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。     

基于离散裂隙网络模型的裂隙水渗流计算

离散裂隙网络模型(Discrete Fracture Network（DFN）)是研究裂隙水渗流最为有效的手段之一。文章根据裂隙几何参数和水力参数的统计分布,利用Monte Carlo随机模拟技术生成二维裂隙网络,基于图论无向图的邻接矩阵判断裂隙网络的连通,利用递归算法提取出裂隙网络的主干网或优势流路径。基于立方定律和渗流连续性方程,利用数值解析法建立了二维裂隙网络渗流模型,分析不同边界条件下裂隙网络中的流体流动。结果表明,该方法可以模拟区域宏观水力梯度和边界条件下,裂隙网络水力梯度方向总的流量,以及节点的水位、节点间的流量和流动方向的变化特征,为区域岩溶裂隙水渗流计算提供了一种实用、可行的方法。      

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。     

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。     

基于裂隙网络渗流差异的消落带岩体劣化空间预测方法

三峡水库175 m蓄水以来,水位周期性涨落,使得岸坡岩体强度下降而逐渐劣化,易导致岩质岸坡失稳破坏,因此引起了广泛的关注。岩体劣化与库水位的波动有关,其损伤劣化区域必然与水力调整范围有一定的关系。本文提出了基于裂隙网络模型渗流差异的岩体劣化空间分析方法。利用Beacher模型结合裂隙几何参数分布概型模拟岩体裂隙的空间分布,并基于裂隙截面面积相等,在裂隙网络中简化面状渗流为管道流,构建出裂隙网络渗流空间图。同时利用拓扑关系求解实际工况中岩体裂隙网络渗流空间的水头分布区域,通过不同水位下的渗流差异区域来推测发生岩体劣化的空间,基于理论分析和数值模拟得出存在水力差异的区域和新增的渗流区域两种情况合集即为岩体劣化区域。这一预测方法将对量化三峡库区岩体劣化空间强度及岸坡稳定性有重要的指导意义。     

岩体水力学基础（五）

岩体是由裂隙和其间的岩块组成。当岩块御于近乎隔水状态时，岩体中的渗流可看作裂隙网络流。本文通过分析岩体裂隙网络渗流场、应力场以及它们之间的相互力学关系，提出了岩体渗流与应力场耦合的裂隙网络模型及数值计算方法。     

交叉裂隙渗流无网格法初探

作为两相介质的裂隙岩体,裂隙渗流是岩体渗流的主体。由于岩体的网状裂隙用传统的方法难以模拟复杂裂隙系统的水流特征。为此,基于岩体随机裂隙三维网络数值模拟,提取裂隙二维网络,并试用基于移动最小二乘近似的最小二乘法之无网格法来模拟岩体中交叉裂隙的渗流规律,通过自行编制的程序进行了简单示例与工程实例的试算,获得了较好的模拟结果,证实了无网格法模拟岩体裂隙流的可行性。     

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。     

岩体水力学基础(五)——岩体渗流场与应力场耦合的裂隙网络模型

岩体是由裂隙和其间的岩块组成。当岩块处于近乎隔水状态时，岩体中的渗流可看作为裂隙网络流。本文通过分析岩体裂隙网络渗流场、应力场以及它们之间的相互力学关系，提出了岩体渗流场与应力场耦合的裂隙网络模型及数值计算方法。     

基于MODFLOW-CFP的岩溶水模型降雨非线性入渗补给研究——以湖南省香花岭地区为例

利用MODFLOW-CFP建立湖南省香花岭渗流-管道流耦合模型,并使用降雨量系数法实现非线性入渗过程,以探讨此方法在模型中的适用性。通过人工试错反演参数,得出6个不同降雨强度区间的降雨量系数;非线性入渗处理后,地下河流量模拟结果的纳什系数提高至0.91。结果表明:降雨量系数法可使该模型更好地模拟地下河流量变化,此方法也适用于一些岩溶小流域的数值模拟工作。      

随机裂隙岩体渗流-应力耦合分析的块体单元法

视岩石裂隙为一种“充填介质”,进而将有填充物和无填充物的裂隙统一处理,推导了裂隙面的刚度系数、导水系数和法向应力之间的关系式。在此基础上,根据块体单元法的应力、渗流分析的基本原理,即认为岩块为刚体、变形集中发生于裂隙面,假定岩块不透水、渗流仅通过裂隙面进行,并考虑了法向应力和裂隙面刚度、导水系数的关系式,运用两场交叉迭代法,提出了三维随机裂隙岩体渗流与应力耦合分析的块体单元模型。编写了相应的Fortran程序,该程序将块体元的应力、渗流两个分析模块整合在一起,计算效率较高。该模型的最大优势是能考虑大规模复杂的节理、裂隙,且前、后处理简单。通过沙沱重力坝的分析,验证了方法的准确性和有效性     

裂隙岩体渗流模型研究现状与展望

裂隙岩体渗流对于边坡、地下工程及基础岩土体的承载能力有显著的制约作用。本文简要地介绍了多种裂隙岩体渗流模型研究现状,评述了几类比较有代表性的渗流模型特点以及存在的不足,为选取合理的数学模型用于求解具体的裂隙岩体渗流问题提供了参考依据,并在上述基础上提出了一些需要进一步研究的问题。指出就目前应用最为广泛的等效连续介质模型而言,裂隙岩体几何参数、有效孔隙度以及等效渗透张量的确定仍有待于更深入的研究,而从细观力学结构入手研究渗流耦合模型将具有重大的理论意义和实用价值。     

