焦作矿区双重介质裂隙网络渗流与渗流模型研究

焦作矿区矿井水害严重,位于煤层底板下的石炭系薄层灰岩中的第八、第二层,以及奥系灰岩岩溶含水层是矿井主要充水水源。裂隙是矿区岩溶水渗流的主要通道,裂隙介质的不均匀性、各向异性、不连续性等特征非常明显,且不同规模的裂隙对岩溶水渗流的贡献不同。根据裂隙介质对岩溶水渗流所起的作用,对那些控制矿区岩溶水渗流分布且起主导渗透作用的巨型和大型裂隙建立非连续介质裂隙网络三维渗流模型;对大型和巨型裂隙之间的裂隙岩块建立连续介质渗透张量模型,两模型耦合在一起组成双重介质裂隙网络三维渗流模型。该模型能较好地刻画矿区岩溶水渗流和突水特征      

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。     

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。      

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。      

岩体离散裂隙网络的非饱和渗流数值分析

针对裂隙岩体的非饱和渗流问题,基于离散裂隙网络模型并结合非饱和Darcy定律、Richards方程、非饱和本构模型以及Signorini型饱和-非饱和互补溢出边界,提出了离散裂隙网络非饱和渗流问题的数学模型。采用有限单元法建立了裂隙网络非饱和渗流模型的数值求解格式和对应的迭代算法。通过与矩形坝稳定渗流、一维竖直裂隙非饱和入渗以及室内二维瞬态排水渗流的试验、数值及理论结果对比分析,验证了文中算法的有效性;根据流量等效原则,指出了裂隙网络模型应用于求解连续介质非饱和渗流问题的有效性。验证了该算法对于求解裂隙边坡降雨入渗问题的可靠性,揭示了降雨入渗过程裂隙网络流量分布的非均匀性及裂隙产状对降雨入渗流动具有重要的控制作用。     

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。     

考虑动力压力裂隙网络岩体渗流应力耦合分析

渗流对裂隙网络岩体的作用力包括渗透静水压力和渗透动力压力（裂隙壁切向拖曳力）两部分。较全面地引入渗流与应力之间的相互作用关系，同时考虑渗透静水压力和切向拖曳力的作用，以裂隙（等效）隙宽与岩体应变的关系为桥梁，建立隙裂网络岩体渗流场与应力场耦合分析的数学模型，并采用有限元数值方法进行某工程实例的双场耦合分析，验证所建立模型的可靠性。     

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。     

应用化学动力学求解裂隙-岩溶介质渗流参数

裂隙-岩溶介质渗流参数的确定问题是制约渗流计算精确度的重要因素,目前求解裂隙-岩溶介质渗透参数的方法如几何形态法、现场测试法和反馈分析法等都各有局限。笔者试图将化学动力学理论引入裂隙-岩溶介质渗流参数分析计算中,研究一种有效的适合岩溶地区裂隙岩体渗流运动特点的间接参数求解方法。工程实践证明：用水化学动力学方法求解碳酸盐岩裂隙渗流参数是可行的,它具有一定的实用价值。     

岩体三维非稳定渗流模型及数值模拟

地下水是导致地质灾害发生的重要因素之一。岩体本身的复杂性及地下水在岩体内随时间而变化造成地下水在岩体内运动机理的复杂性。文章采用数值模拟方法探索地下水在岩体内的运动规律,了解其致灾机理。以岩体结构力学为基础,运用现代分形理论,建立主干裂隙分形网络;根据裂隙发育规模与工程尺度关系将岩体看作拟连续介质与块裂介质混合介质,并根据两类介质接触处水头相等及节点流量相等建立合理的三维非稳定渗流模型;给出渗流模型的有限元解法,开发出相应的有限元软件;给出算例,计算结果体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用及网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应;强调根据裂隙发育规模与工程尺度关系确定合理渗流模型的重要性。     

润扬桥基三维裂隙网络渗流数值模拟

润扬长江大桥北锚碇是大桥关键工程,承担大桥悬索较大拉力.北锚碇的基础为花岗岩裂隙岩体,分布断裂和多组裂隙,基岩表部风化,上覆约45m厚的第四系松散沉积层,基坑开挖深度达48m,基坑内外水头差达47m.如何做好防渗和排水,对施工期的安全和施工质量至关重要.为此,采用离散裂隙网络渗流的三结构模型与连续介质渗流模型相结合,对北锚碇场区的地下水渗流进行了多种工况的数值模拟,为基坑防渗和排水设计提供了主要参考依据,其数值模拟结果已得到后来施工期实际资料的验证.     

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。     

岩体裂隙网络渗流变水温影响分析

考虑岩体裂隙渗流变水温影响,推导单裂隙变水温水流近似解析解和有限元解,在此基础上分别建立裂隙二维网络变水温渗流数值求解方程,分别对应裂隙网络变水温渗流分析的近似解析法和子结构法。分析变温水流运动规律发现：（1）单裂隙内水流水头与水力坡降成非线性关系,当水流由高温区向低温区流动时,水头分布曲线为凸曲线,此时按线性渗流简化水头整体偏小;当由低温区向高温区流动时,水头分布曲线为凹曲线,此时按线性渗流简化水头整体偏大。（2）单裂隙内,高水温处水力坡降小,低水温处水力坡降大;裂隙平均水温越高,流速越快;裂隙网络内存在与裂隙宽度相似的温度偏流效应,即交叉节点水流有偏向水流温度高的裂隙流动的趋势。在温度较高和温度梯度较大的区域,应该考虑水流温度变化对渗流场的影响。     

矿区岩溶地表塌陷神经网络预测研究

针对近年来某矿岩溶地表塌陷频繁发生的现象,分析确定了影响地表塌陷的主要因素,构建了矿区岩溶地表塌陷预测BP神经网络模型,以训练后的BP网络模型对矿山帷幕注浆三期工程完成后可能形成的地表塌陷区的空间分布进行预测。并针对矿山现实塌陷情况,结合各区预测塌陷危险分级结果,提出了相应的岩溶地表塌陷灾害防治措施。实践表明,所建模型的预测结果与矿区地表塌陷实际情况相符,可为矿山后续帷幕注浆工程的设计与施工提供有益借鉴,为岩溶矿区地表塌陷灾害提供预警支持。     

泄洪雾雨区裂隙岩质边坡饱和-非饱和渗流场与应力场耦合分析

岩质滑坡除与地质条件、降雨等因素有关外,泄洪雾雨也成为其不可忽视的催化剂。通过裂隙岩体渗透性与应力关系,裂隙岩体的弹塑性本构关系以及渗流场的控制方程,建立起饱和非饱和渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型。编制了有泄洪雾雨影响的饱和-非饱和渗流与应力耦合三维有限元程序,通过迭代求解达到两场耦合目的。以实际工程为例,根据边坡的地表信息、开挖信息、岩层分界信息以及排水洞和帷幕信息等,建立起边坡地质模型。通过耦合计算,详细分析了耦合后边坡岩体的变形、应力以及塑性区等。计算结果表明,雾雨区的边坡稳定与渗流场变化有着重要关系,在评价边坡稳定与否时,要考虑渗流场对其影响。计算成果为实际工程的安全评价提供了一定的科学依据。