基岩裂隙水渗流数值模拟研究综述

裂隙岩体中的渗流规律与传统多孔介质渗流规律存在本质的区别,裂隙岩体渗流具有不均匀性、各向异性和非连续性等特点,如何更好地刻画裂隙水渗流的这种特点是当前裂隙水数值模拟的热点与难点。介绍了裂隙岩体地下水渗流特性,对目前裂隙水渗流模型及其优缺点进行比较、分析,同时对主流数值计算方法和数值模拟软件进行概括介绍。     

岩体裂隙网络等效渗透系数方向性的数值计算

采用渗流力学理论并结合Monte Carlo方法描述岩体裂隙的随机分布,研究渗流模型的尺寸效应并确定表征单元体积（REV）,得到了3种开口度分布形式的等效渗透系数椭圆曲线,建立了等效渗透系数方向性的判别标准。离散裂隙网络（DFN）模型假定流体只在岩体裂隙内部流动,而不通过岩体本身渗流。基于二维离散元程序UDEC并进行二次开发,建立DFN模型,通过改变流体的流动方向,得到不同流动方向下岩体裂隙网络的等效渗透系数,并分析不同的开口度分布形式对岩体裂隙网络等效渗透系数方向性的影响。计算结果表明,表征单元体积存在的条件是等效渗透系数保持稳定且渗透椭圆比较光滑。等效渗透系数的方向性受开口度分布形式的影响很大：当开口度-长度关联分布时,等效渗透系数各向异性;当开口度对数正态分布时,等效渗透系数各向同性;当开口度恒定分布时,等效渗透系数的特性介于二者之间。变化系数（CV）是否大于5%是判定岩体裂隙网络渗透系数是否具有方向性的判别标准。     

粗糙裂隙水、气两相流相对渗透系数模型与数值分析

粗糙裂隙水、气两相流相对渗透系数是岩体工程多相渗流以及水力耦合分析的重要参数。从粗糙裂隙的细观结构出发，基于毛细吸持理论和立方定理，提出了粗糙裂隙水、气两相流相对渗透系数模型。通过与具有不同空间分布的粗糙裂隙水、气两相流试验数据对比分析，验证了模型的准确性。为进一步验证理论模型对不同粗糙程度裂隙的适用性，基于SRAM与Invasion Percolation模型，提出了粗糙裂隙的开度分布生成以及水、气两相流数值分析方法，计算结果表明理论模型与数值数据基本吻合一致，且优于X模型、V-C模型以及Corey模型。     

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     

基于各向异性岩体渗透参数分析的矿区地下水环境预测

地下采矿工程势必会引起矿区周边地下水水位的变化,而地下水在岩体中渗流主要受岩体裂隙的影响,因此地下水渗流具有非均质各向异性的特点。采用统计学分析方法,根据岩体裂隙几何参数计算渗透张量,获得综合渗透系数,并与钻孔抽水试验所得渗透系数相比较,进行修正,得到渗透主值。并运用于Visual Modflow中建立地下采矿区各向异性的地下水渗流模型,进而较准确地预测采矿过程中地下水降落漏斗的影响范围及影响幅度。     

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。     

裂隙贯通率对双重孔隙介质热-水-应力耦合现象影响的有限元分析

为探讨裂隙的贯通率对于耦合的温度场、渗流场和应力场的作用,应用所建立的遍有节理岩体双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型,以一个假定的位于非饱和地层中的高放废物地质处置库为算例,针对裂隙和孔隙的贯通率不同的4种工况进行了二维有限元数值分析,考察了围岩中的温度、负的孔隙和裂隙水压力、地下水流速、孔隙及裂隙的渗透系数修正因子和应力的变化、分布情况。结果显示,由于裂隙贯通率的差异使得双重介质的刚度不同,引起岩体中应力状态及水平的改变,从而影响到孔隙、裂隙的孔隙率及渗透系数的量值,并导致孔隙水和裂隙水的压力大小、分布以及水流速度的变化     

粗糙裂隙水气两相流相对渗透系数模型与数值分析

粗糙裂隙水气两相流相对渗透系数是岩体工程多相渗流以及水力耦合分析的重要参数。从粗糙裂隙的细观结构出发,基于毛细吸持理论和立方定理,提出了粗糙裂隙水气两相流相对渗透系数模型。通过与具有不同空间分布的粗糙裂隙水气两相流试验数据对比分析,验证了模型的准确性。为进一步验证理论模型对不同粗糙程度裂隙的适用性,基于SRAM与Invasion Percolation模型,提出了粗糙裂隙的开度分布生成以及水气两相流数值分析方法,计算结果表明理论模型与数值数据基本吻合一致,且优于X模型、V-C模型以及Corey模型。     

