单裂隙水力特性的研究

目前单裂隙水流规律广泛采用立方律描述，裂隙中的流量与裂隙两表面间的平均张开度成立方这一关系是从理论上推导出来的。而裂隙随应力发生非线性变形，使裂隙中的水流特性发生变化。本文依据Ｄｅ－ｔｏｕｒａｎｙ和Ｓｕｎｄａｒａｍ的实验数据，研究了在法向应力状态下，裂隙内水力特性的变化规律，发现裂隙内的水流规律不符合立方律，单位水头流量与裂隙开度成指数关系而与应力成幂律关系。     

法向应力作用下单裂隙渗流规律的研究

对现有关于法向应力作用下单裂隙渗流的实验结果进行了系统的分析和总结,发现幂律关系(包括立方律)不足以描述单裂隙的渗流规律,并根据Sundaram等人的实验结果建立了法向应力作用下单裂隙单位水头的水流速率q与其裂隙开度b,裂隙闭合量Δb和法向应力σ之间的关系。并根据其它实验结果验证了上述关系的普适性。     

高应力下砂土与结构界面单剪试验研究

利用改装自RMT-150B试验系统的单剪试验仪进行饱和砂土与结构界面单剪试验,研究高应力条件下界面本构模型及界面剪切刚度变化趋势,为高应力状态下涉及到界面力学问题的工程设计、计算提供理论依据。试验中,首先对剪切盒中的砂土进行固结,然后法向应力恒定在高应力水平上开始界面剪切,并记录试验数据,剪切时保证砂土能相对自由的变形。试验结果表明：高应力下界面剪应力剪切位移关系曲线呈现非线性弹性一理想塑性特征,不同于直剪试验条件下二者呈现的双曲线关系;三参数威布尔分布曲线能克服NEPP模型中双曲线的缺陷,其取代双曲线形成新的非线性弹性理想塑性模型能更好地拟合试验数据。界面初始剪切刚度的回归结果表明,相对于幂函数,线性函数更适合描述界面初始剪切刚度同法向应力之间的关系。基于新的界面模型给出了界面切线剪切刚度的公式,同时比较了2种模型的界面切线剪切刚度随剪切位移的变化趋势。     

花岗岩裂隙中的水-岩换热

为了研究裂隙岩体中的渗流传热问题，研发岩石裂隙水-岩换热试验系统，采用控制变量法对花岗岩裂隙试样开展不同温度、体积流量、水力开度下的对流换热试验.基于Forchheimer方程分析裂隙渗流流态，计算换热系数，定量研究温度、体积流量、水力开度的影响，并进行各影响因素的敏感性分析.结果表明，在体积流量和水力开度不变的情况下，随着裂隙试样温度由70℃升高到100℃，出口水流温度和换热系数均提高；在裂隙试样温度与水力开度不变的情况下，体积流量从10 mL/min增大到80 mL/min，出口水流温度线性降低，换热系数与体积流量增长关系为幂函数关系，且随着体积流量增大其增长速度减缓；裂隙试样温度与体积流量保持不变，裂隙水力开度增大，换热系数线性减小，裂隙粗糙度增大，换热系数增大.利用敏感性函数对换热系数进行影响因素的敏感性分析，换热系数受裂隙试样温度的影响最大，其次是裂隙体积流量，影响最小的是水力开度.     

大理岩剪切裂隙渗流特性

针对高水头抽水蓄能电站、高坝枢纽工程和深埋隧洞工程的建设和运行中,由于高水压造成的突涌水及岩体失稳问题,以大理岩为例,研究了大理岩剪切裂隙渗流规律.试验结果表明:径向渗流试验中,渗流过程符合达西定律,水头压力与流量呈线性关系;裂隙面中局部张拉破坏的特征对渗流起到了阻碍作用;法向力对裂隙渗流的影响显著,在法向应力从14 MPa升至19 MPa过程中,渗流通道随法向力的增加出现了闭合现象,裂隙中形成了大面积死水区,渗流特性表现出突变.     

