基于三维裂隙网络的裂隙岩体表征单元体研究

岩体表征单元体（REV）的研究一直是岩土工程中的重要问题。裂隙岩体REV是其内部复杂结构在尺寸效应上的体现,归因于岩体内裂隙系统的随机性。在三维网络模型的基础上通过计算体积节理数建立了确定岩体REV的方法。这种方法考虑了岩体内裂隙的三维空间密度的特征,采用体积节理数这一参数的收敛状况确定岩体REV的大小。建立了实际岩体的模拟裂隙系统,用一定大小的立方体来分割裂隙系统,统计不同立方体内的体积节理数,并将均值作为最终裂隙岩体的参数。将此参数作为裂隙岩体的属性,通过判别其收敛状况获得了岩体REV的尺寸。考虑了岩体不连续面的特征,建立了REV的分析模型,得出工程岩体的REV的尺寸是裂隙平均迹长的4倍的结论。     

岩体非连续裂隙网络水力学特征

介绍了非连续裂隙网络及其水流自动模拟系统。针对实测的非连续裂隙网络，就其等效多孔介质的存在性、非连续裂隙网络系统的的边界效应等水力学特征进行了分析。研究表明：即使一个非连续裂隙网络的渗透性征可以用一个对称的二阶张量描述，也无法保证等效多孔介质是存在的。     

基于裂隙连续方法的三维裂隙岩体渗流传热数值模拟

模拟裂隙岩体渗流传热的主要困难在于岩体各种尺度上的非均质性。为了兼顾裂隙岩体渗流传热过程模拟的效率和精度,将二维裂隙连续方法拓展到三维问题中,应用深度优先搜索算法挑出对网格块渗透性有贡献的有效裂隙,综合考虑有效裂隙和岩石基质作用给出网格块的等效渗透率张量,采用Matlab对COMSOL Multiphysics有限元软件进行二次开发,生成由不同渗透率网格块组成的三维裂隙连续模型。数值模拟结果表明：裂隙连续模型结合了随机连续介质模型和离散裂隙模型的特点,既能避免处理裂隙网络的复杂性,又能考虑岩体渗透率的空间变异性,兼顾了模拟效率和精度;当岩石基质渗透率与裂隙渗透率比值的数量级在10^-4～10^-6范围内时,有效裂隙网络模型的流量计算误差会超过5%。     

岩体裂隙三维可视化新方法及其应用

快速准确地识别岩体裂隙的三维分布特征是西南山区铁路防灾减灾的关键.本研究提出了一套岩体裂隙可视化新方法,基于测窗调查的裂隙数据,依托球坐标及极射赤平投影进行数字化处理及降维,利用K-Means++聚类算法、Fisher分布模型和蒙特卡洛模拟,完成裂隙产状数据的自动分组和模拟,最后运用Python及圆盘模型实现岩体裂隙三维可视化.本研究采用坐标变换和三角网格曲面的方式,更有利于与其他三维建模软件嵌套分析.水电站工程的先行应用研究表明产状数据服从Fisher分布,本文的模型相对于传统玫瑰花图和施密特图有着一定的优势.因此,本文建立的岩体裂隙模型具有直观快速反映区域裂隙网络三维分布特征的优点,研究成果可以直接服务于西南山区铁路施工阶段隧道掌子面及洞壁的节理裂隙三维识别以及防灾减灾研究.      

