岩体裂隙非饱和渗流试验系统研制及应用

摘　要: 为了准确测定岩体裂隙非饱和水力参数, 并揭示裂隙非饱和渗流特性及规律, 设计研发了一套裂隙非饱和渗流试验系统。该系统不仅可以实现真正意义上的岩体裂隙非饱和渗流, 而且使用高精密的柱塞泵、 电子天平、 压力传感器和回压控制系统等, 可确保试验的测量和控制精度。通过开展岩体单裂隙非饱和渗流试验, 初步阐明了单裂隙非饱和渗流的一些水力特性: 实际岩体裂隙相对于概化模型裂隙具有更大的束缚水饱和度, 而且由于薄膜水和孔角毛细水的存在, 当饱和度很低时, 非饱和渗透系数也较概化模型裂隙大。建立了毛细压力与非饱和渗透系数之间的试验关系, 通过对试验数据的分析提出了毛细压力-非饱和渗透系数的拟合公式, 根据与前人所建立的经验公式对裂隙吸水和排水过程拟合结果的对比可知, 本文公式的拟合精度高, 对于深入研究裂隙非饱和渗流具有一定的参考价值, 同时, 试验结果表明本文试验系统是准确可靠的, 可用于岩体裂隙非饱和水力参数的测定及非饱和渗流特性的研究。     

复合形优化方法在石刻岩体渗流反演分析中的应用

岩体渗流反演分析可利用最优化方法来寻找一组反映客观岩体渗流的参数,其实质是求解带约束的最优化问题,而复合形是解决带约束条件的非线性规划问题的—种比较简单、且易于实现的优化方法,文章介绍了将它与岩体渗流有限元数值分析相结合的岩体渗流反演方法的基本原理及过程,并利用这种方法在大足县顶山石刻岩体渗流中得到应用。通过反演分析表明,宝顶山石刻区上层渗流介质的渗透系数为1.0014m d,降雨入渗量为1.0988×10-4m d,下层渗流介质的水平向渗透系数为44.994m d,竖向渗透系数为2.9472m d,具有明显的各向异性,计算结果符合实际。     

等效连续岩体的渗流应力耦合模型研究及应用

以渗透系数、孔隙率和应力的关系作为桥梁,当渗流场为非稳定渗流时,建立等效连续岩体渗流的耦合模型.采用有限单元法,进行了数值模拟,并结合算例进行两场耦合计算分析.从算例的计算结果来看,计入耦合作用后,岩体各应力分量都有不同程度的增加,特别是个别方向的应力分量增加幅度较大.因此,在工程设计中应该考虑耦合作用,这对于工程安全有着十分重要的指导意义.     

渗流侵蚀对砂土渗透系数影响的试验研究

渗流侵蚀的发生会引起土体渗透系数的变化,渗透系数的变化反映了土体内部颗粒迁移的内在本质.通过室内试验,研究了不同细颗粒含量下渗流侵蚀引起砂土渗透系数沿渗流路径的变化规律.试验装置为自行设计的一种可拆卸直管式水平渗流侵蚀装置,试验中采用三种不同配比的石英砂介质以分析细颗粒含量的影响.试验研究发现:1)渗流侵蚀下土体内部渗...     

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。     

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.     

三维非均质岩体各向异性渗流场分析

通过对天生桥一级水电站引水系统非均质各向异性岩体渗流场的模拟计算，提出了三维非均质岩体各向异性渗流场的计算方法，并导出三维排水廊道边界的计算公式和三维自由水面边界的迭代方法．通过对不同参数对渗流场影响的研究和各种运行工况三维渗流场特征的分析，得出了三维各向异性渗流场的一些基本规律，为高压引水管道的设计、施工提供了合理的设计依据．     

渗流反演分析在某水电工程中的应用

渗流参数的确定是水电工程设计中的关键步骤,将反演分析法与野外测试法相结合是获取渗流场整体特性及确定渗流参数的必要措施.针对水电工程实例,结合实际观测资料,建立了较为符合实际的水文地质模型,反演了各分区材料的渗透系数.将反演所得参数用于三维渗流有限元分析,取得了良好的计算结果,对渗流数值计算在水电工程中的应用有重要的借鉴意义.     

三维非均质岩体各向异性渗流场分析

通过对天生桥一级水电站引水系统非均质各向异性岩体渗流场的模拟计算，提出了三维非均质岩体各向异性渗流场的计算方法，并导出三维排水廓道边界的计算公式和三维自由水面边界的迭代方法，通过对不同参数对渗流场影响的研究和各种运行工况三维渗流场特征的分析，得出了三维各向异性渗流场的一些基本规律，为高压引水管道的设计，施工提供了合理的设计依据。     

基于非线性渗流的大变形固结有限元分析

为了研究土体在非线性渗流下的固结效应,基于大变形固结理论,考虑非线性渗流(耦合非Darcy渗流与变渗透系数)作用,建立了二维固结控制方程与有限元方程。采用自编程序对某一黏性土体的固结过程进行了计算。通过大量变动参数的计算与分析,探讨了非Darcy渗流与渗透系数随固结变化的影响。计算结果表明:与Darcy渗流相比,非Darcy渗流下的沉降小,超孔压消散缓慢,具有延迟效应。其中,非Darcy渗流试验常数m影响较大,线性渗流起始水力梯度iL影响较小。渗透系数变化对固结的影响与非Darcy渗流相似,压缩指数与渗透系数指数比值αc的影响较大。在非Darcy渗流与渗透系数随固结变化的耦合作用下,沉降显著减小,超孔压消散趋于缓慢,延迟效应更为明显。     

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.     

