三维应力作用下岩体单个裂隙的渗流特性分析

天然岩体中存在着大量的孔隙和裂隙,这些缺陷不仅改变了岩体的力学性质,也严重影响了岩体的渗流特性。在对现有裂隙岩体渗流特性研究成果进行分析的基础上,讨论了岩体单个裂隙的力学性质和渗流对单个裂隙岩体产生的力学作用,研究了岩体单裂隙渗透系数与岩体三维应力的关系,考虑了裂隙粗糙度对渗流的影响以及不同方向应力对渗透性影响的差异,分析了单个裂隙岩体在三向应力作用下的渗流特征,得出了裂隙所受三维应力与渗透系数关系式,认为垂直于裂隙面的应力对岩体渗透性起主导作用,岩体渗透系数随垂直裂隙面应力的增加而迅速减小。通过与渗流规律试验结果对比分析,证明了所得单个裂隙岩体渗透系数表达式的正确性。     

一种基于地质指标的裂隙岩体渗透系数估算模型

裂隙岩体的渗透特性受控于裂隙的发育特征、连通特性和充填情况,并与岩体的地应力水平具有显著的相关性。基于裂隙岩体渗透性的影响因素,并考虑现有渗透系数估算模型的不足,利用钻孔压水试验和钻孔电视图像资料,建立考虑埋深(Z)、岩石质量指标(RQD)以及充填物指标(FSD)等3个指标的渗透系数估算ZRF模型,并应用到牙根二级水电站及其他工程区的渗透系数估算中。结果表明,与已有的渗透系数估算模型相比,ZRF模型较好地反映了岩体渗透性的影响因素,且模型参数物理意义明确,便于获取,对分析裂隙岩体渗透性具有一定的工程参考价值。     

充填物的力学响应对裂隙渗流的影响

针对膨胀性充填物对裂隙岩体渗流影响方面研究较少的现状,基于大冶铁矿充填介质的水理性质和蚀变岩体力学参数测试成果,在充填物膨胀压力与蚀变岩体力学参数对比分析的基础上探讨了充填物的力学响应对裂隙渗流的影响。研究表明,充填物的膨胀效应对蚀变岩体力学变形起着重要的控制作用,充填物膨胀产生的拉张效应和剪切效应都导致裂隙渗透性的显著增加,并且充填物的塑化效应和液化效应也明显提高了裂隙的渗透性。     

岩体裂隙网络等效渗透系数方向性的数值计算

采用渗流力学理论并结合Monte Carlo方法描述岩体裂隙的随机分布,研究渗流模型的尺寸效应并确定表征单元体积（REV）,得到了3种开口度分布形式的等效渗透系数椭圆曲线,建立了等效渗透系数方向性的判别标准。离散裂隙网络（DFN）模型假定流体只在岩体裂隙内部流动,而不通过岩体本身渗流。基于二维离散元程序UDEC并进行二次开发,建立DFN模型,通过改变流体的流动方向,得到不同流动方向下岩体裂隙网络的等效渗透系数,并分析不同的开口度分布形式对岩体裂隙网络等效渗透系数方向性的影响。计算结果表明,表征单元体积存在的条件是等效渗透系数保持稳定且渗透椭圆比较光滑。等效渗透系数的方向性受开口度分布形式的影响很大：当开口度-长度关联分布时,等效渗透系数各向异性;当开口度对数正态分布时,等效渗透系数各向同性;当开口度恒定分布时,等效渗透系数的特性介于二者之间。变化系数（CV）是否大于5%是判定岩体裂隙网络渗透系数是否具有方向性的判别标准。     

四川自一里水电站气垫式调压室围岩渗透性评价

结合自一里水电工程气垫式调压室设计厂房区岩体渗透性研究,提出了从定性分析到定量计算与评价,系统刻画岩体渗透性与分区评价,以满足气垫式调压室设计要求的实用方法.该方法以基础地质与水文地质研究为背景,从系统全面的裂隙测量与统计分析中,获取岩体裂隙空间发育规律和裂隙方向、隙宽、迹长、间距和裂隙率等统计特征值,运用裂隙岩体渗透张量理论,得出分布式岩体渗透主值和综合渗透系数;在此基础上,进行岩体渗透性分区与评价.评价得出:花岗岩夹变质砂岩透镜体的厂区岩体渗透性总体随深度变化,受接触带影响局部渗透性呈强弱交替变化;区内裂隙岩体的渗透性分3级,近地表浅层岩体渗透性较强,综合渗透系数为n×100m/d～n×10-1m/d,调压室区为中等～弱渗透性岩体,渗透系数为n×10-2m/d～n×10-4m/d.     

