裂隙介质水流与溶质运移数值模拟研究综述

在介绍裂隙介质中的水流运动及裂隙介质溶质运移规律的基础上,总结了多种用于概化裂隙岩体的模型及数值方法,介绍了各模型相应的模拟软件如TOUGH2与FRSCMAN的发展及应用,指出裂隙介质中地下水运动及溶质运移数值模拟研究仍处于探索阶段,方法与技术均不成熟,机理研究、数值模拟方法等方面有待进一步发展。     

层状裂隙岩体锚固方法研究

层状裂隙岩体受水平推力作用所产生的溃屈破坏、压缩变形及沿结构面所产生的层间错动,严重威胁着工程岩体的整体稳定性,合理布设预应力锚杆可以提高此类岩体的工程稳定性。分析指出:预应力锚杆相应的优化布设角度宜在45°~75°之间选择;锚杆预应力量级(吨位)的选择,对层状裂隙岩体的锚固效果有较大的影响。     

岩石孔隙内地下水流动的微观数值模拟研究

地下水流动的动力学行为对于污染物在地层中的迁移具有重要影响。通过对地下水在岩石孔隙中微观流动行为的研究,探索不同出入口位置及注入速度对地下水流动行为的影响。结果表明:岩石孔隙内地下水流动呈现出非均匀性及复杂性,孔隙的结构特征决定了局部流体的流动特征,盲端附近的孔隙通道流速较小,纵向分布的孔隙通道内流动行为受横向孔隙通道内流速的影响较大;入口流速的增大未对流体流动方向产生较大影响,但会引起岩石孔隙内地下水流动速度增加;出入口位置的变化会对岩石孔隙内地下水流动方向及速度大小产生较大影响。本研究从微观尺度入手,探究了入口速度和出入口位置对地下水在岩石孔隙通道内的流动行为,定量刻画了岩石孔隙中流体流动的时空分布特征。     

裂隙-管道介质泉流量衰减过程试验研究及数值模拟

岩溶多重介质含水系统泉流量特征的研究对岩溶水资源的开发利用具有重要的指导意义。利用自主研发的裂隙-管道介质物理模型,模拟岩溶裂隙-管道介质的泉流量衰减过程,设计多组试验探讨不同因素对泉流量衰减过程的影响。试验结果表明,衰减过程随释水介质的变化分为3个亚动态;衰减系数的大小主要受泉口大小、补给状态、含水介质初始蓄水状态的影响。基于物理试验结果,通过Visual MODFLOW软件结合等效渗透系数法建立符合物理模型机制的水流数值模型,对数值模型进行参数灵敏度分析,研究模型内部结构对泉流量过程的影响。结果表明,排水沟的综合水力传导系数对泉流量过程影响最大,垂直层面裂隙等效渗透系数的影响次之,管道等效渗透系数的灵敏度再次之,泉流量过程对层面裂隙等效渗透系数最不敏感。     

气孔构造岩石裂隙渗透特性研究

岩石光滑裂隙的渗透规律可用立方定理描述,而气孔构造岩石裂隙的渗透性却因裂隙面气孔的存在表现不同渗透规律及机理,值得深入研究.首先在海口市的火山岩地区选取了4种气孔分布有显著差异的玄武岩样品,测量其气孔特征参数后进行单裂隙渗透试验,然后引入裂隙面构造影响因子λ对试验结果做变换整理,获得了气孔构造裂隙渗透规律,最后通过数值...     

含裂隙类岩试样破坏行为的宏细观数值分析

为了获得单轴荷载下裂隙岩体的裂纹扩展过程及接触力变化的规律,以石膏为相似材料制作含有2种倾角组合的裂隙试样,在刚性试验机上进行单轴条件下的破坏试验,记录裂隙试样的破裂过程。采用离散元软件PFC^2D建立数值分析模型,通过校核试验数据确定细观参数值,从宏观和细观两方面分析裂隙试样在压缩过程中微裂隙增长与轴向应力关系、接触力变化与裂纹的产生和扩展的关系,进行裂纹扩展的数值模拟和室内试验对比。结果表明颗粒间接触力分布随压缩而变得不均匀,主要集中在裂隙的端部,进而产生微裂隙,微裂隙聚集形成宏观裂纹;微裂隙数量在峰值轴向应力之前增加较缓慢,在峰值轴向应力之后迅速增加,微裂隙的增长与应力增长有一定关系;峰值轴向应力之前,观察到轴向应力暂停增加或略微下降,但微裂隙数量持续增加现象,该现象与裂纹扩展有关;用颗粒流程序能较好地分析加载过程试样内细观变化和裂纹的扩展,与试验现象吻合较好。     

