钻孔岩体裂隙几何参数确定方法研究及其应用

 裂隙岩体渗透性是高放废物处置库场址选择和评价的重要考虑因素。钻孔岩体渗透性特征主要依靠钻孔电视获得的裂隙几何参数来确定。针对传统统计法确定裂隙几何参数存在的不足和误差,提出了新的统计方法和计算公式。研究认为：(1) 由于岩体裂隙空间分布多变性,提出了以裂隙密度和产状为基础的岩体均质区划分方法;(2) 钻孔岩体裂隙发育优势产状采用聚类分析方法来统计;(3) 裂隙间距的确定考虑了测量误差的影响并提出了修正公式;(4) 裂隙有效水力隙宽提出按照力学成因来确定。将获得的裂隙几何参数代入渗透张量计算程序中,得到钻孔岩体的渗透张量以及渗透主值和主渗透方向,从而为钻孔岩体渗透性分析提供依据。     

等效连续介质模型渗透张量的确定

提出了渗透张量的基本概念，对用裂隙几何参数确定三维问题的渗透张量进行了计算分析，介绍了三种渗透张量的现场测试方法，为研究裂隙岩体的渗透性提供了依据。     

蒙特卡洛模拟的随机性及裂隙岩体渗透张量分析

１　前　　言　*蒙特卡洛模拟法作为一种计算机模拟手段,已被广泛应用于岩体的裂隙网络模拟。但蒙特卡洛法是一种随机模拟方法,是一种通过裂隙的若干物理、几何量的统计参数来获得一个随机裂隙模型的方法。一方面,真实的岩体裂隙是满足相应的统计分布规律（包括误差规律）的一个具体的裂隙系统;另一方面,由计算机给出的裂隙模型是根据这些分布获得的另一个确定的裂隙分布形式,这两者之间的渗透性质并不一致,但两者的统计规律应具有一致性。因此,确定随机模型对渗透性的影响关系是认识蒙特卡洛法和了解真实岩体渗透性质所必需的。２　蒙特卡洛模拟岩体裂隙网络的随机性假设有一岩体,其裂隙参数见表１,根据表中所提供的参数,可生成多种岩     

某中低放废物处置场岩体裂隙统计分析及渗透系数张量的确定

为了解西北某中低放废物处置场裂隙岩体的渗透性及其优势方向,对裂隙几何参数进行了统计分析,划分出优势裂隙组,再通过概率分析,取得优势裂隙的几何参数,并将其代入渗透张量计算程序中进行计算,得到岩体的渗透张量计算值;最后对渗透张量计算值进行分析,并根据前期抽水试验得到的渗透系数对裂隙岩体渗透张量进行修正,取得合理有效的渗透系...     

考虑渗流特性的岩体结构面分形特性研究

 裂隙的连通性和密度是影响岩体渗流特性的重要因素。从岩体渗流研究的需要出发,对计算机模拟的岩体裂隙网络,应用分形几何理论,提出考虑裂隙连通性和密度影响的岩体结构面信息维数的计算方法,建立信息维数与岩体渗透系数的关系,进而可以用信息维数和岩体结构面几何参数来直接推求各向异性裂隙岩体的渗透系数张量。工程算例表明：(1) 考虑渗流应力耦合作用时,用容量维数计算的渗透系数比用信息维数计算的值高出2倍多,说明用容量维数计算岩体渗透系数会夸大裂隙岩体的渗透能力;(2) 信息维数能较好地反映裂隙密度对渗流的影响。信息维数越大,表明岩体内连通裂隙数量越多,因而岩体的渗透性就更大一些。     

利用钻孔成像研究基岩地区的渗透张量变化规律

利用钻孔电视成像技术,在对钻孔裂隙统计的基础上,建立裂隙介质模型,根据渗透张量理论计算得出垂向上渗透性的变化规律。阐述了利用该技术表征渗透张量时的影响因素,分析了各统计参数的误差及其对渗透张量的大小的影响,并给出了减小误差的方法。通过黄岛地下水封洞库工程实例具体分析了这种方法的优点,说明利用电视钻孔成像结果来研究渗透张量具有可行性。     