矩形狭缝裂隙水流运动特征数值模拟研究

裂隙水流运动规律的研究对岩溶地区水资源合理开发利用以及裂隙岩体渗流理论发展具有重要意义。为探讨立方定律在矩形狭缝平行裂隙中的有效性以及裂隙水流运动特性,对不同尺寸的矩形狭缝平行裂隙水流运动进行数值模拟,基于模拟结果,利用极限流速和极限雷诺数的概念对立方定律在矩形狭缝裂隙中的有效性进行了验证,提出适用于矩形狭缝裂隙的修正立方定律。分析了矩形狭缝裂隙渗透系数随裂隙开度、宽度以及宽度与开度比值的变化,结果表明：裂隙开度越大,宽度越大,渗透系数越大,渗透系数随裂隙宽度与裂隙开度比值的增大而增大,二者之间呈指数关系。对裂隙水流流速分布剖面进行分析,结果表明：裂隙开度越大,流速分布越偏离泊肃叶分布,且离裂隙中心线越近,绝对偏差越大,相对偏差沿质点位置呈波动变化,变幅较小;流速越大,流速分布越偏离泊肃叶分布,在裂隙中心线处最大,离裂隙壁越近,偏差越小,而相对偏差随流速的变化幅度相对较小,表现为集中型;裂隙宽度越大,对流速分布影响越小。     

裂隙岩体流-热耦合传热的三维数值模拟分析

通过对潘西煤矿水文地质条件的分析,基于裂隙岩体的流-热耦合数学模型,描述了裂隙岩体渗流场分布和水流及岩体的温度场分布,并结合边界条件及计算参数对裂隙岩体的流-热耦合传热进行了数值模拟和分析。数值模拟结果表明,岩体内裂隙水流所引发的热量迁移,对裂隙岩体的温度场分布有重要影响。断裂带及地下水流的存在改变了岩体的原有温度场分布。在渗流初期,温度梯度矢量沿渗流方向向两侧岩体方向流动,由于两侧岩体的渗透性系数低于断裂带处的渗透性系数,右侧等温线及温度梯度矢量方向逐渐向渗流方向移动,改变了两侧岩体的温度场分布。通过对断裂带内裂隙水流渗透性系数的折减,分析渗透性系数发生变化时对岩体温度场分布的影响,渗透性系数越大,伴随的热量迁移增大,对岩体的温度场分布的影响也越大。     

裂隙岩体渗流耦合传热分析

以地下裂隙岩体在裂隙水—孔隙水和温度场之间耦合作用为研究对象,对热和流体流动控制方程采用有限容积数值方法进行离散求解,设置了六种裂隙水—孔隙水流速方案,给出了部分无量纲温度场,并分析了传热与流动原因。分析结果表明：岩体内裂隙水—孔隙水引发的热质迁移对裂隙岩体的温度场分布有重要影响;当裂隙岩体内发生地下裂隙水—孔隙水渗流、及热量的转移时,会产生渗流场、温度场之间的耦合作用;裂隙内水流渗透速度是影响岩体温度的主要因素,孔隙内水流渗透速度是影响岩体温度的次要因素,温差主要发生在裂隙水边界层处。     

低温裂隙岩体水-热耦合模型研究及数值分析

裂隙渗流会引起裂隙周围岩体中的温度场变化,在低温岩体中其影响更为明显;此外,裂隙水与周围低温岩石介质发生热交换会引起裂隙中的水冰相变过程发生,而裂隙水冻结将阻碍裂隙渗流,引起裂隙渗流场的变化。因此,低温下的裂隙岩体水-热相互作用是一个强耦合过程。考虑裂隙中的水冰相变过程和渗流作用,建立了低温冻结条件下裂隙岩体水-热耦合模型;以冻结法施工为例,考察了低温冻结过程中裂隙水渗流对裂隙冻结交圈的影响。研究结果表明：由于裂隙渗流的存在,距裂隙较远处岩石先冻结,裂隙冻结所需时间远大于周围岩石;裂隙宽度和裂隙水压力差都会影响冻结交圈时间,裂隙越宽、水压力差越大,裂隙冻结需要时间越长;随着冻结时间的推进,裂隙水渗流速度逐渐降低,当裂隙冻结后裂隙渗流停止。最后通过构建随机裂隙网络模型,利用所建立的水-热耦合模型考察了裂隙网络渗流对冻结交圈的影响,说明了在冻结法施工中考虑裂隙的重要性。     