岩溶地区岩体裂隙网络渗流分析

岩溶区由于其特殊的岩性,造成岩体裂隙非常发育,这些发育的裂隙很容易形成连通网络,在具有化学侵蚀性水流的作用下,裂隙通道被加宽,从而导致渗漏量增加。在岩溶区岩体裂隙发育特点的基础上对岩体裂隙网络进行了划分,用Monte-Carlo三维模拟技术模拟岩体裂隙的发育程度,同时也模拟出裂隙网络连通图,该图再现了优势裂隙的发育方向。在岩体节理网络的基础上,将各种裂隙和孔隙按规模和渗透性分为四级处理, 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、四级连续介质体系,各级裂隙之间以水量平衡原理建立联系。然后采用多重裂隙网络渗流模型对岩溶区岩体裂隙的渗流进行分析。研究表明,将多重裂隙网络渗流模型应用于岩溶区坝基岩体渗流分析中,能够比较确切而直观的反映出岩溶区岩体裂隙系统渗流分布规律,对岩溶区水库的防渗和防腐蚀措施具有重要的指导意义     

岩体裂隙网络的不均匀系数

本文应用多标度分形理论,提出了描述岩体裂隙网络中裂隙分布不均匀性的新指标--岩体裂隙网络的不均匀系数。研究表明,该指标可以充分反映岩体裂隙网络的不均匀程度     

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。     

三维裂隙岩体渗流耦合模型及其有限元模拟

本文简述了裂隙岩体渗流两类基本模型──等效连续介质模型和离散介质模型的基本理论及其有限元模拟，讨论了两类模型的优缺点，并研究了等效连续介质模型的适用性．本文基于水头连续、结点流量平衡的原则，提出了结合上述两种基本模型优点的耦合模型，给出了相应的有限元计算格式．计算实例表明，该模型是合理、可行的，具有很强的实用价值。     

三维裂隙岩体渗流耦合模型及其有限元模拟

本文简述了裂隙岩体渗流两类基本模型──等效连续介质模型和离散介质模型的基本理论及其有限元模拟,讨论了两类模型的优缺点,并研究了等效连续介质模型的适用性．本文基于水头连续、结点流量平衡的原则,提出了结合上述两种基本模型优点的耦合模型,给出了相应的有限元计算格式．计算实例表明,该模型是合理、可行的,具有很强的实用价值。     

裂缝密度约束的离散裂缝网络建模方法与实现

如何高效地用多种类型资料(如地震、测井、岩芯等)所得到的裂缝信息对离散裂缝网络建模至关重要。为此本文提出一种裂缝密度约束的离散裂缝网络建模方法,将多种裂缝先验信息转换为裂缝密度,通过密度约束裂缝网络模型。方法对裂缝位置的确定方法进行改进,从编程的角度对二维和三维实现进行了分析,同时讨论了方法的适用性及参数设定。为验证方法效果,实例分析部分选用鄂尔多斯盆地延河剖面附近的一井区数据进行裂缝建模,并与实际生产资料进行比对,结果表明该方法所建立的裂缝模型与实际生产数据吻合。     

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。     

Application of Dimensional Analysis in Calibration of a Discrete Element Model for Rock Deformation and Fracture

Summary A discrete element approach was used in the simulation of rock fracture. The numerical synthetic material was made of rigid circular particles or cylinders that have interaction through normal and shear springs. The cylinders were bonded to each other at the contact points to withstand the applied loads. To characterize the microscopic properties of this synthetic material, a dimensional analysis approach was presented. It was shown that the dimensionless parameters and graphs obtained were useful tools for fast and efficient calibration of a synthetic material. This calibration method was employed for finding a numerical model for Pennsylvania Blue Sandstone. The numerical model could mimic many deformational and failure characteristics of the sandstone in both conventional and some non-conventional stress paths.     

Multilevel Graph Partitioning for Three-Dimensional Discrete Fracture Network Flow Simulations

Mathematical Geosciences - We present a topology-based method for mesh-partitioning in three-dimensional discrete fracture network (DFN) simulations that takes advantage of the intrinsic...     

