盐岩裂隙渗流-溶解耦合模型及试验研究

根据盐岩溶解机制，对盐岩裂隙的溶解过程进行合理简化和假设；在此基础上，考虑盐岩裂隙溶解和渗透性变化的耦合条件，建立盐岩裂隙渗流溶解耦合模型。利用自行设计研制的盐岩裂隙渗流-溶解耦合试验装置对特定条件下的盐岩裂隙渗流-溶解耦合过程进行试验研究，并应用盐岩裂隙渗流-溶解耦合模型进行模拟分析与验证，计算结果与试验结果非常吻合，表明所建立的盐岩裂隙渗流-溶解耦合模型可以很好地描述盐岩裂隙的渗流-溶解耦合机制。该研究成果为进一步研究盐岩的应力-渗流溶解耦合机制奠定重要的理论和试验基础。     

变形与渗流相互影响的岩石力学问题

在煤炭开采过程中,有不少岩石变形与岩石内渗流流动相互影响、相互作用的岩石力学问题。如矿井中瓦斯突出和底鼓突水,就是在开采过程中煤(岩)变形引起煤(岩)渗透性能的改变,使煤(岩)体内流体在连通的空隙(包括孔隙、裂隙和孔洞等)中流     

动态

下期内容预告下期《岩石力学与工程学报》主要发表下列内容的文章:(1)20世纪以来中国的大型滑坡及其发生机制;(2)简化Bishop法严格性的论证;(3)隔河岩水电站厂房后边坡与拱坝的相互作用研究;(4)盐岩非线性蠕变损伤模型及其工程应用;(5)软岩渗透性与应变及层理关系的试验研究;(6)重大水利工程下矿产开采对其安全影响评价及加固措施研究;(7)核废料地质贮存介质--黏土岩三维各向异性热-水-力耦合数值研究;(8)风化花岗岩地层旋转钻进中的能量分析;(9)短文(研究进展与工程实录)。     

颗粒材料的离散颗粒及间隙水渗流模型与数值模拟

基于离散颗粒模型的含间隙水颗粒材料液-固耦合分析，发展了Darcy渗流模型。应用特征线SPH方法求解液相，建立饱和与非饱和颗粒材料渗流模型的数值模型。数值例题给出饱和颗粒材料结构物在位移加载条件下的破坏模式及间隙水Darcy速度与水压力分布，并进一步模拟降雨条件下非饱和颗粒材料结构物的瞬态渗流过程，显示该模型模拟含间隙水颗粒材料结构物液-固耦合及变形的良好性能。     

粘土岩饱和-非饱和渗流应力耦合模型及数值模拟研究

岩体中饱和-非饱和渗流、应力耦合行为对工程岩体的强度和稳定性有十分重要的影响。基于粘土岩实验室非饱和渗流试验的结果，将考虑塑性应变硬化的非饱和渗流、应力耦合模型、Hoek—Brown非饱和渗流、应力耦合模型应用于模拟某粘土岩竖井，研究其在开挖、通风、衬砌支护及长期运营期围岩内渗流从初始饱和→非饱和→近饱和的过程，以及竖井的非饱和流动区域大小对水力学参数（Biot固结系数、饱和度与毛细孔隙压力、水相的相对渗透系数与饱和度）的敏感性。结果表明：水力学参数对非饱和渗流的影响区域非常显著，尤其是水相的相对渗透系数与饱和度的关系。力学模型的差异对非饱和区的影响几乎可以忽略不计。     

基于PINNs算法的地下水渗流模型求解及参数反演

地下水渗流模型的渗流流速计算（正向求解）和渗流参数反演（反向求解）工程意义重要，但目前能同时解决两类问题的算法较少。针对该问题，引入了物理信息神经网络（PINNs）算法，并加入硬约束进行改进，在正向求解方面，分别建立了渗流方程与达西定律耦合的水头、流速同时求解方法（PINNs-H-I），以及先计算水头再通过自动微分求解流速的计算方法（PINNs-H-II）。对于反向求解，分别采用单（多）物理场神经网络模型的PINNs算法反演均质（非均质）渗流参数。通过算例分析表明，相比软约束PINNs算法，通过施加硬约束可同时改善正向求解和反向求解的性能，另外在正向渗流速度计算中PINNs-H-II方法具有更高的计算精度，同时单（多）物理场神经网络模型PINNs算法反演的均质（非均质）渗流参数与实际值符合较好。     

