岩体裂隙饱和/非饱和渗流机理初步研究

基于裂隙局部开度为平行板模型的假定,按一定分布抽样生成裂隙面上开度随机数,并分别对单裂隙饱和及非饱和渗流进行了数值模拟.裂隙饱和及非饱和渗流在渗流机理上都是由于水势差引起的,只不过在非饱和渗流情形下,湿润相水压力小于非湿润相空气的压力.饱和渗流时,水流主要集中在大开度,即“沟槽”中;而非饱和渗流时,水流运动多发生在小开度,即“狭缝”中.     

岩体单裂隙非饱和渗流毛管压力-饱和度关系研究

在进行裂隙岩体非饱和渗流研究中,选用合理的裂隙岩体毛管压力-饱和度关系曲线非常关键。基于裂隙岩体非饱和渗流特点,简述当前国内外非饱和裂隙岩体毛管压力-饱和度关系曲线模型的研究状况。总结出非饱和裂隙渗透具有毛细管流、薄膜流、优先流、裂隙-基质相互作用和沟槽流特点;分析了建立单裂隙岩体非饱和渗流毛管压力-饱和度关系曲线模型的主要方法,包括物模试验法、数值计算法和数学推导法,并归纳这些方法的计算结果;最后,结合渗流特点,对各种曲线模型结果进行比较,进一步分析得出：(1) 目前的曲线关系均建立在毛管理论基础之上,几乎没有反映渗流其他特点的关系曲线;(2) 运用数值计算法和数学推导建立曲线模型较为简便;(2) 在排水曲线初始时段,Brooks-Corey(BC)模型模拟得到的结果比van Genuchten(VG)模型要好些,而在末尾时段VG模型要好些。     

岩石裂隙毛管压力-饱和度关系曲线的试验研究

介绍了三峡花岗岩体裂隙毛管压力-饱和度试验。试验采用互不溶混驱替法。试验结果表明,在渗流基本特征方面,裂隙非饱和渗流毛管压力-饱和度关系曲线与空隙介质水分特征曲线具有相似性,如毛管压力-饱和度关系曲线的滞后现象;湿润流体(水)的排泄曲线具有进气压和束缚水饱和度;非湿润流体的吸湿曲线具有残余饱和度。这种相似性表明,孔隙介质非饱和渗流的研究成果可用于裂隙非饱和渗流,孔隙介质水分特征曲线的解析模型,可用于研究裂隙毛管压力-饱和度关系曲线和拟合毛管压力-饱和度排泄曲线的试验数据。     

裂隙岩体非饱和渗流的分形模型

基于毛细吸持理论和Sierpinski空间的假定,建立了用分维数表示的毛细压力-有效饱和度及毛细压力-相对渗透系数关系的裂隙岩体非饱和渗流分形模型。根据Monte-Carlo模拟技术由平硐资料生成三维裂隙网络,利用盒维数方法计算裂隙岩体体积分维数。探讨了分维数与裂隙渗透率的关系。结合糯扎渡水利工程实例,将模型计算结果与Brook-Corey模型对比,结果表明相对渗透率主要受最大裂隙开度的影响,当裂隙开度范围不大时,分形模型可较好描述岩体裂隙的毛细压力与有效饱和度的关系。当裂隙开度范围较大时, ,忽略最大裂隙开度,模型可以等价于Brook-Corey模型。     

滴状流条件下非饱和交叉裂隙分流机制研究

交叉裂隙作为裂隙网络的基本结构是控制场地尺度非饱和渗流特性的关键。随着流量的减小,交叉裂隙非饱和渗流将从连续、稳定的线状流转变为非连续、非稳定的滴状流,但目前对后者的研究还很少。在滴状流条件下,开展了交叉裂隙非饱和流动特性的理论和试验研究,发现了交叉裂隙滴状流存在毛细力驱动以及重力与毛细力联合驱动两种分流驱动模式。基于瞬态静力平衡方法,提出了一套液滴分流理论及计算模型,实现了动态分流过程的定量化描述与预测。结合模型预测与可视化试验,详细探究了两种模式下液滴的分流过程,阐明了动态分流行为受重力、毛细力、黏滞力共同控制的细观机制,并揭示了液滴长度、裂隙倾角、通道中液体的累积等因素对界面流速、分流体积比例的影响。研究成果为低流量、低饱和度条件下非饱和裂隙岩体渗流的预测与控制提供了理论及试验支撑。     

岩体离散裂隙网络的非饱和渗流数值分析

针对裂隙岩体的非饱和渗流问题,基于离散裂隙网络模型并结合非饱和Darcy定律、Richards方程、非饱和本构模型以及Signorini型饱和-非饱和互补溢出边界,提出了离散裂隙网络非饱和渗流问题的数学模型。采用有限单元法建立了裂隙网络非饱和渗流模型的数值求解格式和对应的迭代算法。通过与矩形坝稳定渗流、一维竖直裂隙非饱和入渗以及室内二维瞬态排水渗流的试验、数值及理论结果对比分析,验证了文中算法的有效性;根据流量等效原则,指出了裂隙网络模型应用于求解连续介质非饱和渗流问题的有效性。验证了该算法对于求解裂隙边坡降雨入渗问题的可靠性,揭示了降雨入渗过程裂隙网络流量分布的非均匀性及裂隙产状对降雨入渗流动具有重要的控制作用。     

