裂隙非饱和渗流试验研究及有地表入渗的裂隙岩体渗流数值分析

就单裂隙非饱和水力参数的试验测定和数值模拟确定、单裂隙非饱和渗流的机理、有地表入渗的裂隙岩体饱和非饱和渗流数值分析以及地表入渗对岩坡稳定性的影响等方面展开了较为深入的研究，并将上述研究成果应用于实际大型工程问题的分析中。主要内容如下：（1）借鉴前人的研究成果，基于动力法原理（即逐次建立水相和气相之间的稳定流动状态），首次研制出一套可同时测定单裂隙毛细压力－饱和度以及非饱和渗透系数－毛细压力关系的实验装置，并提出一种用该实验装置来测定单裂隙非饱和水力参数的物模试验法，使得通过试验来测定单裂隙非饱和水力参数成为可能。（2）运用分形几何和蒙特卡洛模拟等理论，提出一种更合理的确定单裂隙非饱和水力参数的数值试验法，并开发相应的模拟程序。由于该法在生成裂隙充水域时考虑了水和气的“圈闭”效应，故能模拟出裂隙排水与吸水过程间客观存在的滞后现象，这是以往数值试验法所不能做到的。（3）把裂隙岩体等效力连续介质来处理，建立有地表入渗的裂隙岩体饱和非饱和渗流的数学模型。以Galerkin有限元法为模拟手段，研制了相应的算法，并编制了考虑地表入渗的三维饱和非饱和渗流有限元计算程序SUSS3D。算例分析表明，上述模型和计算程序是合理可行的。（4）引入非饱和土的抗剪强度理论，运用刚体极限平衡法，研制出了地表入渗影响下的央坡稳定性验算程序ZSLP。该程序考虑了非饱和带基质吸力对央体抗剪强度的贡献以及暂态附加水荷载的不利作用，使计算结果更贴近实际。（5）将上述研究成果应用于小湾电站水垫塘区岸坡降雨入渗分析，溪洛渡电站水垫塘区岸坡雾化雨入渗分析以及雾化雨入渗对溪洛渡电站水垫塘区岸坡稳定性的影响等实际工程问题的研究。结果表明：地表入渗确会给边坡稳定带来不利的影响，并且本文的模型和计算程序均是合理可行的。     

裂隙岩体非饱和渗流本构关系

基于连续介质的方法，通过裂隙非饱和渗流的二维数值模拟，对裂隙岩体非饱和渗流中应用Van Genuchten(VG)模型和Brooks-Corey(BC)模型进行评价并建立了改进的本构关系。VG模型虽然可以与持水曲线匹配得很好，但是VG模型和BC模型都对相对渗透率估计过低。模拟结果表明：改进的BC相对渗透率-饱和度的关系和VG毛管压力-饱和度的关系结合，可以较好地描述非饱和渗流的本构关系。     

裂隙岩体饱和-非饱和渗流研究进展

本文从裂隙岩体非饱和渗流特性及参数、裂隙岩体浸润面的确定方法、渗流数学模型、工程应用研究等方面对高坝工程裂隙岩体渗流研究现状进行了系统的分析总结。当前,主要沿用多孔介质渗流的方法研究裂隙渗流,所建立的裂隙岩体非饱和渗流水力参数关系还不能真实反映裂隙渗流的特性;连续介质-非连续介质渗流模型能够较好反映裂隙岩体的空隙结构和渗流特性,要继续研究相应的数值计算方法;库水位升降变化及降雨影响下库岸边坡岩体渗流是饱和-非饱和非稳定渗流,应将饱和区与非饱和区统一起来分析。     

裂隙岩体坝基渗流分析

裂隙岩体坝基渗流分析成果是进行大坝工程设计的重要依据之一。采用非连续介质的裂隙网络渗流原理对裂隙岩体坝基进行渗流分析,计算工况包括设置灌浆帷幕和排水孔与否及其组合共四种情况。由计算结果可以看出,坝基总渗流量主要由灌浆帷幕的质量和帷幕区的渗透系数决定,坝基排水孔在排出渗水和降低渗透压力方面起到极其重要的作用。     

裂隙岩体渗流与应力耦合分析

岩体变形与水力特性主要决定于岩体中的裂隙分布、密度和尺寸。本文建议的岩体渗流与应力耦合分析方法以裂隙渗流理论和变形本构关系为基础。文末给出重力坝及坝基渗流与应力耦合数值分析算例。     

