裂隙岩体饱和-非饱和渗流研究进展

本文从裂隙岩体非饱和渗流特性及参数、裂隙岩体浸润面的确定方法、渗流数学模型、工程应用研究等方面对高坝工程裂隙岩体渗流研究现状进行了系统的分析总结。当前,主要沿用多孔介质渗流的方法研究裂隙渗流,所建立的裂隙岩体非饱和渗流水力参数关系还不能真实反映裂隙渗流的特性;连续介质-非连续介质渗流模型能够较好反映裂隙岩体的空隙结构和渗流特性,要继续研究相应的数值计算方法;库水位升降变化及降雨影响下库岸边坡岩体渗流是饱和-非饱和非稳定渗流,应将饱和区与非饱和区统一起来分析。     

西秦岭泽库毛海-夏德日花岗岩年代学、地球化学及构造环境分析

研究区位于同德-泽库弧后盆地,岩浆活动以印支期中酸性岩浆岩为主。本研究利用LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测年方法获得毛海-夏德日花岗岩体年龄(236.39±0.96) Ma。该岩体具有富碱、富钾的特征,为高钾钙碱性系列;富集大离子亲石元素和轻稀土元素。综合前人研究成果,认为岩体属于Ⅰ型花岗岩,继承了早期岛弧火山岩的部分特征,与阿尼玛卿-勉略残余海盆在晚古生代末期向北俯冲消减有关。     

滨南-利津构造带砂砾岩体沉积模式及期次划分

东营凹陷滨南-利津构造带砂砾岩体沉积模式划分为滨南退积模式和郑南-利津进积-退积叠覆模式,并对砂砾岩体进行了期次划分。通过单井相分析,识别层序界面;单井期次划分,落实单井的沉积旋回;连井期次对比,建立骨架剖面;精细构造解释,明确平面展布。通过该项研究对指导砂砾岩体有效储层预测等具有重要意义     

不连续面对饱和-非饱和介质热-水-应力耦合影响的二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程入手，利用Galerkin方法，对于岩体和不连续面分别采用等参数单元和具有相同厚度的四节点节理单元，将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散，建立了用于分析存在不连续面的饱和-非饱和介质中的热-水-应力耦合弹塑性问题的有限元模型，并开发了相应的计算程序。通过假定的有、无节理的核废料地下处置算例，表现了由于存在渗透系数很大的不连续面，推迟了缓冲材料达到饱和的时间，并对岩体中的位移场、应力场和渗流场产生很大的影响。     

煤-岩-锚组合锚固体单轴压缩试验及锚杆力学机制

薄煤层开采条件下巷道复合围岩(煤层和岩层)的稳定与控制是煤矿资源开采的突出问题,深入研究支护结构与煤岩体形成煤-岩-锚组合锚固体的破坏机制具有重要意义。通过对水平方向加锚和未加锚倾斜煤岩组合体(角度设置为15°,30°和45°)试件进行一系列单轴压缩试验,结果表明:无锚试件的应力-应变曲线在峰后阶段有较多微小的多峰起伏波动,出现了应力阶梯式下降;小角度(0°,15°)煤岩组合体破坏时煤体对煤-岩结构面作用的应力较均匀,破坏裂纹主要分布在煤体中,2种角度试件强度差异较小;组合角度增大(15°),煤体发生拉剪破裂时,对煤-岩结构面形成了局部应力集中,煤体和岩体同时产生拉剪复合破坏,此时煤岩体强度由煤体、岩体以及锚杆共同作用;从环向应变规律来看,煤体与岩体环向应变累积值随组合倾角增加而增大,加锚试件应变累计值小于无锚试件,此外,煤体与岩体二者之间破坏累积发生了滞后效应,煤体提前于岩体50 s进入破坏。最后,对煤-岩-锚组合体力学机制进行探讨,分析锚杆与煤岩体结构面锚固角对煤岩系统强度的变化规律的影响,试验结果与理论预测模型结果比较符合。     

