改进的遗传算法及其在渗流参数反演中的应用

利用水头实测资料,以裂隙组的渗透系数比例因子为待反演的参数向量,在采用基本遗传算法进行参数反演研究的基础上,针对裂隙岩体无压渗流参数反问题计算量过大,目标参数众多以及参数可能变化范围大等特点,提出了一种混合遗传算法求解此类问题,力求克服简单遗传算法在解决此类问题时存在的局部搜索能力弱、易出现早熟收敛及计算量大等缺陷,并通过典型岩坡渗流算例进行验证,同时给出了基本遗传算法、传统单纯形算法的反演成果。计算结果表明,该方法保持了基本遗传算法优点,并有效地提高了算法的运行效率,从而为求解裂隙岩体无压渗流参数反问题等计算量大的系列问题提供了新的途径。     

三维应力作用下岩体单个裂隙的渗流特性分析

天然岩体中存在着大量的孔隙和裂隙,这些缺陷不仅改变了岩体的力学性质,也严重影响了岩体的渗流特性。在对现有裂隙岩体渗流特性研究成果进行分析的基础上,讨论了岩体单个裂隙的力学性质和渗流对单个裂隙岩体产生的力学作用,研究了岩体单裂隙渗透系数与岩体三维应力的关系,考虑了裂隙粗糙度对渗流的影响以及不同方向应力对渗透性影响的差异,分析了单个裂隙岩体在三向应力作用下的渗流特征,得出了裂隙所受三维应力与渗透系数关系式,认为垂直于裂隙面的应力对岩体渗透性起主导作用,岩体渗透系数随垂直裂隙面应力的增加而迅速减小。通过与渗流规律试验结果对比分析,证明了所得单个裂隙岩体渗透系数表达式的正确性。     

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。     

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。     

渗透系数作为岩体卸荷分带量化指标的研究

渗透系数在一定程度上可以反映岩体内部裂隙发育程度、节理开度及卸荷程度,因此常作为岩体卸荷带划分的定量指标之一。但由于卸荷岩体的非线性特征,以及卸荷带研究方法和工程背景条件等方面的差异,各家划分卸荷带时所采用的渗透系数界限标准各有不同。本文从工程实例出发,通过对定性划分的各卸荷分带内对应钻孔段渗透系数的统计分析,以其统计平均值作为岩体卸荷分带的界线标准。实际应用表明,渗透系数作为卸荷带划分依据具有一定的优势,按渗透系数划分的卸荷带深度与其他方法综合确定的卸荷带深度基本接近。     

利用电导率测井与压水试验联合评价岩体渗透性的方法

进行地下水封洞库的水封条件分析评价必须获得准确可靠的建库岩体渗透性参数,而获取岩体渗透系数常用的传统水文地质试验方法存在明显的不足。为了试验数据的精确性,文章基于广义径向流（GRF）理论,依托烟台某地下水封洞工程,以丙烷洞库交通巷道钻孔为例,开展压水试验并采用非稳定流理论的GRF模型优化解析试验数据,结合电导率测井试验确定导水裂隙位置并求出裂隙范围内的渗透系数。试验结果表明:GRF模型比稳定流模型解析结果大1~2倍。原因在于裂隙岩体进行分段压水时,各段水流维度不一,传统稳定流理论假设水流维度只有二维流,而GRF模型为空间n维裂隙流用压水过程全部数据进行拟合,不同时段在相应维度下进行计算,因此其求算的渗透系数K更接近于试验段真值,具有更好的兼容性和实用性。同时利用电导率测井试验计算长度（导水裂隙范围）远远小于压水试验段计算长度的特点,可将GRF模型解析得出的分段渗透系数做进一步细化平均以提高压水试验解析结果的精度,为水封洞库效果评价、洞库涌水量预测提供更加科学可靠的数据基础。     

