裂隙岩体渗流概念模型研究

裂隙岩体中的渗流和传统的多孔介质渗流在机理上存在本质的差别,这种差别主要表现为裂隙岩体在各种尺度上存在的非均质性。模拟裂隙岩体渗流的主要困难在于描述这种非均质性。目前的概念模型,包括等效连续体模型、离散裂隙网络模型和混合模型使用了不同的技术来预测裂隙岩体中的渗流。这些模型基于不同的假设和概念框架,有着各自不同的优缺点。在实际应用时,应当根据研究域的具体特点和所要解决的问题的要求对其选择,此外,还讨论了单裂隙的概念模型。     

模拟裂隙多孔介质中变饱和渗流的广义等效连续体方法

描述了一种计算裂隙多孔介质中变饱和渗流的广义等效连续体方法。这种方法忽略裂隙的毛细作用,设定一个与某孔隙饱和度相对应的综合饱和度极限值,并假定：（1）如果裂隙多孔介质的综合饱和度小于该极限值,水只在孔隙中存在并流动,而裂隙中则没有水的流动;（2）如果综合饱和度等于或大于该极限值,水将进入裂隙,并在裂隙内运动。分析比较了等效连续体模型的不同计算方法,并给出了一个模拟裂隙岩体中变饱和渗流与传热耦合问题的应用算例。结果表明,所述方法具有一般性,可以有效地模拟裂隙多孔介质中变饱和渗流的基本特征。     

裂隙岩体的多孔介质水力等效性研究

工程岩体中数量众多的裂隙面限制了离散裂隙网络模型在岩体渗流中的应用,迫使人们寻找能够用理论上成熟的等效连续介质模型替代,这就要求进行岩体多孔介质的水力等效性研究。在野外大量实测裂隙的基础上,进行裂隙密度、方位、大小、延续性、开度等几何参数的统计分析,以Enhanced Baecher模型建立离散裂隙网络随机模型,采用Monte-Carlo随机模拟方法进行三维裂隙网络随机模拟。在所生成的一定尺度的三维裂隙网络图基础上,给出计算研究域REV的方法,通过判断REV是否存在,确定能否用等效连续介质模型分析岩体渗流。     

裂隙网络管道模型弥散试验

为了探求不同裂隙几何参数对裂隙网络溶质运移的影响,基于离散裂隙网络思想和优势流、沟槽流理论,建立裂隙管道网络概念模型,搭建不同管径、不同连通方式的管道网络试验装置,进行渗流和溶质运移实验。运用应用广泛的模拟软件CHEMFLO-2000建立等效多孔介质模型,拟合不同几何参数下等效弥散度,定量刻画不同管道网络几何参数对溶质运移的影响,讨论了不同管径、连通方式等与等效弥散度之间的关系。通过进一步分析得出:在连通方式相同的情况下,不同管径的管道网络等效弥散度存在差异,但是差异不大;溶质在小管径中的穿透时间短于大管径,穿透曲线缓和程度相差不大;管道网络连通方式越复杂,其等效弥散度越大、对溶质运移的影响越大、穿透曲线越缓和、路径越长,等效弥散度越大;用这种等效弥散度的方法表征管道网络对溶质运移的影响,与多孔介质弥散度具有相似性;管道数目、管道面数目与等效弥散度成正相关关系,且等效弥散度随尺度的增大而增加。     

非饱和裂隙岩体渗流的统计模型研究方法

常规方法研究非饱和裂隙介质往往采用宏观连续体的概念,然而现场试验证明,非饱和裂隙岩体中的渗流具有相当的非均质性。天然裂隙岩体的非饱和渗流是发生在三维裂隙网络中的多场非等温流,要在不完整的信息基础上刻画和表现介质的不均匀性,通常借助随机模拟的手段。将三维裂隙系统近似为概化的二维非均匀多孔介质的二维平面裂隙。采用模拟退火法将取自各种来源的信息资料通过建立适当的目标函数汇集至模型之中,以此模拟裂隙的空间特征。     

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     

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。     

利用观测井的抽水试验分析裂隙介质特征的新方法

在关系式ｓ（ｒ，ｔ）＝Ａｔ￣Ｎ与描述裂隙介质中流体普通渗流方程的基本解之间，得到一新的分析方法。假定一个非整数的渗流维，而且假如至少具有两个观测井是有效的，以及渗流流经足够多的裂隙时，这种分析方法可以通过同描述多孔介质含水层相似的参数来刻划裂隙介质的特征。此时，渗流系统行为就是一分形实体。在几个方向上沿轴布置的观测井，可以分析出介质的各向异性的特征。野外的两个实际应用阐明了提出的方法。     

当代地下水科学面临的新问题(下)