裂隙岩体渗流特性物模试验研究进展

简要综述了国内外裂隙岩体单裂隙、水力耦合、非饱和及考虑填充物情况下的渗流特性物模试验研究成果,并做了相应的分析和讨论。分析表明：物模试验在研究裂隙岩体渗流特性方面具有不可替代的作用;需要进行更多的模拟实际岩体裂隙的试验;反映剪应力或三维应力影响的物模试验是一个需要加强的方向;真正意义上的非饱和渗流试验还很少;填充裂隙渗流的研究更具实际意义,也待于加强。分析结果为今后的裂隙岩体渗流特性物模试验研究提供了有益的方向     

剪胀对复杂裂隙岩体渗透性影响的离散元分析

裂隙岩体流固耦合问题是目前国内外研究热点之一,采用离散元软件UDEC对裂隙岩体发生节理剪胀的渗透性变化规律进行了模拟分析。基于现场调查的裂隙信息统计生成裂隙网络岩体模型。 通过固定垂直应力、不断增加应力比RS(RS=水平应力/垂直应力)使岩体出现剪胀,采用库伦滑移节理模式对岩体在剪胀过程中的渗透性变化情况进行模拟。结果发现:当应力比较小(RS3.1)时,节理水力隙宽、流速、渗透系数等参数都随着应力比的增加表现出明显的降低; 而当岩体出现剪胀现象之后(应力比大于3.1),发生剪切滑移和剪胀现象的节理控制着裂隙岩体的总体渗流行为,与不考虑节理剪胀的计算结果相比,岩体渗透能力出现了显著增长。这一结果表明,剪胀对裂隙岩体渗透性的影响是显著而不可忽视的。     

渗透系数的各向异性对裂隙水渗流潜水面的影响

天然岩体是多相的不连续介质，在其中分布有大量的节理裂隙，这些裂隙的渗透能力要比岩石高几个数量级，构成了地下水流的主要通道，并控制着地下水渗流的运动规律．由于裂隙分布的方向性，导致裂隙岩体的渗流具有明显的各向异性．本文便在规则裂隙岩体模型的基础上，改变每组裂隙的渗透系数，利用有限元计算出裂隙水渗流的潜水面，分析了裂隙岩体渗透系数的各向异性对裂隙水渗流潜水面的影响．     

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。     

冻结条件下平行双裂隙岩体力学特性试验研究

裂隙是影响工程岩体稳定的重要因素,而平行双裂隙是一种重要的裂隙分布形式,基于已有的研究成果,开展一系列平行双裂隙类岩石三轴压缩试验,研究裂隙产状对平行双裂隙岩体力学性质和破坏形态的影响。试验结果表明:平行双裂隙岩体强度、弹性模量和泊松比受迹长和迹长比共同影响,受裂隙间距影响较小,随倾角增大,先减小后增大;倾角30°时,破裂面起始于裂隙端部贯穿岩桥,并沿最大主应力方向发展,倾角在30°~60°之间时,沿其中一条裂隙剪切破坏。迹长和迹长比较小时(贯通率25%,迹长比2.5),破坏形态与裂隙无关;迹长较大(贯通率75%),迹长比较小时(迹长比1),破坏形态取决于长裂隙;迹长介于两者之间时(贯通率25%~75%),迹长比接近1时,受两条裂隙共同影响。     

Effects of crustal stresses on fluid transport in fractured rock: case studies from northeastern and southwestern USA