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。     

节理面渗流性质的探讨

本文在“充填模型”的基础上研究了节理面的变形和渗流特性。通过理论公式与试验数据的拟合表明:在通常工程实战所能遇到的应力水平上,本模型具有一定的合理性,可以应用到节理岩体的变形与渗流的耦合分析中去。     

岩石粗糙裂隙大范围雷诺数条件下渗流特性

通过试验和理论分析,研究不同几何参数的岩石粗糙裂隙渗流的非达西系数β、临界雷诺数Re_c、非达西效应因子E等变化特性。研制裂隙渗流试验仪器,制作9个不同开度和裂隙粗糙度(joint roughness coefficient, JRC)的单裂隙模型,开展大范围雷诺数Re条件下粗糙裂隙渗流试验。根据渗流试验结果,得到了不同粗糙度(JRC=2~20)单裂隙的渗流特性,显示出粗糙度对裂隙的非线性渗流特性产生显著的影响。结合Forchheimer方程,从理论参数方面,对粗糙度的影响进行量化。研究显示:裂隙粗糙度越大,则越容易引起裂隙渗流的非线性,临界雷诺数越小,非线性作用越强。     

岩石粗糙裂隙大范围雷诺数条件下渗流特性

通过试验和理论分析,研究不同几何参数的岩石粗糙裂隙渗流的非达西系数β、临界雷诺数Re_c、非达西效应因子E等变化特性。研制裂隙渗流试验仪器,制作9个不同开度和裂隙粗糙度(joint roughness coefficient, JRC)的单裂隙模型,开展大范围雷诺数Re条件下粗糙裂隙渗流试验。根据渗流试验结果,得到了不同粗糙度(JRC=2~20)单裂隙的渗流特性,显示出粗糙度对裂隙的非线性渗流特性产生显著的影响。结合Forchheimer方程,从理论参数方面,对粗糙度的影响进行量化。研究显示:裂隙粗糙度越大,则越容易引起裂隙渗流的非线性,临界雷诺数越小,非线性作用越强。     

萧山黏土非达西渗流性状的试验研究

针对传统固结理论不能考虑非达西渗流的不足，研究了渗流速度与水力梯度的非线性关系，总结出4种非达西渗流模型来研究在加载条件下土的渗透性的变化规律.利用GDS高级固结仪对萧山黏土试样进行了固结渗透联合试验，设定了多级常水头渗透试验并整理出渗流速度、水力梯度等相关试验结果，分析了非达西渗流模型的土性参数.试验与分析结果表明，三参数模型、幂指数模型和非线性分段模型这3种非达西渗流模型的拟合效果较好；折线渗流模型简单实用，在特殊情况下可以简化为线性渗流模型或达西定律.4种非达西渗流模型对于萧山黏土的渗流特性研究都是适用的.     

土石坝渗流确定分析模型研究

针对土石坝渗流安全监测中观测项目较少,难以分析大坝渗流场的问题,通过三维渗流有限元分析,分离了大坝坝体,坝基以及两岸岩体的渗流量,并建立了基于三维渗流有限元计算的土石坝渗流确定分析模型,计算实例表明,该模型精度较高。     

富水区隧道渗流场解析解及合理支护参数

以复势函数和地下水力学理论为基础,引入双极坐标描述等势线,推导由围岩、注浆圈和初期支护组成的富水地区隧道渗流场解析解,获得隧道注浆前后初期支护外水头的水头差公式. 通过与保角变换法、镜像法和数值模拟计算结果对比,验证所提解析方法的合理性. 通过研究隧道注浆圈、初期支护的渗流参数与初期支护外水头、渗水量及水头差的关系,提出隧道结构合理渗流参数的确定方法. 结果表明：减小初期支护渗透系数或增大初期支护厚度都可致渗水量减小且水头增大;水头差随初期支护渗透系数或厚度增大先增大后减小,当水头差处于峰值时,注浆圈能发挥较大的作用,初期支护外水头可以降至全水头的30%±6%.     

桩底灌浆分析

提出了一个在土骨架不可压缩假定下分析柱底灌浆压力场的方法。该方法在径向渗流理论基础上考虑了浆液与水之间的相互作用,求解了灌浆引起的超静水压力及其梯度、灌浆量及浆球半径关系、灌浆量的计算,并给出了同现场灌浆资料确定浆液渗透系数的方法。讨论了一些对灌浆压力场有重要影响的参数。     

水电站工程岩体渗流场及防渗排水系统优化研究

根据某水电站工程坝址区岩体内断层、裂隙发育的实际情况,采用集主要导水断层为一体的超等效连续介质数学模型.以现场勘探资料和设计参数、钻孔试验资料等为基础,建立能够反映左、右岸主要地质构造、导水介质和主要建筑物的三维有限元整体计算模型,并对大坝蓄水后的三维渗流场进行数值模拟研究.通过修改三维有限元整体计算模型,比较了各种防渗排水方案的效果,并提出了优化方案.