有地表人渗的裂隙岩体渗流数值分析及工程应用

有地表入渗的裂隙岩体渗流是一饱和非饱和渗流过程。针对裂隙密度较大的岩体,把裂隙岩体等效为连续介质来处理,建立了有地表入渗的裂隙岩体饱和非饱和渗流数学模型。采用有限元方法作为数值模拟手段,编制了考虑地表入渗的饱和非饱和渗流有限元计算程序。用一室内模型试验对程序的可靠性进行了检验,检验结果表明模型和计算程序是合理的。最后介绍了程序在一实际工程问题中的应用。     

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。     

使用离散的气-水界面模拟裂隙网络非饱和渗流

非饱和带裂隙中的饱和区和排干区可以用一个离散的气-水界面分隔开。此气-水界面的位置可以用边界元数值方法通过迭代确定，这样就可以实现对单裂隙内非饱和渗流的描述。将此数值方法推广到裂隙网络中，为用离散裂隙网络模型模拟裂隙岩体非饱和渗流提供了初步的框架。几个算例的计算结果验证了计算程序的正确性。     

降雨入渗下的三维正交裂隙网络饱和-非饱和渗流实验研究

在单裂隙饱和-非饱和渗流实验成果的基础上,建立了有降雨入渗下的三维裂隙网络饱和-非饱和渗流数学模型,并相应开展了三维正交裂隙网络饱和-非饱和渗流实验研究,分别从渗流时自由水面及降雨下非饱和区渗透荷载分布规律两方面进行了实验验证分析。通过理论计算与实验结果比较,证明单裂隙饱和-非饱和渗流实验关系式是合理可行的,由此所建立的三维裂隙网络饱和-非饱和渗流数学模型具有较好的实验基础。     

裂隙岩体非饱和水力应力耦合的不连续介质模型研究

目前对于裂隙岩体饱和水力应力耦合的研究取得了一些进展,但在很多工程领域不能简单地采用饱和渗流分析,而是要考虑岩体饱和-非饱和渗流、应力耦合作用对工程岩体的强度和稳定性的重要影响.因此在总结众多学者对裂隙岩体水力耦合研究成果的基础上,根据DDA力学计算和非饱和渗流计算原理,提出了基于非连续介质方法的--DDA方法的非饱和水力应力耦合模型;并给出了降雨入渗工况下的边坡水力耦合算例.计算结果表明,边坡稳定性随着降雨入渗时间的增加而减小,降雨强度越大,边坡稳定系数的降幅越大;考虑水力耦合时的边坡稳定性要小于不考虑水力耦合时的边坡稳定性,且在同一时刻,若降雨强度越大,考虑水力耦合与不考虑水力耦合的稳定系数差值越大.仿真试验和工程应用表明其计算成果是符合实践规律的,由此说明了所提出的水力耦合模型能正确反映裂隙岩体的水力学特性,验证了该模型是可行有效的,可付诸于实践.     

降雨入渗下互层状裂隙岩体非饱和渗流分析

在总结缓倾状互层裂隙岩体的裂隙发育规律的基础上,给出了其裂隙网络生成方法;介绍了双重介质非饱和渗流理论,并基于此对缓倾状互层裂隙岩体的非饱和渗流场进行了分析,总结了互层状裂隙岩体降雨入渗条件下的非饱和渗流场的一些特征。     

灰岩单裂隙非饱和渗流–应力耦合特性试验研究

为研究不同应力条件下岩体裂隙非饱和渗流特性及其影响因素,基于自主研发的岩体裂隙非饱和渗流试验系统,对4组灰岩裂隙试样开展变饱和度和不同围压条件下的渗透试验。试验结果表明：(1)随着围压的增加,裂隙进气值增大,非饱和渗透系数–毛细压力关系曲线下降斜率及幅度均减小,在相同毛细压力下,高围压对应的裂隙非饱和渗透系数要高于低围压的情况;(2)通过对比毛细压力、围压这2个因素对非饱和渗透系数的影响发现,随着毛细压力的增加,围压对非饱和渗透系数的影响降低;同样,随着围压的增加,毛细压力对非饱和渗透系数的影响降低;(3)随着粗糙度的增大,裂隙饱和渗透系数降低,残余饱和度有小幅增长;(4)基于不同围压和毛细压力下的裂隙非饱和渗流试验数据,对裂隙非饱和渗透系数与毛细压力和围压的关系式进行拟合,从拟合曲面与试验实测数据的对比来看,拟合关系式可以较为准确地描述试验测得的裂隙非饱和渗透系数随毛细压力和围压的变化。本文对变应力条件下裂隙非饱和渗流过程及规律的研究成果可为降雨入渗条件下的工程岩体稳定分析提供依据。     

