垂直节理对黄土渗透性的影响研究

通过室内模型试验,研究了饱和入渗条件下黄土垂直节理对土体渗透性的影响。在实验室自制试验装置,将重塑土击实后人工切割垂直节理。在土样表面均匀喷水,使水分在土样表面饱和的状态下入渗,分析节理开度对黄土中水分入渗的影响规律。试验表明:闭合节理对土体的渗透性影响很小,实际中可以不予考虑;随着节理开度的增大,节理对土体渗透性的影响逐渐趋于明显,节理成为优势渗流面。将黄土中的节理抽象为两平行板间的缝隙,节理内水的流动满足N-S方程。考虑黄土渗流的实际特点确定了边界条件,通过推导建立了黄土节理渗透系数的表达式,分析了黄土节理渗透系数随土体体积含水量变化的特点。在数值计算中,采用四边形等参元离散土体。在离散体表面规定水头边界,对节理场地的水分场变化进行了分析。分析结果与试验对比,说明该表达式可以反映黄土节理渗流的实际特点。     

黄土节理二维稳态流流量方程

黄土节理渗流属于沿节理方向入渗和垂直于节理方向往黄土体入渗的二维渗流问题，对此问题目前尚少有研究。考虑节理内流体向土体的入渗及土体自身流速的影响，建立了黄土节理二维渗流模型，采用欧拉变数法推导了流体元运动微分方程，得到了以流速为函数的渗流微分方程。进而基于黄土节理渗流特征及边界条件，推导得到黄土节理二维稳态流的流量方程，表明岩体节理立方定律可归结为此方程在特定条件下的简化形式。进一步结合达西定律推导得到黄土节理渗透系数的表达式。通过现场试验和数值分析所反应出的趋势说明该公式有一定的应用价值。     

基于不同渗透持时的非饱和黄土渗透系数预测分析

首先通过渗透试验和压力板仪试验获得不同渗透持时的黄土的土水特征曲线,在此基础上利用van Genuchten模型对土水特征曲线进行拟合,最后利用拟合参数结合van Genuchten渗透模型进行不同渗透持时的非饱和黄土渗透系数预测分析。研究发现,随着渗透持时的增加,非饱和黄土的渗透系数一直在减小,减小幅度超过50%。渗透持时相同的条件下,非饱和黄土渗透系数随着体积含水率的增加而增加,且在接近饱和状态时,增加的幅度开始减缓。结合扫描电镜试验结果发现,黄土渗透系数减小的重要原因系由于随着渗透持时的增加,黄土中大孔隙减少而中小孔隙增加造成。     

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。     

地下水封石油储备库初始渗流场数值反演分析

渗流场分析是地下水封石油储备库设计的重要内容,而合理可靠的渗透系数是准确分析裂隙岩体渗流场的前提。以黄岛地下水封石油储备库工程为背景,对库区初始渗流场进行反演分析。首先,采用离散元3DEC软件直接生成尺寸分别为5 m×5 m,10 m×10 m,15 m×15 m,20 m×20 m,25 m×25 m,30 m×30 m的三维节理离散网络模型,并给出判别模型与节理相交的条件;基于裂隙介质的渗透张量理论,利用 MATLAB计算不同尺寸的裂隙岩体渗透张量,并确定了库区裂隙岩体表征体单元(REV)的大小,并结合库区现场试验实测数据,对节理裂隙岩体的渗透张量进行校核;最后,采用COMSOL Multiphysics软件,在裂隙岩体渗透系数各向异性条件下,反演库区的初始渗流场。研究成果为地下水封石油储备库水封性评价及稳定性分析提供较合理的初始渗流场条件。     

考虑三维形貌特征的粗糙节理渗流空腔模型研究

 为研究粗糙节理中的渗流,建立节理渗流空腔模型。将节理平面离散成1 mm×1 mm的单元格,单元格节点处的隙宽值由节理三维空腔组合形貌确定,假设单元格内渗流服从立方定理,逐一对单元格进行分析,用连续性方程求解整个节理面渗流,编制MATLAB程序进行计算。用大理岩人工节理试件沿节理长度方向将同一节理上表面相对下表面分别错开1,2,3,4,5和6 mm,形成节理不同的接触状态,计算这6种情况下的节理三维空腔组合形貌,得到不同接触状态下节理的隙宽分布和平均隙宽值。将节理渗流空腔模型和立方定理在不同接触状态下的渗流计算结果与节理试件在不同接触状态下的室内试验结果进行比较。分析结果表明：节理渗流空腔模型计算结果比立方定理更接近室内渗流试验结果,但是空腔模型计算结果和试验结果还有一定的差距,并对其误差存在的原因进行分析。     

