基于三维裂隙网络模拟和灰色理论的岩体表征单元体研究

在三维网络模型和灰色理论的基础上建立了确定岩体表征单元体(Representative elementary volume)的新方法。该方法在全面考虑岩体基本特征的同时,用灰色理论中的灰关联分析方法确定REV的大小。在三维网络模型中将裂隙按照其走向和倾角投影到极点图上,并将极点图遵循等面积原则划分成24份,统计出每一区块上的极点数量和该区块含有裂隙的平均直径,作为灰关联分析的参考序列。再用边长为r的立方体来分割网络模型,统计出该立方体投影到24份极点图中每一区块的极点数量和含有裂隙的平均直径,这作为比较序列。通过改变立方体边长r的大小,得出对应的比较序列。对参考序列和比较序列进行灰关联分析,随着立方体边长的增加,关联度值趋于稳定,稳定时的立方体的边长即为岩体REV的尺寸大小。在实际工程应用中得出REV的尺寸是裂隙平均迹长3倍以上的结论。     

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。     

三维岩体裂隙网络模拟研究及应用

为合理评价某水库库岸岩体结构特征及工程整治提供依据,对区内岩体进行了裂隙调查及三维网络模拟研究.研究基于Monte-Carlo模拟方法,由走向玫瑰图、倾向和倾角分布的直方图对裂隙的产状分布特征分别进行了分析,结合裂隙等密度图分析得出了结构面优势产状、用直接法产生随机数并利用计算机模拟得出符合实际的三维裂隙网络图.引入广...     

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     

基于多目标灰色投影法的水土保持效益评价研究

为了探讨水保效益评价中多目标灰色关联投影法的适用性与可行性,运用矢量投影原理和灰色系统理论构建多目标灰关联投影模型,然后以辽宁省盘锦市典型小流域为例,验证了该模型的计算精度和准确性。结果显示:在水保效益评价中多目标灰色投影法具有一定的科学性和有效性,具有较强的推广与使用价值。     

三维随机裂隙网络非稳定渗流模型

介绍了在岩体三维随机裂隙网络中进行非稳定地下水渗流分析的数学模型和方法。包括:岩体裂隙系统特征和随机裂隙网络描述，三维裂隙网络非稳定修流数学模型，交叉点和交叉线识别和有限元数值解，井流量在裂隙网络中的分配方法，排水管道问题，非线性模型的迭代解法等。最后，针对裂隙网络中的轴对称井流和任意分布裂隙系统中的排水管道问题对模型进行了应用计算，验证了模型及其算法程序的有效性。     

三维裂隙网络非稳定渗流数值分析

研究裂隙岩体中渗透水流随时间、边界条件的变化规律,从而客观反映渗透水流情况,具有重要的意义。本文针对分布特别稀疏的三维主干岩体裂隙网络,以渗流区内的水量平衡原理为依据建立基本方程,推导三维岩体裂隙网络非稳定渗流的基本方程;并将三维裂隙网络渗流理论及有限元数值方法运用于主干岩体裂隙网络渗流分析中。基于裂隙岩体网络非稳定渗流数学模型,编制相应的程序。对于工程实例,根据实测情况利用Monte-Carlo模拟出岩体中二级裂隙网络分布情况进行分析,然后进行了三维非稳定渗流分析。计算结果充分体现了岩体中裂隙网络的储水性,当边界条件发生变化时,裂隙岩体中水头分布变化存在一定的滞后性;并表明主干裂隙的强导水性,使得裂隙岩体中的主干裂隙的渗流分析成为渗流分析中的重点。     

灰色关联投影模型在区域水质比较中的应用

将灰色系统理论与矢量投影原理相结合 ,提出了区域水体水质比较的灰色关联投影模型 ,并将该模型运用于马鞍山市区域水体的比较。结果表明 ,灰色关联投影模型能在充分利用已有指标信息的基础上 ,较好地反映区域内诸水体水质的相对优劣 ,从而为水资源开发利用和水污染控制的优先资序提供依据     

复杂结构岩体三维裂隙网络密度的计算方法研究

岩体的力学性质受岩体中的结构面控制,但是结构面的展布特征十分复杂,仅用在现场二维露头面上采集的裂隙信息不能完整地反映结构面的发育特征。为了完整地反映结构面的发育特征,广泛应用三维裂隙网络模拟的方法。而裂隙的密度是三维裂隙网络模拟的关键参数之一。本文在预先确定三维裂隙网络中裂隙的位置、大小、产状等参数的前提下,采用模拟露头面切割三维裂隙网络,统计迹线条数的试算法,确定裂隙的密度。并以在建大藤峡水利枢纽泄水闸28号坝段下游岩体为例,计算了裂隙的密度。采用考察模拟露头面上的迹线半迹长的分布函数,并与现场实测裂隙半迹长的分布函数对比的方式,证明了本文方法的合理性,该方法有着广阔的应用前景。     

