水劈裂过程中岩体渗透性规律及机理分析

岩体的结构及其透水性直接关系到建筑物围岩的稳定及安全。通过水力劈裂试验,可以真实地反映高水压作用下岩体的结构和渗透性的变化规律。以某水电站工程坝址区岩体所作的水力劈裂试验资料为基础,分析了在水力劈裂过程中,岩体的结构和渗透性发生的变化及其规律以及在该过程中岩体裂隙形成的机理。     

用渗透性随深度变化规律确定大尺度岩体变形模量

采用渗流场-应力场耦合的观点,用表征渗透性的单位吸水量数据,反求了岩体宏观力学参数——岩体变形模量。裂隙岩体的渗透性大小是裂隙宽度的函数,而岩体不同深度的裂隙宽度由应力大小和变形模量决定,因此可以通过裂隙宽度把渗透性参数和岩体力学参数结合起来。以小浪底水库左岸砂泥岩裂隙岩体T41地层为实例研究表明,该方法求得的岩体变形模量符合随着应力增大而增加这一规律,也符合风化岩体变形模量相对较小这一规律,并且数量级与收集到的相近岩体的变形模量一致,因此所求结果是可靠的。     

四川自一里水电站气垫式调压室围岩渗透性评价

结合自一里水电工程气垫式调压室设计厂房区岩体渗透性研究,提出了从定性分析到定量计算与评价,系统刻画岩体渗透性与分区评价,以满足气垫式调压室设计要求的实用方法.该方法以基础地质与水文地质研究为背景,从系统全面的裂隙测量与统计分析中,获取岩体裂隙空间发育规律和裂隙方向、隙宽、迹长、间距和裂隙率等统计特征值,运用裂隙岩体渗透张量理论,得出分布式岩体渗透主值和综合渗透系数;在此基础上,进行岩体渗透性分区与评价.评价得出:花岗岩夹变质砂岩透镜体的厂区岩体渗透性总体随深度变化,受接触带影响局部渗透性呈强弱交替变化;区内裂隙岩体的渗透性分3级,近地表浅层岩体渗透性较强,综合渗透系数为n×100m/d～n×10-1m/d,调压室区为中等～弱渗透性岩体,渗透系数为n×10-2m/d～n×10-4m/d.     

裂隙岩体渗透系数确定方法研究

裂隙岩体渗透系数以及渗透主方向的确定对研究岩体渗透性大小及各向异性具有重要意义。高放废物地质处置库介质岩体的渗透性能将直接影响其使用安全性。本文运用离散裂隙网络模拟的方法对我国高放废物处置库甘肃北山预选区3#钻孔附近裂隙岩体进行了渗透性质分析。通过对3#钻孔171.5~178.0m段压水试验数据的反演,标定了离散裂隙网络渗流模型中的裂隙渗透参数(导水系数T)。利用标定的离散裂隙网络模型对场区裂隙岩体进行了渗流模拟,确定了该区域裂隙岩体的渗流表征单元体(REV)的尺寸大小以及渗透主值和主渗透方向。运用离散裂隙网络模型计算得出的渗透主值的几何均值与现场压水试验计算结果较接近,证明了计算结果的有效性。     

层状裂隙岩体中等效渗透性分析

通过解析法和数值方法对层状裂隙的渗透等效性进行了研究,分析了两种方法对等效性计算结果的差异,得到不同分析方法的适用条件;分析了层状裂隙岩体中不同种类裂隙隙宽的变化对等效渗透性的影响,得到了层状裂隙岩体等效渗透性的一般规律.     

岩体渗透特性的渗透张量分析在某水电工程中的应用

针对岩体渗透性能非均质、各向异性显著的特点，采用从裂隙几何参数测量、裂隙分组，到渗透张量计算这一流程，获得裂隙介质三维渗透张量场，达到准确地刻画岩体渗透特性的目地，并在西南地区某水电工程中得到成功的应用。     

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。     

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。     

蒲石河抽水蓄能电站上水库裂隙岩体渗透张量的确定

本文提出了一种既能反映裂隙岩体的渗透特性,又相对准确的确定裂隙岩体渗透张量的方法。首先通过裂隙在空间展布状况的测量,用统计学方法初步确定裂隙岩体的渗透张量,获得渗透主值及主方向,然后根据野外压水试验得到的岩体透水率,利用巴布什金公式计算各试段岩体的渗透系数,求出修正系数,从而得到研究区裂隙岩体的修正渗透张量。并运用上述方法对蒲石河抽水蓄能电站上水库坝址区裂隙岩体的渗透张量进行了计算。结果表明,该方法能较好地刻画裂隙岩体渗透性的各向异性特征,可为岩体渗透性分区及防渗帷幕的优化提供科学依据。     

