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.     

UDEC下保护层开采裂隙演化及瓦斯渗流规律

为了研究中远距离下保护层开采后的裂隙演化与瓦斯渗流规律,运用UDEC 4.0离散元数值模拟软件,以郭庄矿为研究对象对中远距离下保护层开采后的裂隙演化与瓦斯渗流规律进行了数值模拟研究,并进行了现场验证.模拟结果较好地再现了中远距离下保护层开采过程中上覆岩层裂隙的发育情况和发育程度,揭示了被保护层瓦斯压力和瓦斯流量的变化规律.现场结果表明,中远距离下保护层开采过后,瓦斯压力降低了0.5 MPa;瓦斯含量降低了5.25m3/t;透气性系数增加到了原来的600多倍.     

裂隙介质非饱和渗流多尺度机理与数值模型研究进展

裂隙介质非饱和渗流过程的预测和控制对地下工程应用具有重要意义。从渗流机理、预测方法和宏观尺度渗流模拟等方面对裂隙介质非饱和渗流研究进展进行了系统的分析总结。首先,评述了从非饱和单裂隙到交叉裂隙再到裂隙网络不同尺度下的复杂渗流行为及其理论预测方法,并分析了非饱和渗流行为对宏观水力参数的影响;其次,归纳了非饱和渗流数值模型和本构模型及其适用性,简述了不同模型在场地尺度非饱和渗流模拟中的实际应用。这些研究成果提高了对裂隙介质非饱和渗流规律的认识,并为工程应用提供了手段。     

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．     

隧道开挖过程中复杂裂隙围岩的固流耦合分析

隧道通过裂隙岩体的含水区段时,人为扰动了裂隙岩体、地下水等构成的复杂地质系统,是造成各种涌水、突水、突泥事故的重要原因。为了研究复杂地质条件下隧道开挖过程中岩体变形、流体运移相互作用过程,探讨其对隧道涌、突水的影响,在上述复杂过程进行理论分析的基础上,根据深埋隧道围岩裂隙发育规模与工程尺度的关系,建立可以同时考虑不同级别裂隙网络的复杂裂隙岩体水力学模型,采用有限元法对复杂裂隙岩体中开挖隧道的固流耦合过程进行了数值模拟,模拟结果体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用和网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应,开挖过程中复杂裂隙岩体渗流场与应力场的耦合作用显著的增加了隧道围岩屈服区。     

岩石单裂隙水力特性试验研究进展

岩石单裂隙渗流特性是研究裂隙岩体渗流的基础,由于岩体工程实践的迫切需要,国内外研究者众多.本文以岩石单裂隙渗流的数值模拟和实验室试验的研究内容为线索,综述了粗糙度、隙宽、曲折流、沟槽流、平行板模型等概念和应力、温度、各向异性、入渗水头、尺寸效应、溶解等因素对岩石单裂隙渗流的影响,最后给出了目前存在问题及展望.     

裂隙岩体渗流场与应力场耦合数学模型的研究

首先研究裂隙岩体中应力场改变对地下水渗流场的影响作用机理,推导出渗透系数k和给水度μ受应力影响的表达式,进而分析渗流场的变化,地下水的作用引起应力场环境变迁,导致裂隙岩体的渗透变形,在此基础上建立了裂隙岩体中应力场与渗流场耦合作用研究工作程式和具"点荷载"特征的等效连续介质耦合数学模型,并应用于一隧道工程实例进行了计算.     

节理裂隙岩体渗流与应力耦合分析

在总结已有的饱和非饱和渗流模型的基础上,把裂隙岩体看作是离散网络模型,分析研究了含节理裂隙岩体的非饱和渗流特性,建立了裂隙网络饱和非饱和渗流模型,并推导了控制方程.对节理裂隙岩体中外力对裂隙渗流的影响进行了分析研究,提出了渗流场-应力场耦合的分析模型,推导出三维应力与裂隙水压力共同作用下一组平行裂隙组的渗流应力耦合关系式.     

深部薄层煤岩体裂隙-孔隙双渗流模拟研究

结合工程实例,对开滦赵各庄矿14水平(-1 225 m)开拓东大巷揭露的薄层煤岩体渗流演化过程进行数值模拟,通过调节渗透系数,获得了薄层煤岩体裂隙-孔隙双渗流在时间和空间上的孔隙水压变化过程,结果表明:渗流主要发生在充填裂隙143S薄煤层中,且随着渗透系数的增大,地下水体渗透距离增大,而渗透水压减小;143S薄煤层模拟水压过程曲线具有明显的峰值特征和时间滞后效应,而过渡层孔隙水压则不具有这些现象,这与所推导的一维裂隙-孔隙双渗流解答一致;渗透系数在10-8~10-10 m2/(Pa·s)数量级范围内,裂隙水压峰值与其滞后时间呈幂率型相关关系,143S薄煤层渗透系数在10-8 m2/(Pa·s)数量级范围较为切合实际.     

