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     

裂隙岩体渗流耦合数值分析方法及其工程应用

针对岩体中主干裂隙和网络状裂隙提出了耦合渗流数值模型模拟分析岩体地下水三维渗流的方法。使用离散介质渗流模型描述岩体主干裂隙中的水运动，使用连续介质渗流模型描述网络状裂隙中水运动。连续介质充满整个研究域，离散介质按主干裂隙的实际空间分布嵌入连续介质中，并依据裂隙壁水力条件耦合两者。该方法逐个计算主干裂隙的渗流，充分体现主干裂隙的特殊水力作用；同时又避免了逐个计算网络状裂隙中的渗流所带来的困难，可以在较大尺度上分析渗流，便于工程应用。理论例子显示它能比较客观地反映裂隙岩体的渗流特性。该方法被应用到乌江构皮滩水利枢纽岩体渗流的分析中。     

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。     

裂隙岩体渗流新模型

为适应网状和层状渗透结构，根据多边形裂隙网络理论．确立了裂隙网络生成的原理和方法，系统地推导了在渗流和应力耦合作用下裂隙岩体渗流模型。并结合拉西瓦水电站坝区岩体裂隙构造的特征，进行了渗流计算和分析；还与连续介质和裂隙网络渗流模型进行了计算比较。     

裂隙岩体渗流参数讨论和渗流场有限元计算与分析

本文综合讨论了裂隙岩体渗流参数的特征,及由裂隙参数确定岩体渗透张量的过程。叙述了将岩体作为连续介质的三维非均质各向异性稳定渗流场有限元计算方法。通过对简单模型的有限元计算分析,讨论了各向异性渗流场的二个特征,即渗透主轴对渗流场的控制意义、以及渗透主轴与边界的关系对渗流场的控制意义。     

裂隙岩体渗流参数讨论和渗流场有限元计算与分析

本文综合讨论了裂隙岩体渗流参数的特征,及由裂隙参数确定岩体渗透张量的过程。叙述了将岩体作为连续介质的三维非均质各向异性稳定渗流场有限元计算方法。通过对简单模型的有限元计算分析,讨论了各向异性渗流场的二个特征,即渗透主轴对渗流场的控制意义、以及渗透主轴与边界的关系对渗流场的控制意义。     

裂隙岩体的渗流-损伤耦合分析模型及其工程应用

本文对裂隙岩体中的渗流提出一种渗流-损伤耦合分析模型,这个模型将岩体中的裂隙模拟为具有一定张开度的扁平圆盘裂纹,由现场裂隙统计分析和计算机Monte Carlo法产生随机裂隙网络系统,计算裂隙的空间连通率,对其力学行为,运用损伤断裂力学模型予以描述。本文阐述了渗流对裂隙岩体的力学作用和岩体的应力状态对裂隙渗透特性的影响,根据不同应力状态下,裂隙的损伤断裂扩展过程建立起渗透张量的演化方程。最后提出了有限元分析程序并将其应用于工程实践。     

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。     

一种裂隙－连续介质的耦合渗流计算方法

目前单独的孔隙介质（如土体）一般采用基于达西定律的连续介质渗流理论进行渗流分析,单独的裂隙介质（如岩体）多用基于立方定律的离散裂隙网络模型进行渗流分析。对于既有孔隙介质,又有裂隙介质的渗流区域,并没有形成一个整体的分析方法。针对裂隙岩基上修筑土石坝这种特殊渗流区域,对岩体裂隙区域和土体孔隙区域采取不同的渗流理论,通过交界区节点水头一致性条件,形成耦合整体渗透矩阵,建立了裂隙－连续介质耦合渗流计算方法,编制了裂隙－连续介质耦合渗流分析程序并进行了算例和工程验证,为裂隙与连续介质的耦合渗流计算提供了新的解决方法。     

基于离散裂隙网络模型的边坡渗流研究

以渗流立方定理、质量守恒定理和水流不可压缩假设为基础,对岩体裂隙网络及裂隙岩体的渗流机理进行合理简化和假设,利用Monte-Carlo方法随机生成具有一定分布规律的裂隙几何信息,通过净化处理最终建立裂隙渗流网络模型,并用PCG算法和Fortran语言开发相应的计算程序,对具有复杂裂隙网络的边坡进行渗流计算分析,获得有排水和无排水2种条件下裂隙边坡的渗流规律,为研究岩石裂隙边坡的渗流-应力耦合效应和边坡稳定性分析提供参考。     

裂隙岩体地下水渗流研究

笔者集刘家峡坝址、安康坝址裂隙岩体地下水渗流研究三十年之实践和认识,明确提出“构造水文地质学”的新概念。它是水文地质学和构造学结合点部位的一门学科,拟作为裂隙岩体地下水渗流研究的方向。对裂隙岩体地下水渗流计算或电网络法模拟试验给出了水文地质模型——构造水文地质图。     

