大理岩裂隙渗流的时间效应试验研究

应用自行研制的辐射型渗流试验装置对含单个张裂隙粗晶大理岩进行不同法向应力作用下的渗流试验,分析法向蠕变对渗流特征与法向应力和水头大小关系的影响。结果表明:在恒定法向应力作用下,裂隙蠕变闭合量与时间呈对数函数关系,随时间增加而增大,呈现出明显的初始蠕变阶段特征;降水头阶段和升水头阶段渗流量均与水头差呈线性关系,岩石裂隙法向蠕变导致恒定法向应力下岩石裂隙渗流能力随时间增加而降低,降水头阶段与升水头阶段相同水头差处流量差值随水头差的增加而增大;在相同水头差作用下,降水头阶段和升水头阶段渗流量均与法向应力呈负指数函数关系,降水头阶段与升水头阶段相同法向应力处渗流量差值随法向应力增加而降低,其原因为裂隙蠕变闭合量与法向应力呈正线性关系。研究结果对岩体裂隙渗流工程实践具有一定参考意义。     

岩石裂隙法向循环加载本构关系试验研究

法向变形对岩石裂隙渗流及应力波传播都有重要影响。在分析岩石裂隙法向变形机制的基础上,结合试验曲线循环滞后及其形状特点,探讨岩石裂隙在法向循环加载下的本构关系。试验得到粗晶及细晶大理岩裂隙岩样的15个循环加、卸载法向应力–闭合曲线。第一循环加载曲线与其他加、卸载曲线明显不同,其拟合曲线单独产生。平移其余加、卸载曲线使其低应力端点通过原点后,采用四参数双曲线–幂函数方程拟合所有曲线。加载累计闭合量和卸载残余闭合量与循环次数存在较好的指数函数关系,可确定循环加、卸载拟合曲线的2个端点;通过初次拟合得到加、卸载曲线幂函数项指数与循环次数的关系,再假定各加、卸载拟合曲线通过循环加、卸载拟合曲线的2个端点,获得幂函数系数的表达式;最后通过2次拟合,先后确定加、卸载曲线最大隙宽及初始刚度与循环次数的关系式。将各循环加、卸载曲线的3个参数拟合值代入双曲线–幂函数表达式,并平移各拟合曲线使其通过加卸载拟合曲线的2个端点,可得到拟合精度较好的连续拟合曲线。研究结果对循环加载下岩石裂隙法向闭合的数值模拟具有一定的实用价值。     

法向应力和水压力作用下岩石单裂隙水力耦合模型

 为突出孔隙水压力对裂隙变形及其水力传导性能的影响,以经典的Biot孔隙弹性模型为基础,通过把裂隙视为一系列空隙的联合体,将广义的Biot有效应力系数扩展到岩石裂隙上。模型通过有效应力系数的引进,建立饱和裂隙在法向应力和孔隙水压力共同作用下的非线性本构方程,同时通过裂隙渗流的“立方定理”得到渗流流速与裂隙变形的关系以及裂隙法向应力作用下的水力耦合模型。模型中包含的4个参数均有其物理意义,并且可以通过裂隙力学压缩试验和渗流试验结果确定。与经典的太沙基有效应力原理不同,该模型中Biot有效应力系数是裂隙位移的函数,强调了不同位移状态下水压力作用效果的不同,突出了孔隙水压力与裂隙变形之间的相互影响。最后,针对不同孔隙水压力下裂隙渗流流速随法向应力变化的试验数据,用该模型对试验结果进行预测,初步证实该模型的准确性和适用性。     

