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。     

引水隧洞复杂裂隙围岩高压灌浆浆液扩散过程研究

随着我国抽水蓄能电站的大量兴建，超高水头引水隧洞逐渐增多，高压固结灌浆是保证隧洞围岩稳定的一种有效技术措施，其中灌浆参数的取值对于工程设计至关重要。本文利用COMSOL多物理场耦合软件平台，采用蒙特卡洛方法，结合MATLAB进行二次开发生成三维随机裂隙，基于浆液流变理论、流体连续性方程和对流扩散运动方程，以阳江抽水蓄能电站引水隧洞围岩高压灌浆为例，研究了不同水灰比、灌浆压力、灌浆时间对于三维网络裂隙岩体的浆液扩散过程的影响。模拟分析结果表明：水灰比对浆液扩散影响较大，浆液扩散距离和水灰比成正比;灌浆起始阶段水泥颗粒运移距离与灌浆历时呈正相关，但灌浆范围内的裂隙达到饱和后颗粒运移距离不再随时间延长而增加;在灌浆过程中需要逐步提高压力，以保证浆液充分渗透到裂隙内部，当灌浆压力超过一定数值，水泥颗粒运移量受灌浆压力影响较小。本研究可为同类型灌浆数值模拟开发和灌浆工程设计提供参考。     

辐射流动条件下粗糙圆盘裂隙中浆-水两相流特征

裂隙灌浆是处理坝基工程地质问题的重要手段，而现有的裂隙灌浆研究常忽略了水相对浆液扩散过程的影响，不能真实反映浆液侵入过程。为了准确地模拟坝基裂隙灌浆过程，采用相场法分析了裂隙介质中浆液侵入特征，构建了考虑水相作用的粗糙圆盘裂隙数值模型，分析了裂隙粗糙度、裂隙开度、灌浆速度、灌浆压力对辐射流动条件下浆液侵入特征的影响。研究结果表明：恒定灌浆速率条件下，相界面移动速率随时间逐渐减小；粗糙凸起体会引起黏性耗能，导致粗糙圆盘孔口压力显著大于光滑圆盘；恒定灌浆压力条件下，提高灌浆压力比延长灌浆时间更加有效，开度越小浆液侵入量越小；灌浆驱水效率不仅受粗糙度大小的影响，还与凸起体的分布相关；灌浆孔附近的粗糙凸起体引起的剪切速率扰动大于远场的。     

大坝基岩帷幕宾汉姆浆液灌浆的三维数值模拟

由于灌浆工程的掩蔽性和地质条件的复杂性,如何准确地确定复杂地质条件下浆液的扩散规律是灌浆数值模拟分析的关键及难点。目前,在水利工程中灌浆数值模拟的相关研究未考虑宾汉姆浆液扩散过程中两相流特征和大坝基岩的复杂地质条件;且主要以单一裂隙或单个灌浆孔为研究对象,均未进一步涉及浆液锋面的模拟。针对上述问题,本文建立包含不同地层、不良地质体和帷幕孔的三维精细地质信息统一模型,在CFD商用软件STAR-CCM+中采用耦合VOF法的三维非稳态宾汉姆浆液气液两相流灌浆模型,实现了宾汉姆水泥浆液在大坝基岩中的多孔分序灌浆精细模拟,并分析了浆液的扩散规律和灌后帷幕搭接情况。运用该模型模拟某水电站的基岩帷幕灌浆过程,结果表明:在一定时间范围内,浆液扩散半径随灌注时间而增加,但其变化率呈递减趋势;各序孔灌注完成后,浆液锋面搭接良好;将灌浆量和灌浆时间的模拟值与现场实测值相比,平均误差分别为9.08%和6.32%,模拟值与现场实测值基本吻合,验证了该模型的可靠性。     

