辐射流动条件下粗糙圆盘裂隙中浆-水两相流特征

裂隙灌浆是处理坝基工程地质问题的重要手段，而现有的裂隙灌浆研究常忽略了水相对浆液扩散过程的影响，不能真实反映浆液侵入过程。为了准确地模拟坝基裂隙灌浆过程，采用相场法分析了裂隙介质中浆液侵入特征，构建了考虑水相作用的粗糙圆盘裂隙数值模型，分析了裂隙粗糙度、裂隙开度、灌浆速度、灌浆压力对辐射流动条件下浆液侵入特征的影响。研究结果表明：恒定灌浆速率条件下，相界面移动速率随时间逐渐减小；粗糙凸起体会引起黏性耗能，导致粗糙圆盘孔口压力显著大于光滑圆盘；恒定灌浆压力条件下，提高灌浆压力比延长灌浆时间更加有效，开度越小浆液侵入量越小；灌浆驱水效率不仅受粗糙度大小的影响，还与凸起体的分布相关；灌浆孔附近的粗糙凸起体引起的剪切速率扰动大于远场的。     

松散坝基灌浆加固的封孔浆体性能研究

压力灌浆是对松散坝基进行防渗加固的有效手段,但在松散土石混合体压力灌浆防渗施工中存在难封孔、低压重复劈裂、难以起压等问题。从封孔浆体劈裂破坏模型、封孔浆体止浆机制及浆液性能对封孔止浆效果的影响等方面对封孔浆体止浆性能进行了研究。结果表明:影响封孔浆体劈裂压力及保压时间的因素主要有浆料强度、裂隙开度、浆液流变性及浆体高度;封孔浆体的劈裂压力与注浆料的流变性相关,随封孔浆料强度的增大而相应变大;封孔浆体劈裂压力随裂隙开度的增大而降低,裂隙开度对劈裂压力的影响随封孔浆体高度的增加明显增大;适当提高封孔浆体强度可以有效减小裂隙开度,提高封孔浆液浓度也有利于获得较大的塑性黏度和屈服应力,确保浆体封孔效果。     

水泥灌浆浆液运动及压力技术分析

水泥灌浆是裂隙性岩体防渗与加固工程的主要手段之一,特别是在水利水电工程地基处理中被广泛采用。灌浆过程的控制多体现在灌浆压力与流量的关系上。本文围绕水泥灌浆工程中水泥浆液在岩体裂隙中的运动方式,探讨了水泥浆液的运动规律及灌浆机理,分析了灌浆对地表抬动的作用及影响灌浆压力使用的控制因素,提出了水泥灌浆的双限控制压力技术,可供水泥灌浆设计和施工参考。     

双重裂隙系统断裂损伤渗流张量研究

针对双重裂隙系统渗流，提出断裂损伤渗流张量模型，该模型将主干裂隙网络模拟为非连续介质模型，将裂隙岩块模拟为具有一定开度的扁平圆盘裂纹，由裂隙统计分析和Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ法产生随机网络系统。根据断裂力学理论，按照裂隙的断裂扩展过程建立起渗流张量的演化方程。     

宜昌砂岩轴压致裂和人工裂纹下的渗流试验研究

对受压缩荷载致裂的宜昌地区砂岩，通过试验研究轴压、围压、裂隙几何尺寸和岩性等因素对渗流量的影响。对于压裂的泥质砂岩，当裂隙的深度(对应受力面积)与开度的比值越大时，试件的渗流量受围压的影响就越大，轴压与渗流量成非线性关系；对于钙质砂岩，其流速随围压的变化显得波动很大，规律性较差，而在一定的围压作用下，轴压与流速呈二次抛物线的非线性关系；对于钙质粗砂岩，围压越大，其渗流流速与轴压的关系越是接近于直线。为加深认识，与无填充人工切割裂隙和填充人工切割裂隙的渗流成果进行对比分析，研究表明：无填充人工切割裂隙的渗流量与轴压呈线性关系主要是由于渗流断面积过大引起。填充人工切割裂隙的渗流试验表明，砂粒在没有冲紧密实之前其渗流量测量数据是没有可重复性的，不但受到轴压的加载路径影响，还受到围压的加载路径影响。充填密实后，人工裂隙中有砂充填时，轴压和流速仍呈线性关系。对砂岩轴压产生的裂纹， 0Mpa到1Mpa的过渡过程中，渗流量迅速衰减(二次项系数衰减达21/22),衰减量远大于有砂粒填充的有一定开度的人工节理。分析指出：在卸荷引起的长久存在的拉应力区中的垂直于拉应力作用方向的裂隙渗流的能力将远大于裂隙面被压应力挤紧的裂隙渗流速度。     