天然地应力作用下不同产状岩体裂隙渗流特性研究

为了研究天然地应力作用下裂隙产状等因素对深部岩体裂隙渗流特性的影响,基于单裂隙面渗透性服从负指数变化规律,建立了三维应力作用下不同产状裂隙的渗透系数计算公式,利用Lagrange乘子法分析裂隙面产状变化对其渗透性的影响,并分析了岩体裂隙有、无充填物对其渗透性的影响及敏感性;然后,以我国大陆地区地应力统计规律为例,分析了地表以下5 000 m范围内在天然地应力作用下裂隙渗透性随深度、产状的变化规律。结果表明：裂隙产状的变化对其渗流特性有明显影响,对于浅层岩体,在大主应力大致呈水平方向分布时,随着裂隙面倾角的增加,裂隙渗透系数逐渐降低;但随着深度的增加,在裂隙深度超过约200 m和裂隙面走向与大或中主应力方向大致一致时,裂隙渗透性反而会随着裂隙面倾角的增加逐渐增加,在裂隙面走向与小主应力方向垂直时增加最为明显;对于深部岩体,裂隙的渗透性很小,裂隙面产状的变化对其渗透性影响很弱;对于有充填物裂隙,岩块与充填物的弹模比和充填物泊松比的变化对裂隙渗透性的影响很小。研究结果可为深入研究我国深部岩体渗透特性变化规律提供借鉴意义。     

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。     

裂隙岩体渗透结构类型分析

岩体的渗透结构控制着裂隙岩体的宏观渗透特征,而控制着岩体渗透结构类型的地质因素却是复杂多样。在实际工程岩体中,裂隙岩体的渗透结构通常是由基本渗透结构经过组合叠加而形成的复合渗透结构类型。本文通过野外调研和室内统计分析,总结了裂隙岩体中广泛存在的5种基本渗透结构类型及其4种组合形式的复合渗透结构类型及其渗流特征,分别归为Ⅰ-Ⅱ型、Ⅲ-Ⅳ型、Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型和Ⅰ-Ⅲ-Ⅳ型。并选择一工程实例,运用裂隙岩体复合渗透结构类型的分析方法,分析了西南某水电站主厂房和开关站边坡岩体的复合渗透结构类型以Ⅲ-Ⅳ型和Ⅰ-Ⅲ-Ⅳ型为主,更符合实际情况。     

Permeability tensor and representative elementary volume of fractured rock masses

Based on a simulation of three-dimensional fracture networks and a superposition principle of liquid dissipation energy for fractured rock masses, a model of the fracture permeability tensor is proposed. An elastic constitutive model of rock fractures, considering fracture closure and dilation during shearing, is also proposed, based on the dilation angle of the fracture. Algorithms of flow-path searching and calculation of the effective flow coefficients for fracture networks are presented, together with a discussion on the influence of geometric parameters of the fractures (trace length, spacing, aperture, orientation and the number of fracture sets) on magnitude, anisotropy of hydraulic permeability and the size of a representative elementary volume (REV). The anisotropy of hydraulic permeability of fractured rock masses is mainly affected by orientation and the number of fracture sets, and the REV size is mainly influenced by trace length, spacing and the number of fracture sets. The results of studies on REV size and the influence of in-situ stress on hydraulic conductivity of the rock mass on the slope of Jinping-I hydropower station, China, are presented using the developed models and methods. The simulation results agreed well with the results obtained from field water-pressure measurements, with an error of less than 10 %.     

裂隙岩体水力劈裂研究综述

作为裂隙岩体渗流-应力耦合研究的一个子课题,岩体水力劈裂问题的研究尚处于初始阶段,许多基本的理论问题尚待深入研究。当今许多大型工程的建设已经在向地下发展,建设在地下的各种建筑结构离不开水压的作用。工程建设的需要正在推动岩体水力劈裂理论的研究。水力劈裂作为一种技术最初在石油工业用来增加油井产量,后来逐渐用于初始地应力测量等其他工程项目。随着水电工程建设、地下核废料储存、地热开发、井工矿产采掘等岩体工程越来越多的处于高水头、大埋深等恶劣水文地质条件下,水力劈裂作用正在受到越来越多工程岩体稳定性研究者的关注。通过对水力劈裂研究的现状作较为详细地综述,列举了当今研究的理论、方法和成果,以及目前水力劈裂研究的热点问题,并作了简单评述。最后,指出了目前需要重点研究的几个关键问题。     

岩体渗透结构类型的划分及其渗透特性研究

划分岩体渗透结构类型是水利水电工程地质勘察和渗透性评价的重要内容。从岩体结构的控渗作用出发,分析了控制岩体渗透特征的主要因素,即岩性、断裂构造、风化卸荷作用及岩溶作用;提出了岩体渗透结构类型的划分原则,即考虑岩体的各向异性特征。根据岩体的宏观渗透特征,即渗透介质及主要途径,将岩体渗透结构类型划分为5类:散体状渗透结构、层状渗透结构、带状渗透结构、网络状渗透结构、管道状渗透结构。结合工程实例,给出了小浪底渗透结构为层状及带状、三峡工程坝址区岩体渗透结构为散体状、网格状及带状。     

