大理岩剪切裂隙渗流特性

针对高水头抽水蓄能电站、高坝枢纽工程和深埋隧洞工程的建设和运行中,由于高水压造成的突涌水及岩体失稳问题,以大理岩为例,研究了大理岩剪切裂隙渗流规律.试验结果表明:径向渗流试验中,渗流过程符合达西定律,水头压力与流量呈线性关系;裂隙面中局部张拉破坏的特征对渗流起到了阻碍作用;法向力对裂隙渗流的影响显著,在法向应力从14 MPa升至19 MPa过程中,渗流通道随法向力的增加出现了闭合现象,裂隙中形成了大面积死水区,渗流特性表现出突变.     

UDEC下保护层开采裂隙演化及瓦斯渗流规律

为了研究中远距离下保护层开采后的裂隙演化与瓦斯渗流规律,运用UDEC 4.0离散元数值模拟软件,以郭庄矿为研究对象对中远距离下保护层开采后的裂隙演化与瓦斯渗流规律进行了数值模拟研究,并进行了现场验证.模拟结果较好地再现了中远距离下保护层开采过程中上覆岩层裂隙的发育情况和发育程度,揭示了被保护层瓦斯压力和瓦斯流量的变化规律.现场结果表明,中远距离下保护层开采过后,瓦斯压力降低了0.5 MPa;瓦斯含量降低了5.25m3/t;透气性系数增加到了原来的600多倍.     

裂隙介质非饱和渗流多尺度机理与数值模型研究进展

裂隙介质非饱和渗流过程的预测和控制对地下工程应用具有重要意义。从渗流机理、预测方法和宏观尺度渗流模拟等方面对裂隙介质非饱和渗流研究进展进行了系统的分析总结。首先,评述了从非饱和单裂隙到交叉裂隙再到裂隙网络不同尺度下的复杂渗流行为及其理论预测方法,并分析了非饱和渗流行为对宏观水力参数的影响;其次,归纳了非饱和渗流数值模型和本构模型及其适用性,简述了不同模型在场地尺度非饱和渗流模拟中的实际应用。这些研究成果提高了对裂隙介质非饱和渗流规律的认识,并为工程应用提供了手段。     

岩石裂隙的法向蠕变及渗流的影响

法向蠕变是岩石裂隙的重要力学性质之一．通过分析岩石裂隙法向蠕变机理、进行干燥及渗流情况下岩石裂隙法向蠕变试验,探讨了岩石裂隙的法向蠕变及渗流的影响．研究表明,对于粗糙岩石裂隙来说,瞬时有效应力总等于裂隙凸起的压缩强度,因而初始法向蠕变明显,而后随接触面增加,蠕变速率逐渐降低;渗流过程中,岩石裂隙法向蠕变更加明显,且初次加栽应力水平下岩石裂隙法向蠕变远大于后续加载应力水平;岩石裂隙法向蠕变不能决定岩石裂隙渗流能力的降低,水力冲蚀作用明显时,可能产生裂隙渗流能力随裂隙法向压缩而增大的情况;岩石裂隙的蠕变闭合与岩石裂隙面粗糙度有关,粗糙度越大,岩石裂隙蠕变闭合量越大．研究结果对岩石裂隙法向蠕变的数值模拟及工程实践有一定参考价值．     

隧道开挖过程中复杂裂隙围岩的固流耦合分析

隧道通过裂隙岩体的含水区段时,人为扰动了裂隙岩体、地下水等构成的复杂地质系统,是造成各种涌水、突水、突泥事故的重要原因。为了研究复杂地质条件下隧道开挖过程中岩体变形、流体运移相互作用过程,探讨其对隧道涌、突水的影响,在上述复杂过程进行理论分析的基础上,根据深埋隧道围岩裂隙发育规模与工程尺度的关系,建立可以同时考虑不同级别裂隙网络的复杂裂隙岩体水力学模型,采用有限元法对复杂裂隙岩体中开挖隧道的固流耦合过程进行了数值模拟,模拟结果体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用和网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应,开挖过程中复杂裂隙岩体渗流场与应力场的耦合作用显著的增加了隧道围岩屈服区。     

