一种基于地质指标的裂隙岩体渗透系数估算模型

裂隙岩体的渗透特性受控于裂隙的发育特征、连通特性和充填情况,并与岩体的地应力水平具有显著的相关性。基于裂隙岩体渗透性的影响因素,并考虑现有渗透系数估算模型的不足,利用钻孔压水试验和钻孔电视图像资料,建立考虑埋深(Z)、岩石质量指标(RQD)以及充填物指标(FSD)等3个指标的渗透系数估算ZRF模型,并应用到牙根二级水电站及其他工程区的渗透系数估算中。结果表明,与已有的渗透系数估算模型相比,ZRF模型较好地反映了岩体渗透性的影响因素,且模型参数物理意义明确,便于获取,对分析裂隙岩体渗透性具有一定的工程参考价值。     

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。     

裂隙岩体渗透系数确定方法综述

总结了近年来裂隙岩体渗透系数的确定方法,主要有现场水力试验法、裂隙测量法和离散裂隙网络渗流数值试验法.每种方法都有自己的适用性和测量尺度.裂隙岩体渗透系数存在尺度效应,针对不同尺度的研究对象,应尽量选取与渗流模型网格剖分尺度匹配的测量方法.裂隙的延伸具有方向性,测试点的布设应合理科学,不同测量方法需要结合起来才能得到裂隙岩体真实的渗透系数.     

考虑应力状态的裂隙岩体渗透系数确定方法简述

系统总结了近四十年来国内外不同学者计算裂隙岩体渗透系数的经验公式,介绍了确定渗透系数的试验方法,讨论了影响渗透系数的若干因数.     

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。     

岩体裂隙结构模型及其渗流规律研究

通过对岩体裂隙结构特征的分析,应用随机原理模拟生成岩体裂隙的结构及形态。最后结合渗流过程分析,得出工程岩体中裂隙赋存状态对渗流过程的影响。     

裂隙岩体渗流模型综述

系统综述了裂隙岩体渗流分析的各类模型,从各类模型所反映的渗透机理出发,阐明了它们的优缺点和适用条件及其工程应用情况。集等效连续介质模型和离散裂隙网络模型优点的等效-离散耦合模型是有实用前景的裂隙渗流模型。     

利用多孔压水试验资料计算裂隙岩体的渗透系数张量

本文从渗透系数张量的数学定义出发,分析了方向渗透系数与渗透系数主值之关系。提出了利用多孔压水试验资料计算裂隙岩体的渗透系数张量的方法。该方法简单、实用,具有广泛的应用价值。     

基于数字图像及数值模拟的裂隙岩体渗透特征

基于真实的岩体剖面图片,通过剪裁、二值化、矢量转化,再导入数值计算软件,建立数值计算模型,进行模型水压力场、渗流速度场分析及渗透系数的计算。分析发现,从水流入口至出口,水压整体呈递减规律;岩石的裂隙中渗流场分布不均匀,渗流活跃的通道主要是左右串通好的裂隙,在不同水流入边界条件下,依据达西定律计算获得的岩体渗透系数存在差异。     

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。     

A technique for estimating permeability of a randomly fractured rock mass

Extensive field and laboratory testing programs were performed to develop a relationship between the permeability of a fractured limestone and the core recovery values. The studied limestone does not encompass any jointing system but is consistently and randomly fractured. Nineteen in situ falling head permeability tests were carried out to measure permeability of the fractured rock mass at a representative study area. Analysis of test results has led to the formulation of an empirical equation that estimates the permeability of the rock mass in terms of its solid core recovery value and the permeability of the fractures filling material. Unlike the existing equations for estimating the permeability of rock masses, the proposed equation is simple and utilizes parameters that can be easily determined in regular geotechnical field and laboratory investigations. A technique is also presented to estimate the permeability of a rock layer, the quality of which significantly changes with depth, using the proposed equation that utilizes a single value of core recovery. Analysis of well-documented pumping test results supported the validity of the proposed equation and technique.     

基于统计强度理论的破裂岩体本构模型研究

借助损伤力学思想,基于统计强度理论,提出一种适用于深部工程破裂区破裂岩体的本构模型建立方法,并通过室内试验和数值试验进行了验证。将破裂岩体划分为无数微元立方体,微元立方体的强度与岩石破裂程度有关,且各立方体强度随机分布,故可用强度反映破裂岩体的破裂程度,据此提出一种破裂岩体本构模型建立方法。其中,根据岩石破裂面间的摩擦力做功等于材料破裂后释放的应变能,得到从力学角度定义的岩石破裂程度变量;另外,假定微元立方体强度分布服从Weibull分布,应力水平满足Hoek-Brown准则。利用泥质砂岩破裂岩体典型三轴试验结果,建立泥质砂岩破裂岩体本构模型,并进行了验证,结果表明模型计算曲线与试验曲线吻合度较好。利用离散元软件PFC进行了补充数值试验验证研究,证明了泥质砂岩破裂岩体理论模型的良好计算效果,进而证明提出的本构模型建立方法的可行性。     

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。     

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。     

裂隙岩体溶质运移模型研究

核废料的地下深部贮存、垃圾填埋造成的污水下渗、海水入侵、输油管道老化引起渗漏等诸多应用领域的发展,要求从机理、试验和模型等方面发展裂隙岩体溶质运移理论。基于裂隙岩体系统溶质运移的多尺度概念模型,分析了目前描述裂隙岩体系统中溶质运移各种数学模型的适用性和优缺点,为选取合理的数学模型求解具体的问题提供了参考依据。最后提出了需要进一步研究的问题。     

Elastic moduli for fractured rock mass

Summary The presence of joint discontinuities has long been recognized as an important factor influencing the mechanical behavior of rock masses. This paper proposes a stress-strain model for an assemblage of intact rock blocks separated by joint planes. The stress-strain relationship accounts for spacings and orientations of the joint sets. Closed-form expressions of elastic moduli for a rock mass with three intersecting sets of joints are derived explicitly in terms of properties of joints and intact rock. Applicability of the derived expressions are evaluated by comparing the predicted results with experimental results from physical model tests.     