裂隙岩体非恒定渗流场与弹性应力场动态全耦合分析

为更真实地反映在环境条件变化以及施工过程等因素作用下渗流场和变形场的行为规律，在裂隙岩体介质小变形的假定下，基于不可压缩水流在复杂应力状态作用下的裂隙岩体介质中运动的一般方程，建立两场动态全耦合的有限元数值模拟方法。在耦合分析中采用统一域混合模型模拟渗流场，对弹性变形场的模拟则采用多裂隙岩体介质和离散裂隙介质分别模拟的方法。对建立的耦合模型采用四自由度全耦合法结合有限元数值方法直接求解，对无压流中自由面的处理则采用固定网格法中的改进初流量法。最后针对水库裂隙岸坡算例，进行能模拟水库蓄水加载过程的静态、动态耦合有限元分析，揭示水库蓄水过程中裂隙岸坡位移场和渗流场的基本变化规律。分析结果表明，考虑蓄水过程中渗流的动态效应时，将会使水库岸坡产生较大的差异沉陷，从而对岸坡的稳定性产生不利影响，对于缓慢蓄水过程可以近似作为静态问题处理。     

裂隙岩体渗流-损伤-断裂耦合分析与工程应用

综合运用岩体结构力学、几何损伤力学及岩石流体力学理论,建立裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合数学模型(扩展FLAC3D模型),在FLAC现有计算模块的基础上,通过Fish研制了其分析程序。该模型的耦合机理:渗透水力梯度作为渗透体积力作用于损伤应力计算单元,裂隙渗透压作为面力作用于裂纹张开部分引起断续岩石裂纹的起裂,扩展导致岩体损伤演化;岩体裂纹的扩展引起岩体渗透系数的增加,导致渗流场的改变。对一复杂裂隙岸坡蓄水加载过程进行渗流–损伤–断裂耦合分析,得到不同蓄水时期,裂隙岸坡渗流场分布、损伤场的演化,初步探讨了水库蓄水过程中岸坡山体变形机制。耦合分析认为:山体变形是增量渗透力和增量浮托力共同作用于岸坡的结果;对蓄水相对高程较大的裂隙岸坡而言,库水位上升,裂隙渗透水压增加导致岩体裂纹起裂扩展,岩体损伤区增大且向岸坡深部扩展。高渗透压诱发岸坡不利断层带损伤区扩展,甚至贯通,可能是导致岸坡失稳的重要原因。     

降雨过程裂隙网络饱和/非饱和、非恒定渗流分析

雨季岩质边坡失稳的主要原因之一是由于连续降雨在地下水位以上非饱和区形成暂态饱和区，使原来负的孔隙压力变成正的孔隙压力。降雨渗入岩体裂隙是饱和／非饱和、非恒定渗流过程。提出了这一过程的分析方法并给出一个岩石边坡工程降雨入渗分析的算例     

油气流-固耦合渗流研究进展

介绍了多孔介质流-固耦合渗流研究的重要意义，对多孔介质流-固耦合渗流研究进展加以综述和讨论，提出了进一步深入研究的方向，并着重讨论了近十年来油气流-固耦合多相渗流及其应用研究和各种耦合方法，为其他渗流工作提供一定的参考。     

油气流–固耦合渗流研究进展

介绍了多孔介质流–固耦合渗流研究的重要意义,对多孔介质流–固耦合渗流研究进展加以综述和讨论,提出了进一步深入研究的方向,并着重讨论了近十年来油气流–固耦合多相渗流及其应用研究和各种耦合方法,为其他渗流工作提供一定的参考。     

水布垭大岩淌滑坡非饱和渗流分析与渗控优化

根据水布垭大岩淌滑坡的地质条件，提出了水布垭滑坡渗流分析的模型。应用改进的饱和－非饱和渗流分析方法对水布垭滑坡渗流场进行数值模拟研究，得出了水布垭滑坡的地下水位因降和雾化雨而变化的规律。比较各种渗控措施的效果，提出了排水优化方案。     

双重裂隙系统渗流模型研究

根据岩体裂隙系统发育规律及其渗流特征，提出双重裂隙系统渗流原理，将裂隙网络渗流理论模型变成能详细描述主次裂隙系统渗流机制的裂隙岩体渗流实用模型，为解决工程中的岩体裂隙渗流分析提供了新方法。     

土体充气阻渗机理分析

向土体中充气可以有效的阻止水流入渗过程.从力学角度出发,对充气时气体在土体中的赋存形态进行分析,结合能量理论和达西定律讨论了不同形态下的气体阻渗机理.进行定水头充气入渗试验,试验发现:在充气量为5L/min时,细砂入渗能力约为自然入渗的1/2,结束充气再次入渗稳定以后细砂入渗能力较自然入渗减小约15％;在细砂入渗过程中,不同形态气体共同作用导致土体入渗能力的降低,要维持充气有效的阻渗效果,除去控制好充气压与充气量以外还要保证足够的气体补充.     