蒲石河抽水蓄能电站上水库裂隙岩体渗透张量的确定

本文提出了一种既能反映裂隙岩体的渗透特性,又相对准确的确定裂隙岩体渗透张量的方法。首先通过裂隙在空间展布状况的测量,用统计学方法初步确定裂隙岩体的渗透张量,获得渗透主值及主方向,然后根据野外压水试验得到的岩体透水率,利用巴布什金公式计算各试段岩体的渗透系数,求出修正系数,从而得到研究区裂隙岩体的修正渗透张量。并运用上述方法对蒲石河抽水蓄能电站上水库坝址区裂隙岩体的渗透张量进行了计算。结果表明,该方法能较好地刻画裂隙岩体渗透性的各向异性特征,可为岩体渗透性分区及防渗帷幕的优化提供科学依据。     

各向异性岩应力-渗流耦合问题的反分析

在岩土工程实践中对于诸如各向异性岩体的应力-渗流耦合分析等复杂问题,建立用于同时确定多类参数的反分析方法具有重要意义。以位移量测信息为基础信息,对基于复变量微分法的优化算法（Levenberg-Marquit法）引入异步长因子矩阵 ,建立同时反演确定初始地应力、围岩性态参数和渗透系数的协同优化变步长反演算法。对不同的参数借助搜索迭代过程,确定不同的步长因子系数。异步长因子矩阵可使在峰值附近不收敛的参数重新选择搜索方向,使其收敛至精确值。算例表明,异步长因子矩阵可成功地用于协调各类参数敏感性之间的差异,从而有效改进多参数耦合反演的收敛性和收敛速度,使算法具有更好的适应性和有效性,为岩土工程的复杂问题的求解提供一种方法。     

高水压力作用下裂隙岩体渗透性的变化研究

渗透系数是表征裂隙岩体透水性能的一个重要参数,当水压力较小时,岩体的渗透系数变化不明显,但在高水压力条件下,岩体的渗透系数会发生明显变化,这给我们在进行渗流分析时带来了一定的困难,因为多数情况下是将渗透系数当作定值来计算的。在高压水条件下,基于非达西流方程,推导了裂隙岩体的渗透系数与水压力之间的表达式,并给出了常规压水或低水压力、高压压水时水力劈裂前后渗透系数的计算公式。现场压水试验结果表明,当岩体发生水力劈裂后,渗透系数增加明显,此时可以通过压水量和水压力的变化量来计算裂隙岩体的渗透系数。通过几个抽水蓄能电站的高压压水试验结果验证了裂隙岩体水力劈裂前后渗透系数的变化规律,并与实际裂隙岩体的渗透系数进行了比较,其误差在10%左右,表明本文给出的渗透系数表达式的合理性和准确性,为水利水电工程的渗流分析及渗漏量的计算提供了渗透系数选择的依据。     

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。     

岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型研究(Ⅰ):模型建立及其数值求解程序

在地下水渗流场、应力场、损伤场的耦合作用下更易造成隧道围岩坍塌或涌水等灾害。首先,将围岩材料视作各向同性连续介质,基于Drucker-Prager准则建立岩石弹塑性损伤本构模型,采用完全隐式返回映射算法实现弹塑性损伤本构方程的数值求解。其次,以上述研究为基础根据岩石处于弹塑性状态时渗透系数动态演化公式,建立岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型,并给出三场耦合情况下的数值求解迭代方法。针对耦合模型中涉及参数较多且不易测定的问题,基于差异进化算法原理建立智能反分析方法,对耦合模型中的损伤参数进行反演。最后,利用C++语言编制相应的岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合程序和参数反演程序,利用所编程序进行以下计算:(1)对智能反分析程序的性能、正确性进行分析,对比不同差异策略、交叉因子、变异因子的反演精度和收敛速度。(2)分别采用弹性模型和弹塑性损伤模型进行隧道围岩位移场、应力场的计算。(3)不考虑力学作用的情况下进行孔隙水压力、渗流量的计算。(4)采用所建耦合模型计算得到隧道围岩应力场、渗流场以及损伤场的相互影响规律。研究结果表明,基于差异进化算法的智能反分析程序能够较好地解决耦合模型中损伤参数不易确定的难题,为实际工程中获得不易测定的计算参数提供了有效的方法,同时所建立的耦合模型通过应力、渗流和损伤的相互作用更能够真实地反映出岩石材料的宏观破坏现象,所编计算程序能够模拟地下水渗流场、应力场、损伤场之间的耦合特性,为受地下水影响严重的工程建设提供了方法,研究结论为后期对实际隧道工程进行耦合计算奠定基础。     

