱状排列,其裂隙统计及节理的随机模拟方法也与常见岩体采用的方法不尽相同.根据白鹤滩水电站柱状节理岩体的地质构造特点及现场统计资料,以其中最为常见的一类柱状节理为例,引入Voronoi方法对其进行随机模拟,并将随机模型导入3DEC,生成三维随机柱状节理模型进行数值试验,得出其表征单元体(REV)尺度约为典型节理迹长的3～4倍.同时数值试验结果表明,平行于柱轴向(y方向)与垂直于柱轴向(x-z方向)的弹性模量及泊松比值相差较大,柱状节理显示有强烈的各向异性.x-z方向弹性模量及泊松比值相差较小,在REV尺度下可近似认为x-z方向材料性质相同,将柱状节理视为横观各向同性体进行计算和分析.     

Numerical determination of the equivalent elastic compliance tensor for fractured rock masses using the distinct element method

The purpose of this paper is to establish a methodology to determine the equivalent elastic properties of fractured rock masses by explicit representations of stochastic fracture systems, and to investigate the conditions for the application of the equivalent continuum approach for representing mechanical behavior of the fractured rock masses. A series of numerical simulations of mechanical deformation of fractured rock masses at different scales were conducted with a large number of realizations of discrete fracture networks (DFN), based on realistic fracture system information and using the two-dimensional distinct element program, UDEC. General theory of anisotropic elasticity was used for describing the macroscopic mechanical behavior of fractured rock masses as equivalent elastic continua. Verification of the methodology for determining the elastic compliance tensor was conducted against closed-form solutions for regularly fractured rock mass, leading to very good agreements. The main advantage of the developed methodology using the distinct element method is that it can consider complex fracture system geometry and various constitutive relations of fractures and rock matrix, and their interactions. Two criteria for the applicability of equivalent continuum approach were adopted from the investigations: (i) the existence of a properly defined REV (representative elementary volume) and (ii) the existence of an elastic compliance tensor. For the problems with in situ conditions studied in this paper, the results show that a REV can be defined and the elastic properties of the fractured rock mass can be represented approximately by the elastic compliance tensor through numerical simulations.     

Effects of fracture distribution and length scale on the equivalent continuum elastic compliance of fractured rock masses

fracture systems have strong influence on the overall mechanical behavior of fractured rock masses due to their relatively lower stiffness and shear strength than those of the rock matrix.Understanding the effects of fracture geometrical distribution,such as length,spacing,persistence and orientation,is important for quantifying the mechanical behavior of fractured rock masses.The relation between fracture geometry and the mechanical characteristics of the fractured rock mass is complicated due to the fact that the fracture geometry and mechanical behaviors of fractured rock mass are strongly dependent on the length scale.In this paper,a comprehensive study was conducted to determine the effects of fracture distribution on the equivalent continuum elastic compliance of fractured rock masses over a wide range of fracture lengths.To account for the stochastic nature of fracture distributions,three different simulation techniques involving Oda's elastic compliance tensor,Monte Carlo simulation(MCS),and suitable probability density functions(PDFs) were employed to represent the elastic compliance of fractured rock masses.To yield geologically realistic results,parameters for defining fracture distributions were obtained from different geological fields.The influence of the key fracture parameters and their relations to the overall elastic behavior of the fractured rock mass were studied and discussed.A detailed study was also carried out to investigate the validity of the use of a representative element volume(REV) in the equivalent continuum representation of fractured rock masses.A criterion was also proposed to determine the appropriate REV given the fracture distribution of the rock mass.     

裂隙岩体渗透张量计算及其表征单元体积初步研究

基于三维节理网络模拟技术,应用渗流能量叠加原理,推导节理岩体渗透张量的理论计算公式,在此基础上提出裂隙岩体渗透表征单元体积的确定方法。该方法考虑空间节理的具体分布和连通情况,同时根据节理的开度变化和立方定理又可分析应力场对渗透张量的影响,可方便、有效地进行裂隙岩体渗透特性的分析。随后讨论节理迹长、间距、开度、产状和组数等结构面几何特征对岩体渗透特性及表征单元体积的影响。最后采用上述方法,以拉西瓦水电站右岸岩体为例,计算工程岩体的渗透张量,并分析渗透表征单元体积大小及地应力对其渗透特性的影响。研究结果在工程设计中具有应用价值。     