岩石粗糙裂隙大范围雷诺数条件下渗流特性

通过试验和理论分析,研究不同几何参数的岩石粗糙裂隙渗流的非达西系数β、临界雷诺数Re_c、非达西效应因子E等变化特性。研制裂隙渗流试验仪器,制作9个不同开度和裂隙粗糙度(joint roughness coefficient, JRC)的单裂隙模型,开展大范围雷诺数Re条件下粗糙裂隙渗流试验。根据渗流试验结果,得到了不同粗糙度(JRC=2~20)单裂隙的渗流特性,显示出粗糙度对裂隙的非线性渗流特性产生显著的影响。结合Forchheimer方程,从理论参数方面,对粗糙度的影响进行量化。研究显示:裂隙粗糙度越大,则越容易引起裂隙渗流的非线性,临界雷诺数越小,非线性作用越强。     

岩石粗糙裂隙大范围雷诺数条件下渗流特性

通过试验和理论分析,研究不同几何参数的岩石粗糙裂隙渗流的非达西系数β、临界雷诺数Re_c、非达西效应因子E等变化特性。研制裂隙渗流试验仪器,制作9个不同开度和裂隙粗糙度(joint roughness coefficient, JRC)的单裂隙模型,开展大范围雷诺数Re条件下粗糙裂隙渗流试验。根据渗流试验结果,得到了不同粗糙度(JRC=2~20)单裂隙的渗流特性,显示出粗糙度对裂隙的非线性渗流特性产生显著的影响。结合Forchheimer方程,从理论参数方面,对粗糙度的影响进行量化。研究显示:裂隙粗糙度越大,则越容易引起裂隙渗流的非线性,临界雷诺数越小,非线性作用越强。     

规则表面节理剪切力学行为研究

运用颗粒流软件中平行粘结方式建立岩石节理直剪模型,用smooth-joint接触方式生成两种规则节理表面。在不同法向荷载下进行直剪试验,研究了法向荷载与峰值剪切强度的关系和剪切破坏特征,以及法向位移、接触力和微裂隙数量随剪切位移的变化情况。发现规则节理的峰值剪切强度随锯齿倾角和台阶数量增加而增加,且与法向应力有较好的线性关系;节理表面颗粒接触力随外荷载和剪切过程而变化,易在锯齿尖端和台阶转折处密集分布;锯齿节理的锯齿尖端被剪断,但台阶节理沿台阶根部被剪断,法向位移因沿锯齿爬坡或被剪断的台阶顺时针旋转而增加;微裂隙数量在剪切过程中经历增长缓慢、快速增加阶段,最后趋于不再增加。     

粗糙单裂隙高速非达西渗流特性的试验研究

针对裂隙岩体渗流破坏灾害问题。研制符合不同节理粗糙度的拟岩体粗糙单裂隙试件,开展了可变裂隙开度、高水力梯度粗糙单裂隙非达西渗流室内物理试验。研究表明,高渗流速度情况下,渗流水力梯度与渗流流速之间呈现非线性关系;Forchheimer方程能良好拟合高流速条件下粗糙裂隙渗流情况;提出非达西影响系数的半经验关系式,为工程实践中突涌水量预测提供重要参考。     

考虑裂隙-岩块间水交换的单裂隙非饱和渗流数值模拟

为了研究单裂隙非饱和渗流的水力特性,根据裂隙面分形维数、裂隙面位错值和面积接触率,提出了采用随机布朗函数生成裂隙开度分布的方法;基于裂隙局域立方定理成立的假定,并考虑裂隙-岩块间拟稳态水交换,建立了单裂隙非饱和渗流数值分析模型。模拟得到的裂隙毛细压力-饱和度以及非饱和渗透系数-毛细压力的关系曲线能够反映排水、吸水间的滞后性及体现排水时的进气值和残余水饱和度。模拟结果与试验结果的定性对比表明,建立的模型可为考虑裂隙-岩块间水交换的单裂隙非饱和渗流模拟提供合理可行的方法。最后对比了考虑与不考虑裂隙-岩块间水交换的裂隙非饱和渗透系数-毛细压力关系曲线,结果表明,在高毛细压力(低饱和度)下,可忽略裂隙-岩块间的水交换。     

