多场耦合作用下岩体裂隙扩展演化关键问题研究

裂隙岩体热-水-应力（THM）耦合是目前研究的热点和难点。首先总结了裂隙岩体多场耦合的机制、模型、方法及研究内容,并通过分析裂隙对THM耦合的重要控制作用,提出了在THM耦合中考虑裂隙网络扩展演化及模拟的关键问题,同时指出了研究的3个关键点：（1）建立考虑裂隙网络演化的耦合模型;（2）裂隙扩展的数值模拟方法;（3）THM耦合及岩体变形、失稳全过程的数值模拟算法。随后通过对模拟多场耦合和裂隙扩展数值方法的归类比较,重点论述了目前适用于模拟多场耦合下裂隙扩展模拟的各种数值方法（包括有限单元法、无单元法、单位分解法、离散单元法、岩石破裂过程分析方法和数值流形方法）的优缺点,并通过对比研究,推荐采用数值流形方法（NMM）来实现对关键问题的模拟研究。最后,对研究思路和难点进行了初步探讨。     

裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合分析模型

本文从流体扩散能量迭加原理,建立了裂隙岩体介质的渗流张量解析表达式,综合应用断裂力学与损伤理论,探讨了复杂应力状态下裂隙岩体的本构关系以及压裂裂纹的起裂准则,建立了裂隙岩体在压剪,拉剪应力状态下损伤演化方程,提出了渗透张量随裂隙损伤发展的关系以及裂隙岩体非稳态渗流场与与损伤场耦合模型。     

岩体裂隙系统渗流场与应力场耦合模型

岩体系统具有复杂的结构。一般认为，岩体系统是非均质各向异性不连续的多相介质体系。当岩体以裂隙为主，且其分布较密集时，可将岩体系统看作等效连续多相介质体系。本文运用等效连续介质理论，提出了两种岩体裂隙系统渗流场与应力场耦合模型：一是以渗透水压力与隙变形关系、应力与渗透系统数关系为基础，建立渗透系数张量计算公式，进而建立等效效连续介质渗流为数学模型。以裂隙岩体应变张量分析为基础，建立裂隙岩体效应力张量     

岩体系统渗流场与应力场耦合的广义双重介质模型的应用研究

本文通过实验资料分析, 提出了裂隙岩体应力与渗流之间的分形几何关系式。以研究区岩体系统结构为基础, 提出了岩体系统应力场与渗流场耦合的广义双重介质模型, 并将该模型应用于某水利水电工程的渗流与控制中, 对坝区岩体进行了应力场和渗流场的耦合分析, 取得了比较满意的结果。     

岩体水力学基础（六）——岩体渗流场与应力场耦合的双重介质模型

岩体是由裂隙和其间的岩块组成,本文在分析了岩体的结构特点之后,阐述了狭义双重介质,广义双重介质的概念,提出了岩体渗流场与应力场耦合的狭义双重介质模型和广义双重介质模型。     

裂隙岩体渗流耦合传热分析

以地下裂隙岩体在裂隙水—孔隙水和温度场之间耦合作用为研究对象,对热和流体流动控制方程采用有限容积数值方法进行离散求解,设置了六种裂隙水—孔隙水流速方案,给出了部分无量纲温度场,并分析了传热与流动原因。分析结果表明：岩体内裂隙水—孔隙水引发的热质迁移对裂隙岩体的温度场分布有重要影响;当裂隙岩体内发生地下裂隙水—孔隙水渗流、及热量的转移时,会产生渗流场、温度场之间的耦合作用;裂隙内水流渗透速度是影响岩体温度的主要因素,孔隙内水流渗透速度是影响岩体温度的次要因素,温差主要发生在裂隙水边界层处。     

岩体渗流场与温度场耦合的连续介质模型

孔隙型岩体、密集裂隙型岩体以及孔隙—密集裂隙型岩体的渗流问题均可视为连续介质或等效连续介质渗流问题。本文从理论上分析了这种类型岩体渗流场与温度场相互影响、相互作用的机理，提出了岩体渗流场与温度场耦合分析的连续介质数学模型，并讨论了该数学模型的有限元数值求解方法。     

