锦屏一级左岸岩体渗透特性的数值模拟研究

基于RFPA~(2D)-Flow软件,并结合现场压水试验,从表征单元体积(REV)及渗透张量入手,对裂隙岩体的渗透特性进行数值模拟研究。以锦屏一级水电站左岸岩体为例,基于岩体裂隙几何特征,运用蒙特卡罗方法生成岩体裂隙网络模型;模拟计算不同尺寸不同方向上的等效渗透系数,依据类常量与类张量特性初步确定裂隙岩体渗透表征单元体积(REV)及渗透张量,再结合现场压水试验结果修正渗透张量。随着模型尺寸的增大,岩体的渗透性逐渐趋于稳定,表征单元体尺寸的大小约为迹长的4倍,表明基于RFPA~(2D)-Flow数值模拟并结合压水试验确定裂隙岩体渗透张量和REV的方法合理有效。     

某水电站引水隧洞突水数值模拟

 离散元软件 UDEC 可以用来模拟裂隙岩体的开挖以及进行水力全耦合分析。采用 UDEC 来模拟裂隙岩体开挖后在水力耦合作用下渗流流量与其对应水压力的变化过程并预测可能发生的突水灾害。结果表明开挖洞室以后,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三者相互作用、相互依赖。裂隙隙宽的减小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。裂缝隙宽增大,渗透能力增强,渗流量增大,其渗流压力相应降低。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。西南某水电站在深部裂隙岩体中开挖引水隧洞,该处地应力高且外水压大,容易引起突水灾害,对其进行了突水数值模拟,提示了一些可能发生突水的位置。     

裂隙岩体微生物阻渗机理试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)作为一种新型微生物加固技术,能够改变裂隙岩体水力性能,具有阻渗作用。采用巴氏芽孢杆菌对劈裂法预制的贯通裂隙红砂岩试样进行微生物充填试验,并分析试样渗透性能改变情况,同时通过电化学阻抗谱法(EIS)分析微生物充填对裂隙岩体结构的影响,对微生物充填裂隙岩体的阻渗机理作综合研究。研究结果表明:①微生物充填可使裂隙岩体渗透系数降低1~2个数量级,充填率越高充填效果越好;②裂隙宽度和围压对微生物充填后渗透系数改变具有一定的影响;③裂隙岩体充填前后渗透系数随围压的增大呈幂函数降低;④EIS测量结果表明,微生物充填后,裂隙岩体导电性能提高,岩体密实,渗透性能降低。     

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。     

峡谷区岸坡岩体渗透性分布规律浅析

深切峡谷区河岸两侧岩体是水电工程建设的重点关注对象,其渗透特性的准确评估是边坡及地下工程防渗排水系统设计的基础,也是工程区渗流场分析与渗控效应评价的关键。通过对峡谷区多个水电工程坝址区水文地质资料进行统计分析,探究峡谷区岸坡岩体渗透特性分布规律。结果表明,岩体初始渗透系数主要受裂隙初始张开度等的影响,而衰减系数则主要是受岩性和地应力条件的影响;风化卸荷岩体的初始渗透系数和衰减指数均大于无卸荷微新岩体;风化卸荷岩体的渗透性主要受风化和卸荷作用控制,渗透系数较大,微新岩体由于风化卸荷作用的减小,自重应力成为渗透性的主要控制因素,且渗透性较为微弱。     

原状黄土冻融过程渗透特性试验研究

通过对西安Q_3原状黄土在冻融作用下的电镜扫描和三轴渗透试验,研究了原状黄土冻融过程渗透特性变化机理及规律。试验表明:冻融过程中由于土体内部冰晶生长及冷生结构形成导致原状黄土微观结构发生显著变化,融化后的黄土在一定程度上增大了渗透性;基于图像处理软件,计算得到孔隙面积比随冻融次数增加呈指数增加趋势,反映出冻融作用一定程度上破坏原状黄土结构强度,使土体渗透性增强,但多次冻融后结构强度和渗透特性趋于稳定。冻融过程试样表面产生不规则裂缝,且含水率越高,土体表面特征破坏越严重,是渗透性增强的主要原因。渗透系数随围压增大呈指数下降趋势,且高围压时渗透系数差异较小;渗透系数随初始含水率增加近似呈抛物线变化规律,但高围压下渗透系数与初始含水率抛物线变化规律不明显;渗透系数随冻融次数增加近似呈指数增加趋势,但低含水率试样渗透系数变化幅度较小。基于试验数据规律性,进一步得到了考虑围压、初始含水率及冻融次数影响的西安Q_3原状黄土渗透系数多变量预测模型。     

