三维应力作用下岩体单个裂隙的渗流特性分析

天然岩体中存在着大量的孔隙和裂隙,这些缺陷不仅改变了岩体的力学性质,也严重影响了岩体的渗流特性。在对现有裂隙岩体渗流特性研究成果进行分析的基础上,讨论了岩体单个裂隙的力学性质和渗流对单个裂隙岩体产生的力学作用,研究了岩体单裂隙渗透系数与岩体三维应力的关系,考虑了裂隙粗糙度对渗流的影响以及不同方向应力对渗透性影响的差异,分析了单个裂隙岩体在三向应力作用下的渗流特征,得出了裂隙所受三维应力与渗透系数关系式,认为垂直于裂隙面的应力对岩体渗透性起主导作用,岩体渗透系数随垂直裂隙面应力的增加而迅速减小。通过与渗流规律试验结果对比分析,证明了所得单个裂隙岩体渗透系数表达式的正确性。     

考虑应力历史的岩石单裂隙渗流特性试验研究

通过开展单裂隙花岗岩不同围压加、卸载和不同水力梯度作用下的渗透试验,研究应力历史对裂隙渗透性能演化的影响。试验结果表明：在围压加载过程中,渗流流量与渗透压差大致呈线性关系;在渗透压差相同的条件下,围压越小,流量越大,随着围压上升,裂隙渗流流量持续减小,但随着围压的进一步增大,流量的减小有减缓的趋势。在围压相同以及渗透压差相同的条件下,单裂隙花岗岩在卸载条件下的渗流特性与加载条件下相比,其渗流流量明显降低,且卸载过程中渗流流量与渗透压差开始偏离线性关系。从试验前、后裂隙面粗糙度系数值的对比可以看出,由于法向应力挤压以及渗流流体的冲蚀作用,试验后裂隙面粗糙度系数明显降低。卸载的过程中,裂隙渗透性能的恢复具有明显的滞后效应,表明在法向应力和流体冲蚀的共同作用下,裂隙产生了不可恢复的非弹性变形。     

微生物灌浆加固裂隙岩体的渗流特性分析

裂隙岩体的防渗加固是影响工程稳定和安全的关键技术问题之一。在以往微生物加固砂土技术基础上,将微生物加固技术应用于裂隙岩体灌浆加固,研究结果表明,(1) 加固前围压对裂隙岩样的水力开度影响很大,加固后裂隙被碳酸钙沉积物充填,岩样的渗流由裂隙渗流转变为孔隙渗流,单位渗流量和渗透系数由围压和渗透水压共同控制;(2) 微生物灌浆加固后,不同围压和渗透水压力作用下裂隙岩样的单位时间渗流量减小了80.12%～90.04%,渗透系数可达到10–6 cm/s数量级;(3) 裂隙岩样灌浆加固过程中微生物诱导产生的CaCO3沉积物具有较好胶结作用,将劈裂岩样胶结为一个整体,达到了加固防渗效果。研究成果可为裂隙岩体的灌浆加固提供较好的参考。     

岩体裂隙粗糙度表征及其对裂隙渗流特性的影响

岩体裂隙粗糙程度对裂隙渗流特性的影响显著。利用三维光学扫描系统获取岩体裂隙面点云数据,结合SURFER和GEOMAGIC STUDIO等软件计算裂隙面节理粗糙度系数JRC和表面粗糙比率R_s,建立JRC与R_s的定量关系,开展应力、渗流和化学耦合作用下石灰岩裂隙渗流试验,研究JRC和R_s对粗糙裂隙渗流特性的影响。结果表明：JRC与R_s呈对数函数关系,其平方根R²为0.912 8,该表征公式与裂隙渗流试验结果最大相对误差MRE、平均绝对误差MAE和均方根误差RMSE分别为6.93%、0.34和0.27。JRC与渗流量、稳定期渗透率分别呈二次函数和对数函数关系,R_s和各参数的拟合关系与JRC相同。JRC值越大,渗流量和渗透率越小,且三场耦合作用下裂隙面JRC和R_s值均有所增大。该表征方法可用于岩体裂隙面粗糙度估算,由裂隙面JRC值可预测该裂隙渗流量和稳定时刻渗透率。     