考虑三维形貌特征的粗糙节理渗流空腔模型研究

 为研究粗糙节理中的渗流,建立节理渗流空腔模型。将节理平面离散成1 mm×1 mm的单元格,单元格节点处的隙宽值由节理三维空腔组合形貌确定,假设单元格内渗流服从立方定理,逐一对单元格进行分析,用连续性方程求解整个节理面渗流,编制MATLAB程序进行计算。用大理岩人工节理试件沿节理长度方向将同一节理上表面相对下表面分别错开1,2,3,4,5和6 mm,形成节理不同的接触状态,计算这6种情况下的节理三维空腔组合形貌,得到不同接触状态下节理的隙宽分布和平均隙宽值。将节理渗流空腔模型和立方定理在不同接触状态下的渗流计算结果与节理试件在不同接触状态下的室内试验结果进行比较。分析结果表明：节理渗流空腔模型计算结果比立方定理更接近室内渗流试验结果,但是空腔模型计算结果和试验结果还有一定的差距,并对其误差存在的原因进行分析。     

剪切过程中岩石裂隙的渗流与 应力–应变耦合分析

 首先，考虑不同法向应力，建立岩石裂隙剪切应力和剪切变形的关系，其中对裂隙的弹性矩阵进行修正，并用三段函数关系分别描述岩石裂隙剪应力与剪切变形的3个阶段：剪缩阶段，剪胀至峰值阶段以及残余抗剪强度阶段。然后，结合三阶段裂隙剪切变形与其开度的关系，应用复合单元法，建立剪切过程中岩石裂隙渗流与应力–应变的耦合机制，研究裂隙的剪切变形、开度、导水系数、渗流场和应力场的变化与相互关系。算例分析表明：当裂隙中“充填介质”的力学参数保持不变时，通过裂隙的流速也基本保持不变，不随剪切变形以及法向应力的变化而改变，但由于裂隙开度的变化，故通过裂隙的单宽流量也随之改变；法向应力越小，裂隙的剪胀效应越大，且岩石裂隙的剪切变形对通过裂隙的单宽流量的影响也越大。     

格子Boltzmann方法研究岩石粗糙裂隙渗流特性

为研究岩石粗糙裂隙水力特性,建立了基于格子Boltzmann的压力模型。通过对3组不同试件（平板光滑裂隙、矩形非吻合裂隙、随机隙宽裂隙）的模拟,拟合出流量与平均隙宽的关系。研究结果表明,在所计算的10种工况中,3组裂隙中的水流都接近于层流。只有平行光滑裂隙中的水流的流量与平均隙宽近似成立方关系,矩形非吻合裂隙和随机隙宽裂隙中的流量与平均隙宽呈现超立方关系。改变平均隙宽和进出口压力都会导致流量与平均隙宽的关系变化。同时,进出口压力的改变也会造成两者之间产生次立方关系。     

含裂隙岩石渗流力学特性研究

岩体中裂隙的存在严重影响着岩体的渗流特性。为了解不同载荷作用对含裂隙岩体渗流性能的影响规律,利用高精度渗流应力耦合三轴试验系统,对含裂隙砂岩和粉砂岩加载及卸载作用下的渗流特性进行试验研究。试验结果表明:(1)加载试验过程中,随着载荷的增大,试样裂隙隙宽逐渐减小,渗透率随之逐渐减小,渗透率与有效围压呈负指数关系;(2)卸载过程中,随着载荷的减小,岩石渗透率逐渐回升,但回升路径明显低于原始路径,路径不重合表明试样中裂隙的变形具有塑性变形的特征。根据试验结果,建立渗透率与有效围压的关系式,并确定关系式中的待定参数。在试验及理论研究的基础上,通过数值模拟分析试样裂隙面渗透率及渗流速度的变化规律。     

