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。     

基于分形理论的赫巴流体在多孔介质中的渗流模型

泥浆是一种用途广泛的工程浆液,在工程施工过程中会渗流进入地层,给工程带来一定的影响。为深入研究泥浆的渗流机理,把地层模拟为多孔介质,泥浆模拟为能更全面地反映其流变性能的赫巴流体,基于分形理论,建立赫巴流体在多孔介质中的渗流模型。基于渗流模型计算结果,详细分析压力梯度、流性指数、稠度系数及孔隙率等参数对多孔介质中赫巴流体瞬时平均流速的影响,指出流速变化与压力梯度、流性指数及稠度系数的变化均呈幂指数关系,与孔隙率变化呈二项式关系,且流性指数是一个影响赫巴流体渗流速度的极敏感因素。渗流模型计算结果为相关工程中泥浆方案的设计与施工奠定了一定的理论基础。     

泥石流类型与地貌分形特征的关系研究

泥石流是一种频繁发生且危害性很大的自然灾害。作为中国泥石流灾害重灾区之一的陇南地区,泥石流不仅严重阻碍G212线的正常运营,也严重影响沿线地区的经济发展和人民生活。通过对G212线陇南段232条泥石流沟的调查资料分不同属性、不同发展阶段和不同危害程度进行统计,结合分形理论,分析了泥石流沟道数与地貌要素的定量关系。结果表明:地貌形态要素对泥石流的属性、发展阶段和危害程度等不同类型泥石流的影响程度不同;综合分维值、形成区形态参数和地形坡度等参数都在一定程度上定量反映了不同类型泥石流的特征。     

非饱和裂隙岩体渗流的统计模型研究方法

常规方法研究非饱和裂隙介质往往采用宏观连续体的概念,然而现场试验证明,非饱和裂隙岩体中的渗流具有相当的非均质性。天然裂隙岩体的非饱和渗流是发生在三维裂隙网络中的多场非等温流,要在不完整的信息基础上刻画和表现介质的不均匀性,通常借助随机模拟的手段。将三维裂隙系统近似为概化的二维非均匀多孔介质的二维平面裂隙。采用模拟退火法将取自各种来源的信息资料通过建立适当的目标函数汇集至模型之中,以此模拟裂隙的空间特征。     

裂缝-孔隙模型中气水两相分形渗流实验和数学模型建立

大量的理论和实验研究证明,油气藏渗流力学中渗透率的分布、孔隙度的分布、裂缝性油气藏中裂缝网络的分布等许多现象都具有标度不变性。对气水两相在裂缝-孔隙模型和平面径向流模型中进行了微观渗流实验,对实验结果进行了黑白二值化处理,得到了其分形维数。在分形理论的基础上,建立了裂缝-孔隙介质中气水两相分形渗流的数学模型及差分模型。     

泥石流堆积物的粒度分布及其分形结构

泥石流堆积物主要由砾石、砂砾、粉粒和粘粒组成,组成泥石流堆积物的颗粒级配变幅很大,从直径大于数十米的巨砾到肉眼难以看见的几微米的胶体微粒均有分布,大小颗粒粒径之比可达106~107。泥石流堆积物颗粒具有明显的自相似性和无标度区间。本文以小江流域多处泥石流堆积物为研究对象,采用图解法全面分析了泥石流堆积物的粒度组成特征,根据分形理论计算了泥石流堆积物颗粒的分维值,对泥石流堆积物的分形特征进行探讨,并与泥石流堆积物粒度特征相联系,发现分维很好的反映了泥石流堆积物颗粒组成及其粒度分布特征。将泥石流堆积物颗粒分维与泥石流的粘性、形成年代等性质相联系,以找出它们彼此之间的关系。     

不连续面的分形维数及其在渗流分析中的应用

本文根据岩体的地质特征和赋存环境，论述了不连续面的分形性质及影响因素，统计归纳了已有不连续面的分形维数与粗糙度系数的关系，建议用倾斜试验估计分形维数。最后，探讨了不连续面形态的分形模拟和开度分析方法及在不连续面渗流分析中的应用。     

饱和模型非定常渗流的数值求解方法

提出了饱和模型非稳定流的有限元算法，并对自由面流量补给项提出一种简单的处理方法，从而避免了在迭代中求解自由面的位置，最后给出了计算实例。     

流域水系的多标度分形研究及应用

本文依据多标度分形理论，建立了流域水系的双标度康托模型，运用这个模型，分析了水系发育演化的规律，探讨了泥石流沟判别的定量指标，为灾害研究提供了一个新方法。     

土壤渗透中的渗透分形分布

土壤中的渗流与运移随机分析通常假定土壤渗透率是一平稳均质的随机过程。尽管这样，一些野外数据表明：渗透率分布具有较大范围相关性的分形特征。本文中分析的就是这样一组数据。同时也研究了渗透系数分布的分形特征与非饱和流的统计参数的关系。假定土壤中渗流在稳定状态条件下，利用蒙特卡罗（ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ）模拟生成渗透系数分形分布。模拟的结果同非饱和渗流的谱分析法得到的理论结果进行了比较。     

泥石流本构模型及动力学模拟研究现状综述

由于泥石流动力学过程的复杂性,其本构模型及数值模拟研究仍然存在众多的难点问题。本文根据大量的文献资料和实例研究,对目前泥石流本构模型和动力学模拟研究现状和存在的问题进行了综合论述,主要包括:(1)已有泥石流动力学本构模型原理及适用性问题;(2)已有数值模拟方法的实现及选择应用;(3)泥石流动力学复杂环境效应研究,复杂地形和水文环境条件下的泥石流应力分布、动能传递等。最后对泥石流动力学G IS模拟的前景进行了讨论。     

