裂隙岩石渗透空间结构特性概念模型述评

岩石裂隙的发育、分布和组合关系受地质构造、岩相……等的控制,所以裂隙岩石的渗透空间结构差别很大。廿多年来,先后提出过20多种有关裂隙岩石渗透空间结构特性的概念模型。主要为三大类:一、线素模型:这种模型在进行水流计算时,可把裂隙岩石分割成不同的渗透介质单元——岩块,Ⅰ.每块含有一个隙缝节点。或Ⅱ.每块为一个由隙缝包围的几何块体。这类模型能较真实地表现渗透介质对裂隙渗流过程的效应。     

地下水在各向异性的含水层中向完整井流动的规律及其应用

序言含水层的透水性,在有些情况,具有方向性。这是由于形成含水层的裂隙发育程度在各个(水平)方向不同所引起的。因而表征含水层透水性的渗透系数也将随着水流方向的不同而改变。我们假定含水层的透水性是连续变化的,即由最大逐渐变到最小或者相反,这就是说,假如以向量表     

三峡工程坝基岩体渗透性

三峡大坝基础岩体透水性具不均一性和方向性，不同风化带、不同地貌单元岩体渗透性不同。断层裂隙的透水性与其发育程度并非对应一致。坝基裂隙网络透水性的不均一性，对降低坝基渗透压力有利。采用防渗帷幕和封闭式抽水排水，降低坝底扬压力效益最佳．     

岩石裂隙毛管压力-饱和度关系曲线的试验研究

介绍了三峡花岗岩体裂隙毛管压力-饱和度试验。试验采用互不溶混驱替法。试验结果表明,在渗流基本特征方面,裂隙非饱和渗流毛管压力-饱和度关系曲线与空隙介质水分特征曲线具有相似性,如毛管压力-饱和度关系曲线的滞后现象;湿润流体(水)的排泄曲线具有进气压和束缚水饱和度;非湿润流体的吸湿曲线具有残余饱和度。这种相似性表明,孔隙介质非饱和渗流的研究成果可用于裂隙非饱和渗流,孔隙介质水分特征曲线的解析模型,可用于研究裂隙毛管压力-饱和度关系曲线和拟合毛管压力-饱和度排泄曲线的试验数据。     

裂隙宽度空间变异性和泄漏条件对网络裂隙中DNAPLs运移影响研究

DNAPLs本身的化学性质、裂隙的几何性质以及泄漏条件等影响重非水相流体（DNAPLs）在裂隙介质中的运移和分布。针对DNAPLs的运移规律研究多集中在孔隙介质和单裂隙中,在随机网络裂隙中的研究较少。本研究生成随机网络裂隙是基于蒙特卡罗方法,运用像素扫描识别并输出裂隙的坐标和宽度,然后采用PetraSim模拟四氯乙烯(PCE)在随机网络裂隙中的运移,探讨裂隙宽度空间变异性和泄漏条件（包括泄漏速率和泄漏位置）对DNAPLs运移的影响。数值模拟结果表明:DNAPLs的空间展布和运移路径受裂隙宽度空间变异性影响,随着网络裂隙中裂隙宽度空间变异性增大,出现优势通道,DNAPLs运移的速率加快,DNAPLs的质心位置和饱和度空间分布发生明显变化;DNAPLs的运移速率和空间展布受泄漏速率影响,泄漏速率越大,DNAPLs运移速率越快,模型底部蓄积的DNAPLs的饱和度越大,DNAPLs的空间展布也越大;同一网络裂隙中,泄漏位置不同,导致DNAPLs的运移路径及分布范围不同,不同的泄漏位置重力方向裂隙空间变异性不同,导致DNAPLs运移路径和空间展布各不相同。研究结果可以丰富裂隙介质中DNAPLs运移机理研究,为裂隙介质中DNAPLs污染修复提供模型参考。     