基于激光点云数据的裂隙岩体渗流场的无单元法模拟

 利用三维激光扫描技术获取岩体表面高精度激光点云数据,进而得到岩体裂隙网络的几何信息和产状分布情况。研究基于激光点云坐标数据求解含复杂裂隙网络岩体二维渗流场的无单元法,采用罚函数法处理渗流边界条件,并推导无单元Galerkin法的基本方程和积分格式。该方法首先将激光点云数据经坐标投影和抽稀后作为无单元模拟的节点坐标数据;然后结合岩体裂隙网络的几何信息,采用无单元法计算渗流场,进而分析岩体的渗透特性。该方法具有以下优点：(1) 可以精确获取高陡边坡的裂隙产状、位置坐标、长度和开度等几何信息;(2) 直接将激光点云作为无单元法节点,减少生成裂隙网格和生成节点坐标的工作;(3) 将裂隙网络采用裂隙渗透张量表示,可以对非连通裂隙、不同开度和不同充填程度的裂隙进行模拟。在此基础上,应用IDL编制基于海量激光点云数据的岩体裂隙产状分析和无单元法渗流场数值模拟软件LIDAREFM,并计算怀柔县桥梓镇一裸露岩石边坡的渗流场。计算结果表明,该方法是可行、有效的,计算得到的渗流场分布及特性能够反映岩体裂隙网络对渗流场的影响。该方法为研究裂隙岩体真实渗流场分布提供了一种新的研究思路。     

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。     

基于WLSM的多参数裂隙岩体统计均质区划分

岩体统计均质区的划分一直是岩土工程领域研究的重要课题。大多学者采用产状或者其它单一参数划分岩体统计均质区,却很少有人考虑多参数进行划分研究。考虑了产状、间距、张开、迹长和粗糙度共5个参数,提出了一种划分裂隙岩体统计均质区的新方法,即采用权的最小平方法确定参数的权重并用相关系数法计算研究区裂隙各个参数之间的相关性,从而确定均质系数以此实现对裂隙岩体统计均质区的划分。通过工程实例即云南省马吉水电站左岸坝肩某一高程相邻4个平硐的岩体结构统计均质区划分,分析了多参数对裂隙岩体统计均质区划分的影响。研究结果表明:裂隙岩体统计均质区划分与裂隙产状、间距、张开、迹长和粗糙度等因素有关并成功划分了研究区的统计均质区,证明了该方法的可行性。     

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。     

钻孔裂隙岩体结构均质区划分方法研究

岩体结构均质区是针对实际工程特点而划定的成果,在实践过程中需要根据具体工程,抓住主要矛盾后,选择最具影响性的要素作为划分依据。针对裂隙岩体渗透特征这一问题,提出了以密度分区法和产状分区法相结合的均质区划分方法。密度分区法采用重叠窗口对密度绝对差这一指标进行比较来分区;产状分区法首先对列联表中实际频数偏差进行了取样偏差修正,然后利用修正数据对相邻区间进行独立性检验来确定裂隙岩体均质区;采用数学原理对两种分区结果综合考虑获得最终的均质区。将此法应用到钻孔裂隙岩体中,并验证了结果的正确性。     

岩溶坝区溶蚀岩体的渗透性变异研究

通过对溶蚀岩体渗透变异特性的研究,提出了一种确定渗透性变异的方法,即基于“3σ法则”的误差传播函数法。先根据“3σ法则”求得溶蚀岩体统计变量的端点,再利用误差传播函数法基于立方定律求得溶蚀岩体的渗透性变异。将裂隙岩体与孔隙溶洞区别考虑,补充和完善了克立格随机场理论和Vanmarcke 相关性理论对岩土参数变异的研究。基于现场灌浆平硐揭露的工程地质统计资料,对清江水布垭工程左岸帷幕线上部分段进行了渗透性变异的量化研究。研究结果表明,该方法简单适用,且在确定岩溶坝区渗透参数的统计量基础上,可进行随机渗流计算。     

基于界面元的岩体裂隙网络渗流模型中 不稳定块体预测

 以野外不连续面现场地质调查所获得的真实裂隙展布为基础,以随机不连续面三维网络计算机模拟技术为指导,建立岩体不连续面空间分布概率统计数值模型;在此基础上,将裂隙网络和界面元相结合,用水力学和几何参数来表征裂隙岩体内渗透空间结构的具体布局,建立基于界面元与裂隙网络耦合的裂隙网络渗流模型,该模型可以通过界面元法对渗流场的模拟获得岩体网络裂隙渗流的渗径,而且可以计算出水头分布的情况,进而可以搜索出所有在临空面上出露的有限块体,确定其空间几何形态和几何参数,实现不稳定关键块体自动搜索,对于评价及预测关键块体的稳定性具有重要意义。     

