裂隙岩体二维渗流水力学理论模型研究

本研究主要内容包括 :裂隙岩体随机网络模拟、分形几何描述裂隙岩体参数几何特征、二维裂隙岩体等效渗透系数估算、二维裂隙岩体渗流应力耦合 非耦合模型、三维等效连续介质渗流模型、二维裂隙岩体连续介质与离散介质耦合模型、渗流模型与离散元应力模型耦合分析工程问题等。(1)利用三维裂隙网络随机模拟模型 ,针对乌江构皮滩水利枢纽工程平硐裂隙数据 ,研究其裂隙几何参数的分布情况 ,对其中一个优势裂隙组进行了模拟和检验。在模型中 ,基于蒙特卡罗方法 ,对裂隙隙宽的模拟进行了尝试。并应用分形几何的理论对其网络分维和裂隙数分维进行了研究 ,提出应用分形几何来模拟裂隙岩体中裂隙几何参数的方法。(2 )基于裂隙网络的转形 ,提出了裂隙岩块等效渗透系数的简便算法。与数值计算方法比较 ,其计算更简便迅速。 (3)推导了裂隙渗流和应力耦合的理论关系 ,建立二维裂隙岩体渗流应力耦合 非耦合非稳定流模型和三维等效连续介质渗流模型。耦合模型中应用经典耦合关系进行了计算验证 ,模型可以计算多种耦合关系。 (4)建立二维裂隙岩体连续介质和离散介质耦合非稳定流模型 ,并对其数值算法进行了研究。耦合模型使用离散介质渗透理论描述岩体主干裂隙中的水运动 ,使用连续介质渗流理论来描述岩体次要裂隙及孔     

三维裂隙网络非稳定渗流数值分析

研究裂隙岩体中渗透水流随时间、边界条件的变化规律,从而客观反映渗透水流情况,具有重要的意义。本文针对分布特别稀疏的三维主干岩体裂隙网络,以渗流区内的水量平衡原理为依据建立基本方程,推导三维岩体裂隙网络非稳定渗流的基本方程;并将三维裂隙网络渗流理论及有限元数值方法运用于主干岩体裂隙网络渗流分析中。基于裂隙岩体网络非稳定渗流数学模型,编制相应的程序。对于工程实例,根据实测情况利用Monte-Carlo模拟出岩体中二级裂隙网络分布情况进行分析,然后进行了三维非稳定渗流分析。计算结果充分体现了岩体中裂隙网络的储水性,当边界条件发生变化时,裂隙岩体中水头分布变化存在一定的滞后性;并表明主干裂隙的强导水性,使得裂隙岩体中的主干裂隙的渗流分析成为渗流分析中的重点。     

岩体单裂隙流固热化学耦合作用数值模拟研究

为全面研究渗流、应力、化学、温度影响下岩体裂隙的变化,建立了岩体单裂隙的流-固-热-化四场全耦合数学模型,并以Comsol Multiphysics软件为基础,将该数学模型转化为一个统一的偏微分方程组,实现了四场全耦合数值求解。该模型给出了更接近真实物理过程的数值解答,避免用松散耦合法求解多场耦合问题带来的误差。同时通过对两个实例的计算模拟,分析了在渗流、压应力、水化学溶蚀和温度等多因素耦合作用下,岩体单裂隙渗透特性的变化规律,得出了裂隙岩体渗透特性的影响机理和关键影响因素。     

三维随机裂隙网络非稳定渗流模型

介绍了在岩体三维随机裂隙网络中进行非稳定地下水渗流分析的数学模型和方法。包括：岩体裂隙系统特征和随机裂隙网络描述，三维裂隙网络非稳定渗流数学模型，交叉点和交叉线识别和有限元数值解，井流量在裂隙网络中的分配方法，排水管道问题，非线性模型的迭代解法等。     

岩体单裂隙渗透性尺寸效应的数值模拟研究

针对渗透性尺寸效应涉及的影响因素众多、导致其演变规律及主控因素还不甚明了的问题,基于Comsol数值模拟软件,开展岩体单裂隙渗透性尺寸效应的数值模拟研究。建立开度服从正态分布的大尺寸岩体单裂隙模型(试样尺寸为5 m×5 m),在同一大尺寸试样上选取系列尺寸岩体单裂隙试样,并开展相应尺寸岩体单裂隙的渗透数值试验,观察岩体单裂隙渗透性随尺寸变化的演变规律。通过改变粗糙度、水力梯度和裂隙开度等参数,研究不同因素对岩体单裂隙渗透性尺寸效应的影响,确定其中的主控因素。数值模拟结果表明:岩体单裂隙的渗透性随试样尺寸的增大而增大,随后趋于一稳定值,其对应的试样尺寸即为临界尺寸;临界尺寸随粗糙度的增加、水力梯度的降低、裂隙开度的减小而增大;相较于粗糙度和水力梯度,裂隙开度对岩体单裂隙渗透性尺寸效应的影响更显著。     