模拟裂隙多孔介质中变饱和渗流的广义等效连续体方法

描述了一种计算裂隙多孔介质中变饱和渗流的广义等效连续体方法。这种方法忽略裂隙的毛细作用,设定一个与某孔隙饱和度相对应的综合饱和度极限值,并假定：（1）如果裂隙多孔介质的综合饱和度小于该极限值,水只在孔隙中存在并流动,而裂隙中则没有水的流动;（2）如果综合饱和度等于或大于该极限值,水将进入裂隙,并在裂隙内运动。分析比较了等效连续体模型的不同计算方法,并给出了一个模拟裂隙岩体中变饱和渗流与传热耦合问题的应用算例。结果表明,所述方法具有一般性,可以有效地模拟裂隙多孔介质中变饱和渗流的基本特征。     

岩石内孔隙/裂隙冻胀力模型及其适用性评价

开展含缺陷空间(孔隙、裂隙)岩体内部冻胀力发生机制及演化规律分析,是岩体冻胀损伤、断裂评价研究的基础。孔隙、裂隙冻胀损伤发生空间尺度存在显著差异,其冻胀损伤机制及冻胀力演化分析也不尽相同,可将孔隙介质冻胀损伤理论归纳为四类：①基于水冰相变体胀的冻胀损伤模型,包括体积膨胀理论、静水压理论等;②基于水热迁移的冻胀损伤理论,包括分凝冰理论、全过程冻胀理论等;③基于孔隙水相变热力学平衡分析的损伤理论,包括毛细管理论、结晶压理论等;④孔隙介质力学理论。裂隙介质冻胀损伤一般认为发生在宏观空间尺度上,着重关注裂隙的冻胀扩展过程。其损伤理论可分为体积膨胀理论（包括水压致裂理论）和分凝冰理论,而裂隙介质冻胀损伤对微观过程（如未冻水迁移、岩/冰界面受力特性等）关注度有待深入。藉此分别讨论上述冻胀损伤理论原理、适用条件及局限性,并对不同缺陷形态（孔隙、裂隙）引起的冻胀力演化机制差异性进行简要分析。     

岩石类材料振动裂隙扩展试验和数值分析

岩性体振动裂隙扩展是路基、桥梁、振动施工和防震等领域共同关注的问题。通过自制惯性加载装置联合振动实验台,对12组含边中穿透裂隙的板状相似岩样进行振动加载试验,观测裂隙扩展和贯通规律,并利用PFC颗粒流软件建立试验对应模型,进一步分析裂隙扩展的控制机制。结果表明,不同区域振动变形的相位差会促进裂隙的扩展行为;边裂隙的起裂方向与振动方向夹角较小,约在±10°以内,且与振向相同的边裂隙最容易扩展,与振向相同的边—中裂隙对最容易贯通;破坏频率与裂隙间距呈正相关性,并且随着裂隙倾角和振向夹角的增大,裂隙扩展越来越困难,垂直振向的裂隙最难扩展;振动裂隙扩展路径为裂尖最近路线,符合能量最小原理。     

裂隙介质弹性性质研究

波在介质中传播，主要是受介质的弹性性质的影响，在各向同性的岩石背景上，含有裂隙；岩石表现为各向异性，裂隙的形状不同，各向异性的性质也不同。本文在Hudson模型基础上，应用散射理论，研究了垂直定向分布的裂隙介质（EDA），水平分布的裂隙介质（PTL）、正交裂隙介质（ORA）、两组垂直斜交的裂隙介质（EDA＋EDA）等4种类型裂隙介质的弹性性质，给出弹性参数计算公式，并分析了裂隙介质与各向异性之间的内在联系。     

当代地下水科学面临的新问题(下)

4．等价的多孔介质性质裂隙网络中溶质机械弥散研究的基本问题之一,是要确定一个把给定的裂隙系统处理为一个等价的均质的多孔介质连续体的方法。在多孔介质中,达西定律通过处理多孔介质为等价的连续体介质而使得计算介质中的宏观流量成为可能。等价多孔介质的流体运动特点可以用两种方式来分析。首先根据图12上的边界条件所构成的流场为等价的多孔介质性质进行单独的计算。然后,方向流动由在不同方向上的综合流动结果来分析。在多孔介质中,各向异性的特点可以根据唯一的渗透系数向量来计算。     