裂隙岩体渗流-应力耦合等效渗流阻模型

针对含区域主干裂隙岩体在应力作用下的渗透特性进行了研究。运用单裂隙平行板渗流理论、弹性力学方法,结合模拟电路知识,提出等效渗流阻的概念。在分析裂隙岩体区域中主干裂隙系统几何构造的基础上,建立了基于等效渗流阻的- 渗流-应力耦合模型,得到了裂隙岩体等效渗流阻、渗透率与应力之间的关系,从而为研究含区域主干裂隙岩体的应力-渗流耦合规律提供了方便。结合一个基于等效渗流阻模型的算例,考察了含“人”字形组合裂隙试样的渗透特性。经进一步细化后,该模型可用于分析地应力作用下的含区域主干裂隙岩体渗流演化规律。     

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。     

高放废物深地质处置地下水流数值模拟方法研究进展

地下水流数值模型不仅是认识深部水动力场形成演化机制的有效工具,也是建立核素迁移数值模型的基础,因而是高放废物处置场选址和安全评价中重要的技术手段。高放废物深地质处置地下水流数值模拟方法较多,如何选择适当的方法也是值得关注的问题。针对高放废物深地质处置地下水流数值模拟技术展开研究,通过阅读大量国内外文献,文章系统阐述了目前常用的4 类地下水流数值模拟方法的研究进展、适用条件和实例应用;综述了深地质处置中常用的模型不确定性分析方法及研究成果,列表给出了适用于放射性废物地质处置的地下水流数值模拟软件及其在废物处置选择和安全评价中的应用。研究结果表明:等效连续介质模型适用于大区域、长序列、裂隙发育程度较高或较均匀的地区,该类模型方法成熟、所需的数据和参数易于获得,但是不能精确刻画裂隙介质中地下水的流动特征。离散裂隙网络模型适合解决处置场地、储罐尺度等需要精细刻画的地下水流问题,但由于需要大量裂隙及其连通性数据、相关参数等,该方法存在着工作量大、耗时多的缺点。双重介质模型主要用于解决区域尺度裂隙水流问题,但并不能表现出裂隙介质的各向异性、不连续性等特征,因而适用范围存在一定的限制。等效-离散耦合模型可以通过区域分解法对裂隙密度大的区域采用等效连续介质模型,对于裂隙密度较小的地区采用离散裂隙网络模型,从而更符合一般地质条件下裂隙渗流的特征,但也存在交换量难以确定、模型耦合技术问题。通过灵敏度分析,将不同敏感因子对模型敏感指标的影响程度进行排序,提高模型精度、减少参数不确定性分析的工作量。蒙特卡罗法是目前常用的一种模型不确定性方法,原理简单、易于实现。文章展望了数值模型在仿真性、不确定性分析、预测和多介质耦合等方面的研究前景。     

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。     

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。     

裂隙岩体流-热耦合传热的三维数值模拟分析

通过对潘西煤矿水文地质条件的分析,基于裂隙岩体的流-热耦合数学模型,描述了裂隙岩体渗流场分布和水流及岩体的温度场分布,并结合边界条件及计算参数对裂隙岩体的流-热耦合传热进行了数值模拟和分析。数值模拟结果表明,岩体内裂隙水流所引发的热量迁移,对裂隙岩体的温度场分布有重要影响。断裂带及地下水流的存在改变了岩体的原有温度场分布。在渗流初期,温度梯度矢量沿渗流方向向两侧岩体方向流动,由于两侧岩体的渗透性系数低于断裂带处的渗透性系数,右侧等温线及温度梯度矢量方向逐渐向渗流方向移动,改变了两侧岩体的温度场分布。通过对断裂带内裂隙水流渗透性系数的折减,分析渗透性系数发生变化时对岩体温度场分布的影响,渗透性系数越大,伴随的热量迁移增大,对岩体的温度场分布的影响也越大。     

裂隙岩体非线性渗流特性分析

开展了不同围压下的裂隙岩体渗流试验,提出了一种简单的裂隙隙宽测量方法,并研究了渗流过程裂隙的变形特征;基于Forchheimer非线性渗流方程,计算了非线性系数及渗透率,分析了围压与非线性系数及渗透率的关系。研究结果表明,随着围压增大,岩样的渗透率减小,非线性渗流系数增大;裂隙粗糙度越大,越容易引起非线性渗流;裂隙水力开度与力学开度随围压变化趋势一致,水力开度约为力学开度的5%。     

裂隙岩体中非饱和渗流与运移的概念模型及数值模拟

探讨了裂隙岩体中非饱和地下水渗流与溶质运移的几种概念模型的构造及数值模拟问题 ,如裂隙网络模型、连续体模型、等效连续体模型、双孔隙度 (单渗透率 )模型、双渗透率模型、多组份连续体模型等。在裂隙岩体中 ,非饱和地下水的渗流可能只局限于岩体中的岩石组份、或裂隙网络 ,也可能在裂隙和岩石中同时发生 ;对前一种情形只需考虑单一连续体中的流动 ,而后一种情况则需要包括地下水在岩石和裂隙之间的交换。岩体中的裂隙网络往往是溶质运移的主要通道 ;但当溶质在裂隙与岩石之间的渗透和扩散是重要的运移机制时 ,就需要考虑岩石与裂隙界面处的溶质交换。为了模拟岩石与裂隙之间地下水和溶质的交换 ,就需要了解岩石与裂隙之间相互作用的模式和范围 ,使得这类问题的概念模型较单一连续体模型多了一层不确定性、其数值模拟也变得更为困难。因为在实际问题中不易、甚至根本不能判别非饱和渗流的实际形态 ,具体采用哪种模型主要取决于分析的目的和对现场数据的掌握程度。不论哪种模型都会受到模型及参数不确定性的影响 ,因此必须考虑与其他辅助模型的比较.