水力耦合裂隙岩体变形破坏机制研究进展

为深入了解水力耦合作用下裂隙岩体变形破坏机制,正确评价岩体工程的安全性和稳定性,通过收集整理国内外文献,系统综述了水力耦合完整岩体和裂隙岩体变形破坏方面研究的进展与成果.简述了水力耦合下完整岩体和裂隙岩体的力学特性,侧重总结了水力耦合单一裂隙岩体渗流公式,包括流量与隙宽指数n之间关系、渗透（导水）系数与正应力之间关系以及渗透特性与剪应力之间关系的数学公式.重点分析了水力耦合裂隙岩体变形破坏机制的最新研究进展,介绍了声发射（AE）、超声波（UT）、偏光显微镜（PM）、扫描电子显微镜（SEM）以及计算机断层摄影（CT）等先进的辅助试验技术在变形破坏分析中的应用.归纳了数学耦合模型、数值分析方法的优缺点及适用条件.最后,指出了当前水力耦合裂隙岩体研究中存在的一些问题,提出了一些指导性意见,并从几方面展望了未来的发展趋势,即机理研究从宏细观转向微观、数值模拟从粗糙转向精细、工程应用从水力耦合转向多场耦合.     

深井巷道涌水探查方法及工程治理研究

在岩溶水治理中,岩溶裂隙的空间发育和水力连通规律是决定工程治理成败的关键因素.为了在工程治理中做到有的放矢,将物探方法应用到岩溶水治理工程可以实现以下目标:通过物探方法获取工程目标岩体的裂隙发育位置、规模和空间展布规律;并通过对钻探划定重点含水构造区域,掌握含水构造的地层信息和含导水特点;在综合物探和钻探信息的基础上,可以分析得出岩体内部裂隙空间发育规律,从而为注浆钻孔合理位置的选定和注浆浆液扩散路径提供参考.通过水力连通实验和等水位线的绘制,可以分析得到浆液扩散规律,从而为注浆治理中选用注浆材料和注浆工艺提供依据,达到减少工程投入,增加工程效益的目的.     

楔形裂隙水头分布研究

岩体是一种具有节理、裂隙等缺陷的材料体,这些缺陷是岩体渗流的主要通道。通常节理裂隙被认为是一组平行板分布,当原始地应力不变时,岩体的渗流状态保持不变。当岩体由于开挖卸荷或其它原因而导致岩体的应力状态发生变化,这时岩体的节理及裂隙等的隙宽或许将会变成楔形,从而使得岩体裂隙中的水头分布方式与平行板的线性分布不同。因此,在立方定律的基础上,推导了楔形裂隙中水头分布的公式,并与前人的研究结果进行了对比,同时探讨了其对边坡安全系数计算的影响,研究表明,所得公式更为合理。     

开挖工程对岩土体渗透特性影响分析

基于渗流场-应力场耦合理论,分析了开挖工程对岩土体渗透特性的影响,通过算例数值模拟对分析结果进行了验证,并得到了基坑、边坡和地下洞室开挖过程中渗流场中的自由面和溢出点位置和水力梯度的变化规律。结果表明:有限元模型边界条件、岩土体渗透系数、工程开挖均对渗流场分布及流态和研究区域应力分布有较大影响。     

断续节理岩体弹性断裂理论研究

针对节理裂隙断续切割且稀疏分布的工程岩体,进行了系统的弹性断裂分析理论研究.首先,基于能量等效原则,推导了裂隙岩体材料在压剪和拉剪作用下的各向异性本构方程.其次,同时计及远场应力及裂隙面上的压力和剪切力,给出了压剪作用下裂隙尖端区域的应力场和应力强度因子,并考虑材料单元的有限性对应力强度因子进行修正.最后,基于最大周向拉应力准则,推导了裂隙岩体单元的压剪断裂判据.     