岩体单裂隙渗透性尺寸效应的数值模拟研究

针对渗透性尺寸效应涉及的影响因素众多、导致其演变规律及主控因素还不甚明了的问题,基于Comsol数值模拟软件,开展岩体单裂隙渗透性尺寸效应的数值模拟研究。建立开度服从正态分布的大尺寸岩体单裂隙模型(试样尺寸为5 m×5 m),在同一大尺寸试样上选取系列尺寸岩体单裂隙试样,并开展相应尺寸岩体单裂隙的渗透数值试验,观察岩体单裂隙渗透性随尺寸变化的演变规律。通过改变粗糙度、水力梯度和裂隙开度等参数,研究不同因素对岩体单裂隙渗透性尺寸效应的影响,确定其中的主控因素。数值模拟结果表明:岩体单裂隙的渗透性随试样尺寸的增大而增大,随后趋于一稳定值,其对应的试样尺寸即为临界尺寸;临界尺寸随粗糙度的增加、水力梯度的降低、裂隙开度的减小而增大;相较于粗糙度和水力梯度,裂隙开度对岩体单裂隙渗透性尺寸效应的影响更显著。     

宽级配砾质土三轴渗透试验研究

为研究宽级配砾质土的渗透特性,对不同砾石含量的宽级配砾质土进行了一系列的三轴渗透试验。试验结果表明随砾石含量的增加,宽级配砾质土的结构分别为悬浮-密实、密实-骨架、骨架-空隙3种形式;随砾石含量的增大,渗透系数呈现出先略微减小然后逐渐增大、最后迅速增大的变化规律;含水率、干密度均对宽级配砾质土的渗透系数有较大的影响;在最优含水率左右,渗透系数有明显的差异,施工中应注意对含水率控制。     

含不同倾角裂隙砂岩渗透性能试验研究

针对西南山区水电边坡破碎岩体的渗透特性问题,以锦屏左岸边坡砂岩为例,对岩石试样预制不同倾角的人工裂隙,使用岩石高压渗透仪对其在不同围压和不同渗透压条件下的渗透特性进行试验研究,并对试验取得的渗透系数进行统计分析。试验结果表明,随着渗透压从0. 1 MPa增加至0. 5 MPa,裂隙砂岩亲水矿物受到溶解和冲刷作用逐渐增强从而产生新的渗流通道导致渗透系数增加。围压从2 MPa增加至4 MPa,使得岩石内部的裂隙与孔隙受到压缩闭合,导致渗透系数减小。0°、30°和45°裂隙砂岩的整体渗透系数依次减小,裂隙倾角的增加改变了裂隙渗流通道与初始渗流方向以及围压之间的夹角,还减弱了渗透系数对于围压以及渗透压的响应。     

粗糙单裂隙渗透性尺寸效应及其影响因素研究

裂隙岩体渗透性尺寸效应是岩体水力学研究中的一个热点问题。为探明岩体渗透性随试样尺寸的演变规律及其主控因素,从粗糙单裂隙入手,首先假定裂隙开度服从正态分布,并用COMSOL数值分析软件生成系列尺寸的粗糙单裂隙模型;然后通过求解Reynolds方程,开展变裂隙开度、粗糙度和法向应力条件下的系列尺寸单裂隙渗透数值模拟,并通过双曲线函数建立法向应力与裂隙开度之间的相关关系,间接模拟应力对单裂隙渗流的影响。数值模拟结果表明:粗糙单裂隙的渗透性存在明显的尺寸效应,其渗透系数先随试样尺寸的增加而增加,随后趋于稳定,模拟获得的临界尺寸介于12～15 m之间。通过进一步的参数敏感性分析揭示:临界尺寸与裂隙开度呈负相关关系,裂隙开度越大,渗透性临界尺寸越小,而与粗糙度和法向应力则呈正相关关系;并且相较于法向应力和裂隙粗糙度,裂隙开度对单裂隙渗透性临界尺寸的影响更显著。     

基于三维激光扫描技术的岩体抗剪强度参数获取

为了解决在高陡地形条件下难以获取岩体抗剪强度参数的问题,应用三维激光扫描技术得到斜坡岩体结构面几何参数(倾向、倾角、间距、迹长),并结合结构面网络模拟技术生成结构面网络图,使用投影法计算不同剪切方向的连通率,最后计算岩体抗剪强度参数。研究表明:斜坡临界连通率往往在接近优势结构面倾角的剪切方向附近出现;该方法的计算结果与规范法和RMR法的结果均较为吻合,并具有较强的可操作性和实用性。     

单一闭合中心裂隙对岩石单轴压缩破坏特征的影响

利用颗粒流软件模拟了含单一闭合中心裂隙岩石的单轴压缩数值试验,分析了裂隙宽度、闭合裂隙长度、摩擦系数和倾角对裂隙岩石破坏特征的影响。结果显示裂隙闭合与否对裂隙岩石的强度和破坏特征存在影响;裂隙长度越小,裂隙摩擦系数越大,裂隙倾角越接近于0°或者90°时,裂隙岩石破坏特征越接近于完整岩石状态。翼型裂纹和次生裂纹的扩展形成了岩石的贯通破坏面,其中翼型裂纹表现为Ⅰ型断裂扩展形成贯通破坏面,次生裂纹表现为Ⅱ-Ⅰ型断裂扩展形成贯通破坏面。     