低应力与覆水环境下单裂隙粉砂质泥岩渗流特性

为探究不同外部环境因素影响下浅层粉砂质泥岩边坡裂隙渗流特性,采用自主研发的岩体裂隙渗流试验装置,对含6种不同裂隙面粗糙度（JRC）的粉砂质泥岩裂隙试样进行渗流试验,研究了不同低围压和覆水深度下粉砂质泥岩裂隙渗流特性。结果表明：不同覆水深度及JRC下围压与粉砂质泥岩裂隙渗透系数均呈反相关,两者之间关系可用幂函数表征,且渗透系数的降低过程可分为快速降低（围压为0～30 kPa）和缓慢降低（围压为30～50 kPa）两个阶段,CT扫描结果验证了围压增大使得粉砂质泥岩裂隙开度减小是渗透系数随围压增大而减小的主要原因。随围压的增大或覆水深度的减小,不同JRC粉砂质泥岩裂隙渗透系数的离散程度逐渐减小。当围压增至最大,同时覆水深度最小时,JRC对裂隙渗透系数的影响将会被消除。不同围压下,粉砂质泥岩裂隙渗透系数与覆水深度呈正相关,且两者关系可用指数函数表征。推导出了粉砂质泥岩裂隙渗流非线性Izabsh模型,该模型能较好地反映低应力及低流速下粉砂质泥岩裂隙渗流量与压力梯度之间的非线性变化关系,但随围压的增大,该模型的相关性有一定程度的减小。     

裂隙岩体中的渗流与岩体变形

本文介绍裂隙岩体的渗流规律。我们通过试验认为应用纳维-斯托克斯(Narier-Stokes)方程描述岩体的渗流规律是可行的。岩体中的渗透动水压力对岩体的变形有重要的影响,渗透动水压力导至裂隙的张开、岩体变形,并影响岩体的稳定性。裂隙的张开引起渗流量的增加。我们应用原位(现场)试验的方法测量岩体的变形和渗流量,并研究渗透水压力与岩体变形的关系。试验成果用布希内斯克(Boussinesq)公式检查,表明其与计算结果比较接近。     

裂隙岩体高压压水试验水-岩耦合过程数值模拟

为了解高压水渗流作用对裂隙岩体应力和变形的影响,结合黑麋峰抽水蓄能电站岩体高压压水试验的渗压及变形测试成果,采用多孔连续介质全耦合理论,研究了试验区岩体测点在压水孔加压和卸压过程中的孔隙压力和位移变化过程。通过对测点位移和渗压随时间变化过程的计算值和实测值对比研究,验证了所采用的水-岩耦合数值模型的合理性。研究表明：在压水孔内的水压力和岩体孔隙压力的共同作用下,岩体内的应力大幅度增加;压水过程中,岩体因渗流作用产生了较大的位移,停止压水后的一段时间内,由于岩体中还存在一定的孔隙水压力和水压力梯度,从而导致岩体内仍存在部分变形值,且该部分变形值并非是压水孔卸载后岩体内的塑性残余变形;高压水渗流作用下的岩体耦合效应对工程应力和围岩变形有重大影响,考虑水-岩耦合效应的岩体稳定性评价结果对工程设计更具指导意义     

考虑卸荷作用的裂隙岩体渗流应力耦合研究

大量试验证明,裂隙岩体在加载和卸荷的条件下其渗流与应力特性是不完全相同的。近年来,加载条件下的裂隙岩体渗流应力耦合研究得到了长足的发展,但卸荷作用下的水岩耦合分析还处于初始阶段。基于现有裂隙变形曲线的研究结果,建立了渗透系数与卸荷应力、应变间的本构关系,在此基础上,根据算例分析了各种工况下的渗流和应力特征,其计算结果表明,考虑卸荷后应力场的改变增加了临近坡面的岩体渗透系数,降低了地下水浸润线,增加了边坡的稳定性;考虑渗流后,边坡的位移场和应力场有较大改变,但考虑耦合后位移和应力分布和大小与不耦合时的相差不大;边坡开挖后应力场改变对渗流的影响远大于渗流对位移、应力等的影响。     

某水工隧洞裂隙岩体高水头作用下的渗透性试验研究

结合某抽水蓄能电站高压引水隧洞裂隙岩体的高压压水试验、常规压水试验和室内试验,分析了裂隙岩体在高水头条件下渗透流量与压力关系所反映的岩体渗透特性变化规律;在定量计算基础上探讨了裂隙岩体渗透系数与压力的相互关系。通过对比高压压水试验、常规压水试验和室内试验得到的渗透系数,分析了环境应力状态和压力变化对渗透系数取值影响的原因。研究结果表明,高水头作用下裂隙岩体的渗透系数明显大于低水压条件下的渗透系数,室内试验渗透系数因应力解除影响而大于原位压水试验渗透系数值。     

