物质点法在岩石断裂数值模拟中的应用

裂隙的存在严重影响了岩体结构稳定,合理描述含裂隙岩石的非线性力学特性的变化规律是近些年研究的重难点。对此,提出了一种考虑质点失效的光滑粒子动力学数值模拟方法(RSMPM)。RSMPM依据MPM算法的基本原理,采用摩尔—库伦破坏准则,在每一计算步中均遍历所有质点,对达到破坏条件的质点进行失效处理,以质点的失效过程来描述岩石的动态断裂过程。通过将单裂隙标准立方体试样、单裂隙巴西圆盘试样的数值模拟结果(裂纹扩展过程、主应力云图分布)与以往研究成果的对比验证了所提方法的准确性,为光滑粒子动力学方法在岩石力学工程中的应用及岩石断裂机理的认识提供了参考。     

水—岩作用下白云岩单裂隙渗流特性演化规律试验研究

为研究水—岩作用条件下水库消落带岩体渗流特性演化规律，以乌东德水电站库区白云岩为例，通过单裂隙渗流试验获取裂隙渗流特性变化规律，并借助SEM和三维表面轮廓扫描技术，研究了裂隙面微细观结构和表面形貌变化规律，探讨了裂隙渗流特性演化规律及影响机理。结果表明，在水—岩作用过程中，当渗透水压恒定时，渗流量随围压的增大呈指数关系递减；当围压恒定时，渗流量随渗透水压的增加呈线性关系递增；随水—岩作用周期的增加，裂隙渗流量呈先快后慢的减小，随后缓慢增加并趋于稳定。水—岩作用使得裂隙面一定深度的矿物软化溶解，改变了微细观孔隙结构和表面形貌特征，在围压作用下裂隙面闭合更加紧密，裂隙有效隙宽进一步减小是裂隙渗流量减小的主要原因。     

基于混沌理论的大坝渗流演变规律分析

大坝运行过程中在荷载作用和环境变量的影响下其渗流过程不断发生变化,研究大坝渗流演变情况对大坝运行有重要意义。针对大坝渗流这一复杂的非线性问题,引入混沌理论,对渗流残差序列进行相空间重构,确定时间延迟τ和嵌入维数m,对渗流过程进行混沌识别,在此基础上,提出采用相空间中最邻近点间距离来表征大坝渗流演变的方法。实例应用结果表明,相空间中最邻近点间距离序列演变曲线与渗流实测数据的变化趋势相同,利用最邻近点之间距离演变序列的功率谱和频率可表征渗流演变的剧烈程度和类周期。     

二维岩体裂隙网络有压渗流数值模拟分析

根据裂隙岩体的渗流机理对岩体裂隙网络中的渗流进行了合理简化和假设,以渗流立方定理、质量守恒定理和水流不可压缩假设为基础建立了裂隙网络的有压渗流模型,用改进DDA算法得到了裂隙几何信息,并用PCG算法和可视化编程技术开发了相应的计算程序.通过与Grenoble试验对比,验证了程序的合理性.对DECOVALEX项目的二维BMT模型进行了初步渗流计算,获得了均匀和非均匀裂隙条件下不同的渗流规律.该结果为研究岩石裂隙网络的应力-渗流耦合效应奠定了基础.     

基于LHS法的三维随机裂隙网络数值模拟及渗流分析

为分析裂隙渗流系数的影响因素,基于拉丁超立方抽样(LHS)法,对岩体内裂隙的几何参数进行抽样模拟,提出了一种改进三维随机裂隙网络生成算法。利用C++语言编制程序,实现三维裂隙网络的生成,通过与Monte Carlo法生成的三维裂隙网络进行对比分析,验证了LHS法生成的三维裂隙网络稳定性好、精度高,为解决Monte Carlo法抽样样本坍塌问题提供了一种新思路。并基于LHS法生成三维裂隙网络,借助离散裂隙网络渗流程序进行渗流分析。结果表明,裂隙岩体的渗透系数随裂隙尺寸及裂隙密度的增加而增加,当裂隙尺寸及裂隙密度达到一定量级时,裂隙岩体内会形成贯通的裂隙簇,裂隙岩体渗透系数将急剧增加。     