高压隧洞裂隙渗流的离散元数值分析北大核心

基于离散单元法,采用二维离散元程序(UDEC),对高压隧洞裂隙岩体的渗控效应进行数值模拟分析,得到高压隧洞裂隙岩体的优势渗透路径和渗控效应规律。结果表明,固结灌浆对防渗起到一定的效果,可有效降低围岩的孔隙水压力及其水力梯度,但仅在固结灌浆的处理下,钢衬段裂隙水压力依然很大;高压隧洞围岩的优势渗流通道主要分布在断层和裂隙上,水力梯度突增;离散元数值模拟结果较为真实地反映了工程实际,可为渗控措施优化设计提供参考。     

高压隧洞裂隙渗流的离散元数值分析

基于离散单元法,采用二维离散元程序(UDEC),对高压隧洞裂隙岩体的渗控效应进行数值模拟分析,得到高压隧洞裂隙岩体的优势渗透路径和渗控效应规律。结果表明,固结灌浆对防渗起到一定的效果,可有效降低围岩的孔隙水压力及其水力梯度,但仅在固结灌浆的处理下,钢衬段裂隙水压力依然很大;高压隧洞围岩的优势渗流通道主要分布在断层和裂隙上,水力梯度突增;离散元数值模拟结果较为真实地反映了工程实际,可为渗控措施优化设计提供参考。     

基于三维裂隙网络模拟的随机楔体稳定分析

水工建筑物深开挖边坡中大量出现的随机楔机，是由广泛分布于裂隙岩体中的结构面组成的，研究楔体的稳定性，首先要研究结构面的分布规律，由于裂隙的分布具有随机性与交叉复杂性，目前无法确定性的研究方法进行研究，因此，应用概率与统计学的理论，分析组成楔体结构面的分布及组合特征，采用三维结构网络模拟的方法模拟边坡工程中的结构面分布，进一步研究随机楔体的分布规律是研究这类问题的重要途径。基于三维裂隙网络随机模拟的方法，提出了随楔体稳定分析的方法，可为边坡加固提供理论依据。     

裂隙岩体二维渗流水力学理论模型研究

本研究主要内容包括 :裂隙岩体随机网络模拟、分形几何描述裂隙岩体参数几何特征、二维裂隙岩体等效渗透系数估算、二维裂隙岩体渗流应力耦合 非耦合模型、三维等效连续介质渗流模型、二维裂隙岩体连续介质与离散介质耦合模型、渗流模型与离散元应力模型耦合分析工程问题等。(1)利用三维裂隙网络随机模拟模型 ,针对乌江构皮滩水利枢纽工程平硐裂隙数据 ,研究其裂隙几何参数的分布情况 ,对其中一个优势裂隙组进行了模拟和检验。在模型中 ,基于蒙特卡罗方法 ,对裂隙隙宽的模拟进行了尝试。并应用分形几何的理论对其网络分维和裂隙数分维进行了研究 ,提出应用分形几何来模拟裂隙岩体中裂隙几何参数的方法。(2 )基于裂隙网络的转形 ,提出了裂隙岩块等效渗透系数的简便算法。与数值计算方法比较 ,其计算更简便迅速。 (3)推导了裂隙渗流和应力耦合的理论关系 ,建立二维裂隙岩体渗流应力耦合 非耦合非稳定流模型和三维等效连续介质渗流模型。耦合模型中应用经典耦合关系进行了计算验证 ,模型可以计算多种耦合关系。 (4)建立二维裂隙岩体连续介质和离散介质耦合非稳定流模型 ,并对其数值算法进行了研究。耦合模型使用离散介质渗透理论描述岩体主干裂隙中的水运动 ,使用连续介质渗流理论来描述岩体次要裂隙及孔     

基于改进FV-LBM的多孔介质渗流模拟

提出了一种新的基于Brimman -Forchheimer方程的多孔介质流动格子Boltzmann法的有限体积形式（FV-LBM）。在该方法中,多孔介质效应通过将外力引入格子Boltzmann方程中,并通过以单元为中心的有限体积法求解,同时将权重的校正因子引入进来以提高数值计算的稳定性。用该方法验证了完全多孔Poiseuille流和Couette流,数值计算结果与理论解吻合较好。而且还用该方法模拟了具有均匀和非均匀孔隙度的裂隙-孔隙模型,结果表明：当达西数增加时,多孔层中的速度增加;而当裂隙区域的速度峰值减小时,速度轮廓接近抛物线。研究成果为多孔介质渗流模拟提供了有效途径。     