峰后大理岩非线性渗流特征及机制研究

 在围岩开挖扰动区中,围岩应力和裂隙水压力将会显著地影响其渗流性质。当水头压力梯度增大时,渗流速率增大,Darcy流转化为非线性渗流。首先,采用研制的温度–应力–渗流耦合的岩石力学试验系统进行不同静水压力下大理岩峰后非线性渗流试验,研究渗流速率随压力梯度的演化规律,将其演化过程分为稳定Darcy流、Darcy流向非线性渗流过渡段和非线性渗流3个阶段进行分析,并采用完全二次多项式描述渗流速率与水头压力梯度的关系。然后,通过试验中记录的变形数据,拟合临界启动压力梯度和裂隙水力开度与试样侧向变形的函数关系式,得到不同静水压力条件下由水头压力引起的裂隙水力开度的变化规律;并深入分析临界启动压力梯度、固有渗透系数和二次项系数演化的内在机制。随着静水压力的升高,试样中裂隙水力开度逐渐减小,引起固有渗透系数逐渐减小,二次项系数和临界启动压力梯度逐渐增大;随着水头压力的增大,裂隙水力开度逐渐增大,引起固有渗透系数增大,临界启动压力梯度和二次项系数减小。     

岩石裂隙渗流与法向应力耦合的复合单元模型

首先,基于复合单元原理,建立渗流与法向应力耦合分析的复合单元模型,该模型前处理简便快捷,可含有一组或几组有明确定位的裂隙面,且可考虑裂隙面与相邻岩块的流量交换;然后,采用两场交叉迭代算法,对岩石裂隙的渗流场与应力场进行耦合分析。模型中视岩石裂隙为虚拟的＂充填介质＂,采用＂充填模型＂将有充填和无充填的岩石裂隙统一处理,并进行裂隙面开度与其法向有效应力关系的推导。依据的耦合机制为：法向应力的作用导致裂隙面开度的变化,从而引起裂隙面导水系数的改变,以至渗流场的改变,从而反过来影响应力场。算例分析表明法向应力作用会引起裂隙岩体的渗透不均匀性：局部区域的渗透坡降、扬压力和渗透流速显著增大。研究结果表明在裂隙岩体中进行渗流与应力耦合分析的重要性。     

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。     

二维应力作用下岩石单裂隙渗流规律的实验研究

在对人工充填砂裂进行剪切实验的基础上，分析了剪应力和法向有效应力作用下裂隙岩石的渗流特性，并提出了二维应力作用下裂隙岩石渗流模型，即剪应力和法向有效应力耦合作用下的渗流公式。     

岩石节理剪切过程中应力与渗流特性的数值模拟

 岩石节理剪切过程中应力与渗流特性受节理法向条件的影响很大。在岩石节理表面形状三维数值化表达的基础上,首先建立岩石节理剪切过程中力学与渗流的计算模型;接着,应用GIS技术,模拟分析不同法向条件(固定应力、固定刚度)下节理的剪切过程,获得节理剪切过程中应力与渗流特性的变化规律。结果表明,法向应力、裂隙张开度、渗透系数均随着剪切位移的增加而逐渐增加,整个剪切过程渗透系数增加了两个量级左右;而剪应力的变化却受法向条件的影响,剪应力在出现峰值后快速下降,而后固定应力条件下剪应力很快趋于一个稳定的值,而固定刚度条件下剪应力却又缓慢上升。     

Experimental and numerical study of the geometrical and hydraulic characteristics of a single rock fracture during shear

Coupled shear-flow tests were conducted on two artificial rock fractures with natural rock fracture characteristics under constant normal loading boundary conditions. Numerical simulations using the 3-D Navier–Stokes equations taking account of the inertial effects of fluid were conducted using the void space geometry models obtained from the coupled shear-flow tests. The test and numerical simulation results show that the evolutions of geometrical and hydraulic characteristics of rock fracture exhibit a three-stage behavior. Transmissivity of a certain void space geometry within a fracture is related to the Reynolds number of fluid flow due to the inertial effects of fluid, which can be represented by the Navier–Stokes equations, but cannot be represented by some simplified equations, such as the cubic law, the Reynolds equation or the Stokes equations. The mechanical aperture is usually larger than the hydraulic aperture back-calculated from measured flow rate, and the difference between them is found strongly related to the geometrical characteristics of the fractures. A mathematical equation is proposed to describe the relation between hydraulic aperture and mechanical aperture by means of the ratio of the standard deviation of local mechanical aperture to its mean value, the standard deviation of local slope of fracture surface and Reynolds number.     