A new apparatus for investigating stress, deformation and seepage coupling properties of rock fractures

A true triaxial apparatus which is composed of three units was presented. The apparatus allows for investigations on deformation and seepage behaviors of a single rock fracture subjected to lateral stress and normal stress. The first unit has three jacks which can apply loads independently in three orthogonal directions. The second unit is used to supply water inflow, control seepage pressure and measure flow velocity in real time. The third unit is for measuring the normal deformation of rock fractures. Some tests for investigating the normal deformation and seepage behaviors of rock fractures subjected to normal and lateral loads on hard granite specimens with an artificial persistent fracture, were introduced. The results show that both the normal deformation and the hydraulic conductivity are influenced not only by the normal stress but also by the lateral stress. It is also shown that the aperture and the hydraulic conductivity decrease with the increasing normal stress but increase with the increasing lateral stress and both the aperture and the hydraulic conductivity obey exponential relationships with the normal stress and the lateral stress.     

岩石裂隙的法向蠕变及渗流的影响

法向蠕变是岩石裂隙的重要力学性质之一．通过分析岩石裂隙法向蠕变机理、进行干燥及渗流情况下岩石裂隙法向蠕变试验,探讨了岩石裂隙的法向蠕变及渗流的影响．研究表明,对于粗糙岩石裂隙来说,瞬时有效应力总等于裂隙凸起的压缩强度,因而初始法向蠕变明显,而后随接触面增加,蠕变速率逐渐降低;渗流过程中,岩石裂隙法向蠕变更加明显,且初次加栽应力水平下岩石裂隙法向蠕变远大于后续加载应力水平;岩石裂隙法向蠕变不能决定岩石裂隙渗流能力的降低,水力冲蚀作用明显时,可能产生裂隙渗流能力随裂隙法向压缩而增大的情况;岩石裂隙的蠕变闭合与岩石裂隙面粗糙度有关,粗糙度越大,岩石裂隙蠕变闭合量越大．研究结果对岩石裂隙法向蠕变的数值模拟及工程实践有一定参考价值．     

Effect of expansive fillings on fracture seepage

Based on an investigation of the damage process of fractures filled with expansion media, samples of filling media col-lected on the spot, were obtained. The physical water properties of fracture fillings were tested by a WZ-2 type Dilatometer. Given our test results of the hydrated properties of fracture fillings and the mechanical parameters of altered rock mass collected from the Daye Iron Mine and comparisons between the expansion stress of fracture fillings and mechanical parameters of altered rock mass, the effects of the mechanical response of fillings on fracture seepage are discussed. The results show that the ratio of filling swell pressure to tensile strength of altered rock specimen varied between 11.79 and 36.77 and the ratio of filling swell pressure to shear strength of these rock specimen ranged from 72.11 to 171.18. Therefore, fillings have an important effect on fracture seepage, and the effect of deformation of the fracture caused by swell pressure of the filling mechanics cannot be ignored either. The multiple hydraulic coupling effects of fillings on the impact of fracture permeability are discussed according to theoretical analyses. It is shown that the effect of expansion of fracture fillings greatly affects the deformation of altered rock masses. Both tensile effect and shear effect produced by fracture fillings greatly increase the permeability of fractures. The plastic and liquefaction effects of frac-ture fillings also improve the permeability of fractures. On the basis of this analysis, a mechanical seepage model of filled fracture is established.     

无充填周期性裂缝岩体的等效渗透系数（稿件编号：201600412）

为了研究无充填周期性裂缝岩体的渗流特性,建立了地下水流动分析模型,该模型假定裂缝和岩石交界面流速相等且剪应力连续。根据分析模型的边界条件,耦合Navier−Stokes方程和Brinkman-extended Darcy方程,推求出裂缝和岩石中水流的流速分布。结合线性Darcy定律,推导出无充填周期性裂缝岩体沿裂缝方向等效渗透系数的理论表达,该表达式揭示裂缝开度对等效渗透系数起控制作用。为进一步验证理论模型推求的成果,研制试验装置开展渗流试验。试验时用浇筑混凝土模拟岩石,用混凝土间缝隙模拟岩石裂缝。测得的平均渗透系数和理论计算得到的等效渗透系数在同一量级,且相差很小。试验结果验证了所推求等效渗透系数表达式的正确性和可靠性。     

