三维随机裂隙岩体渗流分析的块体单元法

岩体中的裂隙分布具有随机性,且渗流主要通过裂隙面进行。运用蒙特卡罗法模拟生成岩体中的随机裂隙面,基于矢体的概念,实现了包括凹块体和多连通体在内的三维随机裂隙岩体的块体单元自动识别。假定岩块不透水、渗流仅通过裂隙面进行,建立了三维随机裂隙岩体渗流分析的块体单元法。通过算例分析,验证了所提方法的准确性和有效性。     

裂隙岩体渗流-传热耦合的复合单元模型

基于复合单元法建立了裂隙岩体渗流-传热耦合的复合单元模型。该模型前处理简便快捷,网格剖分不受限制,可依据裂隙的真实信息自动将其离散在单元内。其次,采用交叉迭代算法,对裂隙岩体的渗流场和温度场进行耦合分析,耦合算法不仅考虑了温度对流体运动黏度的影响,而且可计算裂隙中流体与相邻岩块间渗流-传热过程以及两者间的渗流量和热量交换。通过与已有近似解析解相比较,验证了复合单元耦合算法的可靠性。算例分析表明,渗流-传热耦合作用对裂隙岩体的渗流场和温度场均有一定的影响。分析了不同岩块热传导系数和裂隙开度对热能提取效率的影响,结果显示,岩块热传导系数越大、裂隙开度越大,低温流体从高温岩块中吸取的热能会较多,出口处流体温度下降得较快。     

岩质块体渐进破坏的稳定分析方法

岩桥的破裂贯通是一种非连续变形现象。强度折减技术虽然是渐进破坏过程模拟的主流技术,但其不具备描述非连续变形现象的能力。提出连通率折减法和刚度折减法来模拟含非贯通结构面岩块的渐进破坏过程,并建立考虑渐进破坏过程的块体稳定分析方法。首先,引入Goodman单元来描述共面非贯通结构面的岩桥部分和裂隙面部分,建立静力平衡方程来求解滑裂面内岩桥单元和裂隙面单元的应力。其次,岩桥单元采用Griffith准则来判别破坏,利用连通率折减法来描述其破裂;裂隙面单元采用MC准则来判别破坏,用刚度折减法来描述其屈服;通过循环迭代,模拟岩桥单元的破裂过程和裂隙面单元的应力调整过程,实现整个滑裂面的渐进破坏过程模拟。然后,定义考虑渐进破坏过程的滑裂面极限状态;通过自重超载方式将滑裂面推送至极限状态;基于极限状态设计的理论框架,计算度量块体稳定性的安全系数指标。工程实例分析结果表明,渐进破坏过程模拟结果与现场调查结果是一致的。渐进破坏过程的模拟实现,有助于岩质边坡变形破坏机制分析从定性分析阶段扩展至定量分析阶段。     

裂隙刚度随应力变化对双重孔隙介质热-水-应力耦合影响的有限元分析

引入并修正了变刚度的连续屈服节理模型,同时考虑应力拉压和压力（化学）溶解对裂隙开度的综合影响,对所建立的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合有限元计算程序作了改进。通过一个假定的高放废物地质处置库的数值模拟,就岩体裂隙刚度变化的2种工况,分析了岩体中的温度、裂隙刚度、正应力、孔（裂）隙水压力和地下水流速的变化、分布情况。结果显示：与裂隙刚度是常数时相比,裂隙刚度是法向应力的函数时计算域中温度较低;岩体应力的大小也有一定不同,其分布与裂隙刚度“场”有明显的相似性;并且负孔（裂）隙水压力的绝对值要略小一点,约是常数时的98%。     

岩体裂隙中渗流场有限元随机模拟分析

采用有限元方法数值,模拟了开度随机分布裂隙中的渗流场问题。根据给定的裂隙开度均值和标准差,随机分布生成有限元模型中的单元裂隙开度,模型中的材料参数和单元属性用ANSYS中的APDL参数化语言赋值。根据有限元随机模拟断面的流量分布和稳态渗流问题的达西定律,计算在不同裂隙开度标准差条件下的等效导水系数,研究等效导水系数与裂隙粗糙度之间的关系。数值模拟结果表明,与光滑平直的裂隙相对比,在裂隙平均开度为常数、开度随机正态分布的条件下,表面粗糙裂隙的等效导水系数略有降低;对于裂隙平均开度为0.5 mm的裂隙模型,裂隙开度标准差从0.01 mm变化到 0.2 mm,其等效导水系数变化小于5 %。传统的渗流控制方程无法精确描述地下水在粗糙裂隙中的流动特征,因为在压力水头的定义中忽略了速度项。     