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。     

承压煤岩低气压渗流灾变

为探索含低压瓦斯煤层的瓦斯异常涌出灾变成因与机理,对目前该领域的文献进行了分析与总结,并通过工程案例实证分析,证明了此种灾变的存在;在流固耦合实验系统上,按背景工程约束与加载条件开展含低气压煤样承压物理试验,得到了灾变全程应力-声发射-流量实验数据及试样外表破坏情况;用UDEC,按背景工程边界与加载条件开展气-固耦合离散元数值试验,得到了灾变全程应力-应变--流速-位移速率等实验数据及试样内部破裂情况.研究结果表明:3种研究方法获得了一致性较高的结果,0.4 MPa气体压力下,煤层承压过程应力-煤-气耦合作用,可以导致发生喷出气体的灾变,在煤矿现场多表现为瓦斯异常涌出超限;在单自由度边界条件下施加单向压载,承压煤岩弹性变形前期,气体沿原生裂隙和孔隙呈常速稳态渗流;弹性变形后期,原生裂隙和孔隙被压密,气体呈减速稳态渗流;屈服阶段,扩容新生裂隙产生,气体呈加速非稳态渗流;达到极限荷载或峰后不久,发生气体喷出灾变;采、掘作业面正常通风条件下,气流瓦斯浓度持续降低,是煤层发生瓦斯异常涌出的警示信息,应引起高度重视.     

含充填物的大理岩裂隙扩展过程及破坏特性

为了进一步了解非直裂隙的破坏机理,以天然粗粒大理岩及含不同充填物的大理岩为研究对象,采用全自动化雕刻设备进行裂隙试件制作,然后分别对"/"型裂隙试件和"S"型裂隙试件进行单轴压缩试验.试验结果表明:1)在压缩试验中,"/"型和"S"型裂隙试件均发生剪切破坏,其破坏迹线基本一致;2)在同样外荷载作用下,含充填岩体破坏损伤度明显小于无充填岩体,充填物不仅影响前期强度还影响峰后残余强度的提高,其充填试件峰后应变增幅达到18.75%;3)不同的充填物对岩体抵抗开裂的能力不同,水泥浆的黏结力和强度比石膏好,故水泥浆具有良好的加固效果.试验探讨了非直裂隙("S"型)及充填材料对裂隙岩体破坏的影响,总结了充填材料作用下裂隙的扩展模式,为实际工程裂隙化岩体提供实验依据和参考.     

裂隙岩体裂隙网络渗流场—应力场耦合的刚体元分析

基于裂隙岩体初始裂隙网络渗流的离散数值模型，首次采用新的数值方法－－刚体元方法进行裂隙岩体裂隙网络渗流场－应力场耦合分析，既避免了经典渗流理论不考虑介质应力的不足，又克服了工程岩体稳定性分析中简单考虑水渗流作用的缺陷。     

破碎围岩锚注加固浆液扩散规律研究

基于连续介质力学和渗流力学理论,运用渗透张量法得出浆液在破碎围岩中扩散的基本方程;并通过对实际锚注支护工程进行假设与简化,建立锚注加固系统浆液在包含正交裂隙组的围岩中渗透扩散的数学模型.在此基础上,运用COMSOL软件对锚注支护工程进行实时模拟,研究了不同注浆压力和不同注浆锚杆布置方式对浆液流动扩散规律的影响.结果表明：对于巷道锚注支护工程,合理的注浆压力约为1.0～4.0MPa,合理的钻孔间距约为浆液扩散半径的1.3倍左右.将研究成果用于祁南煤矿新掘大巷锚注支护设计,取得了良好的效果.     

