裂隙岩体渗透性影响因素的研究

采用UDEC离散单元法中关于裂隙岩体开挖模拟及水力全耦合分析模型,分析裂隙岩体洞室开挖后,因围岩应力与水力耦合作用导致裂隙隙宽变化及渗流变化的过程。为了更直观地了解耦合作用对裂隙岩体渗透特性的影响,以隧洞开挖为例,用开挖后隧洞内总涌水量来表征岩体的渗透特性。利用数值试验的方法,研究了块体边界大小、初始应力比、裂隙隙宽和裂隙夹角对开挖后隧洞内涌水量变化的影响,进而可以看出它们对裂隙岩体渗透性的影响。并得出如下结论：随着块体尺寸和初始应力比的增大,隧洞内总涌水量减少;随初始隙宽的增大涌水量增加并当达到某一固定值时保持不变;隧洞涌水量在θ2/θ1=3.5,其中θ1=30°,即两组节理的夹角为75°处达到最大。     

节理岩体中隧道开挖与支护的数值模拟

由于节理、断层等不连续面的存在造成岩体变形的不连续性,并且这些不连续面对岩体变形、应力等力学行为造成重要影响。对已有的非连续变形分析程序进行了两点改进,应用改进的程序模拟了节理岩体中隧洞开挖与支护的过程,研究了不同节理倾角岩体的应力分布特性、开挖后隧洞围岩的变形和应力分布规律以及支护后衬砌的变形与应力特点。研究结果表明,节理倾角对节理岩体系统的应力和变形有着直接的影响,并且影响着隧洞开挖后的内空收敛效应;隧洞开挖顺序对围岩的变形和稳定也有重要影响。改进后的非连续变形分析方法和程序可以用来分析复杂节理岩体系统中隧洞的开挖与支护。     

基于扩展有限元法的岩体水力劈裂耦合模型

考虑裂隙水流与岩体开裂之间的相互作用,在含裂隙单元的附加节点上引入反映裂隙局部特性的附加函数,然后基于考虑裂隙面水压力作用的虚功原理推导出了采用扩展有限元法分析水力劈裂问题的控制方程,给出了裂隙水流与岩体开裂相互作用的扩展有限元实现方法,并采用该法对岩石试件与压力隧洞在裂隙水压作用下的开裂过程进行了数值模拟。数值计算结果表明:岩石试件裂纹内水压变化规律与试验结果相吻合;裂隙长度较小时,裂隙的存在对压力隧洞周围岩体应力、位移场的影响较小,随着裂隙的扩展,其影响范围将逐步扩大;水力劈裂对隧洞的径向位移影响较小,而对环向位移的影响较大,考虑水力劈裂耦合分析得到的环向位移要大于不考虑裂隙内水压分析得到的结果。     

基于扩展有限元法的岩体水力劈裂耦合模型

考虑裂隙水流与岩体开裂之间的相互作用,在含裂隙单元的附加节点上引入反映裂隙局部特性的附加函数,然后基于考虑裂隙面水压力作用的虚功原理推导出了采用扩展有限元法分析水力劈裂问题的控制方程,给出了裂隙水流与岩体开裂相互作用的扩展有限元实现方法,并采用该法对岩石试件与压力隧洞在裂隙水压作用下的开裂过程进行了数值模拟。数值计算结果表明:岩石试件裂纹内水压变化规律与试验结果相吻合;裂隙长度较小时,裂隙的存在对压力隧洞周围岩体应力、位移场的影响较小,随着裂隙的扩展,其影响范围将逐步扩大;水力劈裂对隧洞的径向位移影响较小,而对环向位移的影响较大,考虑水力劈裂耦合分析得到的环向位移要大于不考虑裂隙内水压分析得到的结果。     

剪胀对复杂裂隙岩体渗透性影响的离散元分析

裂隙岩体流固耦合问题是目前国内外研究热点之一,采用离散元软件UDEC对裂隙岩体发生节理剪胀的渗透性变化规律进行了模拟分析。基于现场调查的裂隙信息统计生成裂隙网络岩体模型。 通过固定垂直应力、不断增加应力比RS(RS=水平应力/垂直应力)使岩体出现剪胀,采用库伦滑移节理模式对岩体在剪胀过程中的渗透性变化情况进行模拟。结果发现:当应力比较小(RS3.1)时,节理水力隙宽、流速、渗透系数等参数都随着应力比的增加表现出明显的降低; 而当岩体出现剪胀现象之后(应力比大于3.1),发生剪切滑移和剪胀现象的节理控制着裂隙岩体的总体渗流行为,与不考虑节理剪胀的计算结果相比,岩体渗透能力出现了显著增长。这一结果表明,剪胀对裂隙岩体渗透性的影响是显著而不可忽视的。     

3D裂隙网络随机模拟及其工程应用研究

岩体中存在的大量随机分布的裂隙对岩体的工程性质及稳定性有着极其重要的影响。传统的工程地质研究方法难以客观地描述其空间分布特征。应用概率与统计学的理论 ,通过统计分析得到裂隙的分布规律性 ,采用随机模拟的方法实现与统计分布相适应的裂隙网络是研究随机裂隙宏观特征的有效途径。通过模拟所得的 3D裂隙网络 ,进一步研究了裂隙的连通特征及工程开挖面上的稳定分析与加固措施优化的方法     