高放废物贮存复杂裂隙岩体的渗流传质特性

裂隙对高放废物深地质处置工程的渗流与传质过程影响显著。基于统一管网法（UPM），考虑裂隙网络粗糙特性及吸附与衰变因素，研究裂隙岩体核素迁移机制，并针对单裂缝岩体溶质运移解析解进行基准测试。基于粗糙裂隙网络水力隙宽等效方法，研究裂隙粗糙度分布、岩石基质吸附能力及裂隙岩体传质特性对核素迁移过程的影响。结果表明，核素运移的突破曲线随着裂隙粗糙度的增大而向长时间方向移动；岩石基质扩散系数和延迟因子的增大极大提高了其对核素迁移的延迟效应；具有较长半衰期的核素易在岩体中积聚成相对较高的浓度，而较低的水力梯度值对相对浓度场分布特性的影响更为显著。     

水力耦合作用下岩体3维裂隙的起裂扩展模式研究

岩体裂隙在高地应力、强渗透压作用下极易发生扩展、贯通,导致岩体破裂失稳。为研究水力耦合作用下3维裂隙的起裂扩展模式,采用3维断裂分析软件FRANC3D建立水力耦合数值模型,进行数值模拟研究,并开展相应的含裂隙透明树脂类岩石材料室内破裂试验。通过对比模拟与试验结果,分析了不同断裂准则的适用性,验证了数值模型的可靠性。基于数值模拟调查了不同加载条件下裂隙前缘断裂参数的分布特征,获得了水压、侧压等关键因素对裂隙起裂角及扩展长度的影响规律。结果表明：采用优化的能量释放率准则模拟的3维裂隙空间起裂扩展模式与试验现象具有良好的一致性;裂隙长轴端点处的翼裂纹为Ⅰ-Ⅱ（张拉－滑移）型复合裂纹,短轴端点处的平面扩展为Ⅰ-Ⅲ（张拉－撕裂）型复合裂纹,除长、短轴端点外的其余位置发生Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合断裂;水压的存在显著改变了裂隙前缘的应力分布状态,水压增大可提高拉应力水平,明显促进张拉断裂的发生,使裂隙倾向于沿原裂隙面方向起裂,并导致裂隙前缘各处扩展速率趋于均衡;侧向压应力增大可显著促进张拉断裂,抑制滑移与撕裂断裂,并使裂隙前缘能量释放率呈降低趋势,从而抑制裂隙扩展,而侧向拉应力起相反作用,由此认为岩体在双向受压状态比拉压受力状态更为安全;侧向压应力与水压共同导致翼裂纹偏转角度明显减小,改变了3维裂隙的空间起裂扩展模式及岩体的宏观破裂形态。     

裂隙岩体渗流场与应力场耦合数学模型的研究

首先研究裂隙岩体中应力场改变对地下水渗流场的影响作用机理,推导出渗透系数k和给水度μ受应力影响的表达式,进而分析渗流场的变化,地下水的作用引起应力场环境变迁,导致裂隙岩体的渗透变形,在此基础上建立了裂隙岩体中应力场与渗流场耦合作用研究工作程式和具"点荷载"特征的等效连续介质耦合数学模型,并应用于一隧道工程实例进行了计算.     

基于微震监测的采空区覆岩高位裂隙体识别方法

为了研究覆岩采动裂隙分布状态及瓦斯运移规律,合理地确定出瓦斯富集区并优化瓦斯抽采钻场布置方案.借助于高精度的微震监测系统,结合淮南矿区工业性试验,对覆岩采动裂隙发育实时动态的分布状态进行了研究.结果表明:工作面采动效应引起了采场背景应力场的变化,高应力区的出现促使煤岩体萌生了微裂隙,而微裂隙的扩展和逐渐贯通又成了瓦斯解析、运移及连通的通道;覆岩产生大量的微裂隙,采空区中部的离层裂隙会被覆岩的移动所压实,而在采空区周围则形成了一个不规则闭合"圆柱形横卧体"裂隙区,其边界为:高约25~40m;宽约30~50m;左边界为采动影响边界线,与煤层底板夹角约为105°,右边界以45°左右偏向采空区发展,此裂隙区覆岩的透气性成倍增加,为瓦斯的运移提供了通道和聚积的空间.     