岩体冻融过程中水热耦合非线性分析

针对工程地质和岩土工程中所涉及到的冻害问题,在质能平衡的基础上,充分考虑冻结岩体的热传导、水和岩体存在的热交换以及水热梯度共同作用下水分的迁移与转化,建立了水热耦合的非线性控制方程;对寒区大阪山隧道围岩的温度场和水分场进行数值模拟,并分析其水热耦合迁移规律.模拟结果表明:隧道围岩水分受冻结抽吸力和温度梯度的作用发生迁移,在隧道边墙处渗流速度最大;在考虑水分场时,隧道围岩的冻结圈将变薄,而且随着水分场中渗流系数的增大将更加变薄,水分场在很大程度上影响温度场的分布;为了减少冻害对寒区工程的破坏,应采取良好的保温措施.模拟结果与现有研究成果和工程经验类似.     

岩体水力学基础（三）：岩体渗流场与应力场耦合的集中参数模型及连续介…

本文在分析了岩体系统的结构性和水力学特征后，提出了岩体渗流场与应力场耦合数学模型的机理分析，混合分析及系统辨识建模方法，运用系统辨识方法建立了岩体渗流场与应力场耦合集中参数模型，并应用于解决实际问题，运用机理分析和混合分析方法建立了岩体渗流场与应力场双场耦合及与温度场三场耦合的连续介质分布参数模型。     

岩体水力学基础(五)——岩体渗流场与应力场耦合的裂隙网络模型

岩体是由裂隙和其间的岩块组成。当岩块处于近乎隔水状态时，岩体中的渗流可看作为裂隙网络流。本文通过分析岩体裂隙网络渗流场、应力场以及它们之间的相互力学关系，提出了岩体渗流场与应力场耦合的裂隙网络模型及数值计算方法。     

裂隙岩体渗流应力耦合研究综述

系统综述了裂隙岩体渗流应力耦合的研究情况。阐明了单裂隙面的各种经验公式、间接公式及其适用条件,分析了裂隙岩体渗流应力耦合模型优缺点及目前工程应用情况。     

论工程地质中的场及其多场耦合

本文对工程地质中的场及其多场耦合进行了比较系统的分析。通过场概念争论的分析,给出了场的定义; 根据工程地质的特点,提出了基本场的概念,并对基本场的内涵和作用进行了深入剖析; 将工程地质中的场分为基本场、作用场和耦合场3类,同时对地质体结构场、应力场、渗流场、温度场、化学场和变形场进行了详细分析; 在此基础上,对多场耦合关系的类型进行了讨论,对工程地质中场的耦合关系进行了分析,最后提出了工程地质多场耦合分析中的相关课题。     

复杂形态岩体接触带成矿耦合动力学三维数值模拟:以安庆铜矿为例

安庆铜矿是长江中下游成矿带中重要的矽卡岩矿床,其矿体绝大部分产在形态复杂的岩体接触带上,对于这种矿体定位特点,本文采用数值模拟的方法探讨了其动力学机制和主要的控矿因素。首先以AutoCAD和GO-CAD为平台构建安庆铜矿岩体及围岩的三维实体模型,并通过C++编程实现到模拟软件的模型格式转换,然后以FLAC3D为平台进行安庆铜矿热液成矿过程的力-热-流耦合数值模拟。结果显示,受控于拉张应力场,岩体大部分位置表现为正的体应变;月山岩体东枝南接触带是扩容最为明显的区域,部分岩石单元的大扩容角对扩容区出现有一定的贡献,岩石物理性质的差异及接触带的复杂形态则是其主要原因;岩石扩容部位成为流体汇集的有利场所,汇流部位与明显扩容区及主矿体产出位置相一致,推断矿体的定位是力-热-流共同作用的结果;运算结果亦指示现有矿体深部存在新的有利找矿靶区。     