基于CT-CA的天然裂隙岩石受拉破坏特性研究

岩石内部存在的裂隙、孔洞等天然损伤对岩石的力学性能和破坏过程有重要影响,依据细胞自动机理论结合CT无损识别技术实现了含天然裂隙岩石在劈裂条件下裂纹扩展和贯通全过程及其力学性能变化规律的研究。从裂隙砂岩的真实细观结构出发,构建了天然裂隙岩石的数值计算模型,运用CASRock数值计算软件完成了含不同裂隙倾角的砂岩劈裂破坏的数值试验,分析了裂隙倾角对砂岩的力学特性、裂纹扩展过程及能量演化的影响规律。研究表明：(1)天然裂隙砂岩的抗拉强度与裂隙倾角密切相关,随着裂隙倾角的增加,其抗拉强度呈现先减小后增加的趋势;(2)裂隙起裂于天然裂隙尖端,当裂隙倾角0°≤θ<48°时,岩样的破坏是由错开型裂纹引起,裂纹沿着与天然裂隙近垂直方向扩展;当裂隙倾角48°≤θ<94°时,岩样的破坏是由张开型裂纹引起,裂纹沿着与天然裂隙近平行方向扩展;(3)劈裂过程中裂纹尖端应力场存在拉应力区和压应力区,拉应力造成翼裂纹由天然裂隙尖端沿加载端方向萌生扩展,而压应力则引发次生裂纹沿天然裂隙方向扩展;(4)含天然裂隙砂岩劈裂破坏过程能量演化可划分为4个阶段,随裂隙倾角的增大,峰值点处的总能量密度、弹性能密度先缓...     

对岩体加固工程的水文地质条件分析

裂隙岩体的透水性各向异性和透水率大小的随机性,决定着渗控 (加固 )工程钻孔方位、倾角的多样性。它说明渗控工程设计中把裂隙岩体透水性假定成各向同性是不合实际的。应根据岩体的水文地质条件,寻找出裂隙隙宽、透水性和透水率相对较大的方位和倾角作为渗控工程钻孔的矢量。     

单轴挤压应力作用下岩石中产生的裂隙的形状分布

根据P波速度数据可推测单轴应力状态下岩石样品中所产生裂隙的形状分布。施加于岩石样品的单轴压力达到一定应力范围,轴应力撤除后,测得样品中P波速作为静压力的函数。通过变换轴向应力的大小周期地反复进行上述过程。假设所产生的裂隙形状为球状,便可以速度数据反过来求得具不同纵横比的裂隙孔隙率的分布。对原始岩石样品来说,纵横比大的裂隙的孔隙率(厚裂隙)大于纵横比小的(薄裂隙)。当岩石样品受到较大的单轴挤压时,薄裂隙的孔隙率增加,厚裂隙的孔隙率减少。这种结果可能解释为:(1)大量剪切裂隙的出现;(2)由于轴向挤压应力的解除开口裂隙封闭;(3)未受力以前存在于原始岩石样品中的厚裂隙解体。     

裂隙岩体渗流概念模型研究

裂隙岩体中的渗流和传统的多孔介质渗流在机理上存在本质的差别,这种差别主要表现为裂隙岩体在各种尺度上存在的非均质性。模拟裂隙岩体渗流的主要困难在于描述这种非均质性。目前的概念模型,包括等效连续体模型、离散裂隙网络模型和混合模型使用了不同的技术来预测裂隙岩体中的渗流。这些模型基于不同的假设和概念框架,有着各自不同的优缺点。在实际应用时,应当根据研究域的具体特点和所要解决的问题的要求对其选择,此外,还讨论了单裂隙的概念模型。     

利用观测井的抽水试验分析裂隙介质特征的新方法

在关系式ｓ（ｒ，ｔ）＝Ａｔ￣Ｎ与描述裂隙介质中流体普通渗流方程的基本解之间，得到一新的分析方法。假定一个非整数的渗流维，而且假如至少具有两个观测井是有效的，以及渗流流经足够多的裂隙时，这种分析方法可以通过同描述多孔介质含水层相似的参数来刻划裂隙介质的特征。此时，渗流系统行为就是一分形实体。在几个方向上沿轴布置的观测井，可以分析出介质的各向异性的特征。野外的两个实际应用阐明了提出的方法。     