页岩结构面原位剪切特性及裂缝扩展试验研究

针对次生断裂构造挤压形成倾角差异的外倾单斜页岩,通过原位直接剪切试验,研究页岩结构面抗剪强度特性与裂缝扩展模式。试验结果表明:页岩结构面剪切应力与剪切位移曲线具有明显的阶段性,当结构面倾角处于24°～30°时,岩体存在峰值强度与残余强度阶段,当结构面倾角处于30°～38°时,岩体处于无残余强度阶段;页岩压剪裂缝扩展形态主要有4种,即沿单一层面开启的单裂缝、沿多个层面开启的裂缝网、贯穿基质体的转向裂缝,以及沿天然裂缝尖端开启的裂缝;胶结较弱的结构面易形成裂缝,岩层薄弱处易发生裂缝方向转向并形成贯穿多个层面的"台阶状"裂缝网,在主裂缝周边会产生定向排列的"雁列式"裂缝,进一步扩展与结构面贯通,使得岩体形成多条贯通性裂缝;页岩结构面压剪试验裂缝贯通模式为结构面剪切贯通裂缝、基质体张拉贯通裂缝、天然裂缝处张拉贯通裂缝、拉剪复合型贯通裂缝。研究成果有利于进一步认识倾斜岩层层面剪切力学特性,为顺层岩质边坡稳定性评价提供参数。     

多裂隙岩体渗流特性数值模拟研究

为了研究在水力压裂作用下多裂隙岩体的渗流特性,本文采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统和控制变量法,研究多裂隙岩体在不同裂隙角度、不同围压及轴压时,裂隙的扩展演化过程。模拟结果表明:随着岩体天然裂隙角度的增加,裂隙的萌生和扩展逐渐减弱;外界条件对水力压裂作用下裂纹的萌生和扩展是不可忽略的,其最大主应力控制着裂纹的扩展演化。     

层状岩体抗剪强度产状效应的数值试验研究

层状岩体力学特性呈现出明显的各向异性特点,其强度和变形参数不但与作用力和岩体结构面之间的夹角有关,同时还与岩体结构面的走向密切相关。为研究岩体结构面产状对层状岩体抗剪强度参数的取值影响,首先对某工程现场直剪试验进行模型辨识研究,然后采用数值试验方法对层状岩体抗剪断试验进行拓展性数值研究,进而对岩体的抗剪断强度各向异性进行了深入研究,分析了层状岩体抗剪断强度特性与结构面产状之间的变化规律。研究结果表明：层状岩体的抗剪强度参数呈现明显的非正交各向异性特点;随着结构面倾角的增大,抗剪断强度参数与结构面产状之间关系可采用空间椭圆面来描述。      

节理倾角对砂岩强度及物理特征的影响

节理岩体广泛存在于实际工程中,深入研究节理倾角对岩体强度和物理特征的影响,对节理岩体工程稳定性研究具有重要的意义。通过完整及含不同节理倾角岩样在不同围压下的三轴加载破坏试验及声波测试试验,探讨了节理倾角对砂岩强度及物理特性的影响规律。试验结果表明①随着节理倾角的变化,岩样纵波波速衰减率有所不同,节理倾角为60°时岩样波速衰减率最大。②节理岩样的弹性模量随倾角大小的变化规律是E_完整>E _90°>E _30°> E _60°。③在同一节理倾角下,岩样峰值强度随着围压的增加而增大;在同一围压下,岩样峰值强度随着节理倾角的变化表现出明显的各向异性。④节理岩样的黏聚力随着节理倾角的变化呈现出U型的变化趋势,且在节理倾角为60°时黏聚力最小;同时内摩擦角随着节理倾角的增大而逐渐增大。由上述成果可知,节理倾角对砂岩强度和物理特性影响较大,节理倾角为60°时,影响程度最大。     

深切河谷区地应力场的非线性系统分析方法

地应力测试结果的代表性受断层及岩组条件、测点空间位置和测试方法精度等因素的影响较大。以往地应力模拟分析在引入地应力实测信息时,往往给各测点赋予相同的权重,使得离散测点和代表性不足的测点离差平方和较大,从而影响模拟分析精度。提出了深切河谷应力场非线性系统分析方法,该方法首先根据测试方法、地形地貌的影响及断层的扰动,对测点赋予不同的权重值;然后结合加权最小二乘法建立计算模型边界条件和地应力之间的加权目标函数;最后结合正交设计和智能优化反演方法,对数值计算模型边界条件与地应力之间的非线性映射关系和进行优化求解。该方法用于乌东德水电站坝址区岩体应力场的研究结果表明:计算值和测试结果的复相关系数达到了0. 89,在河床底部100 m的范围内存在明显的应力集中,且河床浅部岩体最大水平主应力方位与河流走向基本垂直,随着埋深的增加该方位朝场区主压应力优势方位靠近;边坡浅层岩体最大水平主应力方向与河流在该段走向呈小角度相交,随着竖直埋深的增加,最大水平主应力方位逐渐向NE向过渡,与河床部位相同高程部位的最大水平主应力方位一致;而深部岩体接近场区主压应力优势方向。