一种推断岩体裂隙几何参数概率模型的新方法

提出推断岩体裂隙几何参数概率模型的切比雪夫多项式拟合法。基于数值逼近原理,并根据工程现场的样本矩,运用切比雪夫多项式来推断岩体裂隙几何参数的概率密度函数,同时采用精度较高的χ2检验法,从理论上证明所求密度函数的正确性和实用性。研究结果表明,根据切比雪夫多项式方法所得到的逼近表达式非常接近最常用的经典分布曲线(正态分布、对数正态分布、伽马分布、指数分布)。此外,根据样本数据得出的某隧道裂隙岩体产状的概率密度函数,与实际统计所得频率分布非常接近,精度优于传统的经典分布拟合法。     

露天矿边坡岩体稳定性各向异性分析方法及工程应用

露天矿边坡岩体通常含有大量IV、V级结构面,影响岩体稳定性。针对这种岩体特性,提出了系统的工程分析方法：首先,应用3GSM非接触测量系统对岩体出露结构面现场测试,统计结构面几何参数概率模型;进一步根据Monte Carlo方法生成裂隙网络,分别利用离散介质渗流方法和几何损伤理论,在分析REV尺寸效应基础上,计算岩体渗透张量和弹性张量,实现岩体参数表征;最后,基于等效连续介质模型,建立各向异性岩体渗流应力耦合模型,采用COMSOL有限元软件分析边坡岩体稳定性。应用该方法对抚顺西露天矿南帮进行了实例分析,计算结果与实际吻合较好。提出的露天矿边坡岩体稳定性分析方法能够考虑节理分布导致的岩体各向异性特征,简单合理,具有良好的工程应用前景。     

单孔振荡式微水试验确定裂隙岩体各向异性渗透参数

 基于振荡式微水试验的原理和岩体渗透系数张量的基本表达式,提出单孔分段振荡式微水试验。研发一套由多功能探头、密封阀、操作屏和气压泵等组成的测试设备,在技术上实现了单孔内围岩成像、量测裂隙产状、探测水压和水温变化,并将信息实时传输到上位机数据采集系统。通过采集的试验数据信息和围岩裂隙信息编制参数计算软件,实现了单孔试验确定裂隙渗透系数、岩体渗透系数张量和裂隙贮水率的技术和方法。以实例形式介绍了单孔微水振荡试验现场确定裂隙导水系数、岩体渗透系数张量的具体步骤和方法。     

大连地下石油储备库初始渗流场数值反演

 初始渗流场分析是水封式地下石油储备库设计中的重要内容和先决条件,现场压水试验只能提供较准确的各向同性渗透系数,而不能反映各向异性的渗透特征。结合大连地下石油储备库工程,提出一种基于随机节理网络模拟技术反演岩体各向异性渗透特征的方法。首先,采用三维离散元程序3DEC内置的Fish语言,直接生成不同尺寸的三维节理网络模型,通过推导的判别式来统计模型中各组节理的个数及产状信息。其次,利用裂隙介质的渗透张量理论计算不同尺寸的岩体渗透张量,进而确定节理岩体的表征体元(REV)。根据现场压水试验实测资料,修正节理岩体的渗透张量,再利用Matlab软件计算渗透主值及渗透特征向量。最后,考虑渗透系数的空间正交各向异性,采用FLAC3D的Fl_anisotropic的渗流模型反演库区的初始渗流场,为水封式地下石油储备库水幕设计及稳定性分析提供较合理的初始渗流场条件。     

裂隙岩体巷道中的"危石"预测模型

论述了裂隙岩体中的结构面的产状、分布、密度和结构面的内摩擦角的统计模型,提出了多组结构面同时存在的分组结构面间距统计法则,阐述了结构面的产状、迹线长度等几何参数和内摩擦角的模拟模型,引用块体理论和Bayes推测公式建立了巷道围岩中的"危石"预测模型.