岩体单裂隙辐射流水力耦合试验研究

通过构造具有不同几何特征的裂隙，综合考虑粗糙度、法向压力、剪切位移的影响，研究了单裂隙辐射流条件的剪切渗流耦合特性。结果发现不同裂隙的渗流量和渗透系数随剪切位移变化明显，且法向压力的作用也随剪切位移增加而改变；对于表面轻微破坏的裂隙，初始剪切位移会增加裂隙渗透性，随后达到基本稳定，但裂隙一旦发生严重破坏并生成较多填充物，进一步剪切将会减小裂隙渗透性及导致其随剪切位移波动；对于生成大量填充物的裂隙，由于较高的水压会引起填充物在裂隙内重分布，从而封堵渗流路径，减少渗流量；在强耦合过程中裂隙渗透性随剪切位移的变化很难用一个统一关系表达式来描述，但粗糙度和法向压力的影响均与不同剪切阶段呈很强的关联性。     

裂隙岩体渗流作用下地下洞室围岩稳定性分析

针对传统的考虑外水荷载的围岩稳定性计算方法难以定量评价地下工程的围岩稳定状况的问题,结合卡里巴水电站的工程实例,采用三维弹塑性损伤有限元数值计算方法,分别在无支护开挖、无渗流锚固支护开挖、有渗流锚固支护开挖三种工况下,定量分析并评价了地下洞室群围岩的稳定状况。结果表明,分期锚固支护开挖可确保洞室围岩稳定,裂隙岩体渗流对地下洞室围岩稳定影响较大。可见裂隙岩体渗流—弹塑性损伤计算方法可定量评价围岩稳定状况,为地下厂房设计、施工及安全运行提供了参考。     

含预制断续裂隙类岩石材料力学特性试验及数值模拟研究

为了研究含预制裂隙岩石的力学特性,制备不同角度的断续裂隙类岩石试件,对含裂隙岩石试件进行单轴试验,发现倾角40°断续裂隙的单轴抗压强度最大,60°次之,20°最小。使用PFC2D对试验过程进行模拟,并分析试验过程中微裂纹与应力的变化规律,发现岩桥强度对试件单轴抗压强度具有重要影响,通过对比发现数值模拟的应力-应变曲线的变化规律与物理试验结果基本一致。     

深圳抽水蓄能电站地下厂房渗流特性研究

采用固定网格并借助于节点虚流量法求得渗流自由面,通过改进排水子结构法和排水孔开关器技术,针对裂隙与断层等结构面以及外水压力影响,用三维渗流有限元法计算得深圳抽水蓄能电站地下厂房渗流场分布规律,经过对各计算工况渗流特性的对比和综合分析,得出优选的渗控方案.     

估算饱和岩石裂隙结构参数的模型研究

从弹性波速对压力依赖性的关系可以反演岩石裂隙参数分布。然而在超声波频率段,Gassmann方程不能有效解释压力梯度的非驰豫现象。为了从饱和岩石波速得到裂隙结构参数,构建双孔(裂隙与孔隙)结构岩石骨架模型,获取裂隙结构参数与有效压力的关系。利用Gurevich关系式解释高频条件下压力梯度的非驰豫现象,形成岩石骨架在高频饱和状态下的弹性特征。结合岩石骨架模型,通过饱和岩石弹性波速度对裂隙结构参数进行估算,形成一种不同压力下估算饱和岩石裂隙结构参数的计算模型。基于该模型可分别得到裂隙密度与有效压力预测曲线及裂隙孔隙度与有效压力预测曲线。三块岩石样本的超声波实验数据表明,该估算模型能有效地描述岩石弹性特征的压力依赖性。采用高压状态下的岩石来近似代替仅含硬孔隙的岩石主相并不精确,且裂隙-硬孔隙间存在一定的相互关系。     