基于改进混合核极限学习机的坝基注浆量预测代理模型研究

注浆量是反映灌浆施工质量的重要指标之一。目前基于机器学习的注浆量预测方法缺乏对裂隙倾向、倾角等参数的全面考虑。裂隙灌浆模拟具有能够综合考虑地质、设计、施工等因素影响的优势,然而面临裂隙参数小样本、计算效率低下的不足。针对上述问题,提出基于改进混合核极限学习机(ICSO-MKELM)的注浆量预测代理模型。主要包括:(1)提出基于改进bootstrap方法的三维随机裂隙网络模型建模方法,解决裂隙数据小样本问题,并结合离散元方法开展灌浆数值模拟研究;(2)建立基于改进混合核极限学习机的注浆量预测代理模型,采用改进的鸡群算法优化混合核极限学习机的参数选择,克服混合核极限学习机参数选择效率不高、且难以有效选择全局最优参数的不足。通过将建立的代理模型应用于某工程坝基帷幕灌浆的注浆量预测,并与基于RBF-KELM单核极限学习机模型、Poly-KELM单核极限学习机模型、BP神经网络模型的注浆量预测结果对比,验证了本文所提方法的优越性。     

坝基岩体裂隙渗流效应数值模拟方法

为获取工程尺度的裂隙岩体三维渗流效应,在裂隙岩体基质岩块和裂隙水力传导特性研究基础上,推导了含裂隙单元渗透系数表达式。基于嵌入裂隙单元（EFE）模型,使用离散裂隙网络（DFNs）技术与连续介质渗流分析方法,提出了利用连续介质渗流分析方法模拟非连续介质渗流效应的数值模拟技术,通过算例对该方法的有效性进行了验证,分析了单元尺度大小对该方法计算准确性的影响,并提出了提高计算精度的措施。工程实例研究表明裂隙岩体渗流分析的EFE模型能够真实地模拟坝基岩体渗流路径和孔隙压力分布,更好地揭示坝基的扬压力实际非规则分布形态。     

考虑裂隙迹长和开度相关性的随机裂隙网络数值模拟及渗流分析

基于蒙特卡罗法,引入裂隙迹线长度和开度的相关性函数,提出了一个改进的随机裂隙网络生成算法。利用MATLAB平台编制程序,实现二维裂隙网络的生成,通过与布尔模拟生成的真实裂隙场的比较,验证了改进算法的有效性和程序的正确性。然后借助离散裂隙网络渗流模型对生成的裂隙网络进行渗流分析。分别在考虑迹长开度相关性和不考虑二者相关性的条件下,计算了随机裂隙网络的渗流场,给出了下游边界出口裂隙流量分布和裂隙网络内部水压力的分布。计算结果表明,考虑裂隙迹线长度和开度的相关性能很好地反映裂隙网络渗流的结构特征,从而证明了所提方法的合理性。该模型是对随机裂隙网络模型的有效补充,可为岩体工程渗控分析提供理论基础和数值计算工具。     

岩体分形离散裂隙网络系统中流体流动模拟研究进展

回顾了岩体裂隙系统的位置、轨迹长度、方位和开度等几何拓扑结构参数的分形特征表征方法,分析了CT扫描技术对分析裂隙分形特征的重要作用,系统介绍了逾渗理论在裂隙网络系统连通性研究方面的成果,并对基于Monte-Carlo随机模拟的岩体裂隙网络系统生成方法和岩体分形离散裂隙网络系统中流体流动模拟等研究成果进行了综述。基于岩体裂隙系统的分形特征和逾渗特征建立的离散裂隙网络系统模型能够真实反映岩体裂隙的结构特征,并揭示岩体分形离散裂隙网络系统中流体流动机理,但目前尚无大型的逾渗数值模拟商业软件,分形离散裂隙网络逾渗模型算法的实现将成为研究的热点。     