岩石单裂隙水力特性试验研究进展

岩石单裂隙渗流特性是研究裂隙岩体渗流的基础,由于岩体工程实践的迫切需要,国内外研究者众多.本文以岩石单裂隙渗流的数值模拟和实验室试验的研究内容为线索,综述了粗糙度、隙宽、曲折流、沟槽流、平行板模型等概念和应力、温度、各向异性、入渗水头、尺寸效应、溶解等因素对岩石单裂隙渗流的影响,最后给出了目前存在问题及展望.     

裂隙岩体渗流场与应力场耦合数学模型的研究

首先研究裂隙岩体中应力场改变对地下水渗流场的影响作用机理,推导出渗透系数k和给水度μ受应力影响的表达式,进而分析渗流场的变化,地下水的作用引起应力场环境变迁,导致裂隙岩体的渗透变形,在此基础上建立了裂隙岩体中应力场与渗流场耦合作用研究工作程式和具"点荷载"特征的等效连续介质耦合数学模型,并应用于一隧道工程实例进行了计算.     

节理裂隙岩体渗流与应力耦合分析

在总结已有的饱和非饱和渗流模型的基础上,把裂隙岩体看作是离散网络模型,分析研究了含节理裂隙岩体的非饱和渗流特性,建立了裂隙网络饱和非饱和渗流模型,并推导了控制方程.对节理裂隙岩体中外力对裂隙渗流的影响进行了分析研究,提出了渗流场-应力场耦合的分析模型,推导出三维应力与裂隙水压力共同作用下一组平行裂隙组的渗流应力耦合关系式.     

深部薄层煤岩体裂隙-孔隙双渗流模拟研究

结合工程实例,对开滦赵各庄矿14水平(-1 225 m)开拓东大巷揭露的薄层煤岩体渗流演化过程进行数值模拟,通过调节渗透系数,获得了薄层煤岩体裂隙-孔隙双渗流在时间和空间上的孔隙水压变化过程,结果表明:渗流主要发生在充填裂隙143S薄煤层中,且随着渗透系数的增大,地下水体渗透距离增大,而渗透水压减小;143S薄煤层模拟水压过程曲线具有明显的峰值特征和时间滞后效应,而过渡层孔隙水压则不具有这些现象,这与所推导的一维裂隙-孔隙双渗流解答一致;渗透系数在10-8~10-10 m2/(Pa·s)数量级范围内,裂隙水压峰值与其滞后时间呈幂率型相关关系,143S薄煤层渗透系数在10-8 m2/(Pa·s)数量级范围较为切合实际.     

粗糙单裂隙高速非达西渗流特性的试验研究

针对裂隙岩体渗流破坏灾害问题。研制符合不同节理粗糙度的拟岩体粗糙单裂隙试件,开展了可变裂隙开度、高水力梯度粗糙单裂隙非达西渗流室内物理试验。研究表明,高渗流速度情况下,渗流水力梯度与渗流流速之间呈现非线性关系;Forchheimer方程能良好拟合高流速条件下粗糙裂隙渗流情况;提出非达西影响系数的半经验关系式,为工程实践中突涌水量预测提供重要参考。     

渗流力和结构面水弱化作用下裂隙岩体边坡块体的稳定性

裂隙岩体渗流是影响岩体稳定性的重要因素之一。裂隙中的流体流动不仅会产生渗流力,而且会降低裂隙面的强度,致使边坡失稳、隧道塌方等事故频发。为揭示渗流作用对裂隙岩体边坡块体稳定性的作用机理,基于关键块体理论,提出一种同时考虑渗流力和结构面水弱化作用的稳定性分析方法,其中,渗流力基于渗流理论和统一管网法计算,结构面水弱化根据经验公式确定。以某岩质边坡为例,采用该方法对边坡在渗流作用下的块体稳定性开展研究。研究结果表明,渗流力与结构面水弱化作用对裂隙岩体边坡块体稳定性的作用方式不同,渗流力既会改变块体的抗滑力又会改变块体的滑动力,对块体稳定性的影响较为复杂,包括改变块体的稳定状态、滑移面、失稳形式;结构面水弱化只降低块体的抗滑力,进而降低块体的稳定性,不改变块体的失稳形式。此外,对于裂隙边坡工程,通常存在一个最危险渗流压力值。     