裂隙岩体初始渗流场反演

初始渗流场的确定对于工程渗控设计具有重要的指导意义,而影响初始渗流场计算结果的主要因素为渗透系数和边界水头。因此,从提高初始渗流场计算结果的准确性出发,将裂隙产状和压水试验相结合来确定裂隙岩体渗透张量,并将粒子群算法应用到边界水头的反演中。工程实例表明,相比于传统的初始渗流场确定方法,采用所提方法计算所得测孔水位与实测水位误差更小,说明该方法有效可行。     

河谷下切对危岩体卸荷带裂缝发育的影响

在建的金沙水电站所在地区工程地质条件复杂,经现场调查发现电站坝址区及近坝库段上游右岸的花石崖危岩体区存在有多条裂隙,裂隙发育严重危及工程安全。为此,根据危岩体边坡的地质构造和后期的地质作用,采用三维有限元数值方法建立数值模型,分期次对花石崖段河谷下切过程进行模拟,分析了河谷演化过程中河谷应力场的变化规律及卸荷特性。结果表明,下切卸荷过程中拉应力的增大形成了初始裂隙,切应力的存在导致裂隙产生错动并进一步延伸,应力集中导致河谷下切过程中应力场的不断调整,下切过程有继续开展的趋势,计算结果与裂隙位置基本吻合,表明分析方法合理、可行。     

液雾燃烧的全欧拉模型数值模拟

发展了模拟稀疏液雾燃烧过程的全欧拉模型,除了气相各守恒方程在欧拉坐标系下求解外,液雾相的质量变化、温度变化以及运动过程也是由欧拉坐标系下的守恒方程描述,气相和液雾相可以采用统一的数值求解方法。液雾相按照初始尺寸分组,每一组液雾相均由一组守恒方程描述,通过求解液雾相的数密度方程,可以得到欧拉坐标系下各网格点处某一组液雾相的液滴的质量和温度。     

节理裂隙滑移对某抽水蓄能电站地下洞室喷砼支护破坏的影响规律

地下岩石工程中的裂隙等岩体结构对喷砼等支护结构的受力、变形及破坏具有重要影响.以某抽水蓄能电站为依托,针对开挖过程中揭露的节理裂隙及其分布特征,采用节理单元和Timoshenko梁单元对大型地下洞室群开挖过程节理的滑移和喷砼的破坏开展了施工全过程分析,研究了开挖过程中顺、反倾向节理裂隙的滑移变形发展规律和喷砼的轴力、剪...     

裂隙岩石直接拉伸断裂破坏的颗粒流模拟分析

针对现有裂隙岩石受拉破坏及强度方面研究的不足,利用二维颗粒流软件（PFC2D）构建了裂隙岩石的直接拉伸试验模型,模拟了含单条裂隙和断续双裂隙试样的直接拉伸试验,并分析了裂隙分布特征对抗拉强度和裂纹扩展特征的影响。结果表明,对裂隙岩石试样,裂隙岩石的抗拉强度随裂隙倾角的增大而增大,随裂隙长度的增大而减小,岩桥倾角和岩桥长度对抗拉强度的影响不大,除裂隙倾角α= 90°外,试样最终破裂面均与预制裂隙搭接。对断续双裂隙岩石试样,岩桥角度和长度对裂隙之间岩桥贯通影响明显,岩桥倾角和岩桥长度增大时,均出现岩桥未贯通现象。研究结论不仅丰富了断裂力学的内容,而且为工程实践提供了借鉴。     

