粘土岩饱和-非饱和渗流机理研究

非饱和渗流、应力耦合行为是影响粘土类工程岩体的强度和稳定性的重要因素。基于粘土岩实验室非饱和渗流试验的结果，应用塑性应变硬化的非饱和渗流、应力耦合模型，研究在隧道开挖、混凝土衬砌支护和通风的过程中围岩干缩和膨胀的力学机理，得到了围岩内渗流的初始饱和一非饱和一近饱和过程，研究成果对解释工程现场的泥化、崩解机理具有重要的理论和实践意义。     

高拱坝谷幅变形机制及非饱和裂隙岩体有效应力原理研究

蓄水期谷幅变形影响着高拱坝当前工作性态和长期安全状况,但拱坝设计方法中尚没有相关的评价标准。首先总结蓄水期高拱坝坝址谷幅变形规律和常规数值方法计算的难点。从裂隙水压力的作用规律出发,在弹塑性模型屈服函数中引入静水压力,并应用于锦屏一级拱坝蓄水期计算分析。计算结果与监测值符合良好,初步解释谷幅收缩等坝址区山体变形现象。探索蓄水初期裂隙岩体的细观变形机制,提出非饱和、非贯通裂隙岩体中的有效应力原理。结果表明,裂隙水压力改变岩体平衡状态,是蓄水后坝址区岩体产生塑性变形的主要驱动力。     

白鹤滩拱坝谷幅变形预测及不同计算方法变形机制研究

中国已建成的特高拱坝如溪洛渡、锦屏一级等,在初期蓄水过程中均表现出了谷幅收缩的异常现象。而拱坝是高次超静定结构,对坝基变形尤其是不均匀变形非常敏感。从有效应力改变和岩体材料泡水弱化这一谷幅变形机制和边界施加位移这一计算手段出发,利用弹塑性有限元方法,计算并预测白鹤滩拱坝在初期蓄水过程中可能产生的谷幅变形,并分析了谷幅变形对大坝位移和应力的影响。结果表明:两种方法的计算结果相差很大;从有效应力改变和岩体材料弱化角度出发,白鹤滩拱坝两岸山体可能产生的最大谷幅收缩不大于40mm,且该谷幅变形不会很大程度上降低拱坝的整体稳定性,只是使坝体产生了新的应力集中区。而拱坝对施加边界位移具有很强的超载能力,但谷幅收缩对坝体应力的影响极小。对比发现,坝基不均匀变形是影响拱坝应力的关键因素。     

粘土岩饱和–非饱和渗流应力耦合模型及数值模拟研究

岩体中饱和–非饱和渗流、应力耦合行为对工程岩体的强度和稳定性有十分重要的影响。基于粘土岩实验室非饱和渗流试验的结果,将考虑塑性应变硬化的非饱和渗流、应力耦合模型、Hoek-Brown非饱和渗流、应力耦合模型应用于模拟某粘土岩竖井,研究其在开挖、通风、衬砌支护及长期运营期围岩内渗流从初始饱和→非饱和→近饱和的过程,以及竖井的非饱和流动区域大小对水力学参数(Biot固结系数、饱和度与毛细孔隙压力、水相的相对渗透系数与饱和度)的敏感性。结果表明:水力学参数对非饱和渗流的影响区域非常显著,尤其是水相的相对渗透系数与饱和度的关系。力学模型的差异对非饱和区的影响几乎可以忽略不计。     

粘土岩饱和-非饱和渗流应力耦合模型及数值模拟研究

岩体中饱和-非饱和渗流、应力耦合行为对工程岩体的强度和稳定性有十分重要的影响。基于粘土岩实验室非饱和渗流试验的结果，将考虑塑性应变硬化的非饱和渗流、应力耦合模型、Hoek—Brown非饱和渗流、应力耦合模型应用于模拟某粘土岩竖井，研究其在开挖、通风、衬砌支护及长期运营期围岩内渗流从初始饱和→非饱和→近饱和的过程，以及竖井的非饱和流动区域大小对水力学参数（Biot固结系数、饱和度与毛细孔隙压力、水相的相对渗透系数与饱和度）的敏感性。结果表明：水力学参数对非饱和渗流的影响区域非常显著，尤其是水相的相对渗透系数与饱和度的关系。力学模型的差异对非饱和区的影响几乎可以忽略不计。     

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。     

特高拱坝基坑回填土石体与大坝作用机制研究

开展拱坝基坑回填土石体与大坝作用机制研究,对确保水库初期蓄水和运行安全具有重要意义。基于小湾、白鹤滩和乌东德等特高拱坝的上游基坑回填设计、施工和监测成果,提出回填土石体与大坝作用机制模型;结合理论和仿真方法,从坝基渗流场分布、坝体接触面热交换状态与坝体–基础整体工作性态3个方面,揭示了特高拱坝基坑回填土石体与大坝的作用机制。分析表明:(1)回填补强基岩,延长坝基渗流路径,具有渗流折减效应,回填高度与回填体等效渗透系数是影响折减系数的主要因素;(2)回填土石体可增强坝面保温效应,有利于温控防裂;(3)回填可提高大坝抗震性能,改善坝–基整体工作性态。建议的特高拱坝坝前基坑回填设计原则及工作流程图,可供国内外同类工程设计、施工借鉴。     

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.     