黄土增湿变形的数值模型

以甘肃陇西自重湿陷性黄土作为研究对象,基于黄土湿陷过程中变形与渗流耦合的思想,建立了黄土增湿变形的数值模型。依据质量守恒定律和达西定律,建立了考虑变形影响的适合非饱和土-饱和土的、非稳态的轴对称黄土渗流连续性基本方程。参考陇西自重湿陷性黄土室内侧限压缩试验数据建立了黄土增湿变形本构模型;采用Galerkin加权残值法对基本方程进行空间离散;在时间域内用差分方法离散,建立了考虑渗流和变形耦合的黄土增湿变形有限元支配方程,并提出了求解方法。研究结果表明:在研究黄土增湿变形过程中,考虑变形与渗流耦合的作用是可行的,建立的黄土增湿变形有限元模型是合理的。     

节理在不同接触状态下的渗流特性

 将取自雅砻江水电站锦屏二期工程施工现场的白色大理岩,采用劈裂法制成张拉性人工节理试件,用TJXW–3D型岩石节理表面形貌仪测量节理的表面形貌,并采用自行编制的表面形貌和组合形貌参数计算软件,分析其用以表征节理表面形貌的节理面二维分形维数,以及用以表征组合形貌的节理内空腔的三维分形维数。对节理面进行错位,以改变其接触状态,然后进行不同接触状态下节理的渗流试验。将试验实测结果与传统的经验公式及各种修正公式的计算值进行比较,发现利用现有经验公式分析试验结果存在较大的偏差。通过对实测数据做进一步分析,发现表征节理表面形貌和组合形貌特征的分形维数也是影响节理渗透率的重要因素之一。综合考虑节理透过率以及表征节理形貌的分形维数等因素对节理渗透特性的影响,得到更为合理的节理渗流经验公式,该公式具有更广阔的应用前景。     

岩石节理剪切渗流耦合试验及分析

节理岩体内渗流的发生主要是通过断裂节理网络产生,节理面的几何特性和受力特征决定和影响着节理裂隙的渗透性质,从而极大地影响着水下隧道及地下硐室中的渗流。应用自行研制开发的试验设备(岩石节理单一剪切-渗流试验机(SMT-E-4010)),在恒定法向荷载和恒定法向刚度的边界条件下,对不同接触状态下的岩石断裂节理试件分别进行一系列节理的剪切渗流耦合试验,研究剪切过程中力学性质、水力学性质的变化情况;同时,结合立方准则对试验数据进行分析讨论。试验结果表明:节理力学性质,水力开度和透过率在剪切过程中呈现出两阶段的变化性质。     

多功能岩石节理全剪切–渗流耦合试验系统研制与应用

为了更真实地揭示应力–渗流条件下岩石节理的(长期)力学、渗流特性规律及其破坏机制,自主研制一套岩石节理全剪切–渗流耦合试验系统。试验系统主要由主机及伺服加载系统、渗流剪切盒及其密封系统、渗流伺服控制系统、数据测量和采集系统组成。该试验系统的主要创新性如下:(1)自行设计并研制了独特的渗流剪切盒,解决了在3 MPa渗透压力下的节理剪切试验过程中,节理剪切位移达到节理试件长度的10%(20 mm)时节理上下剪切盒在运动过程中密封的关键技术难题;(2)解决了用位移信号反馈控制荷载的伺服控制中交叉控制的技术难题,实现了岩石节理剪切试验的常法向刚度控制方式,使得研制的岩石节理全剪切–渗流耦合试验系统能进行常法向荷载、常法向位移、常法向刚度3种法向边界控制方式的剪切试验;(3)设计并研制了可以测量大流量和微小流量的岩石节理渗流的流量测试系统,有效地解决了岩石节理渗流试验仪器大范围流量的测量难题;(4)开发了岩石节理全剪切–渗流耦合试验稳压及压差控制系统,解决了在节理试样的进水端和出水端渗透压力差的稳定和可控性问题;(5)设计并研制了可以进行准静态下试验的液压伺服加载系统和蠕变状态下试验的电机伺服加载系统,使得研制的岩石节理全剪切–渗流耦合试验系统既能进行准静态下也能进行蠕变状态下的相应试验。通过开展不同应力边界条件下的剪切–渗流耦合试验,验证了该系统的准确性和可靠性。试验系统为高渗透水压下的节理剪切–渗流耦合性质的基础研究提供了设备支撑,对促进我国节理力学和水力学特性基础前沿研究起到积极推动作用。