低延展性裂隙岩体REV存在性研究

采用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。根据研究结果可知,低延展性裂隙岩体REV存在的条件为裂隙平均间距在0.6 m以下,即极密间距、很密间距、密间距和中等间距裂隙岩体存在REV;裂隙平均间距大于0.6 m,即宽间距、很宽间距和极宽间距裂隙岩体不存在REV。 关键词：裂隙岩体;渗流;典型单元体(REV);离散元     

基于块体化程度确定裂隙岩体表征单元体

表征单元体（REV,或典型单元体）的存在是应用连续介质方法研究岩体问题的前提,因此,裂隙岩体表征单元体研究是岩体力学及岩体水力学中的一个基础问题,表征单元体的存在与否可以从不同物理参数的角度进行分析。从岩体块体化程度的角度对其存在性进行了较系统的分析,把岩体中由裂隙圈闭形成的孤立块体的总体积在岩体中所占体积百分比定义为裂隙岩体的块体化程度。介绍了GeneralBlock软件的基本分析过程,利用软件建立了三维裂隙岩体模型。根据国际岩石力学学会的裂隙分级,针对5个延展性级别、7个间距级别建立了35种岩体结构模型。利用GeneralBlock对这35种岩体进行了块体识别,分别讨论了这35种岩体结构的块体化程度随着模型范围变化的波动情况。由于所建立的岩体结构模型是随机的,对每种结构的每个研究范围进行了5次随机实现。结果表明,对所有的35种岩体,表征单元体的尺寸在4～8倍间距之间,不超过8倍间距。     

裂隙延展性统计分布离散性对岩体块体化程度REV的影响

表征单元体(REV) 的存在是应用连续介质力学方法对岩体进行研究的前提,REV可以从岩体块体化程度的角度进行研究,裂隙大小及其统计分布是影响岩体块体化程度REV的重要因素。本文利用课题组自主研发的GeneralBlock 软件,建立更一般化实际化的模型,研究裂隙延展性统计分布的离散程度对岩体块体化程度REV的影响。分析时选取了最常用的裂隙延展性统计分布形式:正态分布。由于所建立的岩体结构模型是随机的,需要对每个随机裂隙模型进行多次实现。为节省计算量,当研究范围比较小时,对每种结构的每个研究范围进行9次随机实现。当研究范围足够大,达到REV大小的时候进行100次随机实现。为确定离散程度对表征单元体的影响,本文针对5个不同标准差进行了模拟分析（共建立了1 005个裂隙模型,分别进行了块体识别并计算其块体化程度B）。结果表明,裂隙延展性服从正态分布的情况下,如果其平均值一定,岩体的块体化程度随着统计分布离散程度的增加略有上升,裂隙岩体的REV值基本上由裂隙延展性统计平均值决定。     

基于非均质系数的裂隙岩体表征单元体研究

表征单元体（REV）是岩体力学中的一个基础性概念,其存在性是确定岩体等效参数和应用连续介质方法进行研究的前提条件。为综合反映裂隙大小、产状和密度对岩体REV的影响,本文提出采用岩体非均质系数HI来确定岩体的REV。首先,详细介绍了非均质系数的概念和含义。利用General Block软件建立了中等间距-中等延展性（MS1-MP1）裂隙的网络模型,并完成20次随机实现。从各模型中选取10个不同尺寸的岩体模型计算非均质系数,结果表明:非均质系数具有明显的尺寸效应,当岩体尺寸不小于8 m时,非均质系数的平均值和标准差分别为0.5和0.14,综合确定该岩体的REV为8 m。采用HI对三峡地下电站厂房围岩的研究表明,该岩体的REV为60 m,可作为非连续介质方法适用性的判断标准。HI是从岩体结构角度提出的新指标,适用于确定岩体的REV和统计范围,对岩体的统计分析和等效参数研究具有重要意义。     

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。     

裂隙岩体变形模量尺寸效应研究Ⅰ:有限元法

通过对裂隙交叉和非贯通裂隙进行的网格剖分研究,建立了随机裂隙岩体网格生成方法,并编制了裂隙岩体有限元网格自动生成程序。根据锦屏电站辅助洞白山组大理岩裂隙分布调查结果,用蒙特卡洛法生成随机裂隙网络,进行了岩石-裂隙二元岩体网格自动剖分,将试验室获得的岩石和裂隙的力学参数分别赋予岩体模型中的岩石和裂隙,通过有限元方法研究了裂隙岩体等效变形模量的尺寸效应和各向异性。尺寸效应研究结果表明,所研究的裂隙岩体的等效变形模量表征单元体REV为8 m;各向异性研究结果表明,在REV尺寸下,所研究的裂隙岩体各个方向变形模量可以通过柔度张量进行拟合,且张量拟合误差不超过8%。     