裂隙岩质边坡渗流与非连续变形耦合过程分析

 裂隙岩体中的渗流–应力耦合作用是岩质边坡失稳的重要因素之一。离散裂隙网络(DFN)模型用于研究裂隙岩体渗流,具有概念简单、效率高、适用性强的优点,是研究裂隙岩体渗流问题最为有效的手段之一。非连续变形分析(DDA)方法是专门针对裂隙岩体的非连续特性提出的一种变形场求解方法,能够更加真实地刻画工程岩体。将DFN模拟和DDA方法结合起来,提出基于DDA-DFN的渗流–应力耦合模型,给出考虑裂隙渗流情况下岩体块体系统的瞬时平衡方程,用于研究裂隙岩体变形对渗流的影响和渗流–应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征。利用该耦合模型,对一大型水利水电工程边坡稳定性进行分析。结果表明,水库蓄水后,地下水大幅度抬升,渗流–应力耦合作用加剧,导致边坡裂隙岩体中的关键部位发生大变形甚至破坏,进而触发边坡的进一步失稳。实例分析验证了这种方法用于边坡稳定性分析的有效性。     

岩体结构面HM耦合分析的界面层模型

结构面对岩体力学性质、渗透特性及水力(HM)耦合过程起控制作用,其变形、渗流及HM耦合机制是岩体多场耦合研究的关键科学问题.从岩体HM耦合分析的角度,将结构面概化为界面层,采用张开度、刚度或Lame常数等参数表征界面层的几何特征及物理力学特性,研究界面层在法向应力作用下的闭合变形特性、压剪作用下的剪胀与剪缩演化规律以及变形与渗流耦合特性,建立考虑弹性、弹塑性及峰后力学特性的界面层变形模型,推导能考虑HM耦合效应的渗流广义立方定理及非饱和渗流模型.研究表明,基于界面层的结构面变形、渗流及HM耦合模型可以得到试验验证,模型参数可以通过简单的试验获得.采用界面层模型进行HM耦合研究使得变形与渗流分析建立在相同的物理模型基础上,有利于更好地揭示岩体HM耦合机制,提高多场耦合分析的可靠性.界面层模型不仅可应用于不连续介质的HM耦合分析,也可用于等效连续介质的HM耦合分析.     

非饱和土体变试验研究及其在地面沉降中的应用

采用GDS非饱和三轴仪,对重塑非饱和土在干燥过程中试样含水量变化和总体积变化开展了大量试验研究.基于试验研究结果,根据非饱和土力学理论提出了可以全面考虑非饱和区和饱和区沉降变形的饱和-非饱和沉降数学模型,并对地下水位降低引起的地面沉降问题进行了详细分析和研究.主要研究成果和结论如下:(1)结合土水特征曲线和收缩曲线,考察了非饱和重塑砂土、粉土、黏土和粉质黏土试样在干燥收缩过程中基质吸力和孔隙比关系.试验结果表明,当试样基质吸力达到某一特定值后,基质吸力的增大不引起试样的进一步收缩变形,称此吸力为缩限吸力Ss.因此,屈服吸力和缩限吸力可将整个收缩过程分为3个阶段,即弹性阶段、弹塑性阶段和缩限阶段.(2)采用GDS非饱和土三轴仪,在分别控制试样基质吸力和净平均应力条件下对非饱和重塑黏土的体积变化和含水率变化特性进行了详细试验研究.在非饱和三轴试验研究中,开展了2组不同应力路径试验:①各向同性压缩试验:在控制基质吸力Us=Ua-Uw的条件下施加不同的净甲均应力p=Om-Ua;②三轴收缩试验:在控制净平均应力条件下施加不同的基质吸力.(3)结合饱和一非饱和渗流与非饱和土体变本构模型,提出了一种可以全面考虑非饱和区域与饱和区域沉降的数学模型.对于饱和区,利用饱和土的有效应力原理来计算土体有效应力增大而引起的压缩变形量;对于非饱和区,采用非饱和土的体变本构模型,可分别计算土体由于基质吸力增大而引起的收缩变形量和净平均应力减小而引起的回弹量.(4)根据饱和一非饱和沉降数学模型,基于非饱和土层基质吸力分布为静水平衡的假设,针对不同的地下水位降低,分别估算了非饱和区域和饱和区域的沉降量.通过非饱和区沉降量和地表总沉降量的对比,验证了考虑非饱和区沉降变形量的重要性.对于非饱和区,分别估算了由于净平均应力的降低引起的地面回弹量和基质吸力的增人引起的地面沉降量.计算结果表明,在这两种变形中收缩变形量在非饱和区变形中占有主导地位,净平均应力的减小而引起的地面回弹量可以忽略不计.(5)针对某一基坑,采用饱和一非饱和沉降数学模型对基坑降水引起周围土层的沉降进行分析,分别估算了非饱和区与饱和区的沉降变形量,并对各种影响囚素进行了详细分析.基于饱和一非饱和非稳态渗流,对基坑降水后引起饱和区域和非饱和区域的沉降变形进行了动态过程的模拟,分析了地面沉降与时间和空间的相关性.     

