裂隙岩体渗流与应力耦合有限元分析

裂隙岩体中裂隙发育规模和分布规律控制了岩体的渗流特性和变形规律，从工程角度出发，忽略岩块的渗透性，假设水流只在岩体的裂隙网络中流动，以立方定律为基本公式，给出了非平行楔形裂隙渗流方程，利用裂隙变形与渗透系数之间关系的耦合机理，给出了有限元分析模型。给出的算例表明，所提出的模型是可靠的。     

裂隙岩体的固气耦合模型及其在岩盐储气库中的应用

在含裂隙的岩盐中建造地下天然气储库工程必须研究裂隙岩体的气体渗流规律,以确保地下储气库工程安全运行,防止天然气渗漏。提出了岩体和裂隙的变形场与天然气渗流场的耦合模型,并建立了有限元分析的数值解法,在建设地下天然气储库确定气库的运行气压时可提供一些依据,对评价天然气储库的稳定性有参考意义。     

基于应变耦合渗流模型的裂隙岩体弹性模量研究

原地直接测定裂隙岩体的弹性模量E_m,由于各种原因,在工程实践中往往有一定的困难。作为一种替代方法,通常人们利用实验室测得的岩石弹性模量E来确定裂隙岩体弹性模量E_m。提出的耦合应变渗流模型,建立了裂隙岩体中裂隙与岩块在应力作用下的变形协调和应力平衡关系,通过考虑裂隙岩体中地下开挖体涌水量大小可直接反映裂隙的贯通情况和密度大小这一事实,用地下开挖体涌水量大小和岩体弹性模量折减系数E_m来计算岩体弹性模量。为计算岩体弹性模量提出了一个可能的新途经。 该模型的结果与实际数据吻合良好。     

非均匀、随机裂隙展布岩体渗流应力耦合模型

利用Mento Catlo 模拟技术模拟基质岩块的非均质力学特性,生成岩体内的随机裂隙网络,建立了非均质、随机裂隙展布岩体生成模型,并开发了相应的程序HRFRGM.在岩体力学试验和工程地质调查基础上,利用HRFRGM生成与实际岩体工程特性相近的虚拟岩体.将其与渗流应力耦合计算程序Coupling Analysis结合,建立了非均质、随机裂隙展布岩体渗流应力耦合计算模型.研究了岩体非均质和随机裂隙网络对瓦斯抽放的影响.结果表明,提出的非均质、随机裂隙展布岩体生成模型能较好地模拟岩体的非均质性和随机裂隙展布.     

破碎岩体应力-渗流耦合模型及数值模拟研究

为了解决地下矿山岩体防渗及顶底板突水问题,设计破碎岩体应力-渗流耦合试验,分析岩体破坏特征及渗透率变化特征,并揭示应力-渗流耦合试验中岩体的致灾演变规律;结合D-P准则演化推导岩体应力-渗流耦合力学模型,从力学角度解释岩体破坏过程;推导应力-渗流耦合模型在FLAC3D中的有限差分程序,实现耦合模型的二次开发应用.研究表明:岩体的渗透率变化规律可划分为4个阶段(孔隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性强化变形阶段及破坏后阶段),其中在塑性强化阶段渗透率产生明显提升并持续增长;增大孔隙水压,岩体泊松比上升,弹性模量下降,破坏角减小,岩体弱化效果明显,破坏形式由主剪切破坏逐渐向次生裂隙的张拉剪切破坏过渡;增大孔隙水压,模型参数F0和m分别以指数形式减小和增大,岩体峰值强度降低,高压水的存在使得岩体劣化程度增加,增大了裂隙发育程度,从而导致突水致灾危险性增加.     

边界单元法在露天矿边坡疏干排水工程中的应用

该文首先讨论了边界无法处理渗流问题的计算原理,针对露天矿山边坡裂隙岩体的渗透特性,建立二维渗流模型,采用边界元数值方法模拟分析各向异性岩体地下水在排水孔疏于过程中的渗流场分布特征,并应用于露天矿现场实例之中。     

裂隙岩体裂隙网络渗流模型研究

给出了裂隙岩体渗流的几个基本定义。将岩体裂隙网络视为一个图，利用离散数学图论中图的矩阵表示法和单一裂隙渗流的立方定律，建立了裂隙岩体裂隙网络渗流模型，并将该模型用于实际边坡工程岩体裂隙渗流分析     

