高压引水隧洞陡倾角断层岩体高压压水试验研究

结合一抽水蓄能电站高压岔管区高压压水试验,详细介绍了具有陡倾角断层岩体的高压压水试验方法及试验成果。探讨了岩体高压下水力劈裂区扩展的波动理论和渗透破坏特性,明确了岩体与土体渗透破坏形式差异。试验首次对岩体内的渗透压力和变形进行了同步测量,以了解高压条件下岩体的渗透变形特性。在高孔隙压力作用下,岩体的变形发展试验成果表明,岩体应力和稳定性分析过程中孔隙压力的作用不可忽视,因此采用耦合理论对高孔隙压力环境下的工程岩体进行分析有助于降低围岩失效风险。     

裂隙岩体高压渗透特性研究

随着越来越多高水头电站、深部地下工程的建设,工程中面临更多渗透失稳风险,必须通过现场试验系统研究裂隙岩体的高压渗透特性和渗透稳定性。通过现场揭示和水-岩相互作用关系,探讨裂隙岩体的高压渗透破坏机制和破坏模式。基于多个高水头电站中的高压压水试验和高压渗透试验成果,研究高水头压力作用下裂隙岩体的水力劈裂、渗透变形、抗冲蚀性能、渗透稳定耐久性等特性。研究成果表明,高压条件下裂隙岩体的渗透特性会发生显著改变,变化规律和特征与所作用的水压力、应力赋存环境和物质填充情况紧密相关。     

高渗压条件下基于非达西流的裂隙岩体渗透特性研究

钻孔高压压水试验是评估高水头条件下岩体渗透特性的主要手段。目前,高水压条件下岩体的渗透特性估算多借鉴基于Darcy流假定的钻孔常规压水试验行业规程推荐公式,尚缺乏成熟、有效的计算方法。基于非线性Izbash定律,建立高渗压条件下岩体渗透系数的估算公式,并将高压压水试验P-Q曲线分为线性段、非线性段和水力劈裂扩展段。提出的公式应用简便,各压水试验段岩体渗透系数的确定只需稳态下的流量和水头,并且表征水流流态的系数m可通过曲线拟合得到。通过对琼中抽水蓄能电站高岔区钻孔高压压水试验数据的研究表明,岩体的渗透特性不受水流流态的影响,在高压压水试验的线性段和非线性段基本保持一致;岩体发生水力劈裂后,岩体的渗透特性将急剧增大。建立的公式可为高渗压条件下岩体的渗透特性取值提供一种有效的途径。     

溪洛渡水电站坝基岩体钻孔常规压水与高压压水试验成果比较

为了确定岩体在不同压力作用下渗透特性的变化规律，溪洛渡不溻站坝基岩体专门作了钻孔常规压水与高压压水的对比试验，通过对试验成果的比较，获得了从常规压水到高压压水过程中岩体透水率Lu值和P－Q曲线的变化规律。     

钻孔高压压水试验的数值模拟

为了从理论上进一步讨论高压水作用下岩体的渗透特性，建立考虑紊流、层流、扩张、劈裂、冲蚀和淤堵现象的应力场与渗流场耦合的连续介质模型和应力场耦合Oda渗透张量模型，并编制相应的有限元计算程序WS^3D。采用该程序对惠州抽水蓄能电站的钻孔压水试验进行数值模拟，得到压力水头P与水流量Q的关系曲线（P-Q曲线）与高压压水资料吻合较好。同时，根据数值模拟中的现象和结果进行分析可知，在高压压水试验中，层流、紊流、扩张、劈裂、冲蚀、淤堵现象中的一种或几种现象共同作用决定P-Q曲线的类型。     

地下石油储备库在高水头作用下裂隙岩体的渗透性试验研究

裂隙岩体的渗透特性是核废料处置、水利水电、油田开发、矿山和大型洞库等各类地下工程领域内经常遇到的问题,而埋深超过百米的地下岩体已超出常规压水实验的应用范围,仅适合施做高压压水试验或者注水-消散实验,后者仅在部分石油储备库项目中为国内学者所研究。本文以某垂直水幕孔为例,首次应用两种压水实验方法研究高埋深状态下的裂隙岩体渗流情况,高压压水试验的3级压力定为0.5MPa、1.0MPa、1.5MPa,注水-消散试验的试段压力为静水压力+0.5MPa。研究发现,两种压水实验皆能够正确获取岩体的渗透系数,但适用范围有所区别。     

