考虑几何形貌特征的粗糙岩体裂隙渗流特性研究

为了研究粗糙岩体裂隙几何形貌对其渗流特性的影响,采用中心插值法构建三维粗糙裂隙面,基于格子Boltzmann方法,建立模拟岩体裂隙渗流的数值模型,并结合算例验证了该模型的有效性。最后,针对不同相对粗糙度的裂隙面,讨论单侧粗糙岩体裂隙几何形貌对其渗流压降的影响。结果表明:岩体裂隙沿渗流方向相邻点处的平均压降与裂隙表面沿程起伏状况呈相似的变化趋势,在壁面凸起位置平均压降呈增长趋势,而在凹陷的部位则表现为降低。距壁面距离不同裂隙几何形貌对局部压降的影响也有所差别,距离壁面越近裂隙面几何形貌对局部压降的影响越敏感,在裂隙面起伏变化剧烈的部位尤为突出。同时,入口流速也影响着岩体裂隙平均压降,流速越大,粗糙壁面对流体的阻力越大,相应的能量损耗也越大,从而导致相邻点间的平均压降变化越显著,在低雷诺数层流情况下,裂隙入口流速与相邻点的平均压降近似呈线性关系。     

破断岩体裂隙的流体流动特性分析

 讨论立方定律成立的前提条件,指出立方定律只有在裂隙隙宽波动极小的情况下才能近似成立,对于岩体粗糙裂隙来说,此种状态只会出现在裂隙的局部区域,即局部立方定律;而在裂隙隙宽波动较大的区域,则需准确表述裂隙粗糙对流体流动的影响作用。提出天然粗糙裂隙的多平行板离散等效模型,可以有效地适用局部立方定律,推导粗糙裂隙的隙宽表示和流量计算公式;借助数值软件分析隙宽波动对等效模型单元体内部流体压力的作用规律,并定义一个过量压力降损耗系数,基于该系数对粗糙裂隙的流量计算方法进行修正。     

岩体楔形裂隙水压力分布探讨

岩体所具有的节理、裂隙等缺陷是岩体渗流的主要通道,当岩体由于开挖或加载导致岩体的原始地应力状态发生变化时,岩体裂隙的隙宽将会发生变化,而岩体裂隙宽度的变化将引起裂隙中的水压力分布发生变化.假定岩体应力发生变化时,裂隙由平行板裂隙变为楔形板裂隙,由此推导了楔形板裂隙中的水压力分布公式,并与前人的研究结果进行了对比.     

应力对裂隙岩体渗流影响的研究

研究了应力变化对裂隙岩体渗流特征的影响。假设裂隙网络由等效隙宽相等的相互平行的一组裂隙组成，由于应力变化而导致的隙宽变化控制了裂隙岩体渗流的变化，据此得出了裂隙岩体渗透系数及渗流量与应力的关系式。通过裂隙岩体渗流试验，证实了关系式的正确性。利用此关系式及有限元方法计算，得出了裂隙岩体渗透系数随应力的变化值。     

楔形裂隙水头分布研究

岩体是一种具有节理、裂隙等缺陷的材料体,这些缺陷是岩体渗流的主要通道。通常节理裂隙被认为是一组平行板分布,当原始地应力不变时,岩体的渗流状态保持不变。当岩体由于开挖卸荷或其它原因而导致岩体的应力状态发生变化,这时岩体的节理及裂隙等的隙宽或许将会变成楔形,从而使得岩体裂隙中的水头分布方式与平行板的线性分布不同。因此,在立方定律的基础上,推导了楔形裂隙中水头分布的公式,并与前人的研究结果进行了对比,同时探讨了其对边坡安全系数计算的影响,研究表明,所得公式更为合理。     