深埋大理岩三轴压缩渐近破坏裂纹扩展特征研究

为深入研究深埋大理岩渐进变形破坏过程中裂纹扩展特征,基于常规三轴室内试验完成数值模拟参数标定,利用PFC_3D^{颗粒流模型对深埋大理岩开展}25MPa、50MPa、80MPa三种不同围压下的裂纹扩展数值模拟试验,根据大理岩加载过程中微裂纹演化状态参数,定义三种特征应力,并据此展开深埋大理岩渐进破坏过中的宏、细观破坏特征及其对应裂纹扩展特征的规律研究。结果表明：(1)。室内试验与数值模拟的应力应变曲线相吻合,峰值应力相差较小,破坏形式与室内试验一致,故数值模拟参数标定合理。低围压下应力应变曲线出现的应力降最为明显,高围压下出现的应力降最小。(2)依据总裂纹、张拉裂纹和剪切裂纹扩展数量演化曲线斜率变化规律,将深埋大理岩渐进破坏过程划分为弹性压缩阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹加速扩展阶段和峰后残余阶段四个阶段,根据裂纹数量定义三个特征应力点。(3)随着围压的增加,深埋大理岩达到起裂应力σ_ci时裂纹从两端开始萌发,加载至损伤应力σ_cd点时向中间扩展,达到峰值应力σ_c点时在宏观破坏面附近扩展、增生,加载至峰值点后70%峰值应力点时最终形成以剪切破坏为主的贯通宏观破坏面。(4)随着围压的增加,裂纹出现的范围更广,贯通性减弱,峰值应力σ_c点处产生的裂纹对宏观破坏产生的影响更为剧烈,峰后残余阶段张拉裂纹发育更明显。     

岩石损伤过程中的渗流特性

目前人们对岩石损伤后渗透性变化定性、定量方面的认识都存在不足,通过分析中国大量岩石全应力应变过程渗透性试验的成果,总结出目前岩石破损过程渗透性变化的4种类型。分析了岩石孔隙、裂隙、岩性等因素对于形成4种不同渗透性变化类型的影响,以及围压对渗透性发展演化的作用。峰值前一般渗透性随围压增加而减小,但峰后比较复杂,值得继续研究。统计分析了目前试验中岩石渗透性的变化范围,结果表明：一般软岩渗透性变化较小,脆性岩石渗透性变化较大。从目前围压1MPa-40MPa的全应力应变渗透性试验结果来看,97％渗透性变化不超过1000倍,其中85．9％渗透性变化不超过100倍。提出岩石破坏后是否出现高速非达西流需要从有效应力考虑,提出了渗流失稳与渗流作用下结构失稳的区别。     

Experimental study on water seepage constitutive law of fracture in rock under 3D stress

The test method and test result of water seepage constitutive law of fracture in rock under 3D stress are introduced. A permeability coefficient formula including the coefficient of fracture connection, normal stiffness, 3D stress, initial width of fracture and Poisson ratio is presented based on the analysis of the test theory and its result.     