裂隙剪胀效应对双重孔隙介质热-水-应力耦合现象影响的有限元分析

为了探讨在法向应力和剪应力的共同作用下裂隙开度的变化对于耦合的温度场、渗流场和应力场的作用,引入裂隙的渗透系数与开度关系的“立方定律”,建立了裂隙渗透系数演化式。应用开发的遍有节理岩体双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合二维有限元程序,以一个假定的位于非饱和地层中的高放废物地质处置库为算例,分别在2组裂隙斜交和正交的条件下,针对与裂隙开度3种计算方式对应的6种工况进行了数值分析,考察了围岩中的温度、孔隙和裂隙水压力、裂隙开度、裂隙的渗透系数、地下水流速、应力的变化、分布状态。结果显示,当裂隙开度仅取决于法向应力时,裂隙开度受压应力作用产生的闭合量最大,从而裂隙水压力最高;而当裂隙开度是法向应力和剪切位移的函数时,由于“剪胀”效应,裂隙开度闭合量较前述情况为小,裂隙水压力居中;而当裂隙开度是常数时,裂隙水压力最低     

填砂裂隙岩体渗流传热模型试验与数值模拟

选取中国高放射核废物地下处置库重要预选场区--甘肃北山地区的花岗岩,加工组合成规则裂隙岩体,将垂直裂隙用粒径为0.5～0.63 mm的砂土填充,进行了裂隙水渗流传热试验;对模型试验进行了数值模拟,进而计算分析了热源温度、裂隙水流速和裂隙开度变化对裂隙岩体模型稳态温度场的影响。模型试验表明,当热源温度维持在120 ℃时,裂隙水仍无相变,裂隙岩体模型稳态温度场分布规律与热源温度为95 ℃时一致;热源温度越高,热源的水平影响距离越大,模型达到稳态需要的时间越长;裂隙填砂加强了裂隙两侧岩石之间的热传导,热源的水平影响距离和模型到达稳态需要的时间均明显大于无填充裂隙岩体模型的情况。模型试验得到的岩体模型温度场与数值计算得到的岩体模型温度场规律一致。试验过程中裂隙岩体模型在边界上存在一些热量散失,无法与数值计算中的绝热边界条件等同,致使试验数据低于数值计算值,并且热源温度越高,两者之间的差异越大。模型试验和数值计算均表明,邻近热源侧的裂隙水渗流对模型的温度场分布起控制作用,而远离热源侧的裂隙水渗流则主要影响该侧的边界温度和模型达到稳态所需要的时间。数值参数敏感性分析表明,裂隙水流速与裂隙开度越大,裂隙水对水平传热的阻滞作用越明显。     

分布热源作用下裂隙岩体渗流-传热的拉氏变换-格林函数半解析计算方法

以裂隙岩体高放射性核废物地下处置库性能评估为目标,提出了分布热源作用下单裂隙岩体渗流-传热的简化概念模型、控制微分方程和拉氏变换-格林函数半解析法,为进一步采用半解析法计算分布热源作用下多裂隙岩体的渗流-传热问题奠定了基础。针对单裂隙岩体的渗流-传热问题,建立考虑岩石内热源和二维热传导的控制微分方程,利用拉氏变换域微分方程的基本解建立格林函数积分方程,采用解析法处理其中的奇点,通过数值积分和拉氏数值逆变换求解,计算任意时刻裂隙水和岩石的温度分布。通过算例,与基于岩石一维热传导假定的解析解进行了对比,并计算分析了分布热源作用下单裂隙岩体的渗流-传热特征及其对裂隙开度、岩石热传导系数和热流集度的敏感度。算例表明,（1）就裂隙水温度而言,由于考虑了岩石的二维热传导,拉氏变换-格林函数半解析解小于基于岩石一维热传导假定的解析解;（2）裂隙水温度和岩石温度对裂隙开度和热流集度的敏感度较大,对岩石热传导系数的敏感度较小。     