一种裂隙岩体渗流场有限元分析的改进模型

研究裂隙岩体渗流的模型有等效连续介质模型、裂隙网络模型和双重介质模型等。等效连续介质模型受到样本单元体REV的限制,裂隙网络模型和双重介质模型复杂,处理难度较大。为此,在分区的同时考虑结构面和岩块的渗透特性,并考虑结构面法向与岩块之间的水力交换,利用两类介质接触处水头相等及节点流量平衡建立新的模型。对所建立模型的渗流场有限元公式进行推导,并通过与试验结果对比验证了该模型的正确性及实用性。     

裂缝性油藏等效渗透率张量计算及表征单元体积研究

给出了利用等效渗透率张量来确定裂缝性油藏表征单元体积的方法。根据裂缝系统属性参数的统计资料,利用裂缝网络模拟技术建立了离散裂缝网络模型。建立了求解裂缝性油藏等效渗透率张量的数学模型,并给出了边界元求解方法。在此基础上,提出裂缝性油藏表征单元体积的确定方法,分析了裂缝实际分布及其属性参数对研究区域渗透特性和表征单元体积的影响。研究结果为裂缝性油藏渗流分析的参数确定提供了理论依据。     

裂隙网络非达西渗流REV及非达西系数张量研究

裂隙网络渗流理论最初建立在裂隙渗流服从立方定律的基础上,而裂隙中非达西渗流更为广泛存在,因此,裂隙网络非达西渗流特性研究更具工程应用前景。本文首先对基于单裂隙立方定律的线素法模型进行改进,用以实现裂隙网络非达西渗流的计算,进而将其应用于实测裂隙数据生成的裂隙网络非达西渗流特性的研究。研究结果表明:根据改进线素法模型和Forchheimer定律计算得到的等效渗透系数张量与线素法模型和达西定律计算得到的具有一致性。对于同一裂隙网络而言,等效非达西系数张量确定的渗流REV要比等效渗透系数张量确定的大,且等效渗透系数张量与等效非达西系数张量的主轴方向一致,但两者之间的长轴互相垂直。     

三维裂隙网络渗流计算的边界元法及程序

岩体力学性质受结构面控制，表现出强烈的各向异性。同时工程地质师多年的实践认为岩石结构面是具有统计性的，因此岩体结构面网络模拟成为研究岩石力性质的新方向。其中裂隙网络渗流模拟，特别是三维裂隙网络的渗流计算是结构面网络模拟研究工作的重点和难点。又由于对于具有随机性裂隙网络渗流的计算，需要多次形成裂隙网络样本，并对每个样本进行多次计算，因此对渗流计算比确定性渗流提出更高的要求。本文基于将单个裂隙看作为一个不可压缩的二维各向同性多孔介质的假定，运用加权剩余法，推导了单裂隙渗流的边界单元法公式。通过将裂隙之间的交线看作为内部边界，推导了多裂隙相交时的边界单元法公式。利用FORTRAN 90语言编制了相应的计算程序BIEMNF。为验证程序的正确性，利用计算实例进行了考核。     

基于熵权的灰色关联分析模型及其应用

为了改进灰色关联分析模型评价精度低的缺点,将熵值理论与灰色关联分析方法相结合,建立起基于熵权的灰色关联分析模型。根据各个指标值的变异程度,引用信息熵所反映数据本身的效用值来计算指标的权重系数,有效地避免了由于人的主观因素而形成的权重分配偏差。模型在区域雨水资源开发利用潜力综合评价中的分析结果表明:将熵值理论引入到灰色关联分析模型中是科学的,所建立的模型是合理的,能够提高灰色关联分析模型的评价精度。     

基于灰关联分析的黑龙江省粮食增产主要影响因子评价研究

采用灰色理论中的绝对关联度和速率关联度,以黑龙江省粮食总产量为参考序列,其影响因子粮食播种面积、粮食单产、有效灌溉面积、化肥施用量、农药使用量及农机总动力等6个变量为比较序列,构建了黑龙江省粮食增产主要影响因子评价的灰关联分析模型,最后根据评价结果提出了黑龙江省粮食增产的建议。     