多级加载下岩石裂隙渗流分段特性试验研究

利用自行研制的岩石裂隙辐射型渗流系统,试验研究室温下粗晶大理岩、中砂岩、灰岩和细晶大理岩4个岩石张裂隙在法向闭合过程中的渗流分段特性及加载历史的影响。根据闭合裂隙的接触状态及流域分布特征,裂隙渗流可分为群岛流、过渡流、沟槽流3个阶段;单位水头流量与法向应力呈指数函数关系,随法向应力增加而降低,后次加载中相同法向应力下单位水头流量明显较低;单位水头流量与力学隙宽呈幂函数关系,幂指数范围为1.93～2.60,可认为接触型粗糙岩石裂隙渗流量与力学隙宽呈次立方关系;后次加载时,相同力学隙宽下单位水头流量也明显较低;水力等效隙宽与力学隙宽呈分段的线性关系,修正的立方定律在相应分段内成立。研究结果对岩体裂隙渗流计算有一定的理论意义。     

基于宾汉姆流体的微裂隙岩体注浆扩散影响机制分析

基于巴顿公式中的标准节理面轮廓线建立微裂隙几何模型,采用纳维–斯托克斯方程,并将浆液视为宾汉姆流体,建立微裂隙注浆扩散有限元模型,对微裂隙注浆过程中浆液扩散过程展开计算分析,获得裂隙粗糙度、隙宽以及浆液黏度等因素对浆液扩散的影响规律。计算结果表明,当浆液黏度较高时,浆液流动损失主要受黏滞力控制,裂隙等效隙宽随浆液黏度呈非线性增长。对于具有相同粗糙程度的裂隙,等效隙宽随黏度的增长曲线均存在一个明显的拐点,随着裂隙粗糙程度增加,拐点逐渐向前推移,并且突变更加明显。通过多元函数拟合建立等效隙宽与浆液黏度以及裂隙粗糙度的拟合公式。当浆液黏度以及裂隙的粗糙度较低时该公式存在一定误差,而在考虑实际注浆需要所对应的参数变化范围内,该公式均具有较好的拟合效果。研究结果对微裂隙岩体注浆扩散理论具有一定借鉴意义。     

基于粗糙岩体裂隙表面反应的格子Boltzmann渗流–溶解耦合模型

为了研究粗糙岩体裂隙渗流–溶解耦合作用机制,根据分段线性法构建粗糙裂隙面,并采用分形维数对其粗糙程度进行表征。基于格子Boltzmann方法,采用双分布函数分别模拟速度场和浓度场的演化过程,假定裂隙表面处的溶解作用满足一阶动力学反应模型,建立基于岩体裂隙表面反应的格子Boltzmann渗流–溶解耦合模型,并结合2个经典算例验证其有效性。最后,讨论分形维数、Pe数和Da数等因素对粗糙裂隙渗流–溶解耦合作用机制的影响。研究表明:裂隙壁面的分形维数越大,溶质的运移速度越缓,导致壁面处的溶解速率越慢。在裂隙壁面凸起位置优先发生溶解,使得壁面逐渐趋于光滑。当Pe数较大时,裂隙渗流流速相对较大,从而加速了溶质的运移以及壁面处的溶解反应,导致壁面几何形貌扁平化,提高了裂隙的渗透特性。裂隙的Da数越大,其在入口处的溶解速率越快,从而导致孔隙率相同时裂隙末端聚集的未溶解部分越多,进而影响裂隙的渗透性。     

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。     

光滑与粗糙单裂隙动水注浆对比试验

采用模型试验在动水条件下对光滑和粗糙的单一裂隙注浆进行了对比研究,分析了光滑和粗糙裂隙在动水注浆过程中的渗流压力、流出液体重量、浆液扩散半径和扩散面积的变化规律。结果表明,渗流压力与裂隙的粗糙度成正比,随裂隙粗糙度的增加而增大;粗糙的裂隙有利于浆液沿逆水流和垂直水流方向扩散但不利于浆液沿顺水流方向扩散;粗糙的裂隙有利于防止被动水冲刷从而达到更好的注浆堵水效果;为了达到理想的注浆堵水效果,在裂隙光滑时应该调节浆液配比缩短浆液的凝胶时间。本文研究结果对根据不同的裂隙粗糙度调整注浆工艺有指导作用。     

