裂隙网络岩体非稳定渗流场与应力场耦合分析

岩体裂隙网络渗流的特点是渗流沿裂隙网络定向流动,体现出明显的非均匀性和各向异性,这决定了裂隙网络渗流的特殊性;裂隙岩体中渗流与应力的相瓦作用主要也是通过岩体中的裂隙.从裂隙网络渗流的特点出发,以岩体裂隙网络渗流与岩体应力相互影响、相互作用的耦合机理为基础,研究裂隙岩体中渗流场和应力场相互影响以及二者随渗透水流时间及边界条件的变化规律\编制相应程序,并通过算例进行了验证;考虑耦合情况下,裂隙岩体渗流场与应力场较不考虑耦合时均有明显变化.     

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。     

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。     

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].     

单裂隙水流稳定温度场理论分析

对描述单裂隙内渗流对温度分布影响机理的数学模型进行了初步探讨和分析，认为：①在假定裂隙水流为常物性、稳定二维层流、不可压牛顿型流体的前提下，得出的单裂隙水流稳定温度场表达式表明水流速度场分布与温度场没有关系，由数学模型得出的温度场可叠加到渗流场上，但不影响该渗流场，而且结果具有普遍性；②温度场中的温度是渗流场中渗流流速的函数，渗流速度变化越大，温度场的分布变化也越大；③对单裂隙水流稳定温度影响的研究，有利于裂隙水流温度场和非连续性裂隙岩体渗流与温度相互作用关系的研究；④在稳定温度场下，推导出的单裂隙水流温度不再变化时裂隙的变化长度与裂隙宽度的关系式具有一定的理论价值。     

岩体单裂隙渗流研究进展

从岩体单裂隙渗流状态、影响因素、研究方法 3个方面简要综述了国内外研究进展,并做了相应的讨论。分析表明:岩体单裂隙中的渗流状态可分为稳定流和非稳定流,各渗流状态有其对应的数值方程表征;影响单裂隙渗流的因素有粗糙度、开度、应力、充填物、温度等因素;单裂隙渗流研究方法可分为理论研究法、试验研究法和数值模拟研究法等。岩石裂隙成因类型、裂隙尺度、多场耦合、数值算法等方面对裂隙渗流的影响需要进一步深入研究。     

考虑岩体与裂隙水流热量交换作用的温度场有限元数值分析

裂隙岩体的温度场是岩体多场耦合中重要的研究内容之一,也是国内外研究的热点和难点问题之一。基于热传导方程的基础上,建立考虑岩体与裂隙水流热量交换作用的温度场数学模型,采用有限单元法进行了数值求解。研究结果表明:当岩块温度与水流温度存在温度差值时,二者之间会有一定的热量传递,并最终稳定于二者之间的某一温度。所建立的裂隙岩体温度场数学模型为裂隙岩体多场耦合分析奠定了一定的基础。     

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.     

岩体粗糙裂隙网络渗流分析的子单元法

岩体粗糙裂隙的细部特征对区域整体渗流分析影响很大,以往渗流分析往往没有考虑粗糙裂隙细部特征以及其对整体渗流分析的影响。提出子单元法来分析岩体粗糙裂隙网络渗流,则可以较好的分析上述影响。子单元法将每一裂隙当成一个单元,裂隙内部则分成若干子单元,裂隙单元的总体水力特征受所有的子单元联合作用控制,而细部水力特征由单一子单元体现。根据单裂隙开度分布统计规律模拟裂隙开度分布,将单裂隙等长分段(子单元),根据模拟开度参数求得裂隙中任一子单元的平均隙宽,进一步推导裂隙的单宽流量公式和子单元结点的水头公式。利用岩体裂隙网络渗流理论,结合粗糙单裂隙等宽流量公式,求得各裂隙结点水头,进一步求得裂隙的单宽流量,进而求得裂隙子单元水头和流速。通过分析可得粗糙裂隙网络渗流与平滑裂隙网络存在明显不同:(1)裂隙网络中任一裂隙单宽流量计算公式不同,粗糙裂隙的等效水力隙宽小于平均隙宽;(2)裂隙内水头分布形式不同,光滑裂隙呈直线状分布,而粗糙裂隙呈阶梯状分布;(3)组成裂隙网络渗流传导矩阵的计算公式不同,粗糙裂隙网络考虑了裂隙细部水力特征对渗流的影响;(4)粗糙裂隙子单元法考虑了裂隙开度分布不均匀对裂隙过流能力的影响,更加合理。本研究可为实际工程提供参考。     

地应力对采动裂隙岩体渗流特性影响的研究

岩体总是赋存于一定的渗流场和应力场中的,在裂隙岩体中开挖洞室将打破最初的平衡状态 , 引起渗流场和应力场发生变化,因此研究地应力场对渗流场的影响具有重要的意义。采用 UDEC 程序 , 利用数值试验的方法 , 研究了块体边界尺寸以及初始地应力对在节理裂隙岩体中开挖洞室引起隧洞内涌水量变化的影响。结果表明,随着块体边界尺寸和初始应力比的增加,开挖后隧洞内的涌水量均减小。     