裂隙岩体渗流耦合数值分析方法及其工程应用

针对岩体中主干裂隙和网络状裂隙提出了耦合渗数值模型模拟分析岩体地下水三维渗流的方法。使用离散介质流模型描述岩体主干裂隙中的水运动，使用连续介质流模型型描述网络状裂隙中水运动。连续介质充满足整个研究域，离散介质按主干裂隙的实际空间分布嵌入连续介质中，并依据裂隙壁水力条件耦合两者。该方法逐个计算主干裂隙的渗流，充分体现主干裂隙的特殊水力作用；同时又避免了逐个计算网络状裂隙中的渗流所带来的困难，可以在较     

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。     

裂隙岩体渗透张量的特征值扰动分析

裂隙岩体渗透张量是基岩地区地下水研究中非常重要的水文地质参数。基于裂隙岩体渗透张量的基本表达式和矩阵特征值扰动理论,以青岛黄岛地下洞库现场试验成果为例,在查明了岩体中裂隙的空间产状、位置基础上,建立了裂隙渗透性与岩体整体渗透张量之间的定量关系,分析了单条裂隙和单组裂隙渗透张量特征值的扰动问题,提出了优势裂隙渗透性对岩体整体渗透张量贡献的评价方法。研究结果表明,并非岩体中发育的裂隙对渗流都具有均等的作用,而只有优势裂隙组中的优势裂隙在裂隙渗流问题中占主导地位。这些成果对于基岩地区地下水资源开发和评价、地下水污染预测和控制、地下工程渗流计算和控制都具有重要的意义。     

三维裂隙岩体渗流混合模型研究

假设裂隙单元与岩体单元交界面上的水头连接，而允许流量不连续，建立了三维裂隙岩体渗流混合模型，给出了相应的有限元计算格式。采用本文建立的数学模型对重力坝坝基渗流进行数值计算，结果表明该模型是合理的，可行的。     

裂隙网络岩体非稳定渗流场与应力场耦合分析

岩体裂隙网络渗流的特点是渗流沿裂隙网络定向流动,体现出明显的非均匀性和各向异性,这决定了裂隙网络渗流的特殊性;裂隙岩体中渗流与应力的相瓦作用主要也是通过岩体中的裂隙.从裂隙网络渗流的特点出发,以岩体裂隙网络渗流与岩体应力相互影响、相互作用的耦合机理为基础,研究裂隙岩体中渗流场和应力场相互影响以及二者随渗透水流时间及边界条件的变化规律\编制相应程序,并通过算例进行了验证;考虑耦合情况下,裂隙岩体渗流场与应力场较不考虑耦合时均有明显变化.     

岩体三维主干裂隙网络渗流分析

基于流体力学的基本理论和二维岩体裂隙网络渗流原理，推广得到了三维岩体裂隙网络渗流基本方程。将三维岩体裂隙网络渗流理论及有限元数值方法应用于主干岩体裂隙网络渗流分析中，得到了令人满意的结果。     

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。     

考虑各向异性渗流的重力坝深层抗滑稳定分析

坝基裂隙岩体渗流具有各向异性特征,可能对重力坝深层抗滑稳定产生不利影响。采用等效连续介质模型,进行坝基裂隙岩体各向异性渗流分析,采用有限元滑面应力积分法计算重力坝深层抗滑稳定安全系数。将提出的方法应用于GD重力坝深层抗滑稳定分析。案例分析表明,裂隙岩体各向异性渗流会增大作用在坝基滑动面上的渗透压力,降低深层抗滑稳定安全系数。裂隙开度对滑动面上渗透压力的影响最大,裂隙连通率和间距的影响次之,裂隙相对粗糙度的影响最小。     

含自由面岩体裂隙网络非线性渗流分析的传导矩阵调整法

岩体裂隙网络渗流自由面不同于连续介质渗流自由面。自由面问题是渗流区域非线性问题,需要通过迭代求解。很多裂隙渗流是非线性渗流,求解属于渗流本构关系非线性问题,同样需要迭代求解。有渗流自由面的非线性渗流问题属于渗流区域和本构双重非线性问题,必须通过双重迭代求解。分析单裂隙非线性渗流规律,在此基础上利用裂隙水量平衡原理建立结点水头数值方程;参考确定连续介质渗流自由面的固定网格法,对岩体裂隙网络全区域的裂隙渗流参数进行分析,利用裂隙网络渗流传导矩阵调整法确定自由面。通过含自由面岩体裂隙网络非线性渗流问题分析得出:岩体裂隙网络渗流的流态与裂隙网络自身性质、边界条件密切相关;如果存在非线性渗流,也并不是所有的裂隙内的渗流都是非线性渗流,而是线性渗流与非线性渗流并存;裂隙流态对裂隙渗流自由面影响很大,由于自然裂隙的水力坡降大多小于1,最后求得的岩体裂隙网络非线性渗流自由面较同条件下的线性自由面高,总体流量则较线性渗流大。渗流双重非线性问题比单重非线性问题要复杂,用传导矩阵调整法分析含自由面岩体裂隙网络非线性渗流双重非线性问题是切实可行的,而对非线性渗流分析是非常有必要的,渗流双重非线性问题分析必须建立在单重非线性问题分析的基础上。