蒲石河抽水蓄能电站上库三维渗流数值模拟

根据蒲石河抽水蓄能电站上库的地质及水文地质条件,建立了裂隙岩体三维渗流数值模拟模型,计算分析了水库-岩体系统地下水运动规律及各种运行工况下的上库渗漏量和渗流场的分布特征。将模拟计算区地下水流系统概化为非均质各向异性三维稳定地下水流系统,综合利用压水试验得到的平均渗透系数值和统计学方法得到的渗透张量方向,获得裂隙岩体的渗透系数张量。数值模拟结果表明,正常蓄水位运行工况下,整个库区均未进行防渗处理时,上库总渗漏量为5832.92m3/d,防渗后渗漏量减少了3571.27m3/d。     

裂隙岩体渗透系数确定方法综述

总结了近年来裂隙岩体渗透系数的确定方法,主要有现场水力试验法、裂隙测量法和离散裂隙网络渗流数值试验法。每种方法都有自己的适用性和测量尺度。裂隙岩体渗透系数存在尺度效应,针对不同尺度的研究对象,应尽量选取与渗流模型网格剖分尺度匹配的测量方法。裂隙的延伸具有方向性,测试点的布设应合理科学,不同测量方法需要结合起来才能得到裂隙岩体真实的渗透系数。     

离散裂隙渗流方法与裂隙化渗透介质建模

流体渗流模拟的连续介质方法通常适用于多孔地质体，并不一定适用于裂隙岩体，由于裂隙分布及其特征与孔隙差异较大。若流体渗流主要受裂隙的控制，对于一定尺寸的裂隙岩体，多孔介质假设则较难刻划裂隙岩体的渗流特征。离散裂隙渗流方法不但可直接用于模拟裂隙岩体非均质性和各向异性等渗流特征，而且可用其确定所研究的裂隙岩体典型单元体及其水力传导（渗透）张量大小。主要讨论了以下问题：（1）饱和裂隙介质中一般的离散流体渗流模拟；（2）裂隙岩体中的REV（典型单元体）及其水力传导（渗透）张量的确定；（3）利用离散裂隙网络流体渗流模型研究裂隙方向几何参数对水力传导系数和REV的影响；（4）在二维和三维离散裂隙流体渗流模型中对区域大裂隙和局部小裂隙的处理方法。调查结果显示离散裂隙流体渗流数学模型可用来评价不同尺度上的裂隙岩体的水力特征，以及裂隙方向对裂隙化岩体的水力特征有着不可忽视的影响。同时，局部小裂隙、区域大裂隙应当区别对待，以便据其所起的作用及水力特征，建立裂隙化岩体相应的流体渗流模型。     

高水压力作用下裂隙岩体渗透性的变化研究

渗透系数是表征裂隙岩体透水性能的一个重要参数,当水压力较小时,岩体的渗透系数变化不明显,但在高水压力条件下,岩体的渗透系数会发生明显变化,这给我们在进行渗流分析时带来了一定的困难,因为多数情况下是将渗透系数当作定值来计算的。在高压水条件下,基于非达西流方程,推导了裂隙岩体的渗透系数与水压力之间的表达式,并给出了常规压水或低水压力、高压压水时水力劈裂前后渗透系数的计算公式。现场压水试验结果表明,当岩体发生水力劈裂后,渗透系数增加明显,此时可以通过压水量和水压力的变化量来计算裂隙岩体的渗透系数。通过几个抽水蓄能电站的高压压水试验结果验证了裂隙岩体水力劈裂前后渗透系数的变化规律,并与实际裂隙岩体的渗透系数进行了比较,其误差在10%左右,表明本文给出的渗透系数表达式的合理性和准确性,为水利水电工程的渗流分析及渗漏量的计算提供了渗透系数选择的依据。     

基于数字图像及数值模拟的裂隙岩体渗透特征

基于真实的岩体剖面图片,通过剪裁、二值化、矢量转化,再导入数值计算软件,建立数值计算模型,进行模型水压力场、渗流速度场分析及渗透系数的计算。分析发现,从水流入口至出口,水压整体呈递减规律;岩石的裂隙中渗流场分布不均匀,渗流活跃的通道主要是左右串通好的裂隙,在不同水流入边界条件下,依据达西定律计算获得的岩体渗透系数存在差异。