高岭石-多水高岭石矿物晶体形态与演化

通过对我国南方许多风化型高岭土矿床研究查明,在表生条件下形成高岭石-多水高岭石矿物的基本因素是决定于风化母岩的岩性和水介质的物化性质。水介质的物化性质又明显地受到风化母岩的岩性类型和结构构造、动力裂隙的发育程度、围岩的稳定性和透水性、气候、地形地貌和植被等因素的综合性制约。     

分形岩石裂隙中渗流扩散运动的试验研究

由于存在大量粗糙不规则裂隙,使得岩体中流体运动极为复杂。针对天然粗糙岩石裂隙渗流试验存在物理模型隐蔽性和不可重复性等难点,基于三维Weierstrass-Mandelbrot分形函数构建了粗糙节理面的裂隙通道,采用3D打印技术获得了透明精细的裂隙模型,使用微流体控制仪研究了不同试验条件下的裂隙渗流扩散运动,分析了裂隙通道流量与压力水头、裂隙宽度和分形维数之间的关系。研究结果表明：与平行板立方定律近似,在分形裂隙中,裂隙通道流量与压力水头成线性关系;单宽流量与裂隙通道的宽度成近似的三次方关系;考虑分形维数影响时,相同条件下流过裂隙通道的流量随着分形维数的增加而增加;粗糙裂隙渗流立方定律可采用与分形维数相关的幂指数函数进行修正。     

水平裂隙发育储层垂直井声波测井响应研究

裂隙在地壳中广泛存在,裂隙检测及裂隙油气藏的识别是当前石油勘探与开发中急需解决的难题。在各向同性岩石的背景上,裂隙的存在会导致各向异性。裂隙的形态及发育程度不同,其岩石物理性质及声波测井响应也不同。在Eshelby-Cheng裂隙介质模型的基础上,结合横向各向同性介质实轴积分全波模拟方法,研究了水平裂隙分布介质储层(VTI)声波测井响应特征,模拟了裂隙参数对声波测井的影响。从理论上为利用声波测井方法寻找油气提供了模拟结果根据,也为裂隙储层裂隙参数反演提供了一种有效手段。     

利用地质统计学方法模拟岩石裂隙网络的三维空间分布——以云南个旧高松矿田为例

裂隙在地学的诸多领域中均具有重要意义,其空间分布可以使用地质统计学方法进行模拟,同时考虑裂隙的方向(走向和倾角)。利用序贯高斯模拟方法可以估计裂隙密度的空间分布,并根据裂隙密度数值随机产生裂隙位置的空间分布。裂隙方向被划分成若干(非)均等的方向组,将裂隙方向归属到其所属方向组,表示为由若干二值变量组成的指示形式,0和1分别代表该裂隙方向不属于和属于该组。为了便于计算,减少方向指示变量的成分数目,使用主成分分析法求出方向指示变量的主成分,用普通克里格法估计各主成分的空间分布。把估计结果反演为原始的指示形式,并找出其中数值最大的方向组且将其赋值为1。按照对应方向组内裂隙方向的累积密度函数,随机产生裂隙的方向。根据估计结果,将符合一定距离和角度标准的裂隙元连接为一个裂隙面,从而形成裂隙网络。根据在云南个旧锡矿高松矿田白云岩中进行裂隙网络模拟的应用,可见该方法由于组合了序贯高斯模拟法、普通克里格法和主成分分析法,可以较好地对岩石裂隙位置和方向进行合理的模拟。     

韩城地区煤岩力学特性与破坏特征试验

韩城地区二叠系下统的山西组煤岩为含裂隙的低强度高脆性介质,其抗压强度和破坏特性与加载方式和加载速率有密切的关系。利用室内试验方法,对该地区煤层气储层煤岩开展了不同加载方式的力学研究。试验结果表明,煤岩的主裂隙(面割理)走向与加载方向的关系对煤岩的力学特性有较大影响,煤岩裂隙走向与加载方向垂直时的抗压强度是裂隙走向与加载方向平行时抗压强度的1.35倍;而弹性模量和泊松比正好相反,煤岩裂隙走向与加载方向平行时的弹性模量是裂隙走向与加载方向垂直时弹性模量的1.66倍,泊松比为1.15倍;在同等试验条件下,随着加载速率的增大,煤岩强度提高,但脆性增大,易呈脆性破坏。研究成果可为裂隙型煤岩的力学特性认识及在工程中的应用提供参考。