一种确定裂隙非饱和水力参数的数值模拟法

根据裂隙面分形维数、裂隙面位错值和裂隙面上的面积接触率 ,用随机布朗函数生成裂隙的开度分布。基于裂隙局域为平行平板的假定 ,把裂隙面离散成许多等大小的正方形网格 ,对裂隙排水和吸水时的非饱和渗流过程进行了数值模拟。根据不同毛细压力下裂隙饱和度和非饱和渗透系数的模拟结果整理出了裂隙排水和吸水曲线 (即毛细压力 -饱和度的关系曲线 )以及减饱和、增饱和时的非饱和渗透系数 -毛细压力的关系曲线。模拟结果与试验结果的定性比较表明用本文方法来确定岩体裂隙非饱和水力参数是切实可行的。     

岩石裂隙非饱和水力模型及其模拟计算

基于单裂隙非饱和渗流入侵概念模型,考虑裂隙排水起始毛细压力及排水过程开度范围等因素,推导了单裂隙非饱和渗透的饱和度与毛细压力及相对渗透系数的本构关系,根据有关试验资料进行了模型的验证分析。研究表明:推导的单裂隙饱和度与毛细压力关系与试验结果吻合较好,饱和度与相对渗透系数关系与经典模型具有良好可比性。考虑裂隙空隙存在非连通情况及起始毛细压力机制,引入压力修正项,同时考虑最小及最大排水概率开度能使入侵概念模型更符合实际。最后采用离散元软件UDEC应用本模型进行了单裂隙非饱和排水过程模拟,计算结果与Van Genchten模型结果接近反映模型合理。     

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。     

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。     

含裂隙岩石渗流力学特性研究

岩体中裂隙的存在严重影响着岩体的渗流特性。为了解不同载荷作用对含裂隙岩体渗流性能的影响规律,利用高精度渗流应力耦合三轴试验系统,对含裂隙砂岩和粉砂岩加载及卸载作用下的渗流特性进行试验研究。试验结果表明:(1)加载试验过程中,随着载荷的增大,试样裂隙隙宽逐渐减小,渗透率随之逐渐减小,渗透率与有效围压呈负指数关系;(2)卸载过程中,随着载荷的减小,岩石渗透率逐渐回升,但回升路径明显低于原始路径,路径不重合表明试样中裂隙的变形具有塑性变形的特征。根据试验结果,建立渗透率与有效围压的关系式,并确定关系式中的待定参数。在试验及理论研究的基础上,通过数值模拟分析试样裂隙面渗透率及渗流速度的变化规律。     

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。     

GeoStudio软件在土坡饱和—非饱和渗流分析中的应用

在对饱和-非饱和渗流数学模型简要分析的基础上,对影响渗流有限元计算分析结果的一些参数选取方法进行讨论,如非饱和土的水土特征曲线、渗透系数及毛细水头等.利用GeoStudio软件对降雨条件下的土质边坡内部渗流场进行模拟,分析地下水位线、坡体饱和度、压力水头随降雨时间的变化规律.模拟结果与实际情况比较吻合,可为土质边坡稳定性的分析提供参考依据.     

基于核磁共振实时成像技术的裂隙砂岩渗流特性研究

地下工程岩体内部存在着大量不规则、多尺度的孔(裂)隙,使得其渗流问题十分复杂,研究裂隙岩体的渗流特性及流场分布对岩体工程安全和深部资源开发利用具有重要的工程实际意义。利用核磁共振岩石渗流过程实时在线分析与成像系统对含不同裂隙性状的砂岩试样开展裂隙岩石渗流试验,对渗流过程中试样的体积含水率、T2谱曲线和渗透系数等参数的演变规律进行分析。结果表明:裂隙岩石试样的渗透特性与裂隙倾角和数量有关,岩石裂隙萌生和扩展受到渗透压力增加的影响,试样渗透系数呈现缓慢增加后平稳的趋势。当围压增大时,试样渗透系数减小,且当围压超过10MPa时渗透系数变化的敏感度降低。T2谱分布曲线的结果则表明流体首先在微孔隙中发生渗流扩散,然后在主裂隙中聚集,逐渐形成完整渗流通道。根据立方定律推导的渗透系数计算公式能较好的反映试验结果,为实际工程中低围压裂隙岩体渗透系数的计算提供更加安全可靠的方法。最后,通过对裂隙岩石试样的渗流过程进行核磁共振成像,直观获得了试样内部渗流场的分布规律,可准确描述流体在裂隙试样中的流动状态,为实际工程岩体裂隙渗流问题提供有意义的指导。     

非饱和土的渗透特性试验研究

由于非饱和土的复杂性和多变性，其渗透特性明显不同于饱和土，并且试验难度较大。利用特制的非饱和土三轴仪对黄河大堤非饱和土的渗透特性进行了试验研究，为非饱和土渗透系数的直接测定奠定了基础。根据试验结果，得出了黄河大堤非饱和土土体在不同含水量下的围压．渗透系数关系及其变化规律，以及不同围压条件下质量含水量．渗透系数关系及其变化规律，同时，对其关系曲线模型进行了拟合，得出了相应的拟合函数。     