岩石裂隙的非饱和渗透特性及其演化规律研究

岩石裂隙的非饱和渗透特性是岩土、能源和环境等领域科学研究中的热点问题。采用三维激光扫描获取花岗岩裂隙的表面形貌特征,分析裂隙微观形貌特征对非饱和渗透特性的影响。研究在张拉、压缩、剪切等复杂荷载作用下裂隙开度分布的演化规律,建立复杂荷载作用下岩石裂隙非饱和毛细压力曲线演化模型。基于裂隙的微观形貌特征推导了岩石裂隙非饱和相对渗透系数模型,通过与试验数据对比,验证了模型的准确性和有效性,并在此基础上建立了复杂荷载作用下岩石裂隙非饱和相对渗透系数演化模型。研究成果对非饱和条件下裂隙岩体的水-力耦合机制研究具有一定指导意义。     

含裂隙非饱和土体的变形与渗流耦合的二维解析分析

含裂隙土体在降雨条件下的渗流规律相对比较复杂,为进一步讨论含裂隙土体渗流机制,在一维解析解的基础上,建立二维饱和-非饱和含裂隙土渗流解析模型,并通过Fourier积分变化推导出二维渗流控制方程的显式解析解。此解析解考虑了多裂隙情况下的孔隙水压力分布和流量边界条件。二维解析解能够准确地获得渗流和变形耦合非饱和土中水的入渗影响规律,并进一步讨论了降雨条件下,不同裂隙模式(裂隙深度、裂隙发育位置及裂隙密集程度)对坡体渗流的影响规律,探讨了含裂隙区域的孔隙水压力分布规律。     

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     

基于4D显微成像的非饱和颗粒土微观力学与渗流试验研究

非饱和土力学水力-力学相关的微观机制尚不明确,目前缺乏准确的微观试验分析。针对非饱和土试验无损化观测的研究需求,研发了适用微焦点CT(computed tomography,简称CT)扫描系统的微型非饱和三轴试验装置与微型土-水特征曲线试验装置,研发的装置均主要包含压力控制系统、数据采集系统和装置主体,体积轻巧、兼容性高,可分别实现对小型化颗粒状土试样在非饱和三轴剪切试验与非饱和渗流试验的无损动态三维成像。与常规试验设备结果进行对比分析,验证了自研的微型试验装置的精度与可靠性。开展三轴剪切与非饱和渗流的原位CT扫描试验,均获得微米级分辨率三维图像,图像分析所得参量的多尺度演化趋势准确反映了原位试验的宏观应力-应变关系及全局持水能力特性。     

单裂隙岩体非饱和临界状态渗流特性初步研究

探讨了裂隙非饱和渗流机制,认为裂隙尺度上的非饱和渗流实际上是由许多局部开度尺度上的饱和渗流构成的。用重正化理论的方法,对裂隙发生逾渗相变时的临界特性进行了研究,指出裂隙非饱和渗流存在一临界饱和度值,当饱和度小于该值时,裂隙中无渗流存在。对裂隙非饱和水力传导度进行了讨论。     

A 2D mixed fracture–pore seepage model and hydromechanical coupling for fractured porous media

A novel two-dimensional mixed fracture–pore seepage model for fluid flow in fractured porous media is presented based on the computational framework of finite-discrete element method (FDEM). The model consists of a porous seepage model in triangular elements bonded by unbroken joint elements, as well as a fracture seepage model in broken joint elements. The principle for determining the fluid exchange coefficient of the unbroken joint element is provided to ensure numerical accuracy and efficiency. The mixed fracture–pore seepage model provides a simple but effective tool for solving fluid flow in fractured porous media. In this paper, examples of 1D and 2D seepage flow in porous media and porous media with a single fracture or multiple fractures are studied. The simulation results of the model match well with theoretical solutions or results obtained by commercial software, which verifies the correctness of the mixed fracture–pore seepage model. Furthermore, combining FDEM mechanical calculation and the mixed fracture–pore seepage model, a coupled hydromechanical model is built to simulate fluid-driven dynamic propagation of cracks in the porous media, as well as its influence on pore seepage and fracture seepage.