一种改进的粒子图像测速混合算法研究

粒子图像测速技术作为一种新的流场测速方法能够在不干扰流场的情况下获得整个流场的速度信息。粒子图像测速技术最关键的步骤在于粒子匹配。针对粒子密度分布不均匀、流场不同等实际情况,提出了混合算法,即结合互相关和松弛算法能够更准确地搜索粒子,进而对粒子进行匹配。对3种匹配算法的匹配概率进行比较分析,发现混合算法能更准确地分析粒子的运动状态,减少错误矢量的产生;另外,对松弛算法进行改进,通过优化筛选加权因子发现改进的松弛算法在运行速度上相比原始算法有了较大提高,匹配率与原始算法基本一致。     

考虑裂隙的几何-力学特性的双重孔隙介质水—应力耦合模型及其有限元分析

建立了一种双重孔隙介质水—应力耦合模型,其特点是可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率、开度、刚度及应力水平对介质的弹性模量、孔隙率及渗透系数的影响,并研制出相应的二维有限元程序。以模拟饱和的双重孔隙岩体在外荷载作用下产生沉降为算例,针对岩体的孔隙率与渗透系数分别是常数及按照本文中所述规律变化的两种工况,考察了了岩体中的变形、孔隙水压力与及裂隙水压力及流速、主应力等的分布与变化。结果表明：将岩体的孔隙率与渗透系数作为是应力的函数以及是常量的两种方法相比,二者对岩体的变形及应力的影响不大,但前者对孔隙水压力、裂隙水压力及流速的影响强烈。     

基于ＢｌｏｃｋＤｙｎａ的裂隙岩体压水灌浆规律数值模拟研究

采用块体动力学分析系统（ＢｌｏｃｋＤｙｎａ）中的渗流模块,对裂隙岩体中的压水灌浆规律进行了数值模拟。采用达西渗流模型描述压水过程,采用宾汉渗流模型描述灌浆过程,分别探讨了裂隙数量、裂隙开度对压水吕荣值及灌浆注入量的影响规律。计算结果表明,随着裂隙数量、裂隙开度的增大,吕荣值及浆液注入量均呈现逐渐增大的趋势。裂隙开度对压水吕荣值的影响是二次方关系,裂隙条数是一次方关系,裂隙开度对压水吕荣值的改变更为敏感。由于裂隙随机性及浆液进入截止开度等因素的影响,使得浆液最终注入量会出现局部反常现象。     

裂隙岩体宏观力学参数数值仿真模拟研究

岩体的参数确定一直是岩土工程中的一个重要及困难的问题，将整个工程岩体划分为不同尺寸等级的计算试件，依据室内外基本材料试验成果，采用数值仿真方法依次计算各级别计算试件，最后得到岩体的宏观力学参数．计算结果与实际情况值基本吻合，该计算方法解决了物理试验对岩体参数评价的局限性以及在整体模型计算中参数选取的任意性。     

坝基裂隙岩体三维灌浆数值模拟

坝基灌浆工程地质条件复杂且具有隐蔽性,如何建立能准确反映岩体内裂隙分布情况的三维随机裂隙网络模型,并进行浆液扩散特征的研究是灌浆数值模拟的关键和难点。现有研究大多通过岩体揭露面统计资料估计裂隙的几何参数,无法有效反映复杂裂隙真实特征,且灌浆模拟研究中多将裂隙简化为单一裂隙或规则裂隙网络。本文采用Monte Carlo法建立三维随机裂隙网络模型;提出三维裂隙宾汉姆流体灌浆数学模型,实现对随机裂隙内宾汉姆浆液扩散特征的研究;运用该模型对某水电站坝基裂隙岩体灌浆过程进行模拟,结果表明：浆液主要在与灌浆孔相交的裂隙内流动,灌浆压力在灌浆孔附近衰减速率最快且对浆液扩散的影响较为显著。同传统裂隙灌浆模拟相比,该方法能有效反映复杂裂隙的真实特征,获取更贴近实际工程的灌浆结果,为保障灌浆工程的安全建设和经济合理性提供了理论依据。     

粒子图像测速技术应用于热射流流场的测定

应用粒子图像测速技术对热射流喷嘴附近的流场进行测定,观测到其流场起始段的特点,并对射流轴线流速沿程分布、射流垂向剖面上的流速分布,以及射流的扩展半宽度进行了研究分析。实验结果表明,射流的扩展半宽度和喷嘴下游的距离呈线性关系,并且由于受到排放形式的影响,底部贴壁的射流的扩展半宽度沿程增加比自由射流缓慢。     

考虑裂隙的几何-力学特性的双重孔隙介质水-应力耦合模型及其有限元分析

建立了一种双重孔隙介质水-应力耦合模型,其特点是可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率、开度、刚度及应力水平对介质的弹性模量、孔隙率及渗透系数的影响,并研制出相应的二维有限元程序.以模拟饱和的双重孔隙岩体在外荷载作用下产生沉降为算例,针对岩体的孔隙率与渗透系数分别是常数及按照本文中所述规律变化的两种工况,考察了不同岩体中的变形、孔隙水压力与裂隙水压力及流速、主应力等的分布与变化.结果表明:将岩体的孔隙率与渗透系数作为应力的函数,与将其作为常量的方法相比,二者对岩体的变形及应力的影响不大,但前者对孔隙水压力、裂隙水压力及流速的影响强烈.     

