非连续裂隙岩体渗流场与温度场耦合分析

在岩体水力学研究中,一个重要的问题就是岩体渗流场与温度场的耦合分析。笔者关注了国内外相关的研究,对其发展的趋势进行了展望,认为目前有关非连续性裂隙岩体渗流场与温度场的耦合分析研究相对很少,并给出了拟研究的内容和方法。     

锦屏一级水电站左岸坝肩高边坡长期稳定性数值分析

锦屏一级水电站左岸坝肩高边坡长期稳定性事关该水电站的正常安全运营。为充分掌握左岸岩石高边坡长期稳定性,建立了含f5,f8,f2,f42–9和煌斑岩脉X等软弱结构面的地质力学模型,并采用西原模型及有限差分数值计算方法,模拟正常蓄水位下左岸边坡岩体的长期力学行为。数值分析结果显示:左岸坝肩高边坡蠕变数值计算结果与现场监测数据总体位移变化趋势基本一致;经过一段时间后,边坡岩体蠕变位移变化基本趋于稳定,蠕变速率逐渐趋于恒定,西原模型可以反映锦屏一级水电站左岸边坡岩体的蠕变变形特性;在f5,f8,f2,f42–9和煌斑岩脉X出露区域以及开口线外危岩体边坡、1 960 m高程以上缆机平台边坡、1 885~1 960 m高程开挖边坡、"大块体"、PD44X平洞深部岩体等部位的蠕变位移变化比较明显;特别是拱肩槽1 730 m高程开挖平台与软弱结构面交汇部位,由于受到拱坝的拱端推力作用,蠕变变形更为明显,应重点关注,加强监测力度。     

单裂隙水流作用下岩体稳定温度场理论模型与有限元数值模拟

建立了单裂隙岩体的几何模型,在不考虑热对流、热辐射的前提下用岩体导热微分方程描述了裂隙岩体稳定温度场分布及定解条件,并进行了理论方面的分析;给出了岩体导热偏微分方程的有限元描述,应用FEPG软件对裂隙岩体二维稳定温度场分布进行了数值模拟。模拟结果表明:由于和裂隙水流发生了热量交换作用,裂隙岩体温度场也随之发生变化;裂隙岩体和裂隙水流温度相差越大,温度等值线越密集,岩体温度场变化越大,热量传递越快。     

水岩化学作用对砂岩力学特性影响的试验研究

为研究水岩化学作用对砂岩力学特性的影响,将桃源水电站的红砂岩加工成标准圆柱形试样,对其进行不同化学溶液作用下的腐蚀试验,获得红砂岩化学腐蚀过程中相对质量变化规律,同时测量记录各化学溶液pH值。利用岩石三轴测试系统对各种化学溶液浸泡后的红砂岩进行三轴压缩试验,探讨不同的化学溶液对红砂岩力学特性的腐蚀效应,获得水化学溶液对红砂岩强度和变形特性的影响规律。结果表明,试样质量的变化和化学溶液性质有关,试样相对质量变化存在明显差异。pH=13的化学溶液pH值随时间的增长有小幅度下降,其余化学溶液pH值随时间增长均趋于弱碱性(pH≈7.9)。根据溶液pH值的变化、试样相对质量的变化,分析化学溶液对岩石的腐蚀程度。三轴压缩试验结果表明,不同化学溶液对红砂岩力学性质的影响不同。离子成分及pH值均对红砂岩力学特性产生较大影响,各种化学溶液腐蚀后岩石的峰值强度、残余强度、弹性模量均有不同程度的下降。室内试验的结果可为构建红砂岩化学腐蚀条件下本构模型提供重要的试验资料。     

拱坝坝肩岩石流变力学特性试验研究及其长期稳定性分析

采用岩石全自动三轴流变伺服仪,对小湾水电站两岸山体的蚀变岩进行三轴流变力学试验,得到岩石典型的流变全程曲线.流变试验结果表明:较高应力水平条件下,蚀变岩具有较为显著的流变特性,流变变形量大,流变速率快.基于试验结果,研究蚀变岩在不同应力水平下流变变形随时间的变化规律,分析试样的流变破裂形式与机制,掌握了蚀变岩三轴流变的基本特性.采用Cvisc流变模型对蚀变岩流变试验曲线进行辨识,得到相应的流变力学参数;基于三维非线性数值分析方法,采用黏弹塑性流变本构模型,模拟小湾水电站长期运营条件下的流变力学行为,并与弹塑性计算条件下进行对比分析.结果表明:小湾水电站拱坝及坝肩岩体长期流变变形明显大于弹塑性变形;考虑岩石流变作用使得应力场随时间增长发生重分布,局部应力集中现象有所缓解;坝肩岩体受力初期表现出较为显著的流变特性,流变一定时间后,流变速率变得恒定平稳,流变变形趋于稳定.     