抽水蓄能电站高压压水试验成果分析

结合某抽水蓄能电站高压压水试验资料,分析在高压水作用下岩体的透水率、临界压力等特性。     

400 m级高水头隧洞岩体抬动劈裂及渗透研究

嘎堆水电站水位落差756 m,其高压引水隧洞段最大水头为406 m。沿线岩体在高水头作用下面临有抬动、水力劈裂、渗透稳定和渗漏量过大等问题。为了保证工程的安全可靠,通过深埋隧洞,利用上覆岩体自身的重量、强度和地应力来减小高水头压力的不利影响。施工阶段结合地质编录、地应力测试和高压压水试验,对以上工程地质问题进行了专门的分析研究。评价认为引水隧洞线路设计合理,围岩满足406 m水头的抗抬动、抗劈裂要求。局部断层和挤压破碎带可能存在渗透稳定和渗漏量过大问题,需采取衬砌和固结灌浆处理,但无法完全解决渗漏问题。建议电站运行期间加强引水隧洞沿线边坡渗水情况巡视观测,如发现异常,应及时采取处理措施。     

裂隙岩体水力学特性研究

 基于裂隙中的水流运动规律,通过现场压水试验,研究裂隙岩体的渗透特性及其高压渗透特性,重点分析其水力学特性的应力相关性。试验研究表明,裂隙岩体的渗透性与应力赋存环境密切相关,且对应力十分敏感;裂隙岩体的应力环境、水力劈裂压力及裂隙充填情况不同,其高压渗透特性有较大差异。同时,通过总结前人的研究成果并结合数值试验分析,从裂隙岩体渗流的非连续性、非均质性、各向异性、优势水力特性及尺寸效应等多方位描述裂隙岩体的水力学特性,对其水力学特性及其成因进行综合评述。     

高压压水试验的综合探讨

高压压水试验不但能反映裂隙岩体渗透特性,还可以评价各类结构面抵抗水力劈裂破坏的临界压力值大小,为地下工程灌浆处理裂隙岩体时提供依据。本文主要对高压压水试验在深钻孔中的应用做了详细的分析。     

Coupled hydro-mechanical effect of a fractured rock mass under high water pressure

To explore the variation of permeability and deformation behaviors of a fractured rock mass in high water pressure,a high pressure permeability test(HPPT),including measuring sensors of pore water pressure and displacement of the rock mass,was designed according to the hydrogeological condition of Heimifeng pumped storage power station.With the assumption of radial water flow pattern in the rock mass during the HPPT,a theoretical formula was presented to estimate the coefficient of permeability of the rock mass using water pressures in injection and measuring boreholes.The variation in permeability of the rock mass with the injected water pressure was studied according to the suggested formula.By fitting the relationship between the coefficient of permeability and the injected water pressure,a mathematical expression was obtained and used in the numerical simulations.For a better understanding of the relationship between the pore water pressure and the displacement of the rock mass,a 3D numerical method based on a coupled hydro-mechanical theory was employed to simulate the response of the rock mass during the test.By comparison of the calculated and measured data of pore water pressure and displacement,the deformation behaviors of the rock mass were analyzed.It is shown that the variation of displacement in the fractured rock mass is caused by water flow passing through it under high water pressure,and the rock deformation during the test could be calculated by using the coupled hydro-mechanical model.     

深部巷道底板岩体渗透性高压压水试验研究

岩体渗透性是反映岩体水力学特征的重要参数,为探究深部岩体的渗透性,采用钻孔高压压水试验手段,对东滩煤矿深部巷道底板四段岩体进行了现场原位压水试验,获得了大量实测数据。试验和数据分析结果表明：岩体在压水过程中经历了“隔水-导渗-稳渗”的过程,随着压水的进行,岩体的渗透性不断增强。东滩煤矿深部底板的厚层泥岩具有低阻弱渗的特点,厚层砂岩和互层具有高阻弱渗的特点,四段岩体原始状态下渗透性均较差。注水压力与流量关系曲线具有很好的指数关系,除厚层砂岩外,厚层泥岩和互层的注水压力-流量关系具有明显的分段性。岩体等效裂隙宽度随着注水压力的增大具有较好的指数关系且具有明显的分段性,即可分为突变点前的稳定阶段和突变点后的突增阶段。可通过裂隙宽度变化量是否大于0来判断岩体内是否发生明显渗流。研究结果有助于加强对深部岩体在水压作用渗透性变化的认识,为深部煤层的安全开采提供重要的参考依据。     

岩石剪切裂隙渗流特性试验与理论研究

 通过在三轴应力条件下对丹江口库区辉绿岩进行剪切破坏得到剪切裂隙,然后对剪切裂隙进行不同围压和裂隙水压力(渗透压差)作用下渗透性能的试验研究。研究结果表明：绝大部分岩样在剪切破坏后会形成单条贯穿剪切裂隙,这种剪切裂隙的渗透系数与净围压的关系符合指数函数特征,且受环向应变影响很大,但受轴向应变影响较小;裂隙水压力对裂隙渗透系数影响明显,在相同净围压下,裂隙水压力越大,渗透系数越大,其主要原因是较大的裂隙水压力使裂隙两侧基岩产生附加变形,导致隙宽增加。基于试验数据和理论分析,根据三维应力下的裂隙–岩块位移模型推导考虑裂隙水压力的渗透系数计算公式,该公式可以较好地描述不同围压和裂隙水压力下实测渗透系数的变化趋势,并且公式中的参数均可根据简单的三轴压缩试验得到,计算结果与实测数据符合较好。     