The link between stress and hydrologic properties was examined at two sites that are distinguished by different rock types and different stress states. This investigation is based upon the analysis and interpretation of geophysical logs obtained in water wells at the two locations. At the northeast site (Newark Basin), the hydrologic characteristics of sedimentary rocks are dependent upon the relationship to the current regional stress field of two primary types of orthogonal features that serve as preferential pathways for fluid flow. Subhorizontal bedding-plane partings are highly transmissive near the surface and delineate transversely isotropic fluid flow at shallow depths. With increasing depth, the subhorizontal planes become less dominant and steeply dipping fractures become more influential hydrologically. These high-angle features define anisotropic flow pathways that are preferentially oriented along strike. At the southwest site (west Texas), extrusive rocks are subjected to topographically modified tectonic and gravitational stresses that vary spatially within a valley setting. The attendant changes in stress invariants cause fracture connectivity within the rock mass to systematically increase with depth along the valley flanks, but to remain relatively low in the central valley. The degree of fracture connectivity predicted within this valley configuration is consistent with variations in transmissivity determined at several well locations. In each of these cases, the idealized understanding of the hydrologic system is enhanced by considering the effects of regional and local stresses that act upon the fractured-rock aquifer. Electronic Publication     

低渗储层裂缝发育期次研究

低渗储层中的裂缝是不同时期构造应力场的产物,具有不同的裂缝样式,确定裂缝形成期次对裂缝研究和油气聚集研究具有重要意义。岩心观察法:适用于存在明显切割关系、限制终止和组系关系的裂缝,低渗储层裂缝不发育,组系性差,这种方法通常受限。产状分析法:除分析裂缝的走向外,还需要重视倾向和倾角,并结合区域和局部构造应力场对裂缝进行期次划分。充填物分析法:需结合充填物类型、特征,以及充填物形成时的沉积、构造、油气充注特征,以达到准确划分的目的。声发射方法:可能提供裂缝发育的期次,需要结合区域声发射资料及区域构造演化史,才能准确判断裂缝的具体形成时期。综合运用上述方法,得出渤海湾盆地东营凹陷牛35块沙三中裂缝的发育期次分为4期:沙三中—沙二期、沙一—东营期、东营末期和明化镇期。     

基于RJM断续节理岩体强度与破坏特征的数值模拟研究

裂隙结构的存在对于工程岩体的强度和稳定性具有重要影响,岩石宏观裂隙的产生源自于微破裂的积累。针对岩体裂隙的粗糙特性,通过Matlab建立考虑粗糙度的节理模型（Roughness Joint Model）,采用简化的正弦曲线来表示粗糙节理,并将其导入到颗粒流试验模型中进行单轴压缩试验。对比完整岩体、直线型裂隙岩体、RJM岩体三者破坏的应力-应变曲线,改变裂隙倾角（与水平方向夹角）α,岩桥倾角β,裂隙密度γ,建立不同裂隙分布的断续节理岩体数值试样,开展一系列数值模拟试验。研究结果发现:（1）裂隙的存在明显降低了岩体的抗压强度,RJM模型峰值强度和峰值应变均高于直线型裂隙岩体;（2）岩体抗压强度总体上随裂隙倾角增大而增加,随裂隙密度增加而减小,但随岩桥倾角的改变呈非线性变化,岩桥倾角45°时峰值强度最低,峰值应变最小;（3）裂隙分布会影响岩体的破裂模式,微裂隙的扩展反映了岩体力学性质的各向异性;（4）不同倾角下增加裂隙密度,岩体强度下降程度不同,倾角75°时密度对强度影响最小,30°和60°时影响最大。     

深部开采底板岩体卸荷损伤的强扰动危险性分析

为研究深部高应力岩体强烈的卸荷效应扰动底板破坏并诱发突水的危险性,根据卸荷力学理论,研究了深部开采卸荷对底板扰动破坏的影响,运用离散元软件计算了深部开采底板卸荷损伤的强扰动特征,基于三轴卸荷试验及损伤因子概念推导了卸荷量与损伤因子的关系,获得了底板岩体卸荷的扩展破坏条件,划分了底板卸荷扰动分区,分析了深部开采底板岩体卸荷损伤破坏的强扰动危险性。结果表明：随采深增加,底板卸荷起点及卸荷应力增加,卸荷量却降低,而深部开采较小的卸荷量便造成底板严重损伤破坏;岩体卸荷量越大,卸荷速率、位移量及渗透系数越高,越易致其扩展破坏;裂隙倾角及水平应力与垂直应力比值越小,越易满足底板岩体卸荷的扩展破坏条件。     