基于原生裂隙重张试验确定围岩块体边界法向应力分布规律研究

由于地下工程处于一定水平的地应力环境中,块体边界法向应力概化的正确与否直接关系到块体的稳定性分析结果,现通过实测途径确定块体边界法向应力的研究还较少。基于大型地下厂房块体稳定性分析,通过在块体范围及邻区不同方向布置多个钻孔,首次将原生裂隙重张试验引入到块体边界法向应力的测定,对开挖后与块体主要边界产状相近的所有原生裂隙的法向应力进行了测试,成功取得了块体边界上的法向应力状态及其空间变化规律。研究结果表明：洞室开挖完成后,块体边界应力分布不均匀,但具一定规律,垂直向表现为从浅部到深部结构面的法向应力依次增大,在水平向上,随与洞室开挖面距离的增大而增大;结构面的法向应力实测值稍小于基于围岩应力的估算值,但总体一致。该成果可为确定围岩块体的边界力学状态和应力模型简化提供参考和依据。     

奥陶系石灰岩推覆体含水层下煤层开采覆岩破坏特征研究

采用相似模型试验和数值模拟相结合的方式,分析了奥陶系石灰岩推覆体含水层下煤层开采的覆岩破坏及地表沉陷 特征。经验公式计算,相似模型试验和数值模拟的对比分析表明：该特殊地质条件下,不考虑渗流场影响时,垮落带高度 为采厚的2.2~4.5倍,导水裂隙带高度为采厚的14.0~19.1倍;渗流场的存在使导水裂隙带及垮落带高度增加,此时垮采比为 4.8,裂采比为20.6。因此,从偏安全的角度考虑,煤层的实际开采过程应考虑渗流场的影响,以渗流场-应力场耦合作用 下的导水裂隙带高度作为安全煤（岩）柱合理留设的依据。     

焦作矿区双重介质裂隙网络渗流与渗流模型研究

焦作矿区矿井水害严重,位于煤层底板下的石炭系薄层灰岩中的第八、第二层,以及奥系灰岩岩溶含水层是矿井主要充水水源。裂隙是矿区岩溶水渗流的主要通道,裂隙介质的不均匀性、各向异性、不连续性等特征非常明显,且不同规模的裂隙对岩溶水渗流的贡献不同。根据裂隙介质对岩溶水渗流所起的作用,对那些控制矿区岩溶水渗流分布且起主导渗透作用的巨型和大型裂隙建立非连续介质裂隙网络三维渗流模型;对大型和巨型裂隙之间的裂隙岩块建立连续介质渗透张量模型,两模型耦合在一起组成双重介质裂隙网络三维渗流模型。该模型能较好地刻画矿区岩溶水渗流和突水特征      

考虑应力历史的岩石单裂隙渗流特性试验研究

通过开展单裂隙花岗岩不同围压加、卸载和不同水力梯度作用下的渗透试验,研究应力历史对裂隙渗透性能演化的影响。试验结果表明：在围压加载过程中,渗流流量与渗透压差大致呈线性关系;在渗透压差相同的条件下,围压越小,流量越大,随着围压上升,裂隙渗流流量持续减小,但随着围压的进一步增大,流量的减小有减缓的趋势。在围压相同以及渗透压差相同的条件下,单裂隙花岗岩在卸载条件下的渗流特性与加载条件下相比,其渗流流量明显降低,且卸载过程中渗流流量与渗透压差开始偏离线性关系。从试验前、后裂隙面粗糙度系数值的对比可以看出,由于法向应力挤压以及渗流流体的冲蚀作用,试验后裂隙面粗糙度系数明显降低。卸载的过程中,裂隙渗透性能的恢复具有明显的滞后效应,表明在法向应力和流体冲蚀的共同作用下,裂隙产生了不可恢复的非弹性变形。     

软硬互层状岩体渗透特性研究

叙述软硬互层状岩体中的裂隙发育规律,并由此建立了互层状岩体渗流的离散裂隙网络模型.根据裂隙网络水均衡原理,介绍了裂隙岩体网络渗流数学模型以及模型的求解方法;通过一个数值算例验证了模型的合理性,并且讨论了软岩中的切层裂隙以及软岩层面裂隙开度对渗流场分布和通过软岩流量的影响.     