4．等价的多孔介质性质裂隙网络中溶质机械弥散研究的基本问题之一,是要确定一个把给定的裂隙系统处理为一个等价的均质的多孔介质连续体的方法。在多孔介质中,达西定律通过处理多孔介质为等价的连续体介质而使得计算介质中的宏观流量成为可能。等价多孔介质的流体运动特点可以用两种方式来分析。首先根据图12上的边界条件所构成的流场为等价的多孔介质性质进行单独的计算。然后,方向流动由在不同方向上的综合流动结果来分析。在多孔介质中,各向异性的特点可以根据唯一的渗透系数向量来计算。     

基于离散裂隙网络模型的核素粒子迁移数值模拟研究

高放废物地质处置过程中涉及的核素在围岩裂隙地下水中的迁移问题已引起广泛关注,数值模拟是研究核素粒子运移的重要方法。目前裂隙介质中渗流模型主要是等效连续介质模型、双重介质模型和离散裂隙网络模型。对于岩体尺度裂隙地下水的流动,离散裂隙网络模型能充分表现裂隙介质的各向异性、不连续性等特征。因此,针对裂隙介质准确概化及核素迁移模拟等难点,文章结合Monte Carlo随机生成裂隙方法、裂隙渗流有限元算法和高放射性核素衰变方程等方法,依据花岗岩深钻孔裂隙统计数据,采用离散裂隙网络模型对内蒙古阿拉善高放废物地质处置预选区展开了核素粒子迁移数值模拟研究,并讨论了实例预测分析结果。结果显示:针对设定的地质模型,核素粒子从中心运移到边界的迁移路径长度平均为1293.35 m,粒子运移到边界耗费的时间平均为1.70E+11 d。     

基于裂隙连续方法的三维裂隙岩体渗流传热数值模拟

模拟裂隙岩体渗流传热的主要困难在于岩体各种尺度上的非均质性。为了兼顾裂隙岩体渗流传热过程模拟的效率和精度,将二维裂隙连续方法拓展到三维问题中,应用深度优先搜索算法挑出对网格块渗透性有贡献的有效裂隙,综合考虑有效裂隙和岩石基质作用给出网格块的等效渗透率张量,采用Matlab对COMSOL Multiphysics有限元软件进行二次开发,生成由不同渗透率网格块组成的三维裂隙连续模型。数值模拟结果表明：裂隙连续模型结合了随机连续介质模型和离散裂隙模型的特点,既能避免处理裂隙网络的复杂性,又能考虑岩体渗透率的空间变异性,兼顾了模拟效率和精度;当岩石基质渗透率与裂隙渗透率比值的数量级在10^-4～10^-6范围内时,有效裂隙网络模型的流量计算误差会超过5%。     

山东淄博市大武水源地裂隙岩溶水中污染物运移的数值研究

在分析研究淄博市大武水源地裂隙岩溶含水层的水力性质和污染物运移特征的基础上 ,对裂隙岩溶水的水头和污染物运移进行数值研究。目前国内外对裂隙岩溶水进行数值计算时 ,通常用等价多孔介质模型 ,但裂隙岩溶介质和多孔介质有很大不同。裂隙岩溶介质的储水和导水空间为裂隙网络 ,导水系数大 ,地下水的实际平均流速比孔隙水大得多 ,但给水度和贮水系数小。当用等价多孔介质模型进行模拟时应考虑这些特点。对于污染物运移的模拟 ,要同时求解水头方程和对流弥散方程 ,可采用MODFLOW和MT3D软件进行模拟。研究区裂隙岩溶水水头的数值计算表明 ,等效多孔介质模型水头的拟合误差能满足国标GB/T144 97- 93的要求。各时段地下水水量均衡计算的精度也满足要求。对流弥散方程的数值计算 ,由于Peclet数高达 95 .6 7,对流占绝对优势 ,可能存在数值弥散和数值振荡 ,因而采用多种方法进行了比较。对于同一问题 ,同时采用上游有限差分法 (UFDM) ,混合的欧拉拉格朗日方法 (特征线法MOC、改进特征线法MMOC和混合特征线法HMOC) ,总变异消减法(TVD)进行计算 ,并比较其结果。结果表明 ,混合特征线法 (HMOC)和总变异消减法 (TVD)比较适合于对流占优势的运移问题计算。由于渗透系数K和有效孔隙度θ对溶质运移结果的影响很大 ,?     