基于压水试验资料的岩体透水性分形特征研究

采用R／S分析方法对钻孔常规压水试验资料进行了分析，给出了能反映岩体透水性特征的分维数。通过对不同水电工程中压水试验的分析，探讨了不同岩性、构造条件下裂隙岩体透水性的分形特征。     

岩石高压渗透试验装置的研制与开发

 为提高对低渗透岩的测试精度,缩短渗透性测试时间,研究岩石(体)高孔隙水压力条件下的渗透、力学特性及其破坏机制,开发研制一套岩石高压渗透试验装置。该套装置可针对大尺寸,不同规格(圆柱体或方柱体)岩石(体)或碎石土还原在其原始地应力状态下进行渗透性及相关力学试验研究。围压、渗透压最大可加到30 MPa,轴向荷载最大可加到4 000 kN。试验通过精确度量渗出水体积的变化进行流量测定,大大提高了测试精度、缩短了测试时间。试样进水端水压以静态伺服阀为主要控制元件,可在脱离计算机控制条件下保持某一稳定水压值不变。在试样出水端采用管路过滤器、调速阀等组件对水流速度大小进行调控,当调节的流速与通过试样的渗透速度达到平衡时,即可在出水端产生某一稳定的水压值,进而在试样两端建立稳定的水压差。计算机调控灵活,具有可视化,可根据实际情况随时调整试验方案,而且操作命令语句可任意加长以满足试验要求。该试验装置解决了高孔隙水压、小水力梯度条件下的各种渗透性、高渗压下力学性质试验研究技术难关,这将为水电工程、石油、核电等领域相关试验研究提供新的测试手段,具有重要意义。     

裂隙岩体渗透特性反演分析

 提出裂隙连通率与连通系数的近似转换方法;采用该转换方法,建立含单组裂隙岩体的等效渗透张量;基于有限单元法,建立一套单孔定向压水试验数值模拟方法,并进行大量数值试验;以数值试验结果作为BP神经网络的训练样本,结合定向压水试验实测资料,提出反演裂隙岩体渗透特性(等效渗透张量)的方法,并通过工程实例验证该方法的可靠性。     

大连地下石油储备库初始渗流场数值反演

 初始渗流场分析是水封式地下石油储备库设计中的重要内容和先决条件,现场压水试验只能提供较准确的各向同性渗透系数,而不能反映各向异性的渗透特征。结合大连地下石油储备库工程,提出一种基于随机节理网络模拟技术反演岩体各向异性渗透特征的方法。首先,采用三维离散元程序3DEC内置的Fish语言,直接生成不同尺寸的三维节理网络模型,通过推导的判别式来统计模型中各组节理的个数及产状信息。其次,利用裂隙介质的渗透张量理论计算不同尺寸的岩体渗透张量,进而确定节理岩体的表征体元(REV)。根据现场压水试验实测资料,修正节理岩体的渗透张量,再利用Matlab软件计算渗透主值及渗透特征向量。最后,考虑渗透系数的空间正交各向异性,采用FLAC3D的Fl_anisotropic的渗流模型反演库区的初始渗流场,为水封式地下石油储备库水幕设计及稳定性分析提供较合理的初始渗流场条件。     

地下硐室围岩应力状态及相关参数测量结果的分析与评价

在深埋及压力硐室工程中,采用水压致裂法测定围岩三维应力状态,宜首先判定围岩应力的分布状况。在具有应力松弛圈、应力集中区与不受开挖影响的正常应力分布域情况下,只有分别进行计算分析,才能更为真实地揭示出硐壁围岩的三维应力分布特征。对于确定压力硐室围岩自身承载能力的水力劈裂测试成果,只有结合裂隙性状、岩层结构状况等进行全面分析,才能准确评价围岩的抗载强度。由于在高压力作用下,岩体中存在的软弱结构面有可能被张裂或扩展,从而改变岩层的透水性,因此只有按照工程运行状态下围岩实际承受的压力进行高压压水测试,才能得到岩层透水性的可靠资料。     

地下硐室围岩应力状态及相关参数 测量结果的分析与评价

 在深埋及压力硐室工程中，采用水压致裂法测定围岩三维应力状态，宜首先判定围岩应力的分布状况。在具有应力松弛圈、应力集中区与不受开挖影响的正常应力分布域情况下，只有分别进行计算分析，才能更为真实地揭示出硐壁围岩的三维应力分布特征。对于确定压力硐室围岩自身承载能力的水力劈裂测试成果，只有结合裂隙性状、岩层结构状况等进行全面分析，才能准确评价围岩的抗载强度。由于在高压力作用下，岩体中存在的软弱结构面有可能被张裂或扩展，从而改变岩层的透水性，因此只有按照工程运行状态下围岩实际承受的压力进行高压压水测试，才能得到岩层透水性的可靠资料。