大足石刻砂岩模拟裂隙灌浆试验

裂隙渗水是导致世界文化遗产大足石刻文物破坏的一个重要因素。将一种无机环保的改性偏高岭土灌浆材料拟用于大足石刻保护工程,为研究该新型材料的可灌性,进行了室内模拟裂隙灌浆试验。通过石刻砂岩岩板控制裂隙的张开度,着重研究此种材料不同水灰比的浆液在不同灌浆压力、灌浆时间下的灌浆过程及浆体进入裂隙的最小宽度。试验表明浆液能进入的裂隙最小宽度值与水灰比、灌浆压力和灌浆时间均有关;水灰比是控制浆液可灌性的首要因素,而压力的提高并不能显著提高灌浆速度;提高水灰比、灌浆压力及灌浆时间均可改善细小裂隙的灌浆效果。     

坝基裂隙岩体三维灌浆数值模拟

坝基灌浆工程地质条件复杂且具有隐蔽性,如何建立能准确反映岩体内裂隙分布情况的三维随机裂隙网络模型,并进行浆液扩散特征的研究是灌浆数值模拟的关键和难点。现有研究大多通过岩体揭露面统计资料估计裂隙的几何参数,无法有效反映复杂裂隙真实特征,且灌浆模拟研究中多将裂隙简化为单一裂隙或规则裂隙网络。本文采用Monte Carlo法建立三维随机裂隙网络模型;提出三维裂隙宾汉姆流体灌浆数学模型,实现对随机裂隙内宾汉姆浆液扩散特征的研究;运用该模型对某水电站坝基裂隙岩体灌浆过程进行模拟,结果表明：浆液主要在与灌浆孔相交的裂隙内流动,灌浆压力在灌浆孔附近衰减速率最快且对浆液扩散的影响较为显著。同传统裂隙灌浆模拟相比,该方法能有效反映复杂裂隙的真实特征,获取更贴近实际工程的灌浆结果,为保障灌浆工程的安全建设和经济合理性提供了理论依据。     

基于传递矩阵算法的裂隙注浆扩散机制研究

在裂隙岩体注浆工程中,由注浆压力引起的裂隙位移对注浆扩散过程影响显著.为研究浆体在裂隙岩体流动时浆液的扩散规律,克服以往假设裂隙无开度变化且仅在单一裂隙内考虑浆液扩散的情况,将传递矩阵算法引入宾汉流体本构方程,利用传递矩阵求解任意位置处的裂隙位移,同时建立考虑浆液在岩体间劈裂注浆的简化裂隙岩体模型通过加设阻力来模拟浆液...     

砂岩劈裂裂隙无充填多因素影响下渗流规律研究

岩石裂隙渗流规律复杂,影响因素众多,其研究对工程防渗堵漏意义重大。利用ELE岩石渗透仪对劈裂砂岩进行裂隙渗流试验,采用基于CAD-ANSYS接口程序、ANSYS蒙皮技术,Arc GIS联合建模计算劈裂面面积等方法,试验研究不同应力条件下,劈裂面面积、迹线长度、进出口长度、结构面粗糙度、应力路径等多因素共同影响下的裂隙渗流量变化规律。分析得出应力路径对渗流量有显著的影响:围压恒定时,渗流量与渗透压呈负指数函数关系;渗透压恒定时,渗流量与围压呈幂函数关系。提出不均匀系数λ,可反映渗透压恒定围压持续加载情况下渗流量随围压的变化规律;提出高效控渗临界点和有效控渗临界点,可描述渗透压恒定时渗流量随围压变化的规律,为工程加压止渗提供参考。根据试验结果,推导出裂隙渗流参数转化为孔隙介质渗流参数的渗透系数k的表达式,为裂隙岩体的孔隙介质渗流分析提供借鉴参考。     