Empirical Formula of Shear Strength of Rock Fractures Based on 3D Morphology Parameters

The prime objective of this work is to provide a reference to predict the peak shear strength of rock fractures. The paper studied some shear properties of rock fractures and proposed an empirical formula for the peak shear strength of rock fractures based on 3D morphology parameters. The rock fractures were induced in cylindrical sandstone and marble specimens by means of indirect tension. A rock direct shear apparatus (RDS-200) was adopted to conduct direct shear tests on five groups of rock fractures under different levels of normal load. Before the direct shear test, 3D morphology parameters of rock fracture surfaces were obtained using a 3D optical scanner. By analyses of direct shear test data, the relationships between peak shear strength, peak shear displacement, peak dilatancy angle, residual friction coefficient and peak normal stress were found. According to the evolution trends of peak shear strength and peak dilatancy angle along with the normal stress, an empirical formula was proposed to predict the peak shear strength of rock fractures in both sliding and cutting failure modes considering the 3D morphology parameters of rock fracture surfaces. The empirical formula could be commonly used for different types (sandstone and marble) and grain sizes (powder-grained, fine-grained, medium-grained and coarse-grained) of rock fractures.     

基于分形维数的巷道围岩裂隙演化规律研究

为探究泥质巷道受水平应力及动力扰动影响下的围岩裂隙演化规律,以盘州市山脚树矿226轨道石门为工程背景,综合运用现场调研、数值模拟、分形理论分析等研究方法,对动力扰动下泥质巷道的变形破坏特征、围岩裂隙演化规律、围岩裂隙分形演化特征等问题展开研究。结果表明:动力扰动前,巷道裂隙区和塑性区扩展范围随侧压系数的增加而逐步增大,巷道发生较大变形;受扰动后,随侧压系数的增加,围岩裂隙密度逐步增大,浅部裂隙扩展贯通并逐步延展至深部,巷道裂隙区和塑性区呈现全面不规则扩展。在扰动影响下,巷道围岩裂隙的分形维数较扰动前表现出明显的升维现象,随着侧压系数的增加,裂隙网络更为复杂,浅部裂隙进一步向深部蔓延,使岩体破裂程度更大,导致巷道发生严重变形破坏。      

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。     

On the heat transfer coefficient between rock fracture walls and flowing fluid

Two analytical solutions are derived to model the heated flow-through experiments for granite fractures in the literature. The first model, which assumes an identical/continuous temperature between the bulk fluid and fracture surfaces, represents an upper bound solution of water temperature in rock fractures. The second model including the empirical parameter of heat transfer coefficient is used to calculate the average heat transfer coefficient based on the available experimental data. The obtained heat transfer coefficients are smaller than that from the thermal boundary layer theory for flat plates, but larger than the previous estimates. A power function is fitted to describe the relation between heat transfer coefficient and flow velocity. Both models show that water temperature increases non-linearly along fracture plane.     

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。     

Capturing the two‐way hydromechanical coupling effect on fluid‐driven fracture in a dual‐graph lattice beam model

Fluid‐driven fractures of brittle rock is simulated via a dual‐graph lattice model. The new discrete hydromechanical model incorporates a two‐way coupling mechanism between the discrete element model and the flow network. By adopting an operator‐split algorithm, the coupling model is able to replicate the transient poroelasticity coupling mechanism and the resultant Mandel‐Cryer hydromechanical coupling effect in a discrete mechanics framework. As crack propagation, coalescence and branching are all path‐dependent and irreversible processes, capturing this transient coupling effect is important for capturing the essence of the fluid‐driven fracture in simulations. Injection simulations indicate that the onset and propagation of fractures is highly sensitive to the ratio between the injection rate and the effective permeability. Furthermore, we show that in a permeable rock, the borehole breakdown pressure, the pressure at which fractures start to grow from the borehole, depends on both the given ratio between injection rate and permeability and the Biot coefficient.     