单裂隙分布形态对巷道围岩变形破裂的影响

针对现有研究无法有效评价裂隙分布特征对围岩变形破裂影响程度的问题,以一个软岩巷道工程为背景,考虑裂隙的5种形态分布特征:距巷道的中心距离、方位角、倾角、长度和宽度,并在此基础上进行PFC~(3D)正交数值模拟试验设计。结果表明:当裂隙穿过巷道时,斜向裂隙更容易导致巷道周边岩体发生大变形或局部垮塌,其危险程度要大于水平裂隙,更大于竖向裂隙;当裂隙未穿过巷道时,如裂隙附近岩体处于相对容易破裂的位置,则巷道岩体就会在裂隙距巷道表面最近的位置产生一条新的连通至巷道表面的破裂通道;裂隙方位角和裂隙宽度是影响巷道表面围岩收敛变形的最主要因素,而裂隙方位角和裂隙长度则对巷道横断面围岩的破裂扩展起着决定性作用。     

雾化雨作用下的裂隙岩体边坡渗流分析

针对裂隙密度较大的岩体,利用等效连续介质理论,建立了裂隙岩体在雾化雨入渗下的饱和－非饱和渗流数学模型。根据雾化雨模型试验,选定雾化雨的强度。结合自然降雨,对裂隙岩体岸坡进行了雾化雨入渗的数值分析。分析结果显示,相对与薄雾区和自然降雨区,暴雨区的孔隙水压力升高较快,易形成对边坡稳定不利的暂态饱和区。因此,暴雨区的坡面防护和坡内排水应给予重视。     

粗糙单裂隙高速非达西渗流特性的试验研究

针对裂隙岩体渗流破坏灾害问题。研制符合不同节理粗糙度的拟岩体粗糙单裂隙试件,开展了可变裂隙开度、高水力梯度粗糙单裂隙非达西渗流室内物理试验。研究表明,高渗流速度情况下,渗流水力梯度与渗流流速之间呈现非线性关系;Forchheimer方程能良好拟合高流速条件下粗糙裂隙渗流情况;提出非达西影响系数的半经验关系式,为工程实践中突涌水量预测提供重要参考。     

岩石裂隙压剪变形破坏与非线性渗流特性

探索岩体中流体的流动机理对解决隧道开挖和地下工程施工过程中的突涌水问题具有重要意义,定量描述岩石单裂隙受压剪共同作用下的渗流特性是理解裂隙渗流机理的基础,但已有研究尚未建立应力、位移、开度、惯性系数等关键控制参数之间的定量关系。本研究制作了含单裂隙的花岗岩试样,采用固定剪切位移后逐渐增加法向应力的方式开展变水头渗流试验,得到裂隙渗透率的演化规律;通过高精度三维轮廓仪获取裂隙表面的形貌数据,基于自主开发的基于接触力学变分原理框架的裂隙受压变形计算程序,表征不同剪切错位和不同应力条件下裂隙面的变形特性和内部空腔结构演化规律;提取裂隙开度分布数据,在COMSOL软件中求解Navier-Stocks方程,实施了不同剪切位移和受压状态下的裂隙非线性渗流数值模拟。定量分析剪切位移、法向应力、空腔几何特征与非线性渗流控制参数之间的关系,结果表明：试验得到的裂隙表面破坏区域与数值模拟结果基本吻合,验证了裂隙变形计算程序的可靠性;法向应力、剪切位移分别与力学开度呈幂函数递减和指数函数递增的关系,且剪切位移增加的会导致裂隙内的接触面更集中;Forchheimer方程中的惯性系数B和临界水力梯度Jc可以定量刻画裂隙的非线性渗流特性,B和Jc与剪切位移之间呈幂函数递减关系,且随着剪切位移的增大,Jc和B的增加速率和波动范围逐渐降低;当剪切位移从2 mm增加到8 mm时,Jc的波动范围从6.10×10-3减少到1.20×10-3,降低了80.32%;B的波动范围从2.97×1014 Pa·s2·m-7减少到2.43×1013 Pa·s2·m-7,降低了91.28%;裂隙开度的相对标准偏差RSD与惯性系数B和临界水力梯度Jc之间均存在相似的幂函数关系,据此建立了计算渗流从线性转换为非线性的临界点的预测公式。     

隧道开挖过程中复杂裂隙围岩的固流耦合分析

隧道通过裂隙岩体的含水区段时,人为扰动了裂隙岩体、地下水等构成的复杂地质系统,是造成各种涌水、突水、突泥事故的重要原因。为了研究复杂地质条件下隧道开挖过程中岩体变形、流体运移相互作用过程,探讨其对隧道涌、突水的影响,在上述复杂过程进行理论分析的基础上,根据深埋隧道围岩裂隙发育规模与工程尺度的关系,建立可以同时考虑不同级别裂隙网络的复杂裂隙岩体水力学模型,采用有限元法对复杂裂隙岩体中开挖隧道的固流耦合过程进行了数值模拟,模拟结果体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用和网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应,开挖过程中复杂裂隙岩体渗流场与应力场的耦合作用显著的增加了隧道围岩屈服区。     