岩体结构与岩体水力耦合计算模型

水力耦合作用是岩体中力学过程与渗流过程相互作用的物理过程。水力耦合机理的理解是水力耦合分析的关键问题,其耦合机理是由岩体结构特性决定的。在分析岩体水力耦合过程基础上,根据岩体的基本结构及代表性单元体（REV）是否存在提出了建立水力耦合模型的方法。当裂隙岩体中不存在代表性单元体（REV）时,提出了裂隙岩体多重介质流固耦合分析的全耦合数学模型,给出流固耦合模型数值方法求解的数学模型及有限元计算表达式。程序编制和验证工作正在进行中。     

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。     

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。     

基于三维裂隙网络的裂隙岩体表征单元体研究

岩体表征单元体（REV）的研究一直是岩土工程中的重要问题。裂隙岩体REV是其内部复杂结构在尺寸效应上的体现,归因于岩体内裂隙系统的随机性。在三维网络模型的基础上通过计算体积节理数建立了确定岩体REV的方法。这种方法考虑了岩体内裂隙的三维空间密度的特征,采用体积节理数这一参数的收敛状况确定岩体REV的大小。建立了实际岩体的模拟裂隙系统,用一定大小的立方体来分割裂隙系统,统计不同立方体内的体积节理数,并将均值作为最终裂隙岩体的参数。将此参数作为裂隙岩体的属性,通过判别其收敛状况获得了岩体REV的尺寸。考虑了岩体不连续面的特征,建立了REV的分析模型,得出工程岩体的REV的尺寸是裂隙平均迹长的4倍的结论。     

A 2D coupled hydro-thermal model for the combined finite-discrete element method

Based on the combined finite-discrete element method (FDEM), a two-dimensional coupled hydro-thermal model is proposed. This model can simulate fluid flow and heat transfer in rock masses with arbitrary complex fracture networks. The model consists of three parts: a heat conduction model of the rock matrix, a heat-transfer model of the fluid in the fracture (including the heat conduction and convection of fluid), and a heat exchange model between the fluid and rock at the fracture surface. Three examples with analytical solutions are given to verify the correctness of the coupled model. Finally, the coupled model is applied to hydro-thermal coupling simulations of a rock mass with a fracture network. The temperature field evolution, the effect of thermal conductivity of the rock matrix thermal conductivity and the fracture aperture on the outlet temperature are studied. The coupled model presented in this paper will enable the application of FDEM to study rock rupture driven by the effect of hydro-thermo-mechanical coupling in geomaterials such as in geothermal systems, petroleum engineering, environmental engineering and nuclear waste geological storage.

     

岩体裂隙模拟的扩展有限元法应用研究

岩体中普遍存在着断层﹑节理和裂隙等结构面,这些结构面的存在和发展对岩体的整体强度﹑变形及稳定性有极大的影响。因此,研究岩体中原生结构面的萌生﹑发展以及贯通演化过程对评估岩体工程安全性和可靠性具有非常重要的理论与现实意义。扩展有限元法（XFEM）作为一种求解不连续问题的有效数值方法,模拟裂隙时独立于网格,因此,在模拟岩体裂隙扩展﹑水力劈裂等方面具有独特优势。针对扩展有限元法的基本理论及其在岩体裂隙扩展模拟中的应用展开了研究,建立了扩展有限元法求解岩体裂隙摩擦接触、岩体裂隙破坏等问题的数值模型,并将计算模型应用于岩质边坡稳定性分析和重力坝坝基断裂破坏等工程问题。     

采用Monte-Carlo模拟技术计算裂隙岩体的分维数

采用结构面现场测量及统计分析建立岩体结构的概率模型,进而采用Monte-Carlo模拟技术生成岩体裂隙网络模型,由生成的岩体裂隙网络模型计算岩体裂隙分布的分维数;并给出了工程应用实例。     

岩体多重裂隙网络渗流模型研究

将岩体中的各种裂隙和孔隙按规模和渗透性分为4级处理,即一级真实裂隙网络、二级随机裂隙网络、三级等效连续介质体系和四级连续介质体系。各级裂隙(孔隙)都形成各自的裂隙网络,并以水量平衡原理为基础建立各级裂隙网络之间的联系,组合形成岩体多重裂隙网络渗流模型,从而较全面地反映了地下水在岩体中的运动规律,并进行了工程实例分析。      

An embedded fracture modeling framework for simulation of hydraulic fracturing and shear stimulation

A numerical modeling framework is described that is able to calculate the coupled processes of fluid flow, geomechanics, and rock failure for application to general engineering problems related to reservoir stimulation, including hydraulic fracturing and shear stimulation. The numerical formulation employs the use of an embedded fracture modeling approach, which provides several advantages over more traditional methods in terms of computational complexity and efficiency. Specifically, the embedded fracture modeling strategy avoids the usual requirement that the discretization of the fracture domain conforms to the discretization of the rock volume surrounding the fractures. As fluid is exchanged between the two domains, conservation of mass is guaranteed through a coupling term that appears as a simple source term in the governing mass balance equations. In this manner, as new tensile fractures nucleate and propagate subject to mechanical effects, numerical complexities associated with the introduction of new fracture control volumes are largely negated. In addition, the ability to discretize the fractures and surrounding rock volume independently provides the freedom to choose an acceptable level of discretization for each domain separately. Three numerical examples were performed to demonstrate the utility of the embedded fracture model for application to problems involving fluid flow, mechanical deformation, and rock failure. The results of the numerical examples confirm that the embedded fracture model was able to capture accurately the complex and nonlinear evolution of reservoir permeability as new fractures propagate through the reservoir and as fractures fail in shear.     

