考虑曲折效应的粗糙节理渗流计算新公式研究

 粗糙节理的隙宽分布不均匀是引起节理渗流出现曲折现象的主要原因。针对节理试件B01和B02,在获得节理的三维表面形貌并计算节理的三维空腔组合形貌后,分别进行室内渗流试验和Reynolds方程下的节理渗流数值模拟,得到节理中的曲折流径分布,在此基础上根据节理三维空腔组合形貌定义定量描述节理渗流曲折效应的平均曲折因子。在考虑节理表面粗糙性的立方定理修正经验公式的基础上,采用分析岩石渗透系数的等效沟槽模型对粗糙节理的渗流进行分析,推导得到考虑曲折效应的节理渗流计算公式,并根据节理试件B01的数值计算结果确定渗流计算公式中的待定常数。然后采用节理试件B02的数值计算结果对渗流计算公式的准确性进行验证,计算结果表明考虑节理渗流曲折效应的渗流计算公式可以较好地反映节理中的渗流情况。在此基础上,将根据本文渗流计算公式得到的节理试件渗流结果与渗流试验实测值及速宝玉经验公式计算结果进行比较,结果表明：考虑曲折效应的节理渗流计算公式渗流结果与实测值一致,而速宝玉经验公式过高地估计了节理的渗流量,进一步验证了节理渗流计算公式的准确性。     

不同接触状态下节理三维组合形貌的计算方法

当节理处于不同的接触状态时,其组合形貌也是不同的。为有效地计算节理的三维组合形貌,在获得节理上下面形貌数据的基础上,提出节理上、下表面稳定接触的判断条件和以此为依据的节理面移动接触算法,然后用VC++语言编制节理三维组合形貌计算程序,利用该程序可以方便地计算节理在不同接触状态下的三维组合形貌参数。最后,以大理岩人工张节理为研究对象,采用自行研制的TJXW–3D型便携式岩石表面形貌测量仪对节理表面进行扫描,得到节理面的形貌数据,然后对大理岩人工张节理人为地分别设定1,2,3,4,5 mm的错开位移形成节理上、下表面不同的接触状态,利用组合形貌计算程序计算不同接触状态下的节理三维组合形貌参数,分析不同接触状态对节理三维组合形貌参数的影响,为研究不同接触状态下单节理的力学和渗流特性与其组合形貌特征的关系奠定基础。     

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。     

基于Barton剪胀模型的粗糙节理渗流分析

 为研究粗糙节理在剪切过程中的渗流规律,首先,采用Barton剪胀模型分析节理在剪切过程中的剪胀效应,计算节理在不同剪切位移下的剪胀位移,采用Brown-Scholz(B-S)理论模型分析法向应力作用下的节理闭合变形;通过初始隙宽、法向闭合变形和剪胀位移建立剪切过程中的节理隙宽与法向应力和剪切位移之间的关系,在此基础上得到剪切过程中的节理渗流计算公式;然后,在对节理试件进行渗流试验的基础上,分别采用基于Barton剪胀模型的节理渗流计算公式和Barton经验公式计算通过节理试件的理论渗流流量,并将预测结果与实测值进行比较,比较结果表明,基于Barton剪胀模型的节理渗流计算公式的预测结果与实测值较为一致,而Barton经验公式预测值与实测值偏差较大,从而验证了该公式在计算节理剪切过程中的渗流情况的正确性。     

不同接触状态下粗糙节理剪切强度性质的颗粒流数值模拟和试验验证

节理表面形貌和接触状态对节理剪切力学性质有重要的影响。用砂浆材料的单轴压缩试验和光滑节理直剪试验得到材料和光滑节理的宏观力学性质参数,对颗粒流数值模拟的节理细观力学性质参数进行标定。用颗粒流离散元数值软件(PFC2D)构建人工粗糙节理表面形貌,对不同表面形貌的节理在不同接触状态下的剪切强度性质进行颗粒流直剪数值模拟试验,获得其峰值剪切强度。同时进行人工材料节理直剪试验,与颗粒流直剪数值模拟试验结果进行对比分析,数值试验与直剪试验结果吻合较好,验证了颗粒流直剪数值模拟试验与直剪试验具有同等的精度,可以作为各种表面形貌的节理在不同法向应力水平下抗剪强度研究的一种补充方法,以解决节理直剪试验中表面形貌损失对其剪切强度的影响,也可以在少量节理直剪试验的基础上,预估相同形貌的节理在不同接触状态下的剪切强度性质,同时还可以在现场测定不同粗糙度的节理表面形貌,预估其在不同接触状态、不同法向应力下的剪切力学性质。从而解决节理直剪试验中在相同形貌节理试件取样和制备困难的问题,且具有经济、方便、快捷、可重复性强等特点。     