裂隙型单斜介质中弹性系数的计算及波的传播特性研究

根据Hudson等关于裂隙介质弹性系数计算的扰动理论及Bond变换矩阵原理，给出了各向同性介质中含多组垂直裂隙时等效弹性系数的计算方法。计算了含两组斜交的垂直裂隙形成的单斜各向异性介质中的等效弹性系数，并根据Christoffel方程推导、得出水平面内平面波传播的相速度和群速度随方位变化的特性。     

非连续裂隙网络水流计算机模拟

本文以湖北某地区为例,对工作区二迭及三迭系地层的基岩裂隙进行了统计分析,并对其裂隙网络及水流进行了计算机模拟。利用非连续介质方法就非连续裂隙网络的连通性、裂隙长度对网络导水能力的影响、裂隙网络的方向导水系数、网络内水头分布特征等问题进行了初步的探讨。     

含裂隙饱和多孔介质流-固耦合的扩展有限元分析

基于应力平衡方程、渗流连续性方程以及改进的Biot有效应力原理,建立了含裂隙可变形饱和多孔介质流-固全耦合问题的控制方程。流体在介质和裂隙中的流动均满足达西定律,得到的非线性全耦合方程不仅反映多孔介质内部物理量的耦合效应,还考虑介质与裂隙之间的耦合作用。扩展有限元法在处理含裂隙问题时具有独特的优势,采用普通有限元和扩展有限元法构建了数值计算体系。在进行空间离散时,介质内部的位移和孔隙压力均采用普通的有限元进行离散;裂隙处的位移模式引入扩展有限元中的两类附加位移函数,以反映裂隙面的位移强不连续性和裂隙端部的应力奇异性;引入孔隙压力加强函数,以体现裂隙法向孔隙压力的弱不连续特征。使用向后差分格式进行时间离散。算例验证了该模型和算法的正确性和有效性,分析了裂隙的存在对流体流动的延迟作用、裂隙中张开位移及孔隙压力等物理量的分布情况,讨论了渗透率、外部流量的改变对计算结果的影响。     

非常低延展性裂隙岩体REV存在性研究

裂隙岩体渗流问题一直是水文地质与工程地质的前沿课题之一,等效多孔介质模型是裂隙岩体渗流研究和工程应用的主要方法,此方法的重点在于裂隙岩体渗流模型即典型单元体(REV)的确定。本文采用作者自行开发的离散元软件FractureToKarst,根据国际岩石力学协会对岩石的分类,讨论了非常低延展性裂隙岩体典型单元体(REV)的存在性及大小,并给出确定其存在性的一般方法。通过研究可知,非常低延展性裂隙岩体REV存在的条件就是裂隙平均间距在0.2m以下,即极密间距、很密间距和密间距裂隙岩体存在REV。裂隙平均间距大于0.2 m,即中等间距、宽间距、很宽间距和极宽间距裂隙岩体不存在REV。     

采用复合单元法模拟裂隙多孔介质变饱和流动

采用复合单元法建立了模拟裂隙多孔介质变饱和流动的数值模型。该模型具有以下特点：裂隙不需要离散成特定单元，而是根据几何位置插入到孔隙基质单元中形成复合单元；在复合单元中，分别建立裂隙流和孔隙基质流的计算方程，二者通过裂隙?基质界面产生联系并整合成复合单元方程；复合单元方程具有和常规有限单元方程相同的格式，因此，可以使用常规有限单元方程的求解技术。采用欠松弛迭代、集中质量矩阵以及自适应时步调节等技术，开发了裂隙多孔介质变饱和流动计算程序。通过模拟一维干土入渗和复杂裂隙含水层内的流动问题，验证了该模型的合理性和适用性。模拟结果为进一步认识非饱和裂隙含水层地下水流动特性提供了理论依据。     

一种基于弹性应变能的裂隙岩体等效弹性模量评价方法

基于线弹性断裂力学裂隙面张开位移及剪切位移理论公式,考虑裂隙存在常法向和常切向刚度情况,研究了含单个裂隙岩体加载过程中由于裂隙存在而附加的弹性应变能。基于应变能等效方法并假设两种裂隙变形模型--非均匀变形模型和均匀变形模型,研究了二维非贯通裂隙岩体的等效杨氏模量和等效剪切模量解析表达式。研究结果表明,对于贯通裂隙规则分布情况,均匀变形模型得到的解析解与Amadei等的结果一致;对于非贯通裂隙正态分布情况,考虑裂隙相互作用的非均匀变形模型解明显低估裂隙岩体的等效杨氏模量和等效剪切模量,而考虑裂隙相互作用的均匀变形模型解与有限元数值解的偏差在10%以内。得到的解析表达式在一定条件下可以作为裂隙岩体等效弹性模量评价方法之一。     

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。     

裂隙参数对P波的影响及裂隙检测可行性数值研究

在油气勘探、工程探测等领域中，各向同性介质的背景上，因存在裂隙导致各向异性，描述裂隙的两个主要参数是裂隙密度和裂隙方位。这里以Hudson理论为基础，通过数值计算，分析了描述裂隙介质的两个主要参数对P波速度和衰减的影响，同时，分析了利用P波属性检测裂隙发育带的可行性。