Microscopic characteristics of different fracture modes of brittle rock

Ａｓｕｒｖｅｙｏｆｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｃｓｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｒｅ ｖｅａｌｓｔｈａｔｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋｏｎｒｏｃｋｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎ ｉｃｓｈａｓｍａｉｎｌｙｆｏｃｕｓｅｄｏｎＭｏｄｅⅠｆｒａｃｔｕｒｅ (ｏｐｅｎ ｉｎｇｍｏｄｅ) ,ｉｎｐａｒｔｉｃｕｌａｒ,ｏｎＭｏｄｅⅠｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓｔｅｓｔｉｎｇ[1 2 ] .Ｈｏｗｅｖｅｒ,ｐｒｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇｃｒａｃｋｓｉｎｒｏｃｋｍａｔｅｒｉａｌｓｏｒｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｉｅｓｉｎｒｏｃｋｍａｓｓｅｓａｒｅｓｅ…     

基于三维裂隙网络的岩体剪切特性尺寸效应分析

为研究复杂裂隙岩体剪切特性的尺寸效应,以西藏怒江松塔水电站PDC3平硐为例,在现场采集裂隙信息的基础上,基于颗粒流PFC^3D软件通过统计学方法及蒙特卡洛原理生成三维裂隙网络,构建等效岩体,进行大尺度直剪模拟试验得到裂隙岩体的抗剪强度、内摩擦系数及内聚力,分别研究其尺寸效应并确定不同参数下的REV尺寸,继而对相关参数和试样尺寸分别进行非线性回归拟合,探究其函数关系。结果表明：抗剪强度、内聚力及内摩擦系数随着试样尺寸的变化而趋于稳定,且不同参数得到的REV大小不同;综合分析不同参数的REV尺寸,得出研究区裂隙岩体的剪切特性REV尺寸为11 m×11 m×11 m;通过函数关系拟合,抗剪强度、内聚力和内摩擦系数与试样尺寸之间均存在指数函数关系。该成果为研究复杂裂隙岩体的力学REV以及合理确定力学参数提供了依据。     

Rock fracture under anti-plane shear (Mode III) loading

Anti-plane punch-through shear test and anti-plane four-point bending test are used to study the crack initiation and propagation under anti-plane shear (Mode III) loading. The tensile and shear stresses at the crack tip are calcualted by finite element method. The results show that under Mode III loading the maximum principal stress σ₁ at crack tip is smaller or a little larger than the maximum shear stress τ_max. Since the tensile strength of brittle rock is much lower than its shear strength, σ₁ is easy to reach its critical value before τ_max reaches its critical value and thus results in Mode I fracture. The fracture trajectory is helicoid and the normal direction of tangential plane with the fractured helicoid is along the predicted direction of the maximum principal stress at the notch tip. It is further proved that Mode I instead of Mode III fracture occurs in brittle rock under Mode III loading. The fracture mode depending on the fracture mechanism must be distinguished from the loading form. Foundation item: Project (50374073) supported by the National Natural Science Foundation of China; project (2002032256) supported by the Postdoctor Science Foundation of China     

高放废物贮存复杂裂隙岩体的渗流传质特性

裂隙对高放废物深地质处置工程的渗流与传质过程影响显著。基于统一管网法（UPM）,考虑裂隙网络粗糙特性及吸附与衰变因素,研究裂隙岩体核素迁移机制,并针对单裂缝岩体溶质运移解析解进行基准测试。基于粗糙裂隙网络水力隙宽等效方法,研究裂隙粗糙度分布、岩石基质吸附能力及裂隙岩体传质特性对核素迁移过程的影响。结果表明,核素运移的突破曲线随着裂隙粗糙度的增大而向长时间方向移动;岩石基质扩散系数和延迟因子的增大极大提高了其对核素迁移的延迟效应;具有较长半衰期的核素易在岩体中积聚成相对较高的浓度,而较低的水力梯度值对相对浓度场分布特性的影响更为显著。