裂隙非饱和渗流试验研究及有地表入渗的裂隙岩体渗流数值分析

就单裂隙非饱和水力参数的试验测定和数值模拟确定、单裂隙非饱和渗流的机理、有地表入渗的裂隙岩体饱和非饱和渗流数值分析以及地表入渗对岩坡稳定性的影响等方面展开了较为深入的研究，并将上述研究成果应用于实际大型工程问题的分析中。主要内容如下：（1）借鉴前人的研究成果，基于动力法原理（即逐次建立水相和气相之间的稳定流动状态），首次研制出一套可同时测定单裂隙毛细压力－饱和度以及非饱和渗透系数－毛细压力关系的实验装置，并提出一种用该实验装置来测定单裂隙非饱和水力参数的物模试验法，使得通过试验来测定单裂隙非饱和水力参数成为可能。（2）运用分形几何和蒙特卡洛模拟等理论，提出一种更合理的确定单裂隙非饱和水力参数的数值试验法，并开发相应的模拟程序。由于该法在生成裂隙充水域时考虑了水和气的“圈闭”效应，故能模拟出裂隙排水与吸水过程间客观存在的滞后现象，这是以往数值试验法所不能做到的。（3）把裂隙岩体等效力连续介质来处理，建立有地表入渗的裂隙岩体饱和非饱和渗流的数学模型。以Galerkin有限元法为模拟手段，研制了相应的算法，并编制了考虑地表入渗的三维饱和非饱和渗流有限元计算程序SUSS3D。算例分析表明，上述模型和计算程序是合理可行的。（4）引入非饱和土的抗剪强度理论，运用刚体极限平衡法，研制出了地表入渗影响下的央坡稳定性验算程序ZSLP。该程序考虑了非饱和带基质吸力对央体抗剪强度的贡献以及暂态附加水荷载的不利作用，使计算结果更贴近实际。（5）将上述研究成果应用于小湾电站水垫塘区岸坡降雨入渗分析，溪洛渡电站水垫塘区岸坡雾化雨入渗分析以及雾化雨入渗对溪洛渡电站水垫塘区岸坡稳定性的影响等实际工程问题的研究。结果表明：地表入渗确会给边坡稳定带来不利的影响，并且本文的模型和计算程序均是合理可行的。     

粘土岩非饱和渗流模型在地下水运移过程中的数值模拟

根据实验室粘土岩非饱和渗流实验的结果,将考虑塑性应变硬化、Hoek-Brown和Mohr-Coulomb 3种非饱和渗流应力耦合模型应用于模拟某粘土岩竖井,研究了粘土岩在开挖、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→近饱和的过程以及地应力和水力学参数(Biot系数、饱和度与毛细孔隙水压力关系、水相的相对渗透系数与饱和度关系)对围岩内的非饱和流动区域大小的影响.计算结果表明,水力学参数对非饱和渗流的影响区域非常显著,尤其是对水相的相对渗透系数与饱和度的关系的影响.     

岩石剪切裂隙渗流特性试验与理论研究

 通过在三轴应力条件下对丹江口库区辉绿岩进行剪切破坏得到剪切裂隙,然后对剪切裂隙进行不同围压和裂隙水压力(渗透压差)作用下渗透性能的试验研究。研究结果表明：绝大部分岩样在剪切破坏后会形成单条贯穿剪切裂隙,这种剪切裂隙的渗透系数与净围压的关系符合指数函数特征,且受环向应变影响很大,但受轴向应变影响较小;裂隙水压力对裂隙渗透系数影响明显,在相同净围压下,裂隙水压力越大,渗透系数越大,其主要原因是较大的裂隙水压力使裂隙两侧基岩产生附加变形,导致隙宽增加。基于试验数据和理论分析,根据三维应力下的裂隙–岩块位移模型推导考虑裂隙水压力的渗透系数计算公式,该公式可以较好地描述不同围压和裂隙水压力下实测渗透系数的变化趋势,并且公式中的参数均可根据简单的三轴压缩试验得到,计算结果与实测数据符合较好。     

降雨入渗下互层状裂隙岩体非饱和渗流分析

在总结缓倾状互层裂隙岩体的裂隙发育规律的基础上,给出了其裂隙网络生成方法;介绍了双重介质非饱和渗流理论,并基于此对缓倾状互层裂隙岩体的非饱和渗流场进行了分析,总结了互层状裂隙岩体降雨入渗条件下的非饱和渗流场的一些特征。     