考虑基体变形的节理闭合变形理论模型

节理的表面形貌对其法向闭合变形有重要影响,对给定的节理而言,接触状态也是影响闭合变形的重要因素,不同接触状态得出的闭合变形曲线差异较大。基于Hertz理论的Greenwood模型不能考虑接触状态对闭合变形的影响,Brown模型引入不同接触状态节理的组合形貌拓展了Greenwood模型。对单个微凸体的弹性分析表明:Greenwood模型与Brown模型均没有考虑基体变形的影响,基于统计理论将考虑基体变形的单微凸体变形模型应用于整个粗糙节理表面得到一个新的节理闭合模型。最后,采用该模型分析处于不同接触状态的节理闭合变形数据并与Brown模型的计算结果进行比较,验证该模型的合理性。     

岩石单节理面剪切与渗流特性的试验研究 与数值分析

 基于几组具有自然岩石节理表面特征的试件在高性能直接剪切–渗流装置上进行不同荷载边界条件下的剪切–渗流试验。利用新开发的渗流可视化系统对其中一组试验进行可视化研究。考虑节理面上的接触领域的非透水性,用有限元法对节理中的渗流进行数值模拟。试验和数值模拟的结果揭示了节理剪切过程中接触领域中透水系数及流路的一些变化规律,以及节理表面粗糙度对剪胀效应和流路分布特征的重要影响。     

基于三维形貌参数的偶合节理峰值抗剪强度公式

 节理表面形貌是影响节理峰值抗剪强度的重要因素,采用人工模拟材料节理分别在0.5,1.0,1.5,2.0,3.0 MPa的法向应力下进行直剪试验,研究三维形貌参数与峰值抗剪强度之间的关系。选用节理面有效三维平均倾角 、粗糙度系数 、最大可能接触面积比 作为表征节理面粗糙度的参数。直剪试验前、后采用TJXW–3D型便携式岩石表面形貌测量仪对节理表面进行形貌数据测试;根据直剪试验结果建立节理峰值剪胀角与三维形貌参数 , , 之间的关系;建议采用新的强度准则计算节理的峰值抗剪强度。新公式的计算结果与试验值具有较好的一致性,并将其与Barton公式的计算结果进行比较,可知Barton公式的计算结果低于试验实测值。     

多级加载下岩石裂隙渗流分段特性试验研究

利用自行研制的岩石裂隙辐射型渗流系统,试验研究室温下粗晶大理岩、中砂岩、灰岩和细晶大理岩4个岩石张裂隙在法向闭合过程中的渗流分段特性及加载历史的影响。根据闭合裂隙的接触状态及流域分布特征,裂隙渗流可分为群岛流、过渡流、沟槽流3个阶段;单位水头流量与法向应力呈指数函数关系,随法向应力增加而降低,后次加载中相同法向应力下单位水头流量明显较低;单位水头流量与力学隙宽呈幂函数关系,幂指数范围为1.93～2.60,可认为接触型粗糙岩石裂隙渗流量与力学隙宽呈次立方关系;后次加载时,相同力学隙宽下单位水头流量也明显较低;水力等效隙宽与力学隙宽呈分段的线性关系,修正的立方定律在相应分段内成立。研究结果对岩体裂隙渗流计算有一定的理论意义。     

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。     

破断岩体裂隙的流体流动特性分析

 讨论立方定律成立的前提条件,指出立方定律只有在裂隙隙宽波动极小的情况下才能近似成立,对于岩体粗糙裂隙来说,此种状态只会出现在裂隙的局部区域,即局部立方定律;而在裂隙隙宽波动较大的区域,则需准确表述裂隙粗糙对流体流动的影响作用。提出天然粗糙裂隙的多平行板离散等效模型,可以有效地适用局部立方定律,推导粗糙裂隙的隙宽表示和流量计算公式;借助数值软件分析隙宽波动对等效模型单元体内部流体压力的作用规律,并定义一个过量压力降损耗系数,基于该系数对粗糙裂隙的流量计算方法进行修正。     