裂隙岩体的流固耦合研究现状与应用展望

裂隙岩体渗流研究主要是考虑流体在岩石裂隙中运动规律,尤其是流体渗流和岩体应力之间的相互耦合作用机理。随着工程应用发展的需要,裂隙岩体的流固耦合研究已成为国内外研究的热点问题。通过对国内外相关文献的分析和整理,从裂隙岩体流固耦合的试验研究、理论模型和数值模拟方法等三个方面的进行了论述,并对其工程应用前景进行了展望。     

裂隙岩体渗流场与应力场的耦合数值分析

裂隙岩体渗流场与应力场耦合是一个复杂的地质问题.本文基于裂隙-空隙双重连续介质对裂隙岩体渗流场与应力场进行耦合分析,推导建立了数学模型,并将该模型用于实际边坡工程的岩体裂隙进行数值模拟,分别对不考虑应力影响下的渗流场和不考虑渗流影响下的应力场以及两场相互耦合时的稳定性进行了研究,由于耦合作用下与任意单场作用下相比差异较大,因此考虑岩体裂隙多场耦合作用是必要的也是符合事实的[1].     

三维随机裂隙网络非稳定渗流模型

介绍了在岩体三维随机裂隙网络中进行非稳定地下水渗流分析的数学模型和方法。包括:岩体裂隙系统特征和随机裂隙网络描述，三维裂隙网络非稳定修流数学模型，交叉点和交叉线识别和有限元数值解，井流量在裂隙网络中的分配方法，排水管道问题，非线性模型的迭代解法等。最后，针对裂隙网络中的轴对称井流和任意分布裂隙系统中的排水管道问题对模型进行了应用计算，验证了模型及其算法程序的有效性。     

粗糙单裂隙渗透性尺寸效应及其影响因素研究

裂隙岩体渗透性尺寸效应是岩体水力学研究中的一个热点问题。为探明岩体渗透性随试样尺寸的演变规律及其主控因素,从粗糙单裂隙入手,首先假定裂隙开度服从正态分布,并用COMSOL数值分析软件生成系列尺寸的粗糙单裂隙模型;然后通过求解Reynolds方程,开展变裂隙开度、粗糙度和法向应力条件下的系列尺寸单裂隙渗透数值模拟,并通过双曲线函数建立法向应力与裂隙开度之间的相关关系,间接模拟应力对单裂隙渗流的影响。数值模拟结果表明:粗糙单裂隙的渗透性存在明显的尺寸效应,其渗透系数先随试样尺寸的增加而增加,随后趋于稳定,模拟获得的临界尺寸介于12～15 m之间。通过进一步的参数敏感性分析揭示:临界尺寸与裂隙开度呈负相关关系,裂隙开度越大,渗透性临界尺寸越小,而与粗糙度和法向应力则呈正相关关系;并且相较于法向应力和裂隙粗糙度,裂隙开度对单裂隙渗透性临界尺寸的影响更显著。     

孔中同位素示踪方法研究裂隙岩体渗流

本文推导了孔中测定岩体裂隙渗透流速、等效力学隙宽的稀释定理及双井混合井流理论，通过对裂隙的渗透流速、流向、吸水量或涌水量等参数的测定，结合裂隙渗流立方定理与稳定流理论，提出了一种确定岩体裂隙渗透系数的示踪方法。     

基于二维裂隙网络模拟的岩体渗流数值分析

裂隙网络渗流模型能够较为真实地反映岩体渗流的情况,根据统计学基本规律、随机数及随机分布函数产生方法,利用Monte Carlo方法模拟岩体二维裂隙网络,将图论基本理论与二维裂隙网络迹线图形相结合,以单裂隙立方定律为基础,可较为精确地求解岩体单裂隙系统渗流场。     

考虑水流温度影响的三维岩体裂隙网络非稳定渗流场数值分析

水流温度对裂隙岩体中渗流场分布规律的影响是岩体水力学研究的热点问题。在分析水流温度对裂隙水流影响机理的基础上,建立了考虑水流温度影响的岩体裂隙渗流场数学模型,采用有限元法对其进行数值求解。研究结果表明：考虑水流温度影响较不考虑水流温度影响的渗流场水头值普遍偏高;水流温度对渗透系数的影响在水流温度影响渗流场分布的过程中起主导作用;裂隙宽度越大,水流温度对裂隙渗流场的影响越明显。     