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。     

大岗山水电站高拱坝蓄水初期工作性态演化研究

高拱坝的位移、应力状态是拱坝在蓄水初期重点关注的问题。将微震监测技术与有限元数值模拟相结合,研究拱坝微震变形与坝体应力的内在关联,对蓄水初期拱坝的应力、位移变化规律进行分析,探究拱坝蓄水初期工作性态演化规律,提出利用微震事件判断拱坝真实受力状态的方法。研究表明:拱坝微震事件与坝体应力在时空分布上存在一致性,坝体高压应力的集中和迁移是微震事件萌发的内在驱动力。蓄水前,拱坝高压应力集中在坝踵区域,微震变形也聚集在坝踵区域。蓄水后,拱坝的高压应力集中区域和微震变形聚集区域均从坝踵转移到坝趾区域,同时拱坝主拉应力区域实现了从拱端到坝踵的转移。通过微震事件的Es/Ep比值累积频率分布特征可以推断出拱坝在不同蓄水时期应力集中区域的分布情况。研究成果对于研究高拱坝真实工作性态具有一定的参考价值。     

溪洛渡拱坝谷幅变形机制及变形反演和长期稳定性分析

溪洛渡拱坝在蓄水后出现持续的谷幅收缩变形,且目前谷幅变形仍未收敛,对拱坝局部附属结构稳定和整体稳定有较大的影响。通过分析溪洛渡拱坝坝址区的地质条件、蓄水后监测资料变化,阐释溪洛渡拱坝谷幅变形机制,其层间、层内错动带的渗透作用和倾角走向,在谷幅收缩变形中起到了控制作用。通过考虑孔隙水压力对应力球张量和屈服面的影响,提出考虑孔隙水压力影响的弹–黏弹–黏塑非线性蠕变模型,对溪洛渡初期蓄水后变形和稳定进行了非线性有限元分析。根据蓄水初期谷幅变形的监测资料,反演岩体蠕变力学参数,预测蓄水后及长期谷幅收缩变形趋势及对坝体的影响。经过反演分析,正常蓄水位下数值计算结果与监测值吻合良好,提出的模型能较好的反映谷幅变形过程。蓄水10 a后,边坡变形趋于收敛,但整体变形量值较大,且对左右拱端的挤压显著,需要引起关注。     

黄土增湿变形的数值模型

以甘肃陇西自重湿陷性黄土作为研究对象,基于黄土湿陷过程中变形与渗流耦合的思想,建立了黄土增湿变形的数值模型。依据质量守恒定律和达西定律,建立了考虑变形影响的适合非饱和土-饱和土的、非稳态的轴对称黄土渗流连续性基本方程。参考陇西自重湿陷性黄土室内侧限压缩试验数据建立了黄土增湿变形本构模型;采用Galerkin加权残值法对基本方程进行空间离散;在时间域内用差分方法离散,建立了考虑渗流和变形耦合的黄土增湿变形有限元支配方程,并提出了求解方法。研究结果表明:在研究黄土增湿变形过程中,考虑变形与渗流耦合的作用是可行的,建立的黄土增湿变形有限元模型是合理的。     

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     

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。     

应力与渗流耦合作用下溪洛渡拱坝变形稳定分析

 以溪洛渡工程为例,通过对大坝基础地质条件、岩体内应力–渗流耦合作用机制的详细分析,基于现场监测数据,对大坝复杂基础的渗流耦合作用机制和渗压、水位变化规律进行分析;对比渗流场分析结果和实测结果,确定岩层的渗透参数及边界条件。建立裂隙岩体渗透特性和应力–变形的关系,采用非线性有限元方法,对施工期典型阶段的大坝基础渗流工作状态进行三维数值精细模拟分析,分析结果与现场变形和压应力监测值进行对比,得到施工期大坝复杂基础的渗透真实工作状态,预测大坝运行期的渗流工作性态,从而指导大坝现场渗控体系施工,对保证蓄水过程的施工质量和大坝安全具有重要指导意义。     

蓄水期边坡及地基变形对高拱坝的影响

在高拱坝施工期和运行期,蓄水引起的边坡和地基变形是值得关注的问题。蓄水对岩体产生许多影响,包括岩体参数弱化、有效应力降低和浮托力的作用。这些现象与滑坡、坝体稳定和水库诱发地震等工程问题相关,而目前对蓄水作用的力学机制的研究仍十分有限。将边坡极限分析中的强度折减法扩展为同时考虑刚度和强度折减的有限元方法,并用于分析岩体材料的弱化。将裂隙岩体的有效应力原理应用到Drucker-Prager准则。基于锦屏一级拱坝左岸边坡变位和谷幅收缩的监测数据,将上述2种方法应用于蓄水期边坡及地基变形影响分析。结果表明,坝体具有良好的承受边坡变形的能力,仅在局部有变形和应力改变。