Roughness control on hydraulic conductivity in fractured rocks

The influence of joint roughness on the typologies of fluid flow inside fractures is well known and, thanks to experiences in the field of hydraulics, it has been studied from both a physical and mathematical point of view. Nevertheless, the formulations adopted by traditional hydraulic models are hardly applicable in the geological field, because of the difficulty encountered in the roughness parameter estimation. Normally this parameter can be estimated using the joint roughness coefficient (JRC), which considers both the asperity height and its regularity and directional trend. The main advantage in using the JRC arises from the fact that it can easily be obtained from geological-technical surveys and from comparison with the standard Barton profiles. Some relationships have been built up that allow for the estimation of the hydraulic conductivity tensor (an essential parameter for understanding water flow in fractured rock masses), not only as a function of traditional parameters like aperture, spacing, dip and dip direction, etc., but also of joint roughness, precisely expressed in terms of the roughness coefficient. These relationships have been studied initially from a theoretical point of view and then practically, through laboratory investigations.

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Resumen  Se conoce muy bien la influencia de la rugosidad de las grietas en las tipologías del flujo de fluidos a lo interior de las fracturas y gracias a las experiencias en el campo de hidráulica ha sido posible estudiarla desde puntos de vista matemáticos y físicos. Sin embargo, las formulaciones adoptadas por los modelos hidráulicos tradicionales tienen poca aplicabilidad en el campo geológico debido a la dificultad relacionada con la estimación del parámetro de rugosidad. Normalmente este parámetro puede estimarse usando el coeficiente de rugosidad de grieta (JRC) el cual considera tanto la altura de la aspereza como su regularidad y tendencia direccional. La principal ventaja de utilizar el JRC se deriva del hecho que puede obtenerse fácilmente de levantamientos técnico-geológicos y de la comparación con los perfiles Standard Barton. Se han construido algunas relaciones que permiten la estimación del tensor de conductividad hidráulica (un parámetro esencial para el entendimiento del flujo de agua en masas de roca fracturadas), no solo en función de parámetros tradicionales como apertura, espaciado, buzamiento y dirección de buzamiento, etc., sino también en función de la rugosidad de la grieta estimada con precisión en términos del coeficiente de rugosidad. Estas relaciones se han estudiado inicialmente desde un punto de vista teórico y luego de modo práctico a través de investigaciones de laboratorio.

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Résumé  L’influence de la rugosité des joints sur les types d’écoulement de fluide dans les fractures est bien connue et a été étudiée aussi bien du point de vue physique que mathématique grace à des expériences menées dans le domaine de l’hydraulique. Cependant les formulations adoptées dans les modèles hydrauliques traditionnels sont difficilement applicables dans le domaine de la géologie à cause de la difficulté rencontrée pour estimer la rugosité. Ce paramètre peut normalement être apprécié grace au coefficient de rugosité du joint (JRC), lequel prend en compte à la fois la hauteur de l’aspérité ainsi que sa régularité et sa direction. Le principal avantage dans l’utilisation du JRC réside dans le fait qu’il peut facilement être obtenu à partir d’études techniques-géologiques et par comparaison avec la classification de Barton. Des relations qui permettent une estimation du tenseur de conductivité hydraulique (un paramètre essentiel pour comprendre l’écoulement de l’eau dans les masses rocheuses fracturées) ont été élaborées, pas seulement en fonction de paramètres traditionnels tels que l’ouverture, l’espacement, l’inclinaison et la direction d’inclinaison, etc , mais aussi en prenant en compte la rugosité des joints à travers le coefficient de rugosité. Ces relations ont initialement été étudiées d’un point de vue théorique puis expérimentalement à travers des recherches en laboratoire.

     

A statistically based numerical model for heat conduction in fractured rock masses

A computational procedure for simulating heat conduction in fractured rock masses is proposed and illustrated within the context of the finite element method. The procedure makes use of simple local models for conduction in the vicinity of a single open fracture. The local models allow effective thermal properties for fractured rock to be expressed in terms of fracture characteristics such as spacing, orientation and aperture. The distributions of fractures and fracture properties within the finiteelement model are derived from a statistical representation of geological field data. The procedure is demonstrated to satisfactorily reproduce heat transfer results across single fractures and provide an efficient means of representing conduction in formations with multiple fractures.     

基于DDA方法一种流-固耦合模型的建立及裂隙体渗流场分析和应用

以非连续变形分析方法（DDA）为基础并采用稳态流体计算方法将二者结合进行裂隙岩体流-固耦合分析。利用DDA方法生成裂隙岩体模型,在此基础上采用矩阵搜索等方法形成新的裂隙水通网络模型。采用稳态迭代算法和立方定律求得裂隙水压力,并把裂隙水压力作为线载荷施加到块体边界,在DDA算法中每个迭代步完成后更新裂隙开度和水压值,与DDA算法结合研究裂隙水与块体之间相互作用关系。利用以上裂隙岩体流-固耦合计算方法研究了某水封油库开挖和运行过程洞室围岩流量和密封性,为该工程预测水封效果提供了有益的主要依据,也是国内首次采用DDA方法做大型工程的流-固耦合模型分析。