裂隙岩体基渗流分析

裂隙岩体坝基渗流分析成果是进行大坝工程设计的重要依据之一。采用非连续介质的裂隙网络渗流原理对裂隙岩体坝基进行渗流分析 ,计算工况包括设置灌浆帷幕和排水孔与否及其组合共四种情况。由计算结果可以看出 ,坝基总渗流量主要由灌浆帷幕的质量和帷幕区的渗透系数决定 ,坝基排水孔在排出渗水和降低渗透压力方面起到极其重要的作用。     

裂隙岩体渗流非连续介质数值模型研究及工程应用

博士学位论文摘要 由于岩体中通常包含有大量的各种尺度的裂隙，因此其力学和水力学性质即使是在单一岩性岩层中也是高度非均质的。如何合理地表征这种非均质性是裂隙岩体数值模拟的关键点和难点。根据对这种非均质性的不同处理方法，     

三维复杂裂隙岩体渗流传热耦合的数值研究

将复杂裂隙岩体视为由离散裂隙网络和岩石基质两部分组成,采用四面体单元离散岩石基质,无厚度三角形单元离散复杂三维离散裂隙网络,考虑温度对流体密度和动力粘度的影响,建立了描述三维裂隙网络的裂隙岩体渗流-传热耦合模型.通过与二维单裂隙渗流-传热耦合问题的解析解对比,验证了该模型的可靠性.随后,利用该模型对复杂三维随机裂隙岩体...     

裂隙岩体渗流概述

从岩体应力场对渗流的控制作用、渗流对岩体的作用机理、应力—渗流耦合三方面,分析了裂隙岩体渗流的主要问题,阐述了裂隙岩体三个基本模型的原理和优缺点,为合理选取裂隙岩体渗流计算模型提供了参考。     

有地表入渗的岩体渗流分析

地下水的来源主要是大气降水产生的地表入渗.许多与工程有关的岩体渗流问题,如研究域相对较大或是孤立的或半岛形山体及丘陵地带,地表入渗常为地下水唯一补给源.本文对这类岩体渗流问题分析方法及程序处理进行了讨论,并给出了工程实例.     

岩体裂隙的网络分析及渗流模型

本文首次运用图理论来阐述裂隙网络的基本构成和特点,并用数值矩阵将复杂裂隙系统的组构关系形象地表示出来,为岩体裂隙的数学描述提供了新方法,由此所导出的裂隙渗流离散数值模型能较好地描述岩体中渗流分布的极不均匀性和渗透空间各向异性机制,为解决工程中的裂隙岩体渗流问题做了新的探索．     

裂隙岩体渗流场与应力场动态全耦合参数反演

 考虑到裂隙岩体渗流和力学行为的发生与发展往往是一个动态过程,同时现场观测资料也是一个动态的时间序列,为能及时利用现场量测的新增信息使参数反演更为合理,基于求解非恒定渗流场与弹性位移场动态全耦合正分析理论与方法,应用建立的混合遗传算法作为优化算法,同时利用水头、位移等多类型动态观测资料,建立了裂隙岩体渗流场与应力场动态全耦合的参数反演思路。为避免在耦合反问题中由于利用多类型量测资料所带来的量纲问题,采用了各时刻水头、位移的相对值来构造量纲一的目标函数。待反演参数同时考虑了力学参数与渗流参数两种类型,包括岩块的弹性模量、各组裂隙的切向与法向刚度系数、各组裂隙的初始等效渗透系数等。最后以一简单裂隙岸坡为算例,针对库水位快速上涨情况,以各时刻的动态全耦合正分析结果作为“假想”的实测数据,进行动态全耦合参数反演。反演结果表明,利用不断新增的实测资料可提高反演精度,最终获得的参数反演解与理论解吻合很好。     

降雨条件下边坡入渗及稳定性分析

使用SWMS_2D模拟了降雨人渗条件下边坡含水量分布的变化过程,并将非饱和土体强度理论应用到强度折减法中,利用基于FLAC^2D的强度折减法对边坡稳定性进行了分析计算。以某公路边坡为例,模拟了不同时刻降雨人渗条件下的含水量分布,采用基于FLAC^2D的强度折减法进行计算,结果显示：降雨过程中边坡内土体含水量上升,非饱和土基质吸力减小,孔隙水压力值上升,边坡稳定安全系数明显降低,降雨结束1500min（25h）后边坡安全系数达最小为1．09。     