裂隙岩体宏观力学参数研究

 裂隙岩体的变形模量及强度特性是工程界关注的焦点,其关键是岩体变形模量及强度的尺寸效应和表征单元尺寸(REV)。根据锦屏二级水电站大理岩裂隙统计分布规律及岩块和结构面力学特性试验成果,确定岩块和结构面的本构模型,建立考虑无厚度裂隙面力学响应的分析模型。研究不同尺寸、不同统计窗裂隙岩体的力学响应特征,并重点研究裂隙岩体变形模量和单轴抗压强度的尺寸效应、REV特征以及各向异性特征。该研究方法为裂隙岩体的宏观力学参数取值提供参考,研究成果也为锦屏二级水电站工程岩体参数取值提供了依据。     

Hydraulic properties of fractured rock masses with correlated fracture length and aperture

Permeability of fractured rocks is investigated considering the correlation between distributed fracture aperture and trace length, based on a newly developed correlation equation. The influence of the second moment of the lognormal distribution of apertures on the existence of representative elementary volume (REV), and the possibility of equivalent permeability tensor of the fractured rock mass, is examined by simulating flow through a large number of stochastic discrete fracture network (DFN) models of varying sizes and varying fracture properties.The REV size of the DFN models increases with the increase of the second moment of the lognormal distribution, for both the correlated and uncorrelated cases. The variation of overall permeability between different stochastic realizations is an order of magnitude larger when the aperture and length are correlated than when they are uncorrelated. The mean square error of the directional permeability increases with increasing value of the second moment of the lognormal distribution function, and good fitting to an ellipsis of permeability tensor can only be reached with very large sizes of DFN models, compared with the case of constant fracture aperture, regardless of fracture trace length.     

裂隙岩体渗透张量的对称性证明及主渗透性推导

裂隙岩体具有显著的各向异性和非均质性的特点,研究时主要分为等效非连续介质模型、等效连续介质模型和孔隙–裂隙双重连续介质模型3种情况考虑。岩体渗流参数是岩体渗透特性的量化形式,是连续介质模型求解裂隙岩体渗流场的基础。基于裂隙岩体的性质及工程设计方面的考虑,经常把裂隙岩体当作各向异性的多孔连续介质来处理,而渗透张量的对称性是连续介质的标志。各类教科书缺乏渗透张量的对称性证明,而是直接使用这一结论。,为更加深入地理解裂隙岩体渗透张量的本质,证明含有单个裂隙、单组裂隙或多组裂隙的裂隙岩体的渗透张量的对称性,阐明渗透张量的主轴与主渗透性以及水力梯度与渗透流速的关系,进而推导出渗流控制方程。     

裂隙岩体表征单元体的确定及工程应用

以某水电站为工程背景,介绍了两种确定裂隙岩体REV的新方法:数字图像处理法和非连续变形DDARF法。依据水电站岩性差异、风化及卸荷程度,将围岩划分为若干工程地质区段并建立随机裂隙网络模型,研究尺寸效应对岩体力学参数的影响规律,获得了REV表征尺寸和等效力学参数;得到岩体的非线性强度准则,嵌入FLAC^3D对水电站开挖进行模拟,并监测关键点位移。结果表明:水电站围岩的抗压强度与围压成正相关;洞室开挖对厂房上下游中部和拐角处影响较大,应加强对这些部位的支护;关键点的位移数值结果与现场监测值基本吻合,误差小于5%。数字图像处理法和DDARF法为裂隙岩体REV的确定开拓了新思路,对复杂条件下地下洞室围岩的稳定性分析有广泛的应用前景。     

施工期岩体等效渗透张量求解法———以三峡工程永久船闸边坡为例

根据对岩体结构面及地下水流渗流量的调查和观测,概化出渗透结构面及其分组,利用极值控制法求出渗透结构面的渗透系数,进而求出岩体的初始渗透张量;基于岩体的初始渗透张量及现场观测的渗流量,利用有限元法求解岩体等效渗透张量。该方法能够比较客观地确定施工期岩体的等效渗透张量。