单裂隙水流作用下岩体稳定温度场理论模型与有限元数值模拟

建立了单裂隙岩体的几何模型,在不考虑热对流、热辐射的前提下用岩体导热微分方程描述了裂隙岩体稳定温度场分布及定解条件,并进行了理论方面的分析;给出了岩体导热偏微分方程的有限元描述,应用FEPG软件对裂隙岩体二维稳定温度场分布进行了数值模拟。模拟结果表明:由于和裂隙水流发生了热量交换作用,裂隙岩体温度场也随之发生变化;裂隙岩体和裂隙水流温度相差越大,温度等值线越密集,岩体温度场变化越大,热量传递越快。     

裂隙参数对岩体水流-传热温度影响的数值模拟分析

在岩体多场耦合中,裂隙岩体的温度场一直是国内外学者研究的热点问题。基于裂隙岩体概念模型,应用3DEC程序计算不同裂隙参数下岩体的温度场、裂隙出水口水温的变化特征。结果表明:裂隙相同进水温度对岩体温度场影响微弱,进水温度高的裂隙主导岩体温度场,裂隙进水温度对模型达到稳态所需要的时间影响较小;裂隙水流速度越大和开度越大,则岩体相同高度处温度越高;端裂隙水流速度的减小和开度的减小延长了模型达到稳态所需要的时间;由于两条端裂隙的边际效应,使其参数对岩体温度场起主导作用;裂隙水温、流速、开度对岩体温度场影响的大小排序为水温流速开度。     

小湾高拱坝坝区渗流场对应力场的影响

结合小湾水电站高拱坝工程，分析坝区岩体多重理解隙网络渗流的特点及渗流对应力的影响机理，采用多重裂隙网络模型和有限元数值方法对小湾高拱坝建坝蓄水后坝区渗流场和渗流场影响下的应力场进行分析计算。可以看出，建坝蓄水使坝区渗流场发生较大变化，且使大坝附近的坝基岩体竖向有效应力有增大，也使坝肩岩体的拉应力增大。     

裂隙倾角对石油洞库水封效果的影响

结合某大型地下水封石油洞库工程,采用离散单元法,运用UDEC软件,模拟了不同工况下,不同倾角裂隙的存在对洞库渗流场的影响,并进而分析了在各渗流场情况下,洞库的水封效果的变化。结果表明:洞库周边的裂隙水压随角度增大而增大,在20°至40°中,裂隙水压快速增大,在40°至70°中,裂隙水压缓慢增大;相同水封措施对倾角较小的裂隙岩体的水封效果比大倾角裂隙岩体的水封效果差,要维持同等的水封效果就需要加大水幕洞水头,但是小倾角洞库的涌水量较大倾角洞库的小。     

某水电站引水隧洞突水数值模拟

 离散元软件 UDEC 可以用来模拟裂隙岩体的开挖以及进行水力全耦合分析。采用 UDEC 来模拟裂隙岩体开挖后在水力耦合作用下渗流流量与其对应水压力的变化过程并预测可能发生的突水灾害。结果表明开挖洞室以后,在围岩渗流与应力耦合作用下,围岩中裂隙隙宽、裂隙中水压及其渗透流量三者相互作用、相互依赖。裂隙隙宽的减小使得结构面水力梯度变大,作用在裂缝上的渗透压力增大,促进导水裂缝扩展,裂隙连通性增加。裂缝隙宽增大,渗透能力增强,渗流量增大,其渗流压力相应降低。在一定条件下,裂隙隙宽的改变可导致局部水力通道的形成,高压水头从局部涌出,从而促进突水灾害的形成。西南某水电站在深部裂隙岩体中开挖引水隧洞,该处地应力高且外水压大,容易引起突水灾害,对其进行了突水数值模拟,提示了一些可能发生突水的位置。     

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。     

基于示踪试验的多重裂隙网分级与渗透参数确定

裂隙岩体渗漏已经成为危害水库坝体和地下厂房的重要问题,由于裂隙岩体中存在不同规模的裂隙,因此研究裂隙网络中地下水流运动规律有助于解决地下工程的防渗问题。以某抽水蓄能电站为例,在上水库和地下厂房之间进行了现场示踪试验,根据试验结果对裂隙网络进行了多重分级,并计算了各分级裂隙网络的渗透参数。结果表明:各渗透参数基本随着裂隙网络级数的增加而减小,且各分级网络的渗漏量与导水系数成正比,同时室内试验结果也验证了这一规律的正确性。因此,多重裂隙网络的分级有助于确定裂隙岩体渗漏通道的规模,为裂隙岩体渗流的计算提供可靠的渗透参数,从而为地下工程的防渗提供依据。     

岩体裂隙网络非线性渗流分析

裂隙中水流为紊流状态时，流量与水力坡度呈非线性关系，不再满足线性的立方定律，以岩体裂隙网络中结点的水量平衡来建立岩体裂缝网络非线性渗流控制方程式，提出矩阵求解方法和迭代运算步骤，并给出应用算例与验证。算例结果表明，不能采用岩体裂隙网络线性渗流规律来代替岩体裂隙网络非线性渗流规律。