管道-裂隙岩溶含水介质非均质性的水文效应

非均质性是含水介质的固有特性之一,对自然界的水文循环,地球浅层地质演变具有积极的贡献,因此是评价复杂地下水系统时所面临困难的最根本原因。通过SWMM模型对水文过程进行了室内模拟试验,研究了管道-裂隙岩溶含水介质非均质性对系统水文过程的影响。结果表明,管道尺寸、含水介质空隙度和地下水与地表水水量交换系数对系统出口处的水位和流量过程的影响均较小,但管道尺寸对地下水的最高水位有一定的控制作用;含水介质空隙度对地下水水位的增长和消落过程有一定影响;地下水与地表水水量交换系数则是对地下水水位的变化率和其能达到的最大值有着重要的影响。模拟结果证实,利用SWMM模型模拟管道-裂隙含水系统的水文过程是有效的。     

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。     

简易粒子图像测速(PIV)技术开发与优化技巧

粒子图像测速(PIV)技术是一种瞬态流动平面二维速度场测试技术,在细部流场实测领域得到重视,但是成熟的PIV产品价格高昂。鉴于此,介绍了一种简易的PIV装置,主要由高速摄像机、激光发射器、柱面透镜和示踪粒子构成,以较低成本即可基本实现商业用PIV产品的功能。为了验证简易PIV性能,设计了PIV简易装置,采用Fluent软件模拟,并结合PIV技术对比分析了简易PIV装置的优缺点,同时对影响结果的粒径大小和粒子跟随性进行了优化。结果表明,简易PIV装置适宜选用玉米粉作为示踪粒子,并需要根据示踪粒子跟随性所能达到的最大进口水流速度选择高速摄像机的帧率,最终能够较好地实现流场实测,进而达到对PIV技术进行开发和优化的目的,其分析结果将为后续研究者提供参考。     

裂隙岩体的流固耦合研究现状与应用展望

裂隙岩体渗流研究主要是考虑流体在岩石裂隙中运动规律,尤其是流体渗流和岩体应力之间的相互耦合作用机理。随着工程应用发展的需要,裂隙岩体的流固耦合研究已成为国内外研究的热点问题。通过对国内外相关文献的分析和整理,从裂隙岩体流固耦合的试验研究、理论模型和数值模拟方法等三个方面的进行了论述,并对其工程应用前景进行了展望。     

单裂隙卸荷岩体力学特性分析

现存的工程岩体,大多处于卸荷力学状态。岩体伴随地质构造运动产生了特征不同的结构面。结构面是岩体结构中力学强度最薄弱的部位,导致了岩体力学性能的不连续性、不均一性和各向异性。通过试验,探讨了贯通裂隙影响岩体稳定的相对不利倾角以及单贯通裂隙岩体卸荷过程的力学特征,得出裂隙位置的变化促成岩体变形的递变;特殊位置的裂隙促使岩体的各向导性更加明显的结论,为相关工程问题提供理论参考。     

X型裂隙破裂试验及数值模拟研究

为研究交叉裂隙对类岩石试样的物理力学性质的影响,制备了与岩石物理力学性质相似的类岩石材料,并对含不同角度主次裂隙的标准立方体试样进行单轴压缩试验,得到试样最终破坏模式及应力-应变曲线,同时利用RFPA对其进行了数值模拟研究,得出研究结果,可为认识水工裂隙岩石破裂规律提供参考。     

曝气池中气液两相流粒子图像测速技术

在粒子图像测速原理的基础上研究了基于快速傅立叶变换的粒子图像测速算法,并编制算法程序进行验证。通过试验研究了气液两相流在曝气池试验装置中的流动情况,应用粒子图像测速技术对装置中3种状态下气液两相流的运动参量进行测量,获得了各种流体运动参数,并应用粒子图像测速程序进行计算分析。试验结果表明当气液两相流处于状态3时,气泡在装置中具有最长的停留时间和较大的速度紊动强度,氧转移速率和效率大大提高,这为曝气池选型提供了依据。