裂隙岩体裂隙网络渗流模拟研究

给出了裂隙岩体渗注以的几个基本定义。将岩体裂隙网络视为一个图，利用离散数学图论中图的矩阵表示法和单一裂隙渗流的立方定律，建立了裂隙岩体裂隙网络渗流模型，并将该模型用于实际边坡工程岩体裂隙渗流分析。     

采场岩体边坡渗流的裂隙控渗特征

裂隙岩体的渗透特性实质上是裂隙水力学问题，裂隙控制着岩体的渗透特性。大多数矿山岩体边坡，由于岩体裂隙发育较为密集，最大裂隙间距或平均裂隙间距与边坡的尺寸(通常高数百米)相比，一般都很小．流场区域体积远大于典型表征体单元REV体积，因此采用等效连续介质模型是合理的，并且能反映裂隙各向异性渗透特征对渗流场的控制和影响作用。实例分析表明，裂隙分布形式影响着裂隙岩体的渗透系数张量；裂隙分布影响着裂隙岩体边坡的渗流场分布，自由面等势线形态和剖面等势线形态明显受裂隙发育方位的影响，自由面等势线的展布方向趋向裂隙发育优势走向，剖面等势线的展布方向趋向裂隙发育优势倾向。因此，采场岩体边坡渗流的基本特征是裂隙发育对渗流的控制性。     

基于π定理的裂隙岩体弹性模量研究

岩体弹性模量E_m是工程实践中关注的因素,但直接测定E_m有一定的困难。岩体中的裂隙发育情况对E_m有很大的影响,往往裂隙间距和隙宽决定了E_m的大小。岩体环境中充满地下水,岩体中的裂隙主导了地下水的流动,其渗流特性决定了自由面渗流量的大小。通过π定理建立了自由面渗流量与E_m之间的联系,推导了渗流量和E_m的函数关系式,利用有限元法计算了采空区自由面渗流量,通过改变π参数绘制了反映渗流量和E_m关系的曲线图,在已知渗流量的情况下查阅该图可以快速计算E_m。给出了一个矿山实例,计算了该矿山岩体的弹性模量,计算结果与实际数据吻合,验证了此方法的准确性。     

块裂介质岩体变形与气体渗流的耦合数学模型及其应用

在详细论述岩体基质岩块与裂缝变形,气体渗流及相互作用物理机制的基础上,提出了块裂介质岩体变形与气体渗流的耦合数学模型及其数值解法,这是岩体介质固气耦合数学模型的重要发展,以含裂缝煤层瓦斯抽放为例,通过数值分析,揭示了含裂缝煤层瓦斯在基质岩块和裂缝中运移,传递和交换,伴随的岩体裂缝和基质岩块变形和应力分布,及其对瓦斯气体运移的相互作用影响规律。     

Rheological numerical simulation for thermo-hydro-mechanical coupling analysis for rock mass

Under the environment of seepage field, stress field and temperature field interaction and influence, the three fields will not only produce coupling effect, but also have deformation with time due to the rheological behavior of rock mass. In the paper, based on the fundamental theories of rock mass coupling theory and rheological mechanics, the rheological model for fully coupled thermo-hydro-mechanical analysis for rock mass was set up, and the corresponding constitutive relationship, the conservation equation of mass and the conservation equation of energy were given, and the finite element formulas were derived for coupling analysis of rock mass. During establishing governing equations, rock mass was assumed approximately as macro-equivalent continuum medium. The obtained rheological numerical model for fully coupled thermo-hydro-mechanical analysis can be used for analyzing and predicting the long-term stability of underground caverns and slope engineering under the condition of thermo-hydro-mechanical coupling with rheological deformation.     

某砂岩型铀矿床井间示踪技术应用研究

为了查明矿床地下水的连通性和连续抽出条件下地下水渗流速度等地浸地质条件,给矿床地浸地质条件评价提供依据。在某砂岩型铀矿床开展井间示踪试验,试验结果显示,示踪剂突破时间为15d,峰值时间为54d,峰值浓度为2.561mg/L。依据水动力条件下含矿含水层的溶液渗流速度公式,计算出地下水平均流动速度为0.51m/d,表明地下水连通性较好;通过示踪试验期间两次停机前后示踪剂浓度值变化极小这一结果可知地下水在天然状态下流动性较弱;示踪剂浓度随时间变化曲线表明试验区段地下水赋存性质呈现孔隙水特征。     