基于优化非等时距权重傅里叶灰色模型的变形预测

针对传统非等时距灰色模型对变形预测精度偏低问题,首先在传统非等时距灰色模型的基础上引入权重系数优化生成序列,然后利用傅里叶变换函数对残差进行修正,建立了权重优化-傅里叶变换函数残差修正的组合预测模型;最后以某下承式集散拱肋拱桥为背景,对其主梁变形进行预测。预测结果表明：该模型预测值总体平均相对误差为2.4%,高于传统非等时距灰色模型,预测精度为1级,为主梁变形预测提供了一种有效的技术手段。     

基于加权灰色-马尔可夫链模型的城市需水预测

城市需水量预测是区域水资源规划及优化配置的基础内容。在基于灰色GM(1,1)模型预测城市需水量总体趋势的基础上,引入加权马尔可夫链预测理论,建立了加权灰色马尔可夫GM(1,1)预测模型。该模型既考虑了GM(1,1)模型较强的处理单调数列的特性,又考虑了通过相对误差的状态转移概率矩阵的变换提取数据随机波动响应的特点。成都市城市需水量预测结果表明:加权灰色马尔可夫GM(1,1)模型充分利用需水量数据给予的信息,实现了对相对误差的状态转移的预测,并提高了修正灰色模型预测值的精度;通过与其它2种灰色预测模型预测结果比较,加权灰色马尔可夫GM(1,1)模型精度更高,预测得到2012年和2013年成都市城市需水量分别为74 250.91万m³和79 818.34万m³,呈明显增长趋势。因此该模型提高了随机波动较大数据序列的预测精度,拓宽了传统灰色模型预测的应用范围,更具科学性。     

岩体粗糙裂隙网络渗流分析的子单元法

岩体粗糙裂隙的细部特征对区域整体渗流分析影响很大,以往渗流分析往往没有考虑粗糙裂隙细部特征以及其对整体渗流分析的影响。提出子单元法来分析岩体粗糙裂隙网络渗流,则可以较好的分析上述影响。子单元法将每一裂隙当成一个单元,裂隙内部则分成若干子单元,裂隙单元的总体水力特征受所有的子单元联合作用控制,而细部水力特征由单一子单元体现。根据单裂隙开度分布统计规律模拟裂隙开度分布,将单裂隙等长分段(子单元),根据模拟开度参数求得裂隙中任一子单元的平均隙宽,进一步推导裂隙的单宽流量公式和子单元结点的水头公式。利用岩体裂隙网络渗流理论,结合粗糙单裂隙等宽流量公式,求得各裂隙结点水头,进一步求得裂隙的单宽流量,进而求得裂隙子单元水头和流速。通过分析可得粗糙裂隙网络渗流与平滑裂隙网络存在明显不同:(1)裂隙网络中任一裂隙单宽流量计算公式不同,粗糙裂隙的等效水力隙宽小于平均隙宽;(2)裂隙内水头分布形式不同,光滑裂隙呈直线状分布,而粗糙裂隙呈阶梯状分布;(3)组成裂隙网络渗流传导矩阵的计算公式不同,粗糙裂隙网络考虑了裂隙细部水力特征对渗流的影响;(4)粗糙裂隙子单元法考虑了裂隙开度分布不均匀对裂隙过流能力的影响,更加合理。本研究可为实际工程提供参考。     

岩体饱和/非饱和渗流表征单元体积浅析

岩体渗流表征单元体积(REV)是衡量等效连续介质渗流模型实用性的重要标准，也是数值计算中对岩体渗流进行网格剖分的基本尺度。本文从统计分析角度导出了岩体饱和渗流REV的表达式，从机理分析角度探讨了单裂隙非饱和渗透率表征单元面积(REA)随饱和度变化的关系。提出“REV-REA相似扩大假想”，建立了岩体非饱和渗流表征单元体积与单裂隙非饱和渗透率表征单元面积的相似对应关系。计算表明，在中等饱和度下单裂隙渗透率REA较小，而在低饱和度及接近饱和状态下单裂隙渗透率REA较大，文中从饱和度变化与沟槽流发育程度的关系对这一变化趋势进行了合理解释。算例中，采用开度分布的随机均匀场定量分析了单裂隙非饱和渗透率REA与饱和度的变化关系，基于REV-REA相似扩大假想求取了岩体非饱和渗流REV的大小。