宜昌砂岩轴压致裂和人工裂纹下的渗流试验研究

对受轴向压缩荷载致裂的宜昌地区砂岩,通过试验研究轴压、围压、裂隙几何尺寸和岩性等因素对渗流量的影响。对于压裂的泥质砂岩,裂隙深度(对应受力面积)与开度比值越大,试件的渗流量受围压影响就越大,轴压与渗流量呈非线性关系;对于钙质中细砂岩,其流速随围压的变化显得波动很大,规律性较差,而在围压恒定时,轴压与流速呈二次抛物线的非线性关系;对于钙质粗中砂岩,围压越大,其渗流流速与轴压的关系越接近于直线。与无填充人工切割裂隙和填充人工切割裂隙的渗流成果进行对比分析,研究表明:无填充人工切割裂隙渗流量与轴压呈线性关系,主要是由于渗流断面积过大引起。填充人工切割裂隙的渗流试验表明,砂粒在没有冲紧密实之前其渗流量测量数据是没有可重复性的,不但受到轴压的加载路径影响,还受到围压的加载路径影响。人工裂隙中有砂充填密实后,轴压和流速仍呈线性关系。对砂岩轴压产生的裂纹,在0~1MPa的过渡过程中,渗流量迅速衰减(二次项系数衰减可达21/22),衰减量远大于有砂粒填充的有一定开度的人工节理。     

地下水封石油洞库工程的灌浆参数模拟分析

以某深埋地下水封石油洞库为研究对象,针对裂隙岩体,采用离散单元法,选用UDEC软件,将浆液设定为宾汉姆流体模型,研究了各灌浆参数的变化对浆液渗透范围的影响。研究结果表明:增大灌浆压力,浆液的渗透范围显著增大,但在高灌浆压力阶段,更多的灌浆压力用于克服围岩的变形;岩体裂隙越密,浆液的渗透范围越大,但变化不明显;增加裂隙隙宽,浆液的渗透范围不断增加,最后趋向平稳;增加浆液的动力黏度,浆液的渗透范围不断减小,最后趋向平稳。     

考虑各向异性渗流的重力坝深层抗滑稳定分析

坝基裂隙岩体渗流具有各向异性特征,可能对重力坝深层抗滑稳定产生不利影响。采用等效连续介质模型,进行坝基裂隙岩体各向异性渗流分析,采用有限元滑面应力积分法计算重力坝深层抗滑稳定安全系数。将提出的方法应用于GD重力坝深层抗滑稳定分析。案例分析表明,裂隙岩体各向异性渗流会增大作用在坝基滑动面上的渗透压力,降低深层抗滑稳定安全系数。裂隙开度对滑动面上渗透压力的影响最大,裂隙连通率和间距的影响次之,裂隙相对粗糙度的影响最小。     

基于三维随机裂隙网络的坝基多孔分序灌浆数值模拟

大坝基岩内节理裂隙数量众多、分布随机性强。针对裂隙灌浆数值模拟研究现状,在耦合多孔的三维随机裂隙网络岩体灌浆模型的基础上,提出了多孔分序灌浆实现方法,并结合实际工程,进行了考虑隙宽随机分布的裂隙灌浆数值模拟研究,分析了灌浆孔序对浆液扩散压力场和单宽流量的影响规律。通过模拟灌浆量和灌浆时间与实际值的对比分析,验证了该方法的可靠性。     

裂隙岩体的渗流-损伤耦合分析模型及其工程应用

本文对裂隙岩体中的渗流提出一种渗流-损伤耦合分析模型,这个模型将岩体中的裂隙模拟为具有一定张开度的扁平圆盘裂纹,由现场裂隙统计分析和计算机Monte Carlo法产生随机裂隙网络系统,计算裂隙的空间连通率,对其力学行为,运用损伤断裂力学模型予以描述。本文阐述了渗流对裂隙岩体的力学作用和岩体的应力状态对裂隙渗透特性的影响,根据不同应力状态下,裂隙的损伤断裂扩展过程建立起渗透张量的演化方程。最后提出了有限元分析程序并将其应用于工程实践。     