多场耦合作用下致密储层地应力场变化规律研究 ——以准噶尔盆地某区为例

地应力是储层改造方案设计、提高油气勘探开发效率的重要指标。致密储层所处环境复杂,需要综合考虑温度-应力-渗流多场耦合作用的影响。为此,以准噶尔盆地中部4区块某三维区致密储层为例,基于COMSOL Multiphyics软件,建立了温度-应力-渗流耦合控制方程,研究了多场耦合作用下研究区致密储层地应力场的变化规律。研究结果表明:研究区最大水平主应力范围在113~134 MPa之间,最小水平主应力范围在106~124 MPa之间,均表现为压应力;在油气开采过程中,最大水平主应力先增大后趋于稳定,随着油气开采的深入,应力变化范围逐渐由井口周围向附近断层延展,并且优先沿着断层的开裂方向发展;在断层的破碎过渡区应力值最小,断层核部应力值介于破碎过渡区与连续地层之间;随着油气开采的深入,致密储层会发生竖向变形,储层最大竖向变形出现在井口附近,位移量超过10 cm,随着距离变远,沉降量不断减小。      

复杂构造条件下煤矿上覆岩体移动规律研究

在复杂构造矿区,为了能有效地减缓由于地下煤层开采而引起的地面沉陷量,就必需对复杂地质特征的上覆岩体的移动规律作一深入的研究和探讨,本文通过数值模拟方法,对"入"字型断层模型的上覆岩体的移动规律进行了不同过程和力学参数情况下的分析,得到了复杂断层上覆岩体的非线性移动过程和与力学参数有关的变形特征.     

在裂隙岩体中开挖隧道的双场耦合蠕变分析

运用黏弹性断裂、蠕变理论,对裂隙围岩在开挖时的蠕变现象进行分析,建立了隧道开挖的双场耦合蠕变模型。运用Laplace转换,推导出围岩的径向位移函数表达式,分析了应力卸荷、渗流力的作用以及节理裂隙分布对径向位移的影响。同时,利用FLAC中的FISH语言编写了FISH函数,将计算隧道模型的数值及解析结果与实测数据进行了比较。计算结果表明,径向最大位移变化量并不在主应力最大方向,也不在隧道顶端,而是受地应力分布、渗透水压和节理分布综合作用形成偏压位移,其结果可为隧道支护提供借鉴。     

岩体水力学基础（四）：岩体渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型

本文把裂隙岩体看作等效连续介质，用渗透系数张量描述岩体的渗透性能；用应力张量描述岩体的力学性能。介绍岩体渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型。     

裂隙岩体流-热耦合传热的三维数值模拟分析

通过对潘西煤矿水文地质条件的分析,基于裂隙岩体的流-热耦合数学模型,描述了裂隙岩体渗流场分布和水流及岩体的温度场分布,并结合边界条件及计算参数对裂隙岩体的流-热耦合传热进行了数值模拟和分析。数值模拟结果表明,岩体内裂隙水流所引发的热量迁移,对裂隙岩体的温度场分布有重要影响。断裂带及地下水流的存在改变了岩体的原有温度场分布。在渗流初期,温度梯度矢量沿渗流方向向两侧岩体方向流动,由于两侧岩体的渗透性系数低于断裂带处的渗透性系数,右侧等温线及温度梯度矢量方向逐渐向渗流方向移动,改变了两侧岩体的温度场分布。通过对断裂带内裂隙水流渗透性系数的折减,分析渗透性系数发生变化时对岩体温度场分布的影响,渗透性系数越大,伴随的热量迁移增大,对岩体的温度场分布的影响也越大。     

岩体一维渗流场与温度场耦合模型的解析演算

针对岩体一维渗流场与温度场耦合分析的连续介质数学模型,采用迭代法进行了解析演算,得出了耦合模型的近似解析解,并定量地分析了岩体渗流场与温度场的相互影响和相互作用,为岩体渗流场与温度场耦合分析研究奠定了基础。     

工程地质空间多场耦合构模技术研究

现有的三维地质模拟技术没有考虑地质空间几何结构场与属性参数场之间的耦合关系,从而限制了计算机模拟结果的真实性和实用性。工程地质空间多场耦合构模问题已成为制约三维地质模拟技术深入发展应用的瓶颈。在综合国内外研究现状与发展趋势的基础上,提出了工程地质空间多场耦合构模的总体研究框架和基本工作流程,给出了研究过程中所遇到的主要科学问题的解决思路或实现方案,并通过实例说明地质体多场耦合模型在三维地质建模及可视化系统中初步实现后的效果。这些研究成果为建立一套完整的地质体多场耦合构模理论体系和方法体系奠定了基础,有助于推动工程地质数字化建模分析技术的深入应用。