低温环境下含表面裂隙硬岩温度场及冻胀演化过程分析

寒区含表面裂隙硬岩与大气连通,易受外界低温环境引起裂隙内部水分凝结,造成裂隙带附近形成温度场突变,进而随水冰相变产生冻胀力,二者随着冻结活动处于动态演化之中,涉及到温度场、渗流场及应力场等多场问题。目前的研究大多依据数值模拟结果,描述裂隙岩体温度场、应力场分布特征及规律,考虑从基础理论解析计算角度,探究低温环境下裂隙岩体温度场、冻胀力演化规律鲜有报道。针对含表面裂隙硬岩在低温环境下发生的冻结现象,从传热学理论、相变理论、弹塑性力学及断裂力学理论等多角度出发,探讨随着冻结深入含表面裂隙硬岩内部温度场及冻胀荷载演化过程,提出对应解析表达式,引入多场耦合数值程序Comsol-Multiphysics进行数值模拟验证,结果表明,文中提出的温度场及冻胀荷载演化解析表达式与数值模拟结果具有较好吻合度,可满足对含表面裂隙半无限板模型温度场、应力场演化过程分析,对于裂隙岩体在低温环境下温度场、应力场演化及热-力耦合分析具有较好借鉴价值。     

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。     

裂隙冻胀压力及对岩体造成的劣化机制初步研究

岩体在冻融循环下裂隙中会经历冻胀力的萌生、发展与消散,裂隙冻胀扩展和岩体冻胀损伤程度受冻胀力控制,基于热力学、渗流理论、界面力学和弹性理论建立了柱形封闭裂隙中冻胀力演化模型,对考虑水分迁移和不迁移两种情况下的冻胀力量值进行了研究。结果表明:不考虑水分迁移作用下冻胀力随裂隙饱和度g和岩石弹性模量sE增加而迅速增大,当sE10 GPa且g94%时产生的冻胀力超过15 MPa,足以驱动任何岩体冻胀开裂,不同岩石裂隙冻胀开裂存在一个对应的临界饱和度ming;考虑岩石的透水性,渗透率低于5×10~(-14) cm~2的低渗透性岩石中裂隙水冻结会产生较大的冻胀水压力,容易引起裂隙冻胀扩展;而在渗透率大于10~(-12) cm~2的高渗透性岩石中,饱和裂隙水冻结难以形成有害的冻胀水压,裂隙冻胀开裂主要是冻结后期在冰-岩界面间的微观未冻水膜中产生的分离压力引起。     

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     

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。     

壁面局部接触裂隙岩体水流-传热的一种理论模型及计算分析

核废物地质处置、地热开发、石油开采等工程领域都可能涉及稀疏裂隙岩体中的水流-传热过程。现有的裂隙岩体水流-传热理论模型和计算方法基本上都是以平行光滑壁面裂隙模型为基础的,没有考虑裂隙的壁面局部接触对水流、水-岩热交换以及岩体传热的影响。针对粗糙壁面裂隙水流过程,阐述了基于Stokes方程的Reynolds润滑方程及Hele-Shaw裂隙模型,采用MATLAB软件中的PDE工具求解,并与Walsh的等效水力开度公式进行对比;分析壁面局部接触裂隙水流-传热与填充裂隙水流-传热的相似性,提出了瞬时局部热平衡假设的适用条件,并在裂隙局部接触体传热满足Biot数条件的前提下,计算分析裂隙局部接触体与水流之间的局部热平衡时间及其影响因素;在裂隙局部接触体与水流之间满足瞬时热平衡假设的前提下,利用填充裂隙水流-传热的解析解,计算了壁面局部接触裂隙水及两侧岩石的温度分布,并分析了裂隙局部接触面积率、裂隙开度、裂隙水平均流速对岩石温度和裂隙水温度的影响特征,结果表明：（1）在设定条件下,由于裂隙局部接触体与裂隙水流之间的热交换,裂隙水流对其两侧岩石温度的影响范围随接触面积率的增大而减小,裂隙两侧岩石对裂隙水流温度的影响程度随接触面积率的增大而增大;（2）裂隙开度和裂隙水流速对岩石温度和裂隙水温度的影响方式的影响是一致的,即由于裂隙水流量随裂隙开度和裂隙水流速的增大而增大,裂隙水流对其两侧岩石温度的影响范围随裂隙开度和裂隙水流速的增大而增大,裂隙两侧岩石对裂隙水流温度的影响程度随裂隙开度和裂隙水流速的增大而减小。     

基于扩展有限元方法的裂隙岩体冻胀力理论与数值研究

为研究寒区裂隙岩体内冻胀力的变化规律, 从单裂隙入手, 基于弹性力学、 水冰相变理论以及质量守恒关系, 建立了考虑未冻水含量及水分迁移的冻胀力求解模型; 利用MATLAB平台编制程序, 采用扩展有限元方法（XFEM）计算得到了裂隙内冻胀力随冻结时间的演化规律。采用有效体积膨胀系数法计算得到的冻胀力数值解与理论模型计算结果以及其他学者的试验结果吻合较好, 并分析了水冰相变下裂隙尖端应力场, 数值计算结果与理论解吻合较好, 验证了数值方法的可靠性; 通过分析影响冻胀力发展的因素, 指出岩石弹性模量和裂隙几何形状是控制裂隙内冻胀力演化的两个重要因素。     