寒区岩体低温、冻融损伤力学特性及多场耦合研究

博士学位论文摘要：我国是寒区面积分布最多的国家之一，随着寒区建设工程的日益增多，出现了大量的冻岩问题，而至今人们对冻岩问题的研究还非常不足。围绕冻岩问题，本文以实验研究为基础，采用理论分析和数值计算相结合的方法，系统地研究了岩石在低温、冻融循环条件下的力学特性，并根据实验结果建立岩石的宏观冻融损伤本构关系， 最终以寒区实际大型岩体工程——青藏铁路昆仑山隧道为背景，建立相应的温度-渗流、温度-渗流-应力多场耦合数学模型，采用有限元方法，进行寒区冻岩工程实例计算分析。本文的主要研究工作与成果如下： （1）首先，从工程现场取2种典型岩石，进行不同冻结温度和不同含水状态（完全饱和与干燥）下的单轴压缩和三轴压缩实验；然后，分析2种岩石在不同温度下的单轴压缩和三轴压缩实验的变形破坏规律，应力-应变关系以及不同含水条件下单轴抗压强度、弹性模量，三轴抗压强度随温度的变化关系，并给出了相应的拟合关系表达式；最后，进行2种岩石在不同低温以及饱和与干燥2种状态下的超声波波速测试和热参数测试，并给出了波速、导热系数与温度的关系。 （2）对红砂岩和页岩进行开放饱水状态下冻融循环实验，分析了2种岩石的冻融损伤劣化及冻融破坏行为，提出红砂岩和页岩分别代表的2种冻融损伤劣化模式：片落模式和裂纹模式；并对经历不同冻融次数后的岩样进行单轴压缩实验，记录岩石冻融循环后变形与强度的变化规律，分析这2种岩石的冻融耐久性，并对实验结果进行数据拟合，得出2种岩石在饱水状态下的单轴抗压强度、弹性模量与冻融次数的拟合关系表达式。 （3）以岩石冻融循环后的单轴压缩实验结果为依据，从宏观损伤力学理论出发，将岩石的损伤分为2个阶段：第1阶段为冻融引起的损伤，第2阶段为冻融和单轴压缩引起的总损伤，从而建立2个阶段的损伤演化方程，推导岩石受冻融循环次数影响的单轴损伤本构关系，根据建立的本构模型得出岩石冻融损伤后的单轴应力-应变关系曲线，并与实验曲线进行对比。计算结果表明，所建立的模型可靠，为三场耦合分析提供了很好的损伤本构模型。 （4）根据孔隙介质的对流换热理论，建立低温岩体对流传热温度与渗流耦合的数学模型，并运用多场耦合有限元计算程序，计算2个工程实例：其一是针对寒区输气管道围岩的冻结问题，验证所建立的数学模型的可靠性；其二是结合青藏铁路昆仑山隧道建设的工程实际，考虑气候变暖和有无保温层、防水层条件下，计算30a围岩温度场与渗流场的分布变化规律，指出气候变暖、保温层的铺设和渗流对寒区隧道围岩的长期稳定性均有较大影响。 （5）针对受低温及冻融循环影响的寒区岩体工程实际情况，引入所建立的岩石冻融损伤力学模型，将岩体的弹性常数视为随冻融次数及温度变化的函数，以混合物理论、连续介质力学、不可逆过程热力学理论为基础，建立冻融裂隙岩体温度-渗流-应力完全耦合的控制方程。运用有限元方法，以昆仑山隧道进口160m的DK976＋410断面围岩-衬砌系统为对象，进行开放系统条件下隧道温度、渗流、应力耦合问题的二维数值模拟计算，分析围岩-衬砌系统在施工完毕及运行30a后的温度、应力及位移的变化规律，并对现有的青藏铁路昆仑山隧道设计方法进行了安全评估。     

高放废物工程屏障的热-水-力耦合作用分析

采用多相多类方法，提出热-水-力耦合作用分析的综合模型，分析考虑多孔介质的三相（固，液，气）和三类（矿物，水分，空气）模型，该模型是根据控制方程，本构关系和平衡条件来建立的，并提出用于模拟高放废物地下处置体系和附近场地性状的热-水-力耦合分析通过程序。热-水-力耦合分析可将工程屏障中不同过程间发生的主要相互作用，以及附近岩石的散热和水化现象都考虑进去，通过试验结果的验证，得出一些关于热-水-力方面的重要结论。     

拱坝和坝肩岩体的力学和 渗流的耦合分析实例

以建筑在复杂岩基上的龙羊峡水电站重力拱坝和坝肩岩体的力学、渗流及其耦合分析为例，说明采用本文提出的导水断层和主干裂隙的离散介质和多组节理岩体的等效连续介质的混合模型求解复杂岩基的裂隙渗流场，采用等效连续介质模型和特殊的断层及软弱夹层的有限元相结合的方法求解复杂岩基的力学场，依据断层和多组节理岩体的等效渗透系数与复杂应变的耦合关系分析力学—渗流的耦合作用的模型、计算方法和程序是合理实用的     