深部层状节理岩体分区破裂模型试验研究

随着地下工程开挖深度的增加,深部洞室围岩将产生不同于浅部洞室的分区破裂现象。为深入研究深部岩体分区破裂现象的形成机制和影响因素,以淮南矿区丁集煤矿的深部巷道为工程背景,利用模型相似材料和高地应力真三维加载模型试验系统,首次开展了带有软弱夹层的层状节理岩体的真三维地质力学模型试验。结果表明：（1）在满足一定应力条件下,带有软弱夹层的层状节理试验模型出现明显的分区破裂现象;（2）软弱夹层是影响层状节理岩体分区破裂现象的重要因素,在相同的应力条件下,软弱夹层使得巷道围岩的径向位移和应变明显增加;并且软弱夹层的间距越小,洞周破裂区的层数越多,范围越大;（3）洞周破裂区的形状近似为圆形,与是否存在软弱夹层及软弱夹层间距均无关。模型试验结果有效揭示了分区破裂的影响因素,为深入研究高地应力深部岩体的非线性变形破坏特征奠定了坚实的试验基础。     

A Spatial Clustering Approach for Stochastic Fracture Network Modelling

Fracture network modelling plays an important role in many application areas in which the behaviour of a rock mass is of interest. These areas include mining, civil, petroleum, water and environmental engineering and geothermal systems modelling. The aim is to model the fractured rock to assess fluid flow or the stability of rock blocks. One important step in fracture network modelling is to estimate the number of fractures and the properties of individual fractures such as their size and orientation. Due to the lack of data and the complexity of the problem, there are significant uncertainties associated with fracture network modelling in practice. Our primary interest is the modelling of fracture networks in geothermal systems and, in this paper, we propose a general stochastic approach to fracture network modelling for this application. We focus on using the seismic point cloud detected during the fracture stimulation of a hot dry rock reservoir to create an enhanced geothermal system; these seismic points are the conditioning data in the modelling process. The seismic points can be used to estimate the geographical extent of the reservoir, the amount of fracturing and the detailed geometries of fractures within the reservoir. The objective is to determine a fracture model from the conditioning data by minimizing the sum of the distances of the points from the fitted fracture model. Fractures are represented as line segments connecting two points in two-dimensional applications or as ellipses in three-dimensional (3D) cases. The novelty of our model is twofold: (1) it comprises a comprehensive fracture modification scheme based on simulated annealing and (2) it introduces new spatial approaches, a goodness-of-fit measure for the fitted fracture model, a measure for fracture similarity and a clustering technique for proposing a locally optimal solution for  fracture parameters. We use a simulated dataset to demonstrate the application of the proposed approach followed by a real 3D case study of the Habanero reservoir in the Cooper Basin, Australia.     

考虑动力压力裂隙网络岩体渗流应力耦合分析

渗流对裂隙网络岩体的作用力包括渗透静水压力和渗透动力压力（裂隙壁切向拖曳力）两部分。较全面地引入渗流与应力之间的相互作用关系，同时考虑渗透静水压力和切向拖曳力的作用，以裂隙（等效）隙宽与岩体应变的关系为桥梁，建立隙裂网络岩体渗流场与应力场耦合分析的数学模型，并采用有限元数值方法进行某工程实例的双场耦合分析，验证所建立模型的可靠性。     

基于离散颗粒模型的岩体结构面动-静态刚度系数对比的数值模拟研究

岩体工程计算分析中结构面刚度系数是至关重要的力学参数,计算分析的精度和可靠程度与这个参数密不可分,结构面刚度系数取值仍然是一个难点。岩体中应力波传播至结构面处将会发生反射和透射现象,利用应力波透射系数可反演结构面动态刚度系数。本文从细观力学角度运用颗粒离散元方法,开发分段线性接触模型及应力波吸收边界模型,开展宏观岩体中应力波传播的模拟,结合准静态压缩试验模拟,研究了较为平直的岩体结构面分别在不同正应力条件下的动、静态刚度系数的变化特征。模拟结果表明:(1)利用C++语言开发的分段线性接触模型很好地实现了结构面非线性变形特征的模拟;(2)基于颗粒离散元方法能够准确地反映岩体中应力波传播规律,应力波通过不同刚度结构面的透射系数与理论解一致;(3)在离散颗粒模型中加入黏滞吸收边界条件很好地实现了在有限尺寸模型中远场应力波传播模拟;(4)在岩体模型中结构面接触部位运用分段线性接触模型,通过模拟应力波传播与单轴压缩试验分别获得了一致性较好的结构面动、静态刚度系数,结构面动/静态刚度系数之比值约为1.0。本文对岩体中结构面刚度的测试和取值具有重要的指导意义。