含两条共面非贯通裂隙岩石的单轴压缩特性数值研究

为了解加载方向对含两条共面非贯通裂隙岩石破坏特性和破坏强度的影响,以随机均布Voronoi图为基础,精细化地描述了裂隙岩石的细观结构,生成了7个不同裂隙倾角的数值试件,基于改进刚体弹簧法,对7个不同裂隙倾角的试件进行单轴压缩数值试验,并从宏观和细观两个尺度模拟了倾角不同的7个岩石试件的贯通模式、变形和强度特性。结果表明,当倾角为0°时,共面裂隙不贯通;当倾角为15°、30°、45°和90°时,共面裂隙间接贯通;当倾角为60°和75°时,共面裂隙直接贯通;裂隙岩石在强度上表现出明显的各向异性。     

闭合与非闭合裂隙岩石单轴压缩的颗粒流细观分析

为了从细观角度模拟裂隙岩石的破坏过程,利用颗粒流软件(PFC)构建了裂隙岩石的单轴压缩模型,模拟了含非闭合裂隙和闭合裂隙岩石的单轴压缩试验,并分析了裂隙闭合情况和裂隙摩擦系数对裂隙岩石强度和破坏模式的影响。结果表明,裂隙闭合与未闭合对裂隙岩石的破坏特征存在影响,裂隙闭合后,裂隙峰值强度随摩擦系数增大而增大;裂隙岩石宏观张拉破坏面由翼型裂纹扩展贯通形成,宏观剪切破坏面由次生裂纹的扩展贯通形成;当f=0、α ≥ 67.5°或f ≥ 0.75、α = 45°时,翼型裂纹几乎不产生;当f=0、α = 90°或f=1、α = 45°时,裂隙岩石强度和破坏模式接近于完整岩石。     

三维湿蒸汽自发凝结流动的数值模拟

采用完全欧拉坐标系下的数值模型描述湿蒸汽两相自发凝结流动过程，对某汽轮机低压部分三维静叶栅中内复杂的自发凝结流动进行了模拟和分析。与忽略自发凝结的计算结果相比，叶片表面的压力分布有所不同，吸力面侧尤为明显；自发凝结的发生引起气流角的变化，直接导致作功能力的变化；由于流动参数沿径向分布不均，自发凝结引起的湿度沿径向分布也明显不同；计算结果同时显示边界层对自发凝结有很大的影响。     

低渗透油藏非达西渗流定向井产能计算及影响因素分析

为了评价定向井非达西渗流模型产能,基于常规直井达西模型产能公式和井斜负表皮系数,建立定向井达西模型产能公式,通过引入拟启动压力梯度模型、非线性渗流模型对定向井达西模型产能公式进行修正,得到适用于低渗透油藏的定向井拟启动压力梯度模型、非线性渗流模型产能公式。对比三种定向井渗流模型产能大小以及与A油藏实际定向井产能之间的误差,并研究井斜角、应力敏感因子对三种定向井渗流模型产能的影响。分析结果认为:在相同生产压差下,达西模型产能最大,非线性渗流模型次之,拟启动压力梯度模型最小;与实际产能相比,达西模型产能误差最大,拟启动压力梯度模型次之,非线性渗流模型最小,采用非线性渗流模型的产能公式计算低渗透油藏定向井产能较为精确;随着井斜角增加,三种渗流模型产能增加,在井斜角小于30°时,三种渗流模型产能均变化平缓,井斜角大于30°时,产能均变化增大;应力敏感系数增加,三种渗流模型产能减小,产能下降趋势变缓。     

层状裂隙岩体有自由面的渗流分析

针对互层状裂隙岩体中的渗流问题,总结了互层状裂隙岩体中的层面裂隙和构造裂隙发育规律,提出了一种互层状岩体中裂隙网络生成方法并基于双重介质饱和一非饱和渗流模型分析了软岩中存在和不存在切层裂隙两种情况下自由面渗流问题,讨论了层面裂隙、层问裂隙和切层裂隙隙宽对自由面的影响.结果表明,在互层状裂隙岩体有自由面渗流中可能出现多层自由面的现象,取决于层间、切层及层面裂隙隙宽的组合.