基于离散单元法的裂隙岩体渗流应力耦合分析

文章从离散单元法的基本原理和岩体裂隙网络渗流的特点出发,以节理开度变化为纽带,对裂隙岩体渗流场与应力场耦合的离散网络模型进行分析,并用离散元数值方法结合算例分别进行了渗流场与应力场的耦合、非耦合计算。结果表明:耦合计算所得到的应力、位移和渗流量与非耦合计算得到的结果相比,都有不同程度的增大。因此,应从渗流场应力场两场耦合的角度考虑,才能提供更加符合实际的满足安全性的解答。     

构造应力对裂缝形成与流体流动的影响

裂缝是低渗透储层流体流动的主要通道,控制了低渗透油气藏的渗流系统。低渗透储层裂缝的形成与流体密切相关,高流体压力引起岩石内部的有效正应力下降,导致岩石剪切破裂强度下降,使岩石容易产生裂缝。高孔隙流体压力还造成某一点的应力摩尔圆向左移动,可以使其最小主应力(σ3)由压应力状态变成拉张应力状态,从而在岩石中形成拉张裂缝。裂缝的渗透性受现今应力场的影响,通常与现今应力场最大主压应力近平行分布的裂缝呈拉张状态,连通性好,开度大,渗透率高,是主渗透裂缝方向。构造应力对沉积盆地流体流动的影响主要表现在三个方面:(1)构造应力导致的岩石变形,不仅提供了流体流动的通道,而且还改变了岩石的渗透性能;(2)在构造强烈活动时期,构造应力的快速变化是流体流动的重要驱动力;(3)岩石中应力状态影响多孔介质的有效应力,从而影响介质中的渗流场。当作用在含流体介质上的构造应力发生改变时,岩石孔隙体积变小,构造应力首先由岩石的骨架来承担;当岩石孔隙体积减小到一定程度时,构造应力由孔隙流体来承担,从而影响岩层渗流场的变化。     

作用在岩体裂隙网络中的渗透力分析

从岩体裂隙网络渗流的特点出发, 以单裂隙渗透力分析为基础, 分析了二维及三维情况下岩体裂隙网络渗流对岩体裂隙壁施加的两种作用力: 垂直于裂隙壁使裂隙产生扩容的法向渗透静水压力以及平行于裂隙壁和裂隙水流方向一致的切向动水压力, 推导出二维及三维情况下裂隙单元因这两种作用力而产生的等效结点力, 并应用算例定量分析了岩体裂隙网络渗透静水压力和动水压力共同作用对岩体应力的影响, 结果显示: (a)渗透力作用下裂隙上部岩体压应力减小, 而裂隙下部岩体压应力增大, 最大压应力增大 10 .5 3%; (b)渗透力作用下裂隙岩体拉应力增大, 最大拉应力增大 9.0 9%; (c)裂隙渗透力使岩体剪应力增大, 最大值达 2 3.75 %。     

岩体裂隙系统渗流场与应力场耦合模型

岩体系统具有复杂的结构。一般认为，岩体系统是非均质各向异性不连续的多相介质体系。当岩体以裂隙为主，且其分布较密集时，可将岩体系统看作等效连续多相介质体系。本文运用等效连续介质理论，提出了两种岩体裂隙系统渗流场与应力场耦合模型：一是以渗透水压力与隙变形关系、应力与渗透系统数关系为基础，建立渗透系数张量计算公式，进而建立等效效连续介质渗流为数学模型。以裂隙岩体应变张量分析为基础，建立裂隙岩体效应力张量     

岩体中裂隙水流对裂隙壁的双重力学效应

岩体中裂隙水流对裂隙壁同时具有法向的渗透静水压力作用和切向的拖曳力（渗透动水压力）作用。本文提出在单一光滑平直裂隙、充填裂隙、水流和充填物一起流动三种情况下裂隙壁所受的渗透静水压力和拖曳力公式,并采用算例定量分析裂隙水流对裂隙壁的这种双重力学效应。结果表明,裂隙水流的渗透静水压力和切向拖曳力作用都会使岩体各应力分量增大,计算岩体应力时应考虑裂隙水流的双重力学效应。     

作用在裂隙中的渗透力分析

裂隙岩体中流体对岩体的作用力, 是研究岩体稳定性的重要问题。本文认为流体作用于裂隙壁面上的力包括两部分, 即垂直于裂隙壁面的流体静水压力 (导致裂隙垂向变形)和平行于裂隙壁面的拖曳力 (导致裂隙切向变形), 此拖曳力为面力。文中以单裂隙水流的立方定律为基础, 运用流体力学的动量方程, 推导出了单一平直光滑无充填裂隙、有充填的裂隙及水流和充填物一起运动情况下, 裂隙壁面承受的切向拖曳力公式。该公式对于分析流体对裂隙岩体变形性能及强度的影响具有重要价值。     