突出煤渗透特性与应力耦合试验研究

 根据常规三轴具有突出倾向型煤的瓦斯渗流试验所获得的瓦斯渗流速度–围压和瓦斯渗流速度–轴压关系,分析具有突出倾向型煤中的瓦斯渗流速度变化与应力的耦合关系,建立一定瓦斯压力下瓦斯渗流速度与围压、轴压的关系式,建立应力–渗透系数方程。结果表明：瓦斯压力和轴压一定时,瓦斯渗流速度随着围压的升高逐渐降低,为二阶曲线关系;当瓦斯压力和围压一定时,瓦斯在型煤中的渗流速度随着轴压的升高呈四阶曲线关系,且型煤破坏后的瓦斯渗流速度大于型煤起始渗流速度。基于试验结果,提出瓦斯渗流困难应力点这一特征值,该参数对预防煤与瓦斯突出事故、提高瓦斯抽采效率具有一定意义。     

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。     

裂隙岩石非饱和渗流模型研究

由于岩石裂隙的分布遵循分形分布,在研究裂隙岩石非饱和渗流时,本文基于毛细吸持理论和分形理论,建立了分形维数与有效饱和度,水力传导系数间的关系,该模型为裂隙岩石非饱和渗流分形模型。探讨了分形维数与裂隙渗透率以及孔隙度的关系,本模型包含了Brook-Corey模型,当裂隙开度范围较大时,本模型与Brook-Corey模型一致。当裂隙开度范围不大时,本模型可以很好地描述有效饱和度、水力传导系数,因此,能比较好地描述岩石裂隙非饱和渗流特征,而此时Brook-Corey模型描述岩石裂隙非饱和渗流具有较大的误差。     

多轴应力作用下砂砾岩单裂隙渗流规律试验研究

用劈裂的方法在砂砾岩块上制造裂隙来模拟天然岩体的张性裂隙,在自行研制渗流-多轴应力耦合试验机上开展了一系列单裂隙渗流应力耦合试验,分别研究了垂直于裂隙面加载、平行于裂隙面加载对裂隙渗透能力的影响规律,对单裂隙岩体在多轴应力作用下的渗流规律作了探讨.成果表明,法向应力和侧向应力对裂隙的渗透系数有着明显的影响,共同决定着渗透系数的变化.     

考虑变形效应的非饱和土相对渗透系数模型

 相对渗透系数是土体非饱和渗流分析的重要参数,Mualem统计模型在土体相对渗透系数预测中得到广泛应用。然而,Mualem统计模型假定土体具有刚性的孔隙结构,因而无法反映变形对非饱和渗透系数的影响。笔者最近提出的变形土土水特征曲线模型为基础,建立考虑变形效应的非饱和土相对渗透系数的修正Mualem统计模型。修正模型引入某一饱和度条件下被水充满的平均孔隙半径这一参量,来反映有效饱和度及土体变形过程中孔隙形态变化对其非饱和渗透特性的影响。采用4种不同类型土体的非饱和渗透试验数据对修正模型进行验证。结果表明,修正模型给出的相对渗透系数预测值与实测值的均根误差相比Mualem统计模型减小27%,说明修正模型对于变形条件下土体的相对渗透系数具有更强的预测能力。研究成果为非饱和土渗流规律以及水–力耦合数值模拟等研究提供了更为可靠的理论模型。     

低渗透突出煤的瓦斯渗流规律研究

 为了解低渗透突出煤体的瓦斯渗流规律,利用自行研制的煤岩体三轴渗透仪,在不同轴压和围压条件下,对以南桐矿区矿井低渗透突出煤层的原煤而制备的试样采用稳态渗流法进行瓦斯渗流试验;比较传统的渗透率计算方法与考虑瓦斯渗流的Klinkenberg效应的渗透率拟合方法在低渗透煤体渗流试验数据处理中的差异。研究结果表明：(1) 低渗透煤体中的瓦斯渗流具有显著的Klinkenberg效应;(2) 对于低渗透煤体,Klinkenberg系数b值与煤体的绝对渗透率呈显著的幂函数关系,而煤体的绝对渗透率与体积应力呈显著的二次多项式函数关系;(3) Klinkenberg系数b值随着煤体绝对渗透率的降低而逐渐增大,煤体的绝对渗透率随着煤体体积应力的增大而逐渐降低;(4) 采用考虑瓦斯渗流的Klinkenberg效应的渗透率拟合方法处理试验数据所得到的结果更为合理;(5) 试验得到的煤体渗透率表达式反映了瓦斯压力和应力对瓦斯渗流的共同作用,能很好地模拟低渗透煤层的瓦斯渗流。     

湿度和密度双变化条件下的非饱和黄土渗气渗水函数

饱和度和密度都会对非饱和土的渗透系数产生影响,而准确确定非饱和土的渗透系数在饱和/非饱和土体渗流分析中非常重要。利用改进的非饱和土水气运动联合测定仪,对重塑非饱和黄土试样进行不同增湿级数和初始干密度条件下的渗透试验,研究饱和度、干密度、渗气系数及渗水系数间的关系,建立湿度和密度双变化条件下的渗气渗水函数,并通过试验验证该函数的适用性和准确性。研究表明,该函数既可用于确定渗水系数,又可用于定量描述非饱和土孔隙中水气运动之间的相互影响,其在非饱和土固结分析、稳定分析及饱和非饱和渗流分析中具有较强的应用前景。