降雨温湿环境下的岩石吸水特征试验研究

岩石的吸水特征与其温湿环境密切相关,以岩石为主要材料的降雨型岩质边坡总是处于一定的温湿环境中.采用自主研发的软岩气态水吸附智能测试系统,通过模拟降雨温湿环境研究岩性、降雨延时、温度三个因素与岩石吸水特性之间的关系,得出了岩性组分不同的降雨型岩质边坡的水力响应特征.研究结果表明:降雨温湿环境(温度20℃、相对湿度100%)下的干燥砾岩吸水量最大,细砂岩和粗砂岩次之,绿帘角闪岩最小;砾岩具有较强的雨水下渗能力;细砂岩和粗砂岩在吸水量达到峰值后吸水曲线斜率出现负值,表明由“吸水”向“积水”转变;绿帘角闪岩很快出现“凝露”现象,下渗能力非常弱.该研究成果揭示了由砾岩为主要组分的岩质边坡具有较强的雨水下渗能力,强降雨时以渗流和地下径流作用为主,有必要考虑渗流和径流二者的耦合作用;由绿帘角闪岩为主要组分的岩质边坡,具有较强的排水能力,强降雨时以地表径流和地下径流作用为主,需重点考虑地下水渗透力作用.     

基于RFPA~(2D)-Flow软件对裂隙岩体渗透特性表征单元体的研究

大型水利水电工程多依附于高陡裂隙岩体边坡而建,而边坡的渗控结构成为研究重点。为进一步研究裂隙岩体渗透特性及其各向异性的影响因素,基于C语言程序,考虑不同迹长、密度的概率分布,通过蒙特卡罗方法生成随机裂隙,然后将随机裂隙导入有限元渗流计算软件RFPA~(2D)-Flow,形成渗流裂隙网络模型。通过对不同的方位、不同尺寸上的等效渗透系数的模拟计算,得到不同工况下的渗透张量,结合类张量特性和类常量特性判定依据,确定渗流表征单元体,并自定义渗透特性各向异性系数,研究裂隙的密度、迹长对岩体渗透张量、表征单元体尺寸和各向异性系数的影响。结果表明:①裂隙密度和裂隙迹长对裂隙岩体的渗透主值影响较大,但对渗透主方向几乎无影响,随密度或者迹长的增大,裂隙岩体的渗透主值逐渐增大;②在一定范围内,随着裂隙密度或迹长的增大,裂隙岩体的渗透表征单元体尺寸逐渐减小;③裂隙岩体渗透特性的各向异性系数r随密度增大逐渐减小,随裂隙迹长增大呈现先减小后增大的趋势。在此基础上,以锦屏一级水电站坝区左岸边坡裂隙岩体为例,根据地质勘探所获的裂隙概率分布特征及相关参数,利用本文研究方法进行渗流数值模拟计算,确定锦屏左岸裂隙岩体的渗透张量和表征单元体尺寸,并结合现场压水试验结果对本文数值模拟结果进行修正,修正系数在一个数量级之内,说明本文模拟计算结果与实测结果相近。     

峰后破裂岩石加、卸载围压过程渗流特性的试验

针对岩石裂隙面因加、卸载围压环境而引起渗流特性的改变,采用自行研制的温度-应力-渗流多场耦合岩石三轴试验系统,开展峰后破裂岩石加、卸载围压过程的渗流试验,研究峰后岩石裂隙在不同围压加、卸载路径下的非线性渗流特征。为了量化裂隙岩石非线性渗流过程,采用Forchheimer公式对水力梯度与渗流流量之间的关系进行拟合分析,将峰后破裂岩石渗流过程划分为线性Darcy流阶段与非线性Darcy流阶段,引入非线性影响因子E,作为区分达西流与非达西流的临界点。对比加、卸载围压过程中相同渗透压力下的裂隙渗流流量与裂隙渗透性,分析产生渗流差异性的发生机制。研究表明:峰后破裂岩石在围压的加载过程中,其渗流主要表现为非线性特征,裂隙的渗透性随围压增大而逐渐减小。在高围压作用下,虽然裂隙面会产生一定程度的压缩闭合,但存在的少量张拉裂隙会逐渐扩展和连通,可能会引起峰后破裂岩石的渗透性发生改变。当围压从较高水平卸荷后,且裂隙面渗透压力处于较低水平下时,裂隙渗透性没有增加反而减小,表明裂隙面在加、卸载围压和过流冲刷的共同影响下发生了不可逆的变形,导致裂隙面开度的逐步降低。当围压卸载到与加载过程同一水平时,各级渗透压力下的渗流流量均大幅下降,表明裂隙面的渗流能力的恢复存在明显的滞后效应。     