裂隙岩体中隧道开挖流固耦合模型及开挖诱发损伤分析

裂隙岩体中隧道开挖会诱发强烈的流固耦合效应,从而引发显著的岩体损伤和水压力扰动,针对该问题,首先建立了一种计算裂隙岩体中隧道开挖和后续排水诱发损伤和裂隙变形的流固耦合模型,然后对不同参数化裂隙网络进行了模拟,最后针对模拟结果给出了实例分析。研究结果表明:所建模型可有效模拟含裂隙网络的岩体中隧道开挖和后续排水降压过程以及岩体损伤发展、裂隙变形和地下水渗流过程;岩体裂隙网络显著影响应力分布的均匀性,隧道开挖和地下水渗流的耦合作用造成隧道周围极易出现高应力区,且局部应力、裂隙变形和水压力之间呈现出显著相关性;不同裂隙网络的分布特征在隧道开挖诱发损伤发展中起到主导作用,进而影响隧道开挖扰动区和损伤区的形成与发展程度。     

新庄铜铅锌矿含水层下防水矿柱留设计算分析

为研究渗流场和应力场共同作用下防水矿柱宽度合理留设问题,结合新庄铜铅锌矿17A号勘探线的实际地质条件,运用数值模拟计算软件FLAC~(3D),研究了初始渗流场的孔隙水压力和渗流速度矢量分布特征,计算了矿体回采充填过程中7个工作面的涌水量,并模拟了工作面顶板的导水裂隙带分布情况,与经验公式算得的防水矿柱高度进行比较.模拟结果表明,工作面与含水层的距离越小,渗流速度越大,涌水量越大,导水裂隙带范围越大,突水的危险也就越大;从渗流场涌水量和应力场导水裂隙带两方面来综合衡量,防水矿柱留设的高度取为40m,相比经验公式的结果提高了矿体利用率.     

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。     

渗流力和结构面水弱化作用下裂隙岩体边坡块体的稳定性

裂隙岩体渗流是影响岩体稳定性的重要因素之一。裂隙中的流体流动不仅会产生渗流力,而且会降低裂隙面的强度,致使边坡失稳、隧道塌方等事故频发。为揭示渗流作用对裂隙岩体边坡块体稳定性的作用机理,基于关键块体理论,提出一种同时考虑渗流力和结构面水弱化作用的稳定性分析方法,其中,渗流力基于渗流理论和统一管网法计算,结构面水弱化根据经验公式确定。以某岩质边坡为例,采用该方法对边坡在渗流作用下的块体稳定性开展研究。研究结果表明,渗流力与结构面水弱化作用对裂隙岩体边坡块体稳定性的作用方式不同,渗流力既会改变块体的抗滑力又会改变块体的滑动力,对块体稳定性的影响较为复杂,包括改变块体的稳定状态、滑移面、失稳形式;结构面水弱化只降低块体的抗滑力,进而降低块体的稳定性,不改变块体的失稳形式。此外,对于裂隙边坡工程,通常存在一个最危险渗流压力值。     

岩体裂隙非饱和渗流试验系统研制及应用

摘　要: 为了准确测定岩体裂隙非饱和水力参数, 并揭示裂隙非饱和渗流特性及规律, 设计研发了一套裂隙非饱和渗流试验系统。该系统不仅可以实现真正意义上的岩体裂隙非饱和渗流, 而且使用高精密的柱塞泵、 电子天平、 压力传感器和回压控制系统等, 可确保试验的测量和控制精度。通过开展岩体单裂隙非饱和渗流试验, 初步阐明了单裂隙非饱和渗流的一些水力特性: 实际岩体裂隙相对于概化模型裂隙具有更大的束缚水饱和度, 而且由于薄膜水和孔角毛细水的存在, 当饱和度很低时, 非饱和渗透系数也较概化模型裂隙大。建立了毛细压力与非饱和渗透系数之间的试验关系, 通过对试验数据的分析提出了毛细压力-非饱和渗透系数的拟合公式, 根据与前人所建立的经验公式对裂隙吸水和排水过程拟合结果的对比可知, 本文公式的拟合精度高, 对于深入研究裂隙非饱和渗流具有一定的参考价值, 同时, 试验结果表明本文试验系统是准确可靠的, 可用于岩体裂隙非饱和水力参数的测定及非饱和渗流特性的研究。     

裂隙岩体温度-渗流耦合数值流形方法研究(研究生论坛)

在建立岩体裂隙岩体温度-渗流耦合微分控制方程的基础上,基于裂隙网络渗流理论和数值流形理论,通过分析考虑裂隙作用的温度场和流形覆盖与裂隙网络的关系,以裂隙网络节点水头、覆盖温度函数为求解量,提出了裂隙岩体温度-渗流耦合的数值流形方法。该方法利用数值流形理论中网格、覆盖及流形单元的关系,可以在同一数学网格下实现了对温度-渗流耦合场的迭代求解。由于渗流裂隙网络必定会与材料边界相交,所以数学网格不受边界及裂隙限制,能够有效的避免常规方法中裂隙处网格划分问题,因此该方法特别适合于模拟裂隙岩体的耦合问题。最后,运用该模型对部分算例进行了计算,验证了方法的正确性。