不同节理粗糙度系数单裂隙渗流特性试验研究

 实际岩石裂隙的裂隙面具有不同的粗糙度,难以满足立方定律的使用条件。根据N. Barton和V. Choubey(1977年)提出的10条节理粗糙度(JRC)标准剖面轮廓曲线,本试验运用数控电火花线切割技术,加工出具有不同节理粗糙度系数(JRC = 0～20)的10个钢模板,制作出10个包含不同JRC值单裂隙的圆柱形水泥试样(直径f 50 mm,高度100 mm),采用RCCP联测系统测试不同JRC值单裂隙在不同应力水平下的渗透性。试验结果表明：(1) 在低应力水平下,JRC值对单裂隙的渗流特性有较大影响;随应力水平的增大,JRC值对单裂隙渗流特性的影响迅速减小;(2) 不同JRC值单裂隙的渗透率与有效应力之间的关系可用负指数函数描述,并表现出明显的非线性特征,低有效应力阶段试样渗透率随有效应力的变化速度大于中高有效应力阶段的变化速度。     

考虑浆–岩耦合效应的微裂隙注浆扩散机制分析

通过分数布朗函数建立了节理面几何模型,基于N-S方程对裂隙注浆扩散开展有限元分析。考察节理面粗糙度、连通性对浆液扩散的影响,并对修正立方定律的合理性进行分析。当界面层位势较低时,由修正立方定律得到的计算结果偏低,反之计算结果偏高。当界面层接触区域分布较为平均时,其各向异性程度较低,所引起的计算偏差较小,反之计算偏差较大。基于修正的立方定律、界面层本构方程以及浆液流动方程,建立了考虑浆岩耦合效应的注浆扩散公式。考虑浆岩耦合效应后,计算所得到的浆液扩散距离明显提高。并且随着浆液黏度的增加,由浆岩耦合效应所引起的相对计算误差也不断增大。     

Estimation of fracture flow considering the inhomogeneous structure of single rock fractures

Considering the safe, long-term isolation of energy byproducts, such as radioactive waste, one of the important parameters is the velocity of the groundwater flow through the void of rock masses and/or fractures. Although it is generally known that a natural rock fracture indicates a complex aperture distribution, the fracture is often ideally represented by a parallel plate model. The cubic law is applied to evaluate the hydraulic properties of fractured rock. From several previous research works, it is understood that the cubic law can be applied when the Reynolds number is less than 1.0 and that the inertia term can basically be ignored in such slow fracture flows. In this research work, two-dimensional seepage flow analyses, using the authors' proposed 2D model, in which the inertia term, the pressure term and the diffusion term are incorporated, are carried out for single fracture permeability tests under conditions which allow for the application of the cubic law. In comparing the results of the experiments with the results of the numerical simulation, the results of the simulation employing the 2D model show a good agreement with the experimental results; the 2D model can simulate the water flow in an inhomogeneous fracture more accurately than the simulation based on the local cubic law. From these simulation results, the fracture flow in an inhomogeneous structure is discussed, along with the local Reynolds number, and the resistance through the fracture geometry is considered. Consequently, under the condition of a mean Reynolds number of less than 1.0, the inertia terms do not affect the fracture flow, but the hydraulic resistance does affect the fracture flow.     

Flow on a Single Rock Fracture in the Shear Process and the Validity of the Cubic Law Examined through Experimental Results and Numerical Simulations

In order to discuss the flow through a rough surface rock fracture, direct shear and flow coupling tests on various rock fractures are carried out. Through the experimental results, the flow on the fracture and the validity of the cubic law are discussed and estimated. As a result, it is understood that the cubic law cannot sufficiently explain the experimental results, although it can partially take into account the experimental results in the Re range of 0.02 to 0.2. Moreover, a simulation by a 2D model, including the inertia term, has been carried out. The 2D model has been found to show a good performance of the fracture flow in comparison with the representative fracture flow model, namely, LCL (local cubic law). The flow on the fracture shows the channeling flow and a higher Re value. Consequently, the flow on the fracture is thought to be caused by the influence of the inertia term.