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。     

速凝浆液岩体倾斜裂隙注浆扩散模型研究

针对以往渗透注浆扩散模型常以水平平板裂隙面为前提,未考虑岩体裂隙面产状对注浆扩散机制的影响问题,选取工程地质灾害处理中常用的水泥-水玻璃双浆液(C-S浆液)为速凝类注浆材料,将C-S浆液流型看成是具有黏度时变性的宾汉流体进行分析。基于流体力学理论及粗糙裂隙等效水力开度的确定方法,同时考虑了浆液自重作用的影响,建立了恒速率注浆条件下反映浆液黏度时空变化的倾斜裂隙注浆扩散模型。在此基础上,推导了浆液扩散区内的黏度及压力时空分布方程,定量确定了注浆压力与注浆时间及浆液扩散距离的关系。最后,借助于室内试验和有限元分析程序,研究了恒速率注浆时不同裂隙面产状下的浆液扩散规律,并将数值模拟结果与理论计算值进行对比,进一步验证了所建立的注浆扩散模型的有效性和合理性。研究成果可为注浆工程速凝类浆液注浆参数的确定提供借鉴。     

基于离散单元法的裂隙岩体渗流与应力耦合作用机制研究

采用UDEC离散单元法中关于裂隙岩体开挖模拟及水力全耦合分析模型,分析裂隙岩体洞室开挖后,围岩应力与水力耦合作用导致的裂隙隙宽变化及渗流变化的过程。结果表明：洞室开挖完成后,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的变化是一个动态过程,且相互作用与相互依赖;裂隙的闭合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;裂缝张开度增大,渗透能力增强,渗流量增大,其渗流压力相应降低;由于围岩中裂隙隙宽、压力和渗流量的动态依赖性,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。研究成果初步表明了所采用方法的有效性,并为研究裂隙岩体中开挖洞室引起的突水问题提供了潜在的研究方向。     

考虑裂隙迹长和开度相关性的随机裂隙网络数值模拟及渗流分析

基于蒙特卡罗法,引入裂隙迹线长度和开度的相关性函数,提出了一个改进的随机裂隙网络生成算法。利用MATLAB平台编制程序,实现二维裂隙网络的生成,通过与布尔模拟生成的真实裂隙场的比较,验证了改进算法的有效性和程序的正确性。然后借助离散裂隙网络渗流模型对生成的裂隙网络进行渗流分析。分别在考虑迹长开度相关性和不考虑二者相关性的条件下,计算了随机裂隙网络的渗流场,给出了下游边界出口裂隙流量分布和裂隙网络内部水压力的分布。计算结果表明,考虑裂隙迹线长度和开度的相关性能很好地反映裂隙网络渗流的结构特征,从而证明了所提方法的合理性。该模型是对随机裂隙网络模型的有效补充,可为岩体工程渗控分析提供理论基础和数值计算工具。     

裂隙岩体渗流模型及渗流参数的现场试验研究

裂隙岩体渗流常受控于主干渗流通道，表现出明显的分类、分带和分级性。以裂隙渗流主通道为骨架，以各向异性连续体渗流为基础的双重介质渗流模型较适合裂隙岩体诊流。针对拉西瓦工程花岗岩体渗流特点，综合样本单元体积理论研究，提出了以吸水率为裂隙网络渗透能力的特征量，分类划分两种模型，分带、分级地生成渗流网络的方法。并以导水系数和渗透张量为工具，利用改进了的气压或水压止水胶囊三段压水器，摸索了在同一钻孔中分别对主干渗流通道及合裂隙岩体测试渗流参数的双重介质同孔渗流参数测试法。     

裂隙岩体渗流耦合数值分析方法及其工程应用

针对岩体中主干裂隙和网络状裂隙提出了耦合渗流数值模型模拟分析岩体地下水三维渗流的方法。使用离散介质渗流模型描述岩体主干裂隙中的水运动，使用连续介质渗流模型描述网络状裂隙中水运动。连续介质充满整个研究域，离散介质按主干裂隙的实际空间分布嵌入连续介质中，并依据裂隙壁水力条件耦合两者。该方法逐个计算主干裂隙的渗流，充分体现主干裂隙的特殊水力作用；同时又避免了逐个计算网络状裂隙中的渗流所带来的困难，可以在较大尺度上分析渗流，便于工程应用。理论例子显示它能比较客观地反映裂隙岩体的渗流特性。该方法被应用到乌江构皮滩水利枢纽岩体渗流的分析中。