压剪作用下裂隙扩展过程渗流与应力耦合模型研究

裂隙的剪胀特性及扩展演化规律对岩体的渗流特性具有重要影响。为揭示裂隙剪胀及扩展演化对岩体渗流的影响,基于残余强度提出了一种能较好描述岩石硬化-软化特性的全剪切本构关系;结合剪切变形与裂隙开度的关系,利用最小势能原理和立方定律,建立了压剪作用下考虑裂隙剪胀特性的渗流应力耦合模型;假定压剪作用下裂隙发生Ⅰ型扩展,提出了伴有翼型裂纹的渗流模型,该模型不仅考虑了岩石的剪胀特性,更反映了裂隙扩展过程渗流的演化规律。对不同裂隙粗糙度的剪切应力-位移曲线进行分析,全剪切本构模型表现出较高的拟合精度。在剪切应力-位移关系基础上,通过剪切渗流试验数据对压剪作用下渗流模型进行验证,结果表明,该模型能较好地描述岩体剪胀阶段渗透性演化规律。利用等效裂隙简化裂隙网络,并通过试验数据进行验证,证实了裂隙扩展过程渗流-应力耦合模型的准确性与适用性。     

渗透系数的各向异性对裂隙水渗流潜水面的影响

天然岩体是多相的不连续介质，在其中分布有大量的节理裂隙，这些裂隙的渗透能力要比岩石高几个数量级，构成了地下水流的主要通道，并控制着地下水渗流的运动规律．由于裂隙分布的方向性，导致裂隙岩体的渗流具有明显的各向异性．本文便在规则裂隙岩体模型的基础上，改变每组裂隙的渗透系数，利用有限元计算出裂隙水渗流的潜水面，分析了裂隙岩体渗透系数的各向异性对裂隙水渗流潜水面的影响．     

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。     

裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合分析模型

本文从流体扩散能量迭加原理,建立了裂隙岩体介质的渗流张量解析表达式,综合应用断裂力学与损伤理论,探讨了复杂应力状态下裂隙岩体的本构关系以及压裂裂纹的起裂准则,建立了裂隙岩体在压剪,拉剪应力状态下损伤演化方程,提出了渗透张量随裂隙损伤发展的关系以及裂隙岩体非稳态渗流场与与损伤场耦合模型。     

冻融风化边坡岩体破坏机理研究

高寒山区岩质边坡冻融风化破坏严重影响公路建设及其运行安全。为了揭示岩体在冻融条件下的破坏机理,本文通过对高寒山区岩质边坡现场调查、编录,结合室内试验及数值模拟等,从不同尺度下综合分析岩体的冻融破坏机理。室内试验显示岩块受冻融后存在强度弱化现象,其受控于岩块的结构构造、胶结程度及初始损伤裂隙发育情况;冻融试验揭示岩体裂隙发育特征对冻胀变形性质起决定作用,裂隙的冻融破坏速率远大于岩块,密闭条件下,裂隙水冻结成冰过程中形成冰劈效应,冻胀力可达33MPa以上;数值分析揭示了边坡温度场受低温、大温差影响最为明显,裂隙带受冻融影响严重,其为边坡冻融风化的通道,裂隙水冻胀形成冰劈是边坡冻融风化破坏的主要模式。     

岩体裂隙网络渗流变水温影响分析

考虑岩体裂隙渗流变水温影响,推导单裂隙变水温水流近似解析解和有限元解,在此基础上分别建立裂隙二维网络变水温渗流数值求解方程,分别对应裂隙网络变水温渗流分析的近似解析法和子结构法。分析变温水流运动规律发现：（1）单裂隙内水流水头与水力坡降成非线性关系,当水流由高温区向低温区流动时,水头分布曲线为凸曲线,此时按线性渗流简化水头整体偏小;当由低温区向高温区流动时,水头分布曲线为凹曲线,此时按线性渗流简化水头整体偏大。（2）单裂隙内,高水温处水力坡降小,低水温处水力坡降大;裂隙平均水温越高,流速越快;裂隙网络内存在与裂隙宽度相似的温度偏流效应,即交叉节点水流有偏向水流温度高的裂隙流动的趋势。在温度较高和温度梯度较大的区域,应该考虑水流温度变化对渗流场的影响。     

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     

岩体水力学基础(二)─—岩体水力学的基础理论

单裂隙水流立方定律是岩体水力学中最基本的．也是最重要的定理。本文从不变形平直等宽单裂隙水流运动定理开始，讨论了受应力作用岩体单裂隙、一组平行裂隙、一组正交裂隙以及岩体裂隙系统中水流运动规律，分析了单裂隙中水流渗透压力与裂隙变形之关系。运用水力学原理推导了岩溶单管道流定理，为岩体水力学模型研究奠定了基础。     

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。     

基于裂隙渗流效应的水封油库涌水量预测分析

准确预测洞室涌水量和库区渗流场的空间分布特征是确保地下水封油库施工期安全性和运行期经济性的基础性工作之一。为真实地反映地下水封油库围岩随机分布裂隙的渗流效应对涌水量预测和渗流场空间分布特性的影响,提出了一种基于嵌入裂隙单元模型（EFE模型）的裂隙岩体渗流分析方法,并采用该方法对湛江水封油库的三维渗流场进行了计算分析,通过对比工程实测资料,验证了所提出方法的可靠性,进而预测了实例工程在运行期的涌水量。计算结果表明,EFE模型能够较好地模拟裂隙对洞室岩体局部渗流场的影响,反映库区渗流场及洞室涌水量空间分布不均匀的特性。研究成果可为水封洞库渗控措施的精准设计以及运行期污水处理设施配套设计工作提供参考。     

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