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。     

海原盆地地下水化学同位素特征初步分析

本文初步分析了宁夏海原盆地地下水化学、同位素特征,认为:地下水化学分布存在着一定的分带性,符合干旱区盆地的水质演化规律。水-岩相互作用从补给区的以溶滤-混合作用为主逐渐演变成排泄区的以溶滤-蒸发作用为主。     

Modeling of geochemical processes related to uranium mobilization in the groundwater of a uranium mine

This paper describes the processes leading to uranium distribution in the groundwater of five boreholes near a restored uranium mine (dug in granite), and the environmental impact of restoration work in the discharge area. The groundwater uranium content varied from <1 microg/L in reduced water far from the area of influence of the uranium ore-containing dyke, to 104 microg/L in a borehole hydraulically connected to the mine. These values, however, fail to reflect a chemical equilibrium between the water and the pure mineral phases. A model for the mobilization of uranium in this groundwater is therefore proposed. This involves the percolation of oxidized waters through the fractured granite, leading to the oxidation of pyrite and arsenopyrite and the precipitation of iron oxyhydroxides. This in turn leads to the dissolution of the primary pitchblende and, subsequently, the release of U(VI) species to the groundwater. These U(VI) species are retained by iron hydroxides. Secondary uranium species are eventually formed as reducing conditions are re-established due to water-rock interactions.     

粉砂质泥岩的强度衰减与环境效应试验研究

在不同质量百分比(1%,5%及10%)的2种酸(H2SO4,HNO3)溶液和1种碱(NaOH)溶液、1种有机质(腐植酸钠)溶液、1种无机盐(KCl)溶液和自来水中,对粉砂质泥岩的水–岩作用进行静态长时(120d)加速浸泡试验模拟,并测定其单轴抗压强度、微观结构、氧化物成分,研究岩样单轴抗压强度随时间对酸、碱、有机质和盐的敏感性和衰减机制。研究结果表明,在静水环境下,岩样强度衰减、腐蚀速率与H 浓度、酸根离子、无机盐浓度及浸泡时间成非线性关系,岩样的强度变化正比于岩样的质量变化;认为在水–岩作用过程中,溶解与沉淀、氧化与还原作用同时发生,共同影响岩样强度的衰减规律;水–岩作用的不同时期,导致岩样强度衰减的主要因素是不同的;在化学风化作用下,岩样的强度与铁离子、钙离子等二价离子的变化密切相关。     

一维稳态流非饱和土渗透系数垂直分布模型及其线性简化

渗透系数是控制地下水流动的重要参数,对渗透系数的空间分布规律进行研究具有重要的意义。基于Gardner模型获取了一维稳态流非饱和土渗透系数沿垂直分布模型,该模型用指数函数描述,受饱和渗透系数和无量纲的深度与流动率等因素的控制;该模型表明一维稳态流条件下均质典型土类的渗透系数其沿垂直方向变化趋势主要受比流量与饱和渗流系数的负数值二者之间的相对大小影响。分别采用泰勒级数方法和以地下水位处及地表处的渗透系数作为控制条件方法对一维稳态流非饱和土渗透系数沿垂直分布模型进行线性近似简化。采用泰勒级数方法获取的简化模型其计算误差随无量纲的深度增大而增大。简化后的模型具有形式简单、参数少等特点。通过算例对比简化模型与原模型的差异,计算结果表明:采用以地下水位处及地表处的渗透系数作为控制条件的方法进行线性近似简化的模型计算误差比采用泰勒级数方法获得的线性近似简化模型的计算误差小。     

Drainage ditch–aquifer interaction with special reference to surface water salinity in the Thurne catchment,Norfolk, UK

Open drainage ditches located in low permeability material can interact with an underlying aquifer, especially if the drains almost or totally penetrate through to the aquifer. This interaction can be represented by drain coefficients incorporated in regional groundwater models. The drain coefficients depend on both the vertical distance from the base of the drain to the aquifer and the hydraulic conductivities of the low permeability deposits and the underlying aquifer. In a case study of drained marshes in the Thurne catchment in Norfolk, UK, drains with a water level below ordnance datum (OD) draw in saline water from the coast and freshwater from recharge areas. Pathlines, derived from a regional groundwater model analysis, explain the salinities measured in drains. In addition a series of vertical section numerical model solutions are used to develop general guidance on the selection of drain coefficients.     