含夹层盐岩双重介质耦合损伤模型研究

针对中国地下油气储库建设中所出现的含夹层盐岩问题,考虑夹层和盐岩层之间存在地质界面,采用以节点位移和孔隙压力为自由度的界面单元来模拟水力损伤造成的地层界面的开裂、扩展和流体渗漏;并基于多孔介质流–固耦合理论,建立含夹层盐岩双重介质耦合损伤模型。该模型克服了等效连续介质模型不能正确反映地层界面的渗流问题,又克服了双重介质模型不能考虑地层界面开裂问题。在此基础上,采用数值模拟技术,研究高压流体在泥岩夹层与盐岩的界面渗透及其开裂扩展特征,结果表明,高压流体沿腔体围岩渗漏过程中,含夹层盐岩界面呈扇形状张开,沿界面通道流体压力逐步降低。因此,在层状盐岩储库运营过程中,要严格控制腔体压力,避免在含夹层盐岩分层界面上产生油气渗漏,保持腔体的致密性及稳定性。     

岩石单裂隙稳态渗流研究进展

 从3个方面介绍目前单裂隙渗流研究的最新成果：(1) 单裂隙内的流体运动规律,主要研究裂隙渗流模型和流速分布规律等;(2) 裂隙过流能力的影响因素,包括应力、隙宽、粗糙度、充填物以及多场耦合等;(3) 单裂隙渗流的数值模拟方法,包括裂隙的数值生成方法和模拟技术。系统总结和分析目前最新的研究成果,对渗流研究理论和方法中存在的问题进行深入探讨：裂隙内渗流的流动规律复杂,裂隙渗流模型和机制仍有很多不明之处;剪应力影响是目前裂隙渗流研究的热点,三维应力和拉应力对裂隙渗流的影响也是未来研究的方向,但模拟复杂应力状态下的渗流试验装置仍是研究的“瓶颈”;评价裂隙面粗糙程度仍是一个复杂的问题;数值模拟裂隙渗流与试验方法相辅相成,正确选择合理的数值方法非常重要。     

砂岩劈裂裂隙多因素影响下可视化渗流规律研究

基于自主研发的可视化试验装置,应用颜色示踪技术,进行空间多角度砂岩裂隙渗流试验;通过采用图像不同灰度面积处理技术、裂隙面积分析方法,进行图像分区并统计其渗流面积,首次从可视化角度得出在不同法向应力、渗透压、倾角等多因素影响下渗流扩散面积比关系式,指出裂隙渗流加速汇集效应和优势扩散面积区域。并基于裂隙面三维形态测试数据,获得裂隙面粗糙度精确JRC值,利用该JRC值得到裂隙面二维粗糙度云图,并与渗流扩散面积图像相结合,从而确定渗流优势路径范围,指出低粗糙区域是渗流的主要过流路径,进而解释了渗流扩散区域会随倾角增大而减小原因,为隧道工程实践中的防渗封堵提供依据。     

Numerical simulation of shear-induced flow anisotropy and scale-dependent aperture and transmissivity evolution of rock fracture replicas

Fluid flow anisotropy in a single rock fracture during a shear process is an important issue in rock mechanics and is investigated in this paper using FEM modelling, considering evolutions of aperture and transmissivity with shear displacement history. The distributions of fracture aperture during shearing with large shear displacements were obtained by numerically manipulating relative translational movements between two digitalized surfaces of a rock fracture replica, with changing sample sizes. The scale dependence of the fluid behaviour and properties were also investigated using a fractal approach.The results show that the fracture aperture increases anisotropically during shear with a more pronounced increase in the direction perpendicular to the shear displacement, causing significant fluid flow channelling effect, as also observed by other researchers. This finding may have important impacts on the interpretation of the results of coupled hydro-mechanical experiments for measurements of hydraulic properties of rock fractures because the hydraulic properties are usually calculated from flow test results along the shear directions while ignoring the more significant anisotropic flow perpendicular to the shear direction. This finding indicates that the coupled stress-flow tests of rough rock fractures should be conducted in true three-dimensions if possible. Significant change in fracture aperture/transmissivity in the out-of-plane direction should be properly evaluated if two-dimensional tests are conducted. Results obtained from numerical simulations also show that fluid flow through a single rough fracture changes with increasing sample size and shear displacements, indicating that representative hydro-mechanical properties of the fractures in the field can only be more reliably determined using samples of large enough sizes beyond the stationarity threshold and tested with larger shear displacements.     