A new apparatus for investigating stress, deformation and seepage coupling properties of rock fractures

A true triaxial apparatus which is composed of three units was presented. The apparatus allows for investigations on deformation and seepage behaviors of a single rock fracture subjected to lateral stress and normal stress. The first unit has three jacks which can apply loads independently in three orthogonal directions. The second unit is used to supply water inflow, control seepage pressure and measure flow velocity in real time. The third unit is for measuring the normal deformation of rock fractures. Some tests for investigating the normal deformation and seepage behaviors of rock fractures subjected to normal and lateral loads on hard granite specimens with an artificial persistent fracture, were introduced. The results show that both the normal deformation and the hydraulic conductivity are influenced not only by the normal stress but also by the lateral stress. It is also shown that the aperture and the hydraulic conductivity decrease with the increasing normal stress but increase with the increasing lateral stress and both the aperture and the hydraulic conductivity obey exponential relationships with the normal stress and the lateral stress.     

采动断层活化导水特征分析与实验研究

断层活化导水是煤矿突水的一种重要形式,具有较强的危险性和隐敝性.根据裂隙介质水动力学理论,提出了断层附近原始导升带内的地下水压力大于断层面的法向应力是断层活化导水的必要条件,开采作用导致地下水压力与地应力失去原有平衡是断层活化导水的诱因.研究结果表明:对于不导水的岩样裂隙,当注水压力大于围岩压力时出现渗流现象.葛亭煤矿井下注水试验显示当注水水压力达3.5MPa(数值模拟该处的地应力值2～4MPa)时F6断层活化导水.理论分析、室内试验和现场试验结果具有一致性.     

基于离散裂隙网络法的地下石油洞库洞室间水封性评价

为研究地下水封石油洞库洞室间水封性,依托黄岛地下水封石油洞库工程,采用离散裂隙网络法进行了7个不同工况的分析,分别获得了在不同水幕压力、洞室间液面差、洞室间距和裂隙倾角条件下的地下水头分布和流体渗流情况。研究结果表明:水幕压力增大、洞室间液面差减小与洞室间距增大均会改善洞库水封性;裂隙网络中裂隙倾角的变化会影响围岩的渗透张量,从而改变裂隙网络中地下水的渗流路径,继而影响地下水封石油洞库洞室间水封性;仅靠增加水幕系统压力并不能保证洞室间水封性,地下水封石油洞库相邻洞室水封设计应综合考虑储油情况、洞室间距、裂隙倾角等因素。     

Creep properties and permeability evolution in triaxial rheological tests of hard rock in dam foundation

Triaxial creep tests were carried out under seepage pressure by using rock servo-controlled triaxial rheology testing equipment. Based on experimental results, rock rheological properties influenced by seepage-stress coupling were studied, and variations of seepage rate with time in complete creep processes of rock were analyzed. It is shown that, when the applied stress is less than failure stress level, the creep deformation is not obvious, and its main form is steady-state creep. When applied stress level is greater than or less than but close to fracture stress, it is easier to see the increase of creep deformation and the more obvious accelerative creep characteristics. The circumferential creep deformation is obviously higher than the axial creep deformation. At the stage of steady-state creep, the average of seepage flow rate is about 4.7×10⁻⁹ m/s at confining pressure (σ ₃) of 2 MPa, and is about 3.9×10⁻⁹ m/s at σ ₃ of 6 MPa. It is seen that the seepage flow rate at σ ₃ of 2 MPa in this case is obviously larger than that at σ ₃ of 6 MPa. At the stage of creep acceleration, the seepage flow rate is markedly increased with the increase of time. The variation of rock permeability is directly connected to the growth and evolution of creep crack. It is suggested that the permeability coefficient in complete creep processes of rock is not a constant, but is a function of rock creep strain, confining pressure, damage variable and pore water pressure. The results can be considered to provide a reliable reference for the establishment of rock rheological model and parameter identification.     

节理裂隙岩体渗流与应力耦合分析

在总结已有的饱和非饱和渗流模型的基础上，把裂隙岩体看作是离散网络模型，分析研究了含节理裂隙岩体的非饱和渗流特性，建立了裂隙网络饱和非饱和渗流模型，并推导了控制方程．对节理裂隙岩体中外力对裂隙渗流的影响进行了分析研究，提出了渗流场—应力场耦合的分析模型，推导出三维应力与裂隙水压力共同作用下一组平行裂隙组的渗流应力耦合关系式。