岩石水化学损伤的机理及量化方法探讨

提出了化学损伤概念，分别运用化学成分分析理论、能量观点、考虑化学操作的破坏力学方法，分析了岩石水化学损伤机理，并探讨了其定量方法。采用水－岩反应的大模式与小模式理论，解释了自然界中岩体的剧烈变形及破坏往往发生在暴雨或人类工程活动时的原因。探讨了岩石水化学损伤定量方法的研究途径，提出并分析了岩石水化学损伤的层次分区性。重点讨论了考虑化学损伤的破坏力学方法，认为此方法可以解释并定量分析水－岩反应的力学效应。     

石灰岩围岩渗透性演化分析

石灰岩的原生渗透性很小，其良好的渗透性主要由其次生渗透性决定，地下水对石灰岩裂隙的化学改造会使其渗透性发生演化。岩溶隧道开挖和排水后，地下水的渗透与交替速度获得空前的提高，通过低阶水．岩相互作用而达到较高浓度的地下水会被迅速排走并获得低浓度水不断的补给，主径流排水区内的化学改造作用将以低阶快速反应为主，使溶蚀作用可能大大加快并产生具有工程意义的渗透性演化。采用平行板模型和化学动力学中简化的PWP方程建立石灰岩渗透性演化的数学模型，推导出了岩溶隧道排水条件下石灰岩渗透张量的演化方程，给出了渗透性的演化分析，可用于隧道长期涌(排)水量预测、水库长期渗漏量计算、隧道排水对地质环境影响评价以及工程耐久性、使用寿命评估等工程领域。     

三峡库区黄土坡临江滑坡体水岩（土）相互作用机理

水岩（土）相互作用与滑坡地质灾害的 形成密切相关 。选取仍处于变形阶段的三峡库区黄土坡临江滑坡体为研究对象,以从滑坡不同部位采集的8类滑坡不良地质体（包括滑带土、软弱层、软岩等）为研究样本,追踪测试各样本的矿物类型及含量、化学组分及颗粒级配等指标。经分析,各类不良地质体之间具有明显的同源性特征,在水岩（土）相互作用下,主要滑坡不良地质体的成因及转化过程得以清晰呈现。随后,另取主滑带附近垂直方向上的岩土体样本为例,结合试验数据,深入分析并直观展现了水岩（土）相互作用对岩土体微观结构和力学性能弱化的影响。本研究深入探讨了黄土坡临江滑坡体中的水岩（土）相互作用机理,研究成果对于了解相似滑坡灾害的形成过程和有针对性制定滑坡防治方案具有重要参考价值。     

水–岩作用下断续节理砂岩力学特性劣化机理

在库水位周期性升降作用下,库水消落带节理岩体的损伤劣化很可能导致库岸边坡向不稳定的方向发展。基于此,开展了断续节理砂岩的水–岩作用试验,结合力学试验和微细观结构检测综合分析其劣化规律及机理。结果显示:(1)在长期水–岩作用过程中,断续节理岩样的抗压强度、变形模量劣化趋势明显,而且存在明显非均匀性,其中前3个水-岩作用周期的阶段劣化度明显较大,5个水–岩作用周期之后的阶段劣化度明显减小并趋于稳定。(2)水–岩作用下,不同节理倾角岩样的力学参数劣化幅度不一样,阶段劣化度总体呈U型分布,节理倾角在0°和90°附近时,节理岩样从明显的张性破坏逐渐向剪性破坏转变,破坏模式变化特征比较明显,对应力学参数劣化幅度较大;节理倾角为60°左右时,节理岩样总体保持顺节理面的剪切破坏,破坏模式变化特征不明显,对应力学参数劣化幅度比较小,这些变化也使得节理岩样各向异性力学特征逐渐减弱。(3)在水库长期运行过程中,消落带节理岩体的产状直接影响水–岩作用的劣化趋势和变形破坏特征,因此,在库岸边坡长期变形稳定分析中,不仅要关注消落带岩体力学性质的劣化,也要关注节理岩体的产状差异及其在水–岩作用下变形破坏模式的转化。     

水-岩作用状态随机模拟的可信度分析

水-岩系列(包括岩石、大坝混凝土以及坝基帷幕体等)相互作用(如溶解-沉淀作用)的状态具有不确定性。依据化学热力学的基本原理，建立了一个由功能函数组成的数学模型来进行水-岩作用随机模拟的可信度分析。实例研究表明，根据所建模型可以更有效地判定坝基有关部位的水．岩作用状态，即若某部位水-岩作用状态处于溶解的概率趋近于1，则其遭受侵蚀的可能性越大：反之，若某部位水．岩作用状态处于沉淀的概率趋近于1，则其遭受侵蚀的可能性越小。因而认为，采用该方法进行水．岩作用模拟，可望获得更多的反映水-岩作用状态的有用信息。