基于随机结构模型的新立矿区岩体渗透性分析

为了掌握三山岛金矿井下岩体渗水特性,确保海底采矿的生产安全,分析了新立矿区水文地质结构特点,调查了-105 m、-135 m²个中段矿坑出水点并建立各中段渗水区水力联系,研究新立矿区岩体渗透系数张量,在一个测量面内把大测量区划分成许多小测区,把一定数量的小测区测量结果合并,得到不同大小测量面的结果。开发渗透张量计算程序,计算得出-105 m、-135 m中段岩体渗透系数张量和综合渗透系数,基于对新立矿区现场岩石露头的抽样统计,建立岩体结构面几何参数概率分布模型,通过对新立矿区岩体结构面进行随机模拟计算,得出岩体结构面连通率,修正了矿区岩体渗透系数。实测结果表明,采用连通率修正理想条件下计算出的渗透系数,具有良好的实际应用价值。     

高温作用后岩石裂隙渗流试验及其模型分析

在油、气能源地下存储、高放核废料地质处理中,岩石的温度和裂隙渗透压力会显著地影响岩石裂隙的渗流性质。当渗透压力梯度逐渐增加时,渗流流量随之增大,使得Darcy流转变为非线性渗流。为研究高温致裂岩石裂隙渗流的基本规律,采用自行研制的温度-应力-渗流多场耦合仪(该系统由围压、轴压和渗透水压3套相互独立的加载部分组成),在1 MPa的围压作用下,对高温作用后的岩样进行不同渗透压下的渗流试验,研究渗流流量与压力梯度的演化规律,并基于三维CT扫描技术对渗流试验后的岩样内部裂隙开度进行逐层检测,获得岩石裂纹开度统计分析以及岩石逐层孔隙率统计分布,能清楚的观测到岩石内部裂隙的网络结构,可为研究岩石多裂隙渗流提供依据。通过Forchheimer方程描述渗流流量与渗透压力梯度的关系,将渗流过程分为Darcy流与非线性渗流2个阶段,并引入非线性因子E,在实际岩体工程中大多定义E=0.1作为线性流和非线性流的分界点,从而求解出临界Darcy流的阈值和临界雷诺数。为了研究不同渗透压力下动量相对损失率的大小,采用欧拉数来计算岩石裂隙渗流的动量相对损失率。结果表明,随着渗透压力的增加,动量相对损失率呈现出先减小后增加的趋势。在某一渗透压力下,欧拉数达到极小值,表明在其压力作用下流体流动的变化率最小,对实际工程中研究高温致裂岩石裂隙渗流具有指导意义。     

岩体突水通道形成过程中应力-渗流-损伤多场耦合机制

突水通道形成的渐进性破坏过程是煤矿突(透)水机理研究的关键问题,采动扰动和地下水双重作用下岩体的持续渗流-损伤行为导致破裂通道最终形成.采用可考虑地下水作用下岩体拉剪和压剪双重破坏准则的计算程序,真实再现承压含水层与巷道之间隔水岩体的采动裂隙萌生、扩展、贯通直至破裂通道形成的灾变演化过程,通过对岩体应力场、渗流场和损伤场的耦合演化过程进行分析,实现了对突水通道形成轨迹的准确定位,揭示了突水通道形成过程中岩体应力-渗流-损伤的耦合机制.数值实验结果表明:采动影响下持续的应力-渗流-损伤耦合作用诱发岩体强度降低导致突水通道最终形成,隔水岩体历经了群裂纹萌生、扩展和贯通的渐变过程;通道贯通前,岩体破裂损伤能量激增,通道部位岩体剪应力急剧下降,渗透系数和流量则急剧上升,各物理场均孕育了不同程度的突水前兆信息.     

考虑启动压力梯度的低渗透煤层瓦斯渗流耦合模型及应用

低透气性煤层瓦斯低速渗流时具有非Darcy渗流的特征,为揭示非Darcy渗流现象的渗流机理,开展了包含非Darcy渗流现象的瓦斯渗流与煤岩变形耦合作用规律研究。根据低透气性煤层瓦斯渗流特征,考虑启动压力梯度作用下的非Darcy渗流规律,研究游离瓦斯渗流、吸附瓦斯扩散流动机理和煤岩变形等过程,建立含启动压力梯度的渗流耦合模型,并利用该模型开展本煤层预抽钻孔数值模拟研究,结果表明,考虑启动压力梯度的模拟结果更符合低渗透煤层瓦斯运移规律,依据模拟结果布置井下钻孔,工作面预抽钻孔抽采瓦斯量为1.09 m3/t,抽采效果理想。