多尺度岩石渗透特性的试验研究

岩体赋存于一定地质环境中,经过漫长的地质构造作用,形成由连续性状的岩石材料和非连续性状的各种地质结构面组成的复杂地质体。渗透率是影响这种复杂岩体渗透特性的重要参数之一,渗透率选择的正确与否直接关系到裂隙岩体渗流分析结果的可靠性与工程稳定性。采用室内试验的方法,结合达西定律确定裂隙岩体的渗透率。通过自行研发的5种尺寸压力室测定不同尺寸岩石试样的渗透率,得到由不同裂隙、孔洞组合的岩石试样在稳定流、非稳定流下的渗透率,并由此分析得到多尺度岩石的渗透特性。从多组试验结果中分析可得,随着岩石试样的尺寸增加,岩石的渗流通道增多,从而渗透率增大,但增大到一定程度后会趋于稳定,这一渗透规律对实际工程有指导意义。     

基于裂隙渗流效应的水封油库涌水量预测分析

准确预测洞室涌水量和库区渗流场的空间分布特征是确保地下水封油库施工期安全性和运行期经济性的基础性工作之一。为真实地反映地下水封油库围岩随机分布裂隙的渗流效应对涌水量预测和渗流场空间分布特性的影响,提出了一种基于嵌入裂隙单元模型（EFE模型）的裂隙岩体渗流分析方法,并采用该方法对湛江水封油库的三维渗流场进行了计算分析,通过对比工程实测资料,验证了所提出方法的可靠性,进而预测了实例工程在运行期的涌水量。计算结果表明,EFE模型能够较好地模拟裂隙对洞室岩体局部渗流场的影响,反映库区渗流场及洞室涌水量空间分布不均匀的特性。研究成果可为水封洞库渗控措施的精准设计以及运行期污水处理设施配套设计工作提供参考。     

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。     

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。      

双江口水电站复杂坝基初始渗流场反分析

采用正交试验方案和ν-SVR相结合的直接法来解决复杂坝基的初始渗流场反分析问题。通过安排正交数值试验,获取初始渗流场全面的信息,并用ν-SVR向正交试验的样本学习测孔水位和各参数之间的关系,从而建立各参数和测孔水位之间隐式表达式,用此表达式代替正算程序,经过优化最终获得最优初始渗流场。经过工程实例验证,该方法能适应非线性复杂岩土问题且具有高效性。     

基于压水试验的地层渗流场反分析

地下工程建设过程中,地下水分布以及岩体渗透参数确定至关重要。基于对解决欠定反分析问题的目标函数分析,通过利用适应度函数、地质统计原理和变差函数等优化,得到了解决地层渗透系数一类水文地质问题的罚函数,为解决欠定的反分析问题提供了一个优化评判准则,并结合粒子群算法建立优化反分析数学模型;提出利用压水试验钻孔水头变化反分析得到地层渗透系数的新方法。对南京地铁上元门车站,进行现场压水试验得到钻孔水头高度,利用经过罚函数优化的反分析数值计算获得地层渗透系数,对压水试验区域的电阻率跨孔CT探测验证了该方法区域上的正确性,该区域的钻孔原位渗透系数测试验证了该方法在数值上的准确性。结果表明,经过罚函数优化的反分析计算的准确率达到90%,说明该方法有助于得到全面的地层水文地质信息,对后续的治理具有指导作用,希望能对类似工程有一定的借鉴意义。     

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。