单裂隙岩体水流传热有限元分析

在岩体水力学研究中,岩体渗流场与温度场的耦合分析一直是重点问题,而单裂隙水流下的岩体稳定温度场分析对于岩体-水流传热影响很大。文章基于FEPG软件数值仿真模拟裂隙岩体二维稳定温度场的分布,结合具体算例分析裂隙网络非连续介质的渗流场和温度场的相互耦合作用,所得计算成果对温度场影响岩体稳定性的研究具有一定的指导意义。     

单裂隙层状岩体渗流模型研究

介绍了岩体渗流研究所涉及的渗流介质、岩体结构、分析方法，以及渗透系数；界定了层状岩体渗流模型的材料特性和定解条件，推导了单裂隙层状岩体渗流模型，讨论了应用该模型的方法，以期能为裂隙岩体渗流研究提供些许理论参考。     

高压条件下岩体渗透系数取值方法研究

裂隙岩体在高水压条件下的渗透性可以通过高压压水试验获得。高水压状态下裂隙岩体中水流形态及渗流本构律对岩体渗透系数起决定性的影响。针对高水压状态下岩体中渗流形态为紊流和非达西流的实际情况,以高压压水试验中压水孔内的水压力和流量以及渗压孔内的孔隙压力等参量为基础,推导了单孔三段压水法和单孔单段压水法的裂隙岩体渗透系数计算公式。结合某抽水蓄能电站高压压水试验成果深入分析了不同渗流形态下的岩体渗透系数的差异性。研究成果表明,裂隙岩体水流形态对岩体渗透系数定量取值结果影响较大,同时高水压条件下水力劈裂产生也将导致裂隙岩体渗透系数取值的急剧增加。     

坝基岩体裂隙渗流效应数值模拟方法

为获取工程尺度的裂隙岩体三维渗流效应,在裂隙岩体基质岩块和裂隙水力传导特性研究基础上,推导了含裂隙单元渗透系数表达式。基于嵌入裂隙单元（EFE）模型,使用离散裂隙网络（DFNs）技术与连续介质渗流分析方法,提出了利用连续介质渗流分析方法模拟非连续介质渗流效应的数值模拟技术,通过算例对该方法的有效性进行了验证,分析了单元尺度大小对该方法计算准确性的影响,并提出了提高计算精度的措施。工程实例研究表明裂隙岩体渗流分析的EFE模型能够真实地模拟坝基岩体渗流路径和孔隙压力分布,更好地揭示坝基的扬压力实际非规则分布形态。     

岩体三维主干裂隙网络渗流分析

基于流体力学的基本理论和二维岩体裂隙网络渗流原理，推广得到了三维岩体裂隙网络渗流基本方程。将三维岩体裂隙网络渗流理论及有限元数值方法应用于主干岩体裂隙网络渗流分析中，得到了令人满意的结果。     

三峡工程裂隙岩石渗流的数学模型（随机分析方法）

三峡工程高陡岩坡内的渗流状态直接影响工程的安全。裂隙的存在，特别是裂隙的几何特征的随机性，使得准确预报岩体内的渗流状态相当困难。通常，研究岩体渗流是把裂隙岩体当作是连续介质，以便用连续介质力学的方法来分析岩体内的渗流。但是，在水利工程中，用这样的办法来预报渗流状态，与实际出入很大。该文论述古典的渗流理论论不适于用来分析三峡工程等的裂隙岩石渗流问题。概述现代裂隙岩石渗流理论在两个方向的发展。为了能真     

裂隙岩体热流模型研究

基于裂隙岩体地区渗流场和温度场的相互作用机理和流体力学及传热学基本原理,研究了裂隙岩体地区一、二维温度场的分布,进而对裂隙水流量、流体性质、水岩温差等影响温度场分布特征的物理量进行了分析,建立了单裂隙岩体地区温度场模型。根据现场温度场数据,就可以计算裂隙岩体渗漏流量、流速等水文地质参数。     

岩体渗流-应力耦合裂隙网络模型研究进展

裂隙岩体结构复杂,岩体的渗流特性与应力环境存在着密切关系,渗流场对应力场同样也存在影响.在国内外相关研究的基础上,系统地归纳了岩体渗流-应力耦合裂隙网络模型的建立思路、裂隙处理方法等.提出地下岩体中裂隙网络是无法完全可观测的,实际得到的数据并不充分,在随机模拟时,如何选择反映实际岩体特性的随机分布还有待进一步研究,在耦合模型中如何更真实地表征裂隙随应力的变化关系也需进一步研究.