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。     

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。     

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     

隧道开挖的双重介质水力耦合模型有限元分析

基于混合物理论孔隙-裂隙岩体的双重孔隙介质水力耦合计算的微分方程,利用伽辽金有限元法提出了相应的有限元公式,并基于岩体分类指标（RQD,RMR）提出了与岩体应变状态相关的渗透系数计算公式。编制了裂隙岩体双重介质流固耦合的2-D有限元程序,给出的验证算例表明,该程序是合理和实用的。同时将该程序用于隧道开挖的模拟计算,探讨渗流效应对开挖隧道围岩变形与渗流场的影响。计算结果表明,在隧道设计中不考虑渗流的影响是偏于不安全的。     

Numerical estimation of REV and permeability tensor for fractured rock masses by composite element method

The Monte Carlo method is used to generate parent stochastic discrete fracture network, from which a series of fractured rock samples of different sizes and orientations are extracted. The fracture network combined with a regular grid forms composite element mesh of the fractured rock sample, in which each composite element is composed of sub‐elements incised by fracture segments. The composite element method (CEM) for the seepage is implemented to obtain the nodal hydraulic potential as well as the seepage flow rates through the fractured rock samples. The application of CEM enables a large quantity of stochastic tests for the fractured rock samples because the pre‐process is facilitated greatly. By changing the sizes and orientations of the samples, the analysis of the seepage characteristics is realized to evaluate the variation of the permeability components, the existence of the permeability tensor and the representative element volume. The feasibility and effectiveness are illustrated in a numerical example. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

地质系统热-水-力耦合作用的随机建模初步研究

热-水-力(THM)耦合作用是岩石力学与环境地质中的重要基础理论问题,核废料地质处置库周围的缓冲材料和围岩中的热-水-力耦合现象将影响其力学稳定性、热传导性和渗透性,进而影响放射性核素在裂隙岩体中的迁移规律。核废料或放射性废料的地下深埋处置是国际上正在研究的永久性隔离的有效方法之一。因此,对核废料地质处置法安全性评估的一个重要内容就是对裂隙岩体中力学稳定性与构造应力、地下水渗流及热载荷等的耦合作用之数值模拟和评估。这已成为当前刻不容缓的重要的环境影响评价课题。笔者研究了温度场-渗流场-应力场中热传导系数和渗透率以及岩体力学参数的空间变异性,用实验方法研究三场耦合效应及裂隙岩体的场性能等效处理,试图建立热-水-力耦合作用的随机性数学模型及可视化数值模拟方法,为核废料地质处置安全性评估提供直观的新方法。     

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。     

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。     

Flow–stress coupled permeability tensor for fractured rock masses

In this paper a new analytical model is proposed to determine the permeability tensor for fractured rock masses based on the superposition principle of liquid dissipation energy. This model relies on the geometrical characteristics of rock fractures and the corresponding fracture network, and demonstrates the coupling effect between fluid flow and stress/deformation. This model empirically considers the effect of pre‐peak shear dilation and shear contraction on the hydraulic behavior of rock fractures and can be used to determine the applicability of the continuum approach to hydro‐mechanical coupling analysis. Results of numerical analysis presented in this paper show that the new model can effectively describe the permeability of fractured rock masses, and can be applied to the coupling analysis of seepage and stress fields. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

Polyaxial stress-dependent permeability of a three-dimensional fractured rock layer

A study about the influence of polyaxial (true-triaxial) stresses on the permeability of a three-dimensional (3D) fractured rock layer is presented. The 3D fracture system is constructed by extruding a two-dimensional (2D) outcrop pattern of a limestone bed that exhibits a ladder structure consisting of a “through-going” joint set abutted by later-stage short fractures. Geomechanical behaviour of the 3D fractured rock in response to in-situ stresses is modelled by the finite-discrete element method, which can capture the deformation of matrix blocks, variation of stress fields, reactivation of pre-existing rough fractures and propagation of new cracks. A series of numerical simulations is designed to load the fractured rock using various polyaxial in-situ stresses and the stress-dependent flow properties are further calculated. The fractured layer tends to exhibit stronger flow localisation and higher equivalent permeability as the far-field stress ratio is increased and the stress field is rotated such that fractures are preferentially oriented for shearing. The shear dilation of pre-existing fractures has dominant effects on flow localisation in the system, while the propagation of new fractures has minor impacts. The role of the overburden stress suggests that the conventional 2D analysis that neglects the effect of the out-of-plane stress (perpendicular to the bedding interface) may provide indicative approximations but not fully capture the polyaxial stress-dependent fracture network behaviour. The results of this study have important implications for understanding the heterogeneous flow of geological fluids (e.g. groundwater, petroleum) in subsurface and upscaling permeability for large-scale assessments.     

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。     

裂隙岩体渗透性理论研究进展

裂隙岩体的渗透性是地质灾害、水电工程、矿山工程等研究中需要考虑的重要因素之一。岩体裂隙本身的渗透性取决于它的空间几何参数,因此,可以通过直接测量裂隙的几何要素计算出岩体的渗透系数。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...