核废料地质贮存介质黏土岩的三维各向异性热-水-力耦合数值模拟

为了解黏土岩在放射性废料长期贮存中的热-水-力耦合过程,结合MontTerri核废料贮存地下岩石试验工程中黏土岩各种物理量的各向异性特点,应用多孔介质力学耦合理论研究了该黏土岩在加热和冷却全过程中由于热荷载引起的耦合效应场。研究过程考虑温度升高引起的孔隙水黏滞性改变对渗透系数的影响。研究结果表明,岩体力学参数、水力学参数和热传导参数的各向异性特性是影响岩体的温度场、孔隙压力场和应力场分布的最主要因素。各向异性耦合模型与各向同性耦合模型的数值模拟对比研究结果表明：各向异性模型数值结果能更加客观地反映该地下岩石试验工程中黏土岩在受热状态下的热-水-力耦合效应;同时,也表明岩体在加热过程中一直处于受压状态,而在冷却过程中局部会出现拉应力,从而有可能导致拉裂缝的产生。     

边坡分级的传递闭包-模糊c均值聚类算法

采用了基于模糊等价关系的传递闭包法对边坡岩体进行了初步分类,利用F统计量确定了最佳阀值和最优分级档数,给出了初始划分矩阵,利用模糊c均值算法进一步优化了分类效果,得到最佳分级档数下边坡岩体的分类及边坡属于各级别的程度,为边坡设计者提供较全面的边坡岩体分级信息,是一种值得推广运用的边坡岩体分级方法。     

三维复杂裂隙岩体渗流传热耦合的数值研究

将复杂裂隙岩体视为由离散裂隙网络和岩石基质两部分组成,采用四面体单元离散岩石基质,无厚度三角形单元离散复杂三维离散裂隙网络,考虑温度对流体密度和动力粘度的影响,建立了描述三维裂隙网络的裂隙岩体渗流-传热耦合模型。通过与二维单裂隙渗流-传热耦合问题的解析解对比,验证了该模型的可靠性。随后,利用该模型对复杂三维随机裂隙岩体的渗流-传热耦合过程进行了研究,研究发现:裂隙网络是主要的导水通道,在贯通裂隙簇中出现了明显的优势流,大量的流体在流经基岩的途中与会周围的高温岩体进行热量交换,导致在裂隙网络贯通区域的岩体首先温度下降,形成一条低温带,然后由于岩体的热传导作用,低温带再向四周进行扩散。     

裂隙岩体的热-水-应力耦合模型及二维有限元分析

尝试将Barton-Bandis模型和Oda的裂隙张量理论结合起来应用于饱和-非饱和裂隙岩体中热-水-应力耦合过程的计算分析,研制了相应的二维有限元程序,并列举算例比较了无、有多组裂隙岩体中的应力场、渗流场和温度场的分布及变化情况。由此看到:由于不连续面的存在减弱了母岩的刚度和增大了其透水能力,使得裂隙岩体中的应力集中程度降低和渗流速度提高,从而热源产生的热量可较快地被水流传输到周围区域中去,岩体中的温度和负孔隙水压力量值也相对较低。     

坡面岩体-基质-根系互作的力学特性

通过试验对岩石边坡植被护坡工程坡面岩体-基质-根系互作的力学特性进行了初步探讨，研究了基质-根系复合体自身的抗剪、抗拉及其与岩体间的抗剪特性；探明了抗剪强度、抗拉强度与复合体含根量、含水量等因子间的关系及时间尺度效应。研究结果表明：基质-根系复合体与岩体间的抗剪力主要由摩擦力及生物作用力组成，抗剪强度随含水量的增加而减小，随含根量增加而增大，均表现出对数函数关系，含水量对摩擦力及生物作用力均产生影响，含根量主要影响生物力部分；由于植物根系的存在，复合体具有了抗拉特性，其抗拉强度随含根量增加而增大，随含水量的增加而降低，并与两者间存在较显著的函数关系；复合体抗剪强度τ与正压力σ的关系符合库仑定律，但c，φ值与一般土的抗剪强度指标的物理意义不同，还包含了根系的作用效果，在复合体含水量与正压力相同情况下，抗剪强度与含根量呈指数函数关系，根系总量增加，c，φ值均呈增加趋势，显著提高了复合体抗剪强度，在复合体的含根量与正压力相同的情况下，抗剪强度与含水量呈幂函数关系，含水量的增加使c，φ值减小，复合体抗剪强度降低；坡面岩体-基质-根系互作的力学特性具有明显的时间尺度效应，草种为狗芽根时，播种后5个月基本达到稳定。     