岩石裂隙可视化渗流装置可行性及试验研究

自主研发一套能从可视化角度反映岩石单裂隙渗流特征的装置,并以模拟岩石的变形模量为主要技术指标,获得了K39透明类岩石材料的添加剂含量为：促进剂0.8%、硬化剂0.6%、消泡剂0.6%;通过二次翻模精确复刻技术得到原岩裂隙面粗糙度,为研究细微观裂隙渗流提供技术支撑。通过可视化装置与原岩装置模拟试验,得到两者之间的差异性系数,进而推出原岩渗流流量的修正公式,获得了渗流量、渗流面积等能反映原岩性能的相关参数。阐明了K39透明类岩石材料对渗流量的影响效应?总及其影响的内在机制;与以ELE仪器为研究平台的渗流试验进行异同性分析,得到两者渗流量之间存在差异的相对变化系数,证明可视化渗流装置研究岩石裂隙渗流是合理可行的。利用该装置开展空间多角度试验,在耦合粗糙度、渗透压、围压、空间多角度、水自重效应等多因素下,通过渗流面积数字化自识别技术为精确获取岩石渗流特征的相关参数提供基础。     

平面交叉裂隙非线性渗流模型参数人工神经网络预测

岩体裂隙网络渗流广泛存在于地下工程中,对地下工程的建设和运行安全具有重要的影响。因此,研究裂隙网络渗流有着重要的理论和实际意义。本文根据立方定律和Forchheimer方程推导所得的交叉裂隙渗流模型,运用数值模拟和人工神经网络方法,对平面交叉裂隙渗流模型非线性参数与模型几何条件的关系进行探究。通过数值模拟,获得了平面交叉裂隙非线性渗流模型的参数;运用人工神经网络遗传算法,探究了交叉裂隙几何条件与交叉裂隙渗流模型中非线性系数之间的关系,证明了平面交叉裂隙非线性渗流模型适用于描述交叉裂隙渗流规律,验证了神经网络方法预测非线性系数的可行性和准确性。同时,还对比分析了运用拟合数值表达式和人工神经网络两种方法的特点。     

基于离心试验的反倾层状岩质边坡内非贯通性裂缝变形特性分析

坡体内不同部位结构面间岩桥断裂扩展导致了反倾层状岩坡的破坏。为研究坡体内非贯通性裂缝断裂扩展对坡体演化的控制作用,以苗尾水电站右坝肩倾倒变形体为地质原型,开展含多组非贯通性裂缝的反倾层状岩质边坡离心模型试验,分析反倾层状岩质边坡内非贯通性裂缝变形特性。结果表明:（1）坡体内含非贯通性裂缝的岩层断裂最终呈现为裂缝间岩桥贯通、缓倾裂缝与上岩层贯通、陡倾裂缝与下岩层贯通、陡倾裂缝与缓倾裂缝端口处贯通及非裂缝处岩层发生断裂等5类裂缝断裂模式,并以裂缝间岩桥贯通为主要断裂模式;（2）基于断裂力学并结合裂缝断裂叠加原理,主折断面处岩层的不稳定系数在坡高1/3处最小,并向坡脚和坡顶两侧逐渐变大,而应力强度因子由坡高1/3处向坡脚和坡顶处逐渐变小;（3）裂缝的断裂扩展控制着坡体演化,并受裂纹率及裂缝周围的尖端应力场影响较大。在坡体演化初期,以坡体后缘压缩沉降和局部岩层裂缝压剪破坏为主,岩层倾角发生较大变化,呈现由坡体上部往下逐级变大的趋势;演化中期,坡体后缘裂缝扩展形成主折断面,坡体中上部岩层角度变化较大,裂缝断裂数目的继续增加;演化末期,裂缝断裂数目保持平稳,主要以断裂岩层的位置重分布为主要变形特征,次级折断面形成,破碎岩层之间进一步被压缩,坡体进一步发生失稳破坏。     

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。