砂浆锚杆锚固段锈蚀胀裂过程的数值模拟及分析

为研究砂浆锚杆锚固段的锈蚀胀裂过程，将杆体表面锈蚀产物的体积膨胀作用转化为虚拟径向位移直接作用在杆体孔洞周围，提出杆体发生均匀锈蚀和不均匀锈蚀时，根据锈蚀量确定虚拟锈胀位移的方法。用有限元软件ANSYS8．0中基于弥散固定裂缝模型的具有开裂功能的Solid65单元对砂浆锚杆锚固段保护层的锈蚀胀裂过程进行数值模拟。应用算例说明，在锈蚀量相等的情况下，杆体发生均匀锈蚀和不均匀锈蚀时，砂浆保护层的开裂程度是明显不同的，锈蚀对砂浆保护层的破坏程度是不一样的，由此提出在进行锈胀预测时均匀锈蚀假定应慎用的观点。     

随机裂隙岩体注浆渗流机理及其加固后稳定性分析

 深入分析了国内外岩体水泥注浆理论存在的问题, 从随机裂隙岩体结构模拟、注浆渗透规律及其随机性和各向异性特征以及注浆加固稳定性分析等几个方面建立了适合于巷道围岩注浆的渗流及加固后稳定性分析的模型, 并在模型分析的基础上, 建立了注浆施工设计准则。以非牛顿流体渗流过程为线索, 深入研究了单裂隙、裂隙网络、拟连续介质体的非牛顿流体的渗流规律, 并综合考虑了应力和渗流相互作用的效果; 结合水泥浆液的流变特性, 建立了较实用的注浆渗流系统模型, 并和模拟实验具有较好的一致性;结合岩体裂隙分布的随机性特征, 建立了注浆参数设计的可靠性准则, 并深入分析了岩体裂隙随机分布参数对注浆参数设计的影响。最后以破裂后岩体加固前后的力学性质实验及分析为基础, 建立了巷道注浆后围岩稳定性分析模型, 并综合考虑了注浆滞后时间、支护与围岩相互作用等效果, 从而为所建立的理论模型能真正地应用于实践提供了保障。     

程潮铁矿东区地下采矿引起地表沉降和岩层移动初探

以大量的现场实测资料为基础，分析了程潮铁矿东区地下采矿引起的地表沉降和岩层移动规律。东区现有地表下沉属于不连续下沉，岩层破坏主要是缓慢型破坏。当矿体开采深度与回采累计垂直高度的比值大于17时，岩层移动不会波及到地表：当矿体开采深度与回采累计垂直高度的比值小于17时，分三种情形考虑。     

裂缝性砂岩油藏水驱效果的物理及数值模拟

为了研究裂缝性砂岩油藏中油水渗流规律以及裂缝对油田开发的影响，利用岩石薄板模型，对6种不同裂缝形态下平行裂缝对水驱油过程进行了物理模拟，通过对水驱油效果的分析比较，得出了不同裂缝形态下水驱油渗流规律：根据裂缝性砂岩油藏的储层特点，建立了裂缝性砂岩油藏渗流等效连续介质模型，利用数值模拟的手段，研究了裂缝性砂岩油藏水驱油特征以及裂缝形态对开发的影响；通过物理模拟和数值模拟结果的对比，验证了等效连续介质模型在裂缝性砂岩油藏渗流模拟中的适用性。     

船闸边坡断续节理岩体强度特性分析

根据断续节理岩体模型试验得到的岩桥贯通机理，建立起表征岩桥初裂强度和不同破坏模式下的贯通强度计算公式。计算结果表明，所建立的强度计算模型和模型试验结果基本吻合。因此，本研究成果对正确认识断续节理岩体的强度特性，具有较高的理论和工程应用价值。     

岩体单孔及群孔齐发爆破爆炸荷载数值分析

采用广东岭澳核电站现场岩体的力学特性和基岩爆破参数,利用高能炸药的状态方程模拟岩石乳化炸药的爆炸过程,并假定岩石在爆炸产生的高应变率和高压环境下符合率相关的弹塑性本构关系,由此利用显式动力分析方法模拟单孔柱状装药和群孔齐发爆破柱状装药情况下的岩体爆炸应力波的传播过程,分析岩体爆炸粉碎区边界峰值应力的变化情况和衰减特征,并与相关理论公式进行比较,得到单孔和群孔齐发爆破情况下岩体爆炸荷载随装药量的变化规律。研究结果表明,爆源近区岩体爆炸冲击波压力急剧衰减;岩体爆炸峰值应力随装药量增加而增加;拉应力随药量的增长幅度远比压应力小;单孔药量的变化对岩体爆炸荷载的影响大于最大段药量的影响。工程实践中采用多爆孔小药量的爆破方式能有效减小岩体动态响应。