     

基于COMSOL Multiphysics的非饱和裂隙土降雨入渗特性研究

基于COMSOL Multiphysics软件对非饱和裂隙土降雨入渗特性进行数值模拟研究。通过将裂隙和基质分别离散成有限单元,建立了能充分模拟土中裂隙流、基质流以及裂隙-基质流量交换的离散裂隙-孔隙介质模型。结合"空气单元"的概念,对裂隙土的上边界进行模拟。该方法不仅能描述降雨初期雨水沿裂隙优先入渗的现象,还能描述当降雨量大于裂隙土入渗量时雨水沿地表流走的现象。通过对地表以下2 m深度内低渗含裂隙土体进行模拟,分析了裂隙的几何特征、基质的水力特性、前期水分条件以及降雨强度对非饱和裂隙土降雨入渗过程的影响。结果表明,在非饱和裂隙土中,存在两个主要的渗流过程:一是水沿裂隙优先流动;二是水不断从裂隙吸入基质中,基质吸收水的作用抑制了裂隙中优势流的发展。与裂隙的几何特征相比,基质的水力特性对非饱和裂隙土渗流的影响较大。增大基质的饱和渗透系数可能使由裂隙流主导的渗流过程转变为由基质流主导的渗流过程,而基质的非饱和特性与裂隙土的初始含水率改变了土体的储水能力,从而加速或延缓了降雨入渗至某一深度的时间。降雨强度对土体入渗速率和入渗量均有影响,当超过裂隙土的入渗能力时,多余积水沿地表流走,断面入渗率随...     

复杂水力路径下非饱和流动的数值分析

多孔介质中的流动问题,与孔隙介质的特性,含水量状态以及含水量的变化历史密切相关。基于毛细循环滞回理论模型,考虑含水量变化历史对土水特征关系的影响,在开发的U-DYSAC2有限元程序中进行了相应的数值实施。在试验给定的初边值条件下进行了非饱和渗流模拟分析,并将模拟结果与实测数据比较,表明在压力边界条件反复变化下,考虑滞回效应能获得更接近实测的结果,证实该模型在模拟各种循环变化条件下非饱和土渗流初边值问题的适用性与必要性。对入渗重分布反复变化条件下非饱和土柱流动的数值模拟表明,考虑滞回与不考虑滞回条件下,含水量、孔隙水压力和湿峰的迁移的预测在入渗后的重分布过程差异较大。考虑滞回效应时,土柱上部的脱湿速率、下部的吸湿速率比不考虑滞回时要低。从而证实了非饱和多孔介质中的土水状态依赖于含水量变化,而且强烈依赖于土体的水力路径变化。因此,循环边界条件变化下,毛细滞回效应在非饱和渗流模拟中的影响显著,必须加以考虑。     

粗糙岩石裂隙低速非线性渗流模型及试验验证

岩体粗糙裂隙非线性渗透特性是岩体渗流研究的重要课题。针对Javadi所提T模型中亚裂隙中速度恒定这一假设的不足,将其修正为速度与开度成正比的经验关系,考虑黏性压降和局部压降,提出了新的低速下粗糙裂隙非线性渗流模型（MT模型）。为了验证MT模型的正确性,对5种不同粗糙裂隙进行了低流量的饱和渗流试验,将现有模型及MT模型的预测值与试验结果进行对比,分析表明MT模型与试验结果更为吻合,且模型适用于粗糙性系数JRC≤10的低粗糙度裂隙,雷诺数小于1 000的低流速情况。对MT模型进行分析,初步揭露了粗糙裂隙的非线性渗流机制,即小雷诺数下的Darcy流和大雷诺数下的Forchheimer流,并用临界雷诺数区分两种流动行为。分析了裂隙的粗糙度和开度对非线性渗流特性的影响,表明裂隙越粗糙或开度越小,则临界雷诺数越小,非线性作用将越强。提出了临界雷诺数与水力开度和绝对粗糙度的经验关系式,同时指出该关系式适用于JRC≤10的低粗糙度裂隙。     

低温裂隙岩体水-热耦合模型研究及数值分析

裂隙渗流会引起裂隙周围岩体中的温度场变化,在低温岩体中其影响更为明显;此外,裂隙水与周围低温岩石介质发生热交换会引起裂隙中的水冰相变过程发生,而裂隙水冻结将阻碍裂隙渗流,引起裂隙渗流场的变化。因此,低温下的裂隙岩体水-热相互作用是一个强耦合过程。考虑裂隙中的水冰相变过程和渗流作用,建立了低温冻结条件下裂隙岩体水-热耦合模型;以冻结法施工为例,考察了低温冻结过程中裂隙水渗流对裂隙冻结交圈的影响。研究结果表明：由于裂隙渗流的存在,距裂隙较远处岩石先冻结,裂隙冻结所需时间远大于周围岩石;裂隙宽度和裂隙水压力差都会影响冻结交圈时间,裂隙越宽、水压力差越大,裂隙冻结需要时间越长;随着冻结时间的推进,裂隙水渗流速度逐渐降低,当裂隙冻结后裂隙渗流停止。最后通过构建随机裂隙网络模型,利用所建立的水-热耦合模型考察了裂隙网络渗流对冻结交圈的影响,说明了在冻结法施工中考虑裂隙的重要性。     

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。