考虑土拱效应的斜插式桩板墙合理板间距研究

结合高速公路边坡实际工程,采用ABAQUS有限元软件进行三维数值模拟分析; 从考虑板间土拱效应的角度出发,研究了0.2倍板宽、0.3倍板宽、0.4倍板宽、0.5倍板宽4组不同板间距下斜插式桩板墙的板后水平土压力、板后竖向土压力以及板间土拱强度沿横向的变化规律,并结合结构实用性和安全性,提出了斜插式桩板墙的合理板间距取值范围、板间土拱的拱脚位置以及拱顶参数关系。结果表明:斜插式桩板墙在悬臂段中下部相邻板间以板底作为拱脚形成板间竖向土拱,且板后土压力随深度表现为锯齿状分布,水平土压力小于经典库仑主动土压力,竖向应力大于土体自重应力; 板间土拱的拱脚位于斜插板板底,在设计施工时应进行局部加强以提高设计强度; 当板间距取0.3倍～0.4倍板宽时,板间土拱效应明显,板后土压力较小,建议斜插式桩板墙合理的板间距取值为0.3倍～0.4倍板宽; 所得结论有助于斜插式桩板墙结构的进一步优化设计,并产生显著的经济效益和社会效益。     

超临界CO2在高温裂隙岩体中的热交换研究

近年来,由于超临界CO₂(Supercritical CO₂,简称scCO₂)额外的地质封存效益,将scCO₂替代水,作为深部地热开采的工作流体的设想,正受到越来越多的关注。因此,开展高温裂隙岩体中流体运动和热交换过程的模拟研究,对于理解深部地热开采机理具有重要意义。本文在充分考虑scCO₂热物理性质随压力和温度变化的基础上,建立了基于三维裂隙网络显式描述的复杂高温裂隙岩体scCO₂热-流耦合模型。通过与热流耦合作用下的二维单裂隙模型的解析解进行对比,验证了数值模型的正确性,然后对scCO₂在复杂三维随机裂隙岩体的渗流和热交换过程进行了模拟。研究发现:贯通的裂隙网络通道是scCO₂的主要流动路径,在贯通的裂隙簇中会出现明显的优势流,突破现象最早在贯通裂隙簇中产生,scCO₂流体对压力非常敏感,选择合适的注入压力能显著增加热交换效率和降低流动难度。模拟结果表明,本模型可以很好地展现裂隙岩体换热过程的非均质特性和结构面控制特性,可作为评价scCO₂采热过程的有效工具。     

基于核磁共振实时成像技术的裂隙砂岩渗流特性研究

地下工程岩体内部存在着大量不规则、多尺度的孔(裂)隙,使得其渗流问题十分复杂,研究裂隙岩体的渗流特性及流场分布对岩体工程安全和深部资源开发利用具有重要的工程实际意义.利用核磁共振岩石渗流过程实时在线分析与成像系统对含不同裂隙性状的砂岩试样开展裂隙岩石渗流试验,对渗流过程中试样的体积含水率、T2谱曲线和渗透系数等参数的演...     

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。     

基于区间有限元的渗流分析

对于渗流问题,特别是地下岩体中的渗流,由于条件复杂随机性,具有不确定性。结合区间分析基本理论,给出了裂隙网络渗流区间控制方程。并结合算例利用Monte-Carlo区间分析方法对层状裂隙隙宽为区间变量的流场进行了渗流分析。     

边坡支护结构岩土荷载计算若干问题

为计算不符合朗金条件和库伦条件的边坡支护结构岩土荷载,一些研究者提供了在经典土压力理论基础上扩展而成的岩土荷载计算方法。研究表明,这些方法在岩土荷载方向、在岩坡上填土时岩石坡面视为滑面的条件、考虑与不考虑地震力的岩土荷载公式之间的关系、地下水形成渗流时的土体荷载计算、有潜在滑动面边坡桩板式挡墙岩土荷载计算等方面存在一些问题,导致其实际适用范围明显缩小。