基于分形理论的坝基裂隙岩体注灰量与导水率关系研究

由于天然岩体裂隙分布的隐蔽性和不确定性,很难准确评价天然裂隙岩体的渗透性和可灌性。离散裂隙网络作为描述天然裂隙网络的有力工具,能在一定程度上反应裂隙岩体的某些特征,但都是基于统计意义上的概率分布,无法反应裂隙网络参数的内部联系以及微观特征。Mandelbrot提出的分形几何是描述不规则物体的重要工具,研究发现裂隙网络中的裂隙迹长分布服从分形特征,很多学者利用这一理论对裂隙网络的渗透性进行了研究,推导了裂隙网络渗透系数的表达式。然而缺乏裂隙网络的可灌性和灌浆量的研究。本文首先利用裂隙网络的分形特征和裂隙迹长与隙宽的关系,建立了裂隙岩体导水率的分形模型,推导了裂隙岩体导水率与分形维数的关系表达式,并与已有研究结果进行了对比,证实了该关系式的可靠性。其次,分析了裂隙岩体灌浆注灰量与分形维数的关系,进而推导了注灰量与导水率的关系式,根据注灰量与导水率的关系曲线对灌浆区域的划分,定义了3个不同的灌浆区域:正常区域、微小裂隙区域和扩展区域,分别对应于正常灌浆、微小裂隙较多和裂隙扩展变形这3种不同的灌浆状态。最后,通过与工程实测数据的对比,证实了本文注灰量与导水率关系式的可靠性和适用性,也说明了3个灌浆区域的划分是合理并且重要的。因此,该关系式和灌浆区域的划分可以用来预测和评价实际工程灌浆施工的合理性和可灌性。     

混凝土坝坝基渗流的模拟研究与原型观测的对比分析

本文先简要介绍了当前研究裂隙岩石渗流的主要观点,以及解决混凝土坝坝基渗流的主要试验、计算方法。并针对当前整理渗压资料中存在的某些问题,重中了渗压资料的表示方法。最后,讨论了模拟研究与原型观测的结果对比情况,通过一些工程实例的对比分析指出,电模拟试验和数值计算虽各有所长,作为研究工程渗流问题的手段都是有效和可信的。只要原型的参数合适,即使把裂隙岩石当做多孔介质来考虑,也能取得与原型甚为吻合的结果。     

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。     

大足石刻砂岩模拟裂隙灌浆试验

裂隙渗水是导致世界文化遗产大足石刻文物破坏的一个重要因素。将一种无机环保的改性偏高岭土灌浆材料拟用于大足石刻保护工程,为研究该新型材料的可灌性,进行了室内模拟裂隙灌浆试验。通过石刻砂岩岩板控制裂隙的张开度,着重研究此种材料不同水灰比的浆液在不同灌浆压力、灌浆时间下的灌浆过程及浆体进入裂隙的最小宽度。试验表明浆液能进入的裂隙最小宽度值与水灰比、灌浆压力和灌浆时间均有关;水灰比是控制浆液可灌性的首要因素,而压力的提高并不能显著提高灌浆速度;提高水灰比、灌浆压力及灌浆时间均可改善细小裂隙的灌浆效果。     

大坝灌浆对趾板抬动的影响

在介绍大坝基岩灌浆重要性的基础上,分析了基岩灌浆各因素与趾板抬动值的关系,并以四川紫坪铺水利枢纽工程为案例采用ANSYS软件进行了单孔灌浆和多孔灌浆的模拟仿真。通过对后处理结果进行分析研究,得到大坝灌浆对趾板抬动的影响机理,为此方面的应用研究提供参考。     

西藏如美水电站裂隙岩体力学参数模拟反分析

针对现行裂隙岩体宏观力学参数选择与确定方法的研究进展和存在的局限性,结合室内岩石力学试验所得完整岩体和裂隙结构面的力学参数,采用裂隙岩体数值模拟等效计算方法,对西藏澜沧江如美水电站坝址区裂隙岩体进行了数值模拟计算,分析了裂隙岩体参数等效的影响因子,提出了一种裂隙岩体宏观力学参数三维模拟分析的新方法。     

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。