回采工作面围岩采动应变场-渗透系数场耦合

采动岩体变形与渗透特性是工作面突水防治研究的基本问题。采用理论分析和数值模拟计算方法,分析了岩石变形-渗透特征及其三维定量关系,研究了煤炭开采中回采工作面围岩应变场、渗透系数场分布及其控制因素。研究结果表明,采动岩体渗透性变化主要取决于应变状态及应变增量,且随着垂直于裂隙的张应变的增加而增加;工作面后方垮落带和煤壁边缘的剪碎带产生剧烈的采动拉伸变形,渗透系数较采前显著增大,而支承压力区和整体移动带岩层产生较大的采动压缩变形,渗透系数较采前明显减小;工作面围岩垂向渗透系数较水平渗透系数增加的幅度及增加区的范围小,但对水体下采煤工作面涌水起主导作用。加快工作面推进速度、减小工作面斜长和采高能降低采场围岩渗透系数增加幅度,并将渗透系数场变化范围局限在采区附近,能有效减小采动对原始煤岩层渗透性的影响。      

多尺度岩石渗透特性的试验研究

岩体赋存于一定地质环境中,经过漫长的地质构造作用,形成由连续性状的岩石材料和非连续性状的各种地质结构面组成的复杂地质体。渗透率是影响这种复杂岩体渗透特性的重要参数之一,渗透率选择的正确与否直接关系到裂隙岩体渗流分析结果的可靠性与工程稳定性。采用室内试验的方法,结合达西定律确定裂隙岩体的渗透率。通过自行研发的5种尺寸压力室测定不同尺寸岩石试样的渗透率,得到由不同裂隙、孔洞组合的岩石试样在稳定流、非稳定流下的渗透率,并由此分析得到多尺度岩石的渗透特性。从多组试验结果中分析可得,随着岩石试样的尺寸增加,岩石的渗流通道增多,从而渗透率增大,但增大到一定程度后会趋于稳定,这一渗透规律对实际工程有指导意义。     

渗流应力耦合作用下顺倾向层状边坡各向异性渗流特征数值模拟

渗流场与应力场耦合作用下边坡渗流规律对研究边坡稳定性至关重要,应用基于等效连续介质模型和Louis经验公式建立的各向异性岩体渗流应力耦合模型,对顺倾向层状边坡的各向异性渗流规律进行了模拟分析。研究表明：顺倾向层状边坡中水位降深随结构面倾角θ的增大先升高、后降低,呈现两头低、中间高的形态,且越靠近溢出点,结构面倾角对水位降深影响越大;θ约为42°时水位降深最大,潜水面最低,同时渗透各向异性系数达到最大值;顺倾向边坡岩层产状一定时,随着埋深的增加,岩体渗透各向异性系数逐渐减小,裂隙控渗特征由显著到逐渐变弱,表现出向各向同性渗流过渡的趋势。     

Strike Standard Deviation for Shallow-dipping Rock Fracture Sets

Summary The well-known problem that the observed strike of a shallow-dipping rock fracture can vary widely, even if one re-measures the strike in the same location, is dealt with in this paper. The overall purpose of the paper is to place the statistical estimation of the strike confidence interval for shallow-dipping rock fracture sets on a sound foundation. We have made series of strike measurements at each of various dips on a wooden laboratory “fracture” to allow estimation of strike standard deviation at all shallow dips. This is accurate for smooth rock and serves as a lower bound estimate for rock with a rougher surface. These estimates are used, along with two independent iterative statistical procedures, to re-estimate the dip direction confidence interval of an actual set of nineteen fractures. The dip direction confidence interval is more than three times as wide as the corresponding dip confidence interval. This will be made visible in our transformed confidence region plot for the mean pole.