Potential hazards to a tunnel caused by adjacent reservoir impoundment

A reservoir impoundment located near a tunnel structure negatively affects groundwater seepage to varying degrees. This can result in water inflow, structural collapse, and other engineering hazards during tunnel excavation. In addition, in cold regions, reservoir impoundment and water seepage can exacerbate frost heave damage during tunnel operations. This paper describes a comprehensive case study on the quantitative evaluation of the seepage effects of the proposed Longsheng Reservoir on the adjacent proposed Kouzi village tunnel (located in Ulanchap, Inner Mongolia, North China). An engineering geology survey was conducted to identify the topography and geological features in the tunnel and reservoir area. A geohydrological survey was conducted to identify groundwater runoff patterns and to assess the possible seepage paths. Pumping and injection tests were conducted to characterize the in-situ permeability of the strata. Based on the detailed field information, the seepage field and stress field of the study area were investigated using COMSOL Multiphysics and ABAQUS software. From these numerical simulations, the evolution of the water inflow and the stress/strain field in the shallow buried section of the tunnel could be predicted quantitatively at different construction and operation stages. This study showed that the seepage influence of the Longsheng Reservoir on the Kouzi village tunnel during the excavation and operational stages will be relatively weak. However, structural collapse of the tunnel and water inflow are likely to occur beneath the two gullies. Mitigation measures such as impervious walls and inverted arch structural elements were proposed to address these potential hazards.

     

Numerical analysis of THM coupling of a deeply buried roadway passing through composite strata and dense faults in a coal mine

Because of the reduction in shallow-buried coal resources, increasingly coal mines in China extend to deep resources. The coupling of thermal-hydro–mechanical (THM) fields is much more complicated in deep strata, especially when the roadway passes through composite strata and dense faults. High ground pressures, high ground temperature and high seepage pressure are most important features of deep strata. In order to investigate the THM coupling mechanism of deeply buried roadways, this article presents the geological features of deep strata and analyzes the interactions among thermal, hydraulic and mechanical fields considering the water-weakening effect of the surrounding rock. Finally, the THM coupling process of a deeply buried roadway passing through composite strata and dense faults is simulated. The deformation characteristics and distribution of the stress field are described in the results.     

地下水与地质灾害

由地下水与岩土体相互作用引起的地质灾害日益受到人们的关注。通常·地下水与岩土体相互作用有三种．即物理作用（包括润滑作用、软化和泥化作用、结合水的强化作用）、化学作用（包括离子交换、溶解作用、水化作用、水解作用、溶蚀作用、氧化还原作用）以及刀学作用（包括静水压力和动水压力作用）。地下水与岩土体相互作用的结果影响着岩土作的变形性和强度．而岩土作中应力的变化（自然力和人类工程力）导致地下水的补给、径流和排泄条件的改变．最终访发地质灾害的发生。本文分析了地下水岩土体相互作用引起的水库诱发地震、滑坡、岩溶塌陷、地面沉降、矿山及隧洞突水等的地质灾害的力学机制，运用岩体水力学理论分析了地震孕震规律及进行地震预报与控制的可能性。     

深埋长大泰宁隧道快速施工关键技术研究

泰宁隧道属特长、大断面、深埋、高地应力隧道,施工过程中面临诸多技术挑战。通过采取“择机封堵、超前帷幕注浆、径向灌浆、模袋和索囊封堵灌浆”等技术,有效封堵了高压大流量地下水;通过采用长短距离相结合的综合地质超前预报方法,提高了不良地质体和地下水的预报精度;通过采取“超前应力解除、控制爆破、水胀式锚杆、挂网、钢筋拱肋、喷超细沸石粉添加剂混凝土为主”的岩爆预防体系,有效防治了岩爆灾害;通过采用斜井送排式纵向分段通风,解决了隧道施工、运营通风技术难题。可为类似工程提供参考和借鉴。     