裂隙岩体渗流特性物模试验研究进展

简要综述了国内外裂隙岩体单裂隙、水力耦合、非饱和及考虑填充物情况下的渗流特性物模试验研究成果,并做了相应的分析和讨论。分析表明：物模试验在研究裂隙岩体渗流特性方面具有不可替代的作用;需要进行更多的模拟实际岩体裂隙的试验;反映剪应力或三维应力影响的物模试验是一个需要加强的方向;真正意义上的非饱和渗流试验还很少;填充裂隙渗流的研究更具实际意义,也待于加强。分析结果为今后的裂隙岩体渗流特性物模试验研究提供了有益的方向     

大型地下洞室群围岩应力-损伤-渗流耦合分析

以渗透体力来考虑渗流场的力学效应,建立了应力-损伤-渗透系数关系方程来考虑应力和损伤对渗流场的影响,结合岩体结构的三维弹塑性损伤有限元分析,建立了大型地下洞室开挖围岩应力-损伤-渗流耦合的计算模型。该计算模型求解的难度主要体现在岩体材料弹塑性、损伤、渗流自由面边界、渗流溢出边界、应力-损伤-渗流相互影响关系等。提出分步迭代法对以上因素进行归纳后按一定顺序分别进行迭代求解,取得了良好的计算效果。将该方法应用于某水电站大型地下洞室群分析,得出了一系列有意义的结论。     

Generalized Hoek-Brown solution of circular tunnel considering effects of axial stress and seepage forceEI北大核心CSCD

This paper studies the joint effect of seepage force and axial stress on the stress and displacement of circular tunnel. The circular tunnel is simplified as an axisymmetric model and the seepage field is simplified as volumetric force in the stress field. The excavation cross-section of surrounding rock is assumed as a plane as well, and an axial stress perpendicular to the plane is further introduced. Nonlinear solutions for the stress and displacement of circular tunnel are deduced considering the joint effect of axial stress and seepage force, based on the generalized Hoek-Brown failure criterion and the non-associated flow rule in elastic-brittle-plastic rock mass. Numerical simulations are also employed to analyze the distribution of stress field and displacement field in plastic zone of a circular tunnel under the joint effect of axial stress and seepage force. The calculated results show that the displacement in plastic zone increases significantly with the gradient increment of the seepage pressure, compared with the situation without seepage force. The radius and stress of surrounding rock in plastic zone increase when axial stress is the intermediate principal stress, while the radius and stress have less change when axial stress is the major or minor principal stress. It can be concluded that the seepage force has negative effects on the stability of circular tunnel, and the axial stress significantly influences the stress and displacement of the circular tunnel, especially in water-rich areas. Therefore, it is necessary to consider the joint effects of axial stress and seepage force to ensure the stability of circular tunnel in water-rich area.     

考虑轴向力和渗透力时圆形隧道广义Hoek-Brown解

为了研究渗透水压力和轴向应力共同作用时隧道围岩的应力和位移变化趋势,将圆形隧道简化为轴对称模型,假定渗透场以渗透体积力作用在原应力场,以围岩开挖断面为假定平面,引入垂直于该平面的轴向应力。基于广义Hoek-Brown强度准则和非关联流动法则,推导出考虑轴向应力和渗透场共同作用时弹-脆-塑性围岩的应力和位移非线性解,采用数值算例分析了轴向应力和渗透力共同作用时隧道围岩塑性区应力场和位移场的分布规律。计算结果表明：与无渗透水压力作用下的模型相比,渗透力作用使得围岩塑性区各点位移增大,并且内外水头差越大,位移增大越明显。当轴向应力为中主应力时,围岩塑性区半径和塑性区各点应力增大,轴向应力为大主应力和小主应力时,围岩塑性区半径和塑性区应力变化较小。因此,渗透力的存在不利于隧道围岩的稳定性,并且轴向应力的大小对于富水地区隧道围岩的应力和位移分布具有较大影响。在施工设计时考虑渗透力以及轴向应力的共同影响对于保证隧道围岩稳定性具有重要意义。     

岩体水力学基础（四）：岩体渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型

本文把裂隙岩体看作等效连续介质，用渗透系数张量描述岩体的渗透性能；用应力张量描述岩体的力学性能。介绍岩体渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型。