挠曲核部破碎带岩石力学特性的试验研究

立煤湾膝状挠曲核部破碎带横穿向家坝水电站大坝坝基,破碎带的岩石由于完整性差,孔隙率大,含水率较高,会对坝基的变形和稳定性产生影响。通过研究破碎带岩石的物理和力学特性,发现破碎带岩石的碎裂岩、碎屑岩在三轴压缩条件下呈现非线性的应力应变关系,强度低、变形大,且没有明显的强度峰值,最终因变形过大而破坏;试验过程中,还发现随着岩石的屈服和变形的发展,出现明显的体积膨胀。并且通过破碎带岩石的流变力学试验,发现岩石流变特征明显,偏应力对流变速率有较大影响。最后根据常规三轴试验的应力应变关系建立了基于双曲线模型的改进Burgers模型,并对其参数进行辨识。     

低渗透岩石三轴压缩过程中的渗透性研究

 采用岩石全自动三轴伺服仪,对低渗透花岗岩进行考虑渗透水压作用的三轴渗流–应力耦合试验。基于试验结果,研究花岗岩在不同围压和渗压下的渗透特性,分析岩石应力、应变变化过程中渗透率随围压、渗压和体积应变的变化规律。试验结果表明：岩石的应力–应变关系具有典型的脆性特征,渗压相同围压不同时,岩石强度随围压增大而增加;围压相同渗压不同时,较低的渗压对低渗透岩石强度影响不明显。岩样体积应变经过压密和扩展2个阶段,最大体积压缩应变随着围压的增加而增加,而岩样渗透率最小值并未出现在最大压密处,而是出现在体积应变拐点前,约在最大压密体积应变的95%处,并给出渗透率与体积应变的关系式。     

韧性岩石常规三轴压缩试验及变形与损伤演化规律研究

 利用岩石全自动三轴伺服仪,对向家坝水电站坝基挤压带强风化砂岩进行不同围压下的常规三轴压缩试验,并对岩石变形和破坏机制进行研究。试验结果表明：该强风化砂岩表现出显著的非线性变形和延性破坏特征,属于韧性岩石。在偏压作用下,岩石轴向和侧向应变分别为5%和4%,体积膨胀量为4%以上。岩石变形力学参数随荷载的变化而变化,随偏应力的增大,岩石弹性模量减小,泊松比增大。围压可提高岩石抵抗变形和破坏的能力,围压越大,岩石发生扩容的起始偏应力越大。基于密度方法研究岩石损伤演化规律。加载初期,岩石被压密,处于无损阶段;当偏应力超过一定水平时,岩石出现损伤,且损伤量与等效应变呈线性关系,密度损伤阈值低于0.12。试验结果对向家坝水电站坝基稳定性分析有重要参考价值。     

不同卸荷路径对砂岩渗透性演化影响的试验研究

为了研究初始围压和卸荷速率对砂岩卸荷变形破坏过程中渗透性演化规律的影响,开展考虑不同初始围压(10,20,30 MPa)、不同卸荷速率(0.1,0.5,1.0,1.5 MPa/min)下的三轴卸荷渗流力学试验研究。研究结果表明:(1)砂岩卸荷破坏时表现为明显脆性特征,且随初始围压和卸荷速率的增大,砂岩侧向变形和体积扩容特性愈加明显。(2)砂岩卸荷破坏过程中渗透率演化规律与卸荷应力–应变关系密切相关,呈现阶段性变化特征,即弹性变形阶段渗透率增长缓慢;屈服变形阶段渗透率加速增长;达到卸荷峰值应力后,进入应力跌落阶段,此时渗透率急剧增长,并发生突跳现象;卸荷破坏后残余强度阶段,渗透率快速下降并趋于稳定。(3)不同初始围压和卸荷速率对砂岩卸荷变形破坏过程中渗透性演化影响明显,初始卸荷围压越高,卸荷破坏时的卸荷量越大,但卸荷量与初始围压比值越小;卸荷速率越大,砂岩卸荷破坏时产生的卸荷量越大,所处围压水平越低,渗透率峰值越高。研究成果可为深埋地下岩石工程围岩渗透性演化与安全评价提供参考。     

Creep properties and permeability evolution in triaxial rheological tests of hard rock in dam foundation

Triaxial creep tests were carried out under seepage pressure by using rock servo-controlled triaxial rheology testing equipment. Based on experimental results, rock rheological properties influenced by seepage-stress coupling were studied, and variations of seepage rate with time in complete creep processes of rock were analyzed. It is shown that, when the applied stress is less than failure stress level, the creep deformation is not obvious, and its main form is steady-state creep. When applied stress level is greater than or less than but close to fracture stress, it is easier to see the increase of creep deformation and the more obvious accelerative creep characteristics. The circumferential creep deformation is obviously higher than the axial creep deformation. At the stage of steady-state creep, the average of seepage flow rate is about 4.7×10⁻⁹ m/s at confining pressure (σ ₃) of 2 MPa, and is about 3.9×10⁻⁹ m/s at σ ₃ of 6 MPa. It is seen that the seepage flow rate at σ ₃ of 2 MPa in this case is obviously larger than that at σ ₃ of 6 MPa. At the stage of creep acceleration, the seepage flow rate is markedly increased with the increase of time. The variation of rock permeability is directly connected to the growth and evolution of creep crack. It is suggested that the permeability coefficient in complete creep processes of rock is not a constant, but is a function of rock creep strain, confining pressure, damage variable and pore water pressure. The results can be considered to provide a reliable reference for the establishment of rock rheological model and parameter identification.