泥石流堆积物的粒度特征及分形结构:以金沙江上游干热河谷区瓦卡泥石流沟为例

以金沙江上游干热河谷区瓦卡泥石流沟为例,引入沉积相的概念,按沉积相特征对泥石流沉积剖面进行地层单元划分。把沉积亚相划为A相粗砾泥石流层、A1相细砾泥石流层和B相表泥层。每层采集3~4个样品,共采集61个样品,并对其粒度特征及分形结构进行分析。结果表明:(1)3种沉积亚相的粒度分布曲线均呈多峰型,反映出泥石流堆积物颗粒组成分选性差的特点。(2)A、A1相为粗、细混杂砾石层堆积,颗粒分布较不均匀,而B相为不含或极少含砾石的亚黏土层沉积,各组分颗粒百分含量分布较均匀。(3)多砾石的A、A1相分形特征较好,分维值区间为2.692 1~2.697 1,相关系数为0.868 2~0.832 2,体现出混杂堆积结构特点;B相分维值为2.900 7,其相关系数为0.43。B相表泥层与A相粗砾泥石流层、A1相细砾泥石流层的粒度分布与分形结构特征很好地反映了泥石流沉积亚相不同类型的沉积环境差异。     

注水煤体有效渗流通道结构分形特征核磁共振试验研究

为定量表征注水煤体有效渗流通道结构变化特征,基于核磁共振试验测试了注水过程中,不同围压及水压作用下煤体孔隙结构特征,并结合分形几何理论对煤体有效渗流通道结构分形特征进行了分析。结果表明:注水煤体内部孔径分布差异明显,在不同水压及围压影响下,各孔径孔隙体积占比变化明显,大孔体积变化幅度最大为13.72%,其次为过渡孔及中孔分别为8.12%和5.39%,最小的微孔为2.05%。结合T_2C测试结果,当孔隙半径大于270 nm时为有效渗流通道,则影响注水煤体渗流特性的孔隙结构主要集中于大孔及中孔尺度内;试验过程中,试验及理论分形维数变化较小,表明煤样在不同承压条件下,渗流通道结构均具有明显的分形特征,同时两者相反的变化趋势验证了各自表征意义的不同。     

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。      

渗流-应力耦合作用下砂岩声发射及分形损伤特征研究

为探究渗流-应力耦合作用下岩石内部微元体的损伤演化特征,对取自某矿井的砂岩进行了三轴渗透及声发射试验。研究结果表明:砂岩的渗透率变化历经降低、动态平衡、快速增加以及略微回落四个阶段;声发射现象呈阶段性变化特征,随着围压的升高,声发射最大值越滞后;基于柱状分形理论得到的分形特征表明,分形维数逐渐降低,表明砂岩内部损伤经历了一个从无序到有序的变化趋势,分形维数突变点的出现,可作为砂岩即将失稳破坏的前兆;渗流-应力耦合作用下砂岩的损伤值呈指数型函数增加,渗透损伤Ds主要集中于屈服阶段之后,渗透损伤与总损伤的比值随围压的升高呈线性减小;应力加载是损伤产生的主要因素,渗透作用为次要因素;分形维数df与损伤D、渗透损伤Ds之间呈良好的负指数型函数关系。     

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。     

恒定渗流作用下泥石流起动过程冲刷试验分析

渗流是泥石流水动力条件主要来源之一,不同渗流流量具有不同的渗流力和冲刷力,从而可引起不同规模泥石流。通过开展室内水槽试验,利用测压管量测渗流过程中的孔隙水压力,并结合高清摄像技术从微观角度记录堆积土体内部细颗粒的运移、骨架颗粒的坍塌现象,以此分析研究土体渗透破坏、起动形成泥石流过程中的渗流和冲刷作用。在此基础上设定水槽坡度为7°,调节恒定渗流流量分别为120、170、265、320 ml/s,分析不同恒定渗流流量对固体堆积物失稳、泥石流起动过程中流态变化的影响。分析结果表明,在恒定渗流流量作用下,堆积土体内部细颗粒迁移、骨架颗粒坍塌造成土体颗粒重排列、孔隙水压力上升进而导致土体抗力降低是泥石流土体颗粒失稳、起动、冲刷的重要原因;随着渗流流量增加,流速迅速上升,土体内孔隙水压力逐步增大,骨架颗粒的失稳、移动主要受渗流及水流冲刷两方面共同作用,堆积土体颗粒的移动分别表现出缓慢小幅滑动后稳定、过渡型滑动和快速流滑现象。     

泥石流源区砾石土分形特征及其与渗透系数关系试验研究

以取自泥石流易发区的182个砾石土土样为基础,进行室内颗分试验,通过分形理论计算各土样的分维值,经计算发现,泥石流源区砾石土以一重分形为主,一重分形的土样占样本总数的88.46%,一重分形土样的分维值介于2.250～2.798之间;以此数据为基础配置土样,通过自制、可控的常水头试验装置进行渗透试验。试验结果表明,渗透系数k与分维值D之间有极显著的相关性,且在干密度为1.8 g/cm3时相关性最好。通过多元回归分析发现,不同密度条件下,k与D之间均有较好的幂函数关系;相同的分维值条件下土样的渗透系数随密度的增大呈减小的趋势,分维值在2.450～2.600之间时,样本的干密度 与渗透系数k之间的幂函数关系较为明显。试验结果可以为泥石流启动的临界雨量研究提供理论基础,提高已有预报模型的普适性及精度。