隧道裂隙岩体温度-渗流耦合数学模型研究

随着越来越多特长深埋隧道工程的修建,围岩体所赋存复杂地质环境（ 渗流场、温度场与应力场等） 之间的相互影响作用已不容忽视。通过隧道裂隙围岩体渗透性能与热物理性能的等效连续化处理,初步建立了围岩体温度场与渗流场耦合作用数学模型,并应用于秦岭隧道工程。     

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。     

裂隙岩体地区导热-对流型温度场垂向渗透系数的计算及分布特征研究

阐述应用温度场方法研究裂隙岩体地区地下水渗流场参数的优点和存在垂向流作用下的导热–对流型温度场的地温特征。基于含水层导热–对流型温度场的地温曲线和渗流连续性方程,考虑受垂向流影响的温度场,建立地温与深度之间的函数关系,并建立不动点迭代方程,编制程序计算垂向渗透系数。针对渗透系数计算结果的统计特征分别构造满足正态分布、对数正态分布和均匀分布的3组新样本,构造减速膨胀曲线,对比分析渗透系数的概率分布特征。结果表明,同正态分布和均匀分布相比,裂隙岩体地区的垂向渗透系数更接近对数正态分布。利用温度场方法和统计学方法研究裂隙岩体地区地下水渗流场参数,如渗透系数,具有避免过多主、客观因素干扰,计算过程清晰,结果明确的特点。     

深部原位岩石力学构想与初步探索

深部资源开发的基础是研究深地科学规律,关键是探明不同赋存深度原位环境对岩石物理力学行为影响的差异性规律。适用于浅部资源开采的岩石力学实验与理论研究很难充分考虑不同深度原位赋存环境对岩石物理力学特征和工程的影响。提出"深部原位岩石力学"构想的定义和内涵,利用取自松科二井同一地质区域的10个不同深度(1 000~6 400 m)的岩芯研究了不同赋存深度下岩石力学行为的差异性变化特征,并提出了原位应力恢复重构方法近似模拟了不同深度原位应力对岩石力学参数的影响规律。不同深度岩石的单轴压缩实验表明岩石力学参数随深度呈现明显的非线性变化,不能假设为常数。考虑不同深度地应力影响的常规三轴实验表明赋存地应力使得不同深度岩石的力学参数差异性增大,且力学参数随深度的非线性变化规律与单轴压缩条件下显著不同。模拟不同深度原位应力影响的原位应力恢复重构实验结果显示在不同赋存深度原位应力影响下岩石力学参数均随深度增加呈现更加显著的非线性变化;模拟不同深度原位应力影响的应力恢复重构实验的岩石弹性模量和峰值强度均比考虑不同深度地应力影响的常规三轴实验结果大且与深度之间的关系为对数函数,峰后应变软化变形特征更加凸显;特别是深度超过4 800 m后,不同赋存深度原位应力影响下岩石泊松比、应变硬化模量、峰后跌落模量的差异性特征更加明显。该研究将为探索深地科学规律、提升深部资源获取能力提供支撑。     

裂隙岩体渗流场与应力场耦合研究进展与展望

在分析岩体多介质渗透特性的基础上，提出了岩体多介质渗透类型，综述了裂隙岩体渗流场与应力场耦合模型的研究进展，并提出耦合模型进一步研究的方向。     

大坝建基岩体抗剪强度取值

  岩体抗剪强度是大坝设计最基本的参数，一般通过室内及现场试验取得的c， f值再经地质折减获取。研究表明，由于地质折减要考虑的因素很多且关系复杂，设计采用值的取得是一件相当艰难的事。除了岩性与岩体结构以外，岩体的围压条件也是影响取值的因素之一。