裂缝水窜形成的剩余油研究

裂缝水窜在注水开发的火山岩、变质岩类块状裂缝型油藏中相当普遍,位于裂缝发育带附近的高产井,常常就是裂缝水窜最严重的井.裂缝性油田一个显著特点就是少数几口高产井控制着全油田多数的储量和产量,开发效果好坏决定全油田的开发成败.以克拉玛依及内蒙古注水开发的火山岩油田为例,研究发现,国内多个火山岩油田,存在相当数量快速水淹的高产井,当这些高产井水窜水淹以后,只要采取及时的停注强排措施,油井产能大部分就可顺利恢复.分析出现这种生产动态的原因,在于裂缝水窜水流形成连续相以后,运动粘度较低的水流形成"水锁"封闭流道中的可动油.据此提出了裂缝与大孔洞水窜机理以及水窜后的剩余油分布模式.     

土壤水非均匀流动网络特性实验

土壤中的优先流是指土壤在整个入流边界上接受补给,但水分和溶质绕过土壤基质,只通过少部分土壤体的快速运移.优先流的产生是由于土壤中往往存在大量的根孔、虫孔等大孔隙以及裂隙等.搞清优先流对土壤水分运动的影响,对于深入认识入渗补给过程、准确评价地下水补给资源以及地下水污染分析具有重要意义.本研究采用大分子染色材料(Brilliant Blue FCF)及根据碘与淀粉反应显现出蓝色的原理,设计实施了土壤中非均匀水流运动的室外染显色示踪实验,研究了土壤水非均匀流动模式,验证了优先流的水流通道网络特征.     

裂隙岩体水力劈裂的颗粒离散元数值模拟

利用颗粒离散元软件PFC2D从细观角度初步模拟裂隙岩体水力劈裂的发展过程,并分析影响水力劈裂的部分因素。研究结果表明,以初始裂缝尖端处的接触黏结破坏作为水力劈裂发生的标志,可以较真实地模拟裂隙岩体水力劈裂时裂缝的产生和扩展过程。数值模拟结果表明,初始裂缝的相对长度、岩体的渗透性以及水压力的加载速率等因素均对水力劈裂的起裂压力有较大影响。起裂压力随着岩体初始裂缝长度的增加、水压加载速率的加快而降低,随着岩体渗透性的增加而有较明显提高。这些规律与现有的理论和研究结果是一致的,从而验证了采用颗粒离散元模拟裂隙岩体水力劈裂的可行性。     

Effect of fissure water on mechanical characteristics of rock mass

In view of the effect of fissure water in fractured rock mass on the strength of rock mass in engineering projects,we prepared specimens of cement mortar to simulate saturated rock mass with continuous fractures of different slope angles.By exerting static and dynamic loads on the specimens,the mechanical characteristics of rock mass with fissure water under these loads can be analyzed.Our experimental results indicate that the static compressive strength of saturated fractured rock mass is related to the slope angle.The lowest compressive strength of fractured rock mass occurs when the slope angle is 45°,while the highest strength occurs when the specimen has no fractures.Fissure water can weaken the strength of rock mass.The softening coefficient does not vary with the slope angle and type of load.The hydrodynamic pressure of fractured rock mass gradually increases with an increase in dynamic load.For a 0° slope angle,the hydrodynamic pressure reaches its highest level.When the slope angle is 90°,the hydrodynamic pressure is the lowest.     

贵州下坝水库取水兼放空隧洞优化设计

针对下坝水库地形地貌、地质条件较复杂,受裂隙切割岩体较破碎,岩体强风化带完整性较差,易形成滑坡、崩塌、偏压、泥石流等问题,经现场踏勘,结合《水工隧洞建筑物设计规范》(SL386-2007),(SL279-2002)等,综合考虑工程占地、施工难度及工程投资等因素,优选"利用导流隧洞改为有压取水/放空隧洞"的一洞三用取放水方案。经水力计算、隧洞衬砌计算、应力稳定性复核等论证分析,隧洞建筑物结构、过流能力、衬砌裂缝宽度和稳定性等均满足规范要求,优化设计方案具有较高的技术可行性和经济合理性。