一种基于地质指标的裂隙岩体渗透系数估算模型

裂隙岩体的渗透特性受控于裂隙的发育特征、连通特性和充填情况,并与岩体的地应力水平具有显著的相关性。基于裂隙岩体渗透性的影响因素,并考虑现有渗透系数估算模型的不足,利用钻孔压水试验和钻孔电视图像资料,建立考虑埋深(Z)、岩石质量指标(RQD)以及充填物指标(FSD)等3个指标的渗透系数估算ZRF模型,并应用到牙根二级水电站及其他工程区的渗透系数估算中。结果表明,与已有的渗透系数估算模型相比,ZRF模型较好地反映了岩体渗透性的影响因素,且模型参数物理意义明确,便于获取,对分析裂隙岩体渗透性具有一定的工程参考价值。     

A coupled hydromechanical system defined through rock mass classification schemes

Changes in the hydraulic conductivity field, resulting from the redistribution of stresses in fractured rock masses, are difficult to characterize due to complex nature of the coupled hydromechanical processes. A methodology is developed to predict the distributed hydraulic conductivity field based on the original undisturbed parameters of hydraulic conductivity, Rock Mass Rating (RMR), Rock Quality Designation (RQD), and additionally the induced strains. The most obvious advantage of the methodology is that these required parameters are minimal and are readily available in practice. The incorporation of RMR and RQD, both of which have been applied to design in rock engineering for decades, enables the stress-dependent hydraulic conductivity field to be represented for a whole spectrum of rock masses. Knowledge of the RQD, together with the original hydraulic conductivity, is applied to determine the effective porosity for the fractured media. When RQD approaches zero, the rock mass is highly fractured, and fracture permeability will be relatively high. When RQD approaches 100, the degree of fracturing is minimal, and secondary porosity and secondary permeability will be low. These values bound the possible ranges in hydraulic behaviour of the secondary porosity within the system. RMR may also be applied to determine the scale effect of elastic modulus. As RMR approaches 100, the ‘softening’ effect of fractures is a minimum and results in the smallest strain-induced change in the hydraulic conductivity because the induced strain is uniformly distributed between fractures and matrix. When RMR approaches zero, the laboratory modulus must be reduced significantly in order to represent the rock mass. This results in the largest possible change in the hydraulic conductivity because the induced strain is applied entirely to the fracture system. These values of RMR bound the possible ranges in mechanical behaviour of the system. The mechanical system is coupled with the hydraulic system by two empirical parameters, RQD and RMR. The methodology has been applied to a circular underground excavation and to qualitatively explain the in situ experimental results of the macropermeability test in the drift at Stripa. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

煤矿井下长钻孔分段水力压裂技术研究进展及发展趋势

“十三五”以来,围绕“我国煤矿井下煤层区域增透瓦斯高效抽采和坚硬顶板岩层弱化区域治理”两大难题,将定向长钻孔与分段压裂技术结合,通过技术攻关与装备研发及工程试验,在煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂技术和装备研发及工程示范应用等方面均取得了明显进展。主要表现在如下4个方面:(1)开发了适合于煤矿井下煤岩层裸眼定向长钻孔不动管柱和动管柱两种分段水力压裂工艺技术与工具,不动管柱分段压裂工程应用钻孔长度突破了500 m,单孔压裂实现了5段;动管柱分段压裂钻孔长度工程应用突破了800 m,单孔压裂实现了17段。(2)研发了煤矿井下低压端加砂压裂泵组和高压端加砂压裂装置,低压端加砂泵组压力达到了70 MPa,排量达到90 m3/h,携砂比达到20%;高压端加砂压裂装备耐压能力达到55 MPa,一次连续加砂压裂的砂量达到750 kg;低压端和高压端加砂装备均在现场进行了工程应用,应用结果表明装备均具有较好携砂压裂能力。(3)建立了碎软煤层围岩分段压裂和硬煤顺层钻孔分段压裂区域增透瓦斯高效抽采技术模式,前者在山西阳泉矿区和陕西韩城矿区应用钻孔瓦斯抽采纯量均值分别达到了2 811 m3/d和1 559 m3/d,后者在陕西彬长矿区应用钻孔瓦斯抽采纯量达到了2 491 m3/d。(4)探索出了坚硬顶板强矿压煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂主动超前区域弱化治理的新模式,工程应用钻孔长度突破了800 m,坚硬顶板分段水力压裂治理后,顶板来压步距、动载系数和最高压力值较未压裂区分别下降了18.9%~70.6%,5.8%~7.9%,13.7%~19.4%,有效治理了工作面坚硬顶板引起的强矿压灾害。随着煤矿井下分段水力压裂技术改进和煤矿智能开采发展的实际需要,提出了煤矿井下大排量高压力智能压裂泵组、井下长钻孔裸眼分段压裂智能工具等装备和煤矿井?地联合分段水力压裂技术研发方向,以更好地推动煤矿井下水力压裂技术与装备发展,为煤矿安全高效绿色智能开采提供技术和装备支撑。