裂隙岩体渗流场与损伤场的耦合分析

通过引入渗透压力附加柔度张量的概念以及考虑渗透张量的演化行为，详细研究了裂隙岩体渗流与损伤变形的相互作用机理。在此基础上建立了基于两场耦合的裂隙岩体渗流损伤模型。工程算例结果表叫，当存在地下流体流动时，渗流对岩体变形破坏以及损伤变形对岩体渗流场的影响是不可忽略的。     

峰后大理岩非线性渗流特征及机制研究

 在围岩开挖扰动区中,围岩应力和裂隙水压力将会显著地影响其渗流性质。当水头压力梯度增大时,渗流速率增大,Darcy流转化为非线性渗流。首先,采用研制的温度–应力–渗流耦合的岩石力学试验系统进行不同静水压力下大理岩峰后非线性渗流试验,研究渗流速率随压力梯度的演化规律,将其演化过程分为稳定Darcy流、Darcy流向非线性渗流过渡段和非线性渗流3个阶段进行分析,并采用完全二次多项式描述渗流速率与水头压力梯度的关系。然后,通过试验中记录的变形数据,拟合临界启动压力梯度和裂隙水力开度与试样侧向变形的函数关系式,得到不同静水压力条件下由水头压力引起的裂隙水力开度的变化规律;并深入分析临界启动压力梯度、固有渗透系数和二次项系数演化的内在机制。随着静水压力的升高,试样中裂隙水力开度逐渐减小,引起固有渗透系数逐渐减小,二次项系数和临界启动压力梯度逐渐增大;随着水头压力的增大,裂隙水力开度逐渐增大,引起固有渗透系数增大,临界启动压力梯度和二次项系数减小。     

破碎岩体的渗流理论及其应用研究

以国家自然基金重点项目“煤矿瓦斯灾害预防及煤层气开采中的应用基础研究”和教育部博士点基金“峰后应力状态下的岩石渗透性研究”为背景，通过理论、试验、数值模拟和结合潞安王庄煤矿采空区通风渗流问题的具体应用，进行了如下具有创新意义的工作：(1)自行研制开发出目前已获国家专利的破碎岩石压实渗透仪，并给出了一套进行破碎岩石压实水渗透测试的试验方法。利用开发的渗透仪和试验方法，系统测定并分析了砂岩、页岩和煤3种岩样在不同破碎程度下压实的渗透系数变化规律。(2)利用置信区间方法、随机过程理论深入分析了破碎岩体渗透性的随机性特性，并建立破碎岩体渗流的随机微分控制方程。(3)用控制体欧拉法建立了描述破碎岩体塑性大变形的基本方法，开展了试验背景下破碎岩体渗流场的数值模拟。推导出求解破碎岩体渗流方程的一、二阶摄动随机有限元列式。(4)计算并给出采空区破碎岩体的支承压力分布规律，建立了采空区破碎岩体渗流分析的数值模型，结合潞安王庄煤矿综放面采空区的破碎岩体通风渗流，系统分析并得出了与理论和实测相吻合的流场分布和近似瓦斯浓度的分布规律。     

含夹层盐岩储气库气体渗透规律研究

 盐岩储气库气体密封性能是储气库的一项重要技术和安全指标,层状盐岩储气库极可能会使天然气沿着岩层逃逸,造成天然气的外部渗漏。含软弱夹层盐岩储气库的气体渗透机制十分复杂,含软弱夹层的渗流力学模型与数值计算方法是解决评估储气库气体渗透范围的关键。考虑夹层与盐岩层之间存在层面,假设软弱夹层和盐岩为多孔介质,建立了等效边界气体渗流模型,该模型既克服了等效介质模型不能正确反映层理面渗流问题,又克服了双孔双渗裂隙介质模型计算量大的缺点。结合金坛储气库建设,数值仿真了储气库在注–采气不同循环压力作用下5 a内围岩气体压力分布;研究了软弱夹层与盐岩的层理面渗透系数、采气速率和腔体群不同时注–采气等工况对储库围岩气体压力分布的影响。研究结果表明：层理面渗透系数对储气库压力分布有着至关重要的影响,溶腔群的采气速率和注–采方法对相邻矿柱的气体压力分布影响明显。研究结果为含夹层废弃盐腔储气库的设计和合理注采参数的确定提供了科学依据。     

岩石裂隙渗流特性试验研究的新进展

 综述国内外关于岩体裂隙渗流特性的研究成果,并进行相应的分析和讨论。分析表明：试验研究在岩体裂隙渗流特性方面具有不可替代的作用;许多研究者根据试验结果提出相应的经验公式,但关于岩石裂隙渗流应力耦合特性研究的计算公式还没有统一的认识。分析结论也为今后的岩体裂隙渗流特性的试验研究提供了有益的方向。