基于离散裂缝网络模型裂缝储层的随机模拟——以王窑区块为例

在燕山期、喜山期构造活动作用下,王窑区块发育北东向和南北向共轭剪切裂缝。针对该裂缝进行了统计分析,并利用离散裂缝网络模型对裂缝进行了随机模拟。模拟结果表明:研究区共轭裂缝北东向较为显著,且以高角度裂缝为主。裂缝对渗透率影响较为明显,将研究区的渗透率提高到20×10-3μm2,孔隙度增加约2%。     

水质反问题模型的时域频域算法

为了提高水质数学模型的模拟精度,充分考虑了对流扩散方程中混合系数随空间变化的特性,结合数学物理反问题理论和方法,建立了河流水质分布参数反问题模型,分别在时域和频域推导出反演计算公式,最后给出应用计算实例。时域与频域两算法的对比分析结果表明,频域计算工作量小,占储存单元少;时域的反演计算误差却明显小于频域,其抗噪性能也较频域强。这说明分布参数能明显改善水质的模拟精度,与污染物在水域的实际分布规律相吻合,本文提出的方法在水环保工作中有着广泛的应用前景。     

Correction to: Multilevel Graph Partitioning for Three-Dimensional Discrete Fracture Network Flow Simulations

Mathematical Geosciences - The publication of this article unfortunately contained a mistake. The assignment to the affiliations of author Satish Karra was not correct     

A Connectivity Index for Discrete Fracture Networks

Connectivity is an important measure for assessing flow transport in rock, especially through fractures. In this paper, rock fracture systems are modelled by a discrete fracture model simulated by a marked point process. A connectivity index is then introduced to quantify the connectivity between any two points in space. Monte Carlo simulation is used to evaluate the connectivity index for stationary cases and relationships between the connectivity index and the parameters of the discrete fracture model are analysed. The average number of intersections per fracture, X_f, and the fracture intensity, P12 (P32), are calculated and the relationships between these parameters and the connectivity index are investigated, concluding that X_f is the more suitable parameter for the classification of rock mass flow properties. The relationships between the connectivity index and the percolation state of the fractured medium are also discussed. An edge correction is briefly discussed and a practical example is used to demonstrate the method of computing the connectivity index.     

Comparing the Gradual Deformation with the Probability Perturbation Method for Solving Inverse Problems

Inverse problems are ubiquitous in the Earth Sciences. Many such problems are ill-posed in the sense that multiple solutions can be found that match the data to be inverted. To impose restrictions on these solutions, a prior distribution of the model parameters is required. In a spatial context this prior model can be as simple as a Multi-Gaussian law with prior covariance matrix, or could come in the form of a complex training image describing the prior statistics of the model parameters. In this paper, two methods for generating inverse solutions constrained to such prior model are compared. The gradual deformation method treats the problem of finding inverse solution as an optimization problem. Using a perturbation mechanism, the gradual deformation method searches (optimizes) in the prior model space for those solutions that match the data to be inverted. The perturbation mechanism guarantees that the prior model statistics are honored. However, it is shown with a simple example that this perturbation method does not necessarily draw accurately samples from a given posterior distribution when the inverse problem is framed within a Bayesian context. On the other hand, the probability perturbation method approaches the inverse problem as a data integration problem. This method explicitly deals with the problem of combining prior probabilities with pre-posterior probabilities derived from the data. It is shown that the sampling properties of the probability perturbation method approach the accuracy of well-known Markov chain Monte Carlo samplers such as the rejection sampler. The paper uses simple examples to illustrate the clear differences between these two methods     

相对位移反分析的DFP优化方法及其工程应用

洞室围岩的某些参数,如弹性模量、强度参数等,对地下洞室的施工和设计具有极其重要的作用,直接进行这些参数的现场测量势必要耗费大量的物资和精力,在这种背景下,位移反分析的工程应用具有很重要的理论和实用价值。但洞室工程中大量不确定性因素的存在使得监测结果不可避免地存在随机性,有时会使得变形监测结果产生较大的误差,甚至失真。因此以监测结果的绝对值所反演得到的参数可能是错误的。在这种情况下,以监测数据的相对值进行参数反演在一定程度上可以消除测量误差。基于相对位移的随机反分析法并结合DFP优化算法开发了基于相对位移的随机反分析法,将其应用于一具体洞室工程中反演其弹性模量取得了较为理想的效果。