单裂隙水流对岩体裂隙法向刚度的影响研究

岩体边坡工程与地下工程稳定性主要依赖岩体中的节理、裂隙、软弱夹层等结构面的力学性态。基于岩体低渗透性与结构面导水性,采用广义双重介质模型,对孔隙空间建立非饱和渗流HM耦合方程。对饱水/干燥裂隙空间建立裂隙受压体积变化的HM耦合方程。通过考虑孔隙和裂隙界面处压力连续,实现两处模型在应力边界上的耦合。对开口裂隙、封闭裂隙、半开半闭裂隙岩体的非饱和渗流过程进行了数值模拟计算。由计算结果得知:裂隙的闭合程度影响裂隙水向孔隙消散,从而影响裂隙刚度;在正应力作用下,裂隙受压逐渐分段闭合,由于裂隙的不同位置具有不同的刚度特征,整条裂隙不具同步性,甚至由于裂隙面性质不同,刚度变化甚至出现反复性。     

Single fractures under normal stress: The relation between fracture specific stiffness and fluid flow

Fracture specific stiffness and fluid flow through a single fracture under normal stress are implicitly related through the geometry of the void space and contact area that comprise the fracture. Data from thirteen different rock samples, each containing a single fracture, show that relationships between fracture specific stiffness and fluid flow through a fracture fall into two general classes of behavior. Fractures either fall on a loosely-defined universal curve relating fluid flow to fracture specific stiffness, or else the flow is weakly dependent on fracture specific stiffness. The second relationship shows that flow decreases slowly with increasing fracture specific stiffness. The first relationship shows that flow decreases rapidly for increases in fracture specific stiffness. To understand this behavior, computer simulations on simulated single fractures were performed to calculate fluid flow, fracture displacement, and fracture specific stiffness as a function of normal stress. Simulated fractures with spatially correlated and uncorrelated aperture distributions were studied. Fractures with spatially uncorrelated aperture distributions tend to exhibit a weak dependence of fluid flow on fracture specific stiffness because these fractures tend to have multiple connected paths across the sample which can support flow with uniformly distributed contact area. Thus an increment in stress will increase the stiffness of the fracture without greatly reducing the amount of fluid flow. On the other hand, fractures with spatially correlated aperture distributions tend to belong to the universal relationship because correlated fractures tend to have only one or two dominant flow paths and the contact area is limited to a few regions resulting in a compliant fracture. Thus an increment in stress on a spatially correlated fracture will result in an increase in stiffness and rapid decrease in fluid flow. These spatial correlations in fracture void geometry can be differentiated in the laboratory based on the observed fracture specific stiffness–fluid flow relationship for a single fracture under normal loading.     

充填砂裂隙在剪切位移作用下渗流规律的实验研究

对充填砂裂隙进行控制位移的剪切渗流实验，结合充填砂的物性，揭示了岩体裂隙发生剪切位移时的渗流规律，并对剪切位移与隙宽、剪切位移与流量、隙宽与流量的关系进行了探讨，提出了砂粒的微小扰动与孔隙比（隙宽）的增加是影响裂隙流量的主要因素。     

多轴应力作用下砂砾岩单裂隙渗流规律试验研究

用劈裂的方法在砂砾岩块上制造裂隙来模拟天然岩体的张性裂隙,在自行研制渗流-多轴应力耦合试验机上开展了一系列单裂隙渗流应力耦合试验,分别研究了垂直于裂隙面加载、平行于裂隙面加载对裂隙渗透能力的影响规律,对单裂隙岩体在多轴应力作用下的渗流规律作了探讨.成果表明,法向应力和侧向应力对裂隙的渗透系数有着明显的影响,共同决定着渗透系数的变化.