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。     

渗流的PFC-CFD耦合细观数值模拟

本文针对饱和多孔介质中渗流特点,在分析渗流连续介质力学模型的基础上,采用描述多孔介质中固相颗粒和液相流体耦合的细观力学模型,其中固相颗粒采用离散元的颗粒流理论(PFC)模拟,液相流体通过求解平均Navier-Stokes方程的计算流体动力学(CFD)技术计算,并利用建议的模型对二维渗流问题进行了模拟验证。数值模拟结果表明,采用PFC-CFD耦合细观力学模型能够描述从低雷诺流到高雷诺流范围很大的流体运动,可以用于多孔介质中的渗流问题分析。     

离散裂隙渗流方法与裂隙化渗透介质建模

流体渗流模拟的连续介质方法通常适用于多孔地质体，并不一定适用于裂隙岩体，由于裂隙分布及其特征与孔隙差异较大。若流体渗流主要受裂隙的控制，对于一定尺寸的裂隙岩体，多孔介质假设则较难刻划裂隙岩体的渗流特征。离散裂隙渗流方法不但可直接用于模拟裂隙岩体非均质性和各向异性等渗流特征，而且可用其确定所研究的裂隙岩体典型单元体及其水力传导（渗透）张量大小。主要讨论了以下问题：（1）饱和裂隙介质中一般的离散流体渗流模拟；（2）裂隙岩体中的REV（典型单元体）及其水力传导（渗透）张量的确定；（3）利用离散裂隙网络流体渗流模型研究裂隙方向几何参数对水力传导系数和REV的影响；（4）在二维和三维离散裂隙流体渗流模型中对区域大裂隙和局部小裂隙的处理方法。调查结果显示离散裂隙流体渗流数学模型可用来评价不同尺度上的裂隙岩体的水力特征，以及裂隙方向对裂隙化岩体的水力特征有着不可忽视的影响。同时，局部小裂隙、区域大裂隙应当区别对待，以便据其所起的作用及水力特征，建立裂隙化岩体相应的流体渗流模型。     

基岩裂隙水渗流数值模拟研究综述

裂隙岩体中的渗流规律与传统多孔介质渗流规律存在本质的区别,裂隙岩体渗流具有不均匀性、各向异性和非连续性等特点,如何更好地刻画裂隙水渗流的这种特点是当前裂隙水数值模拟的热点与难点。介绍了裂隙岩体地下水渗流特性,对目前裂隙水渗流模型及其优缺点进行比较、分析,同时对主流数值计算方法和数值模拟软件进行概括介绍。     

非饱和裂隙岩体渗流的统计模型研究方法

常规方法研究非饱和裂隙介质往往采用宏观连续体的概念,然而现场试验证明,非饱和裂隙岩体中的渗流具有相当的非均质性。天然裂隙岩体的非饱和渗流是发生在三维裂隙网络中的多场非等温流,要在不完整的信息基础上刻画和表现介质的不均匀性,通常借助随机模拟的手段。将三维裂隙系统近似为概化的二维非均匀多孔介质的二维平面裂隙。采用模拟退火法将取自各种来源的信息资料通过建立适当的目标函数汇集至模型之中,以此模拟裂隙的空间特征。     

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     

基于分形理论的赫巴流体在多孔介质中的渗流模型

泥浆是一种用途广泛的工程浆液，在工程施工过程中会渗流进入地层，给工程带来一定的影响。为深入研究泥浆的渗流机理，把地层模拟为多孔介质，泥浆模拟为能更全面地反映其流变性能的赫巴流体，基于分形理论，建立赫巴流体在多孔介质中的渗流模型。基于渗流模型计算结果，详细分析压力梯度、流性指数、稠度系数及孔隙率等参数对多孔介质中赫巴流体瞬时平均流速的影响，指出流速变化与压力梯度、流性指数及稠度系数的变化均呈幂指数关系，与孔隙率变化呈二项式关系，且流性指数是一个影响赫巴流体渗流速度的极敏感因素。渗流模型计算结果为相关工程中泥浆方案的设计与施工奠定了一定的理论基础。      

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。     

多空隙组合地质单元渗流理论分析与试验

岩体通常是以孔隙岩石为基质并包含各种成因的裂隙和溶隙的复杂多空隙组合地质材料。为研究孔隙-裂隙-溶隙多空隙组合介质的渗流特性,在简要介绍多孔介质渗流Darcy定律、平板窄缝流Poiseuille定律和圆形管道流Darcy-Weibach理论的基础上,分析了几种孔隙-裂隙-溶隙组合情况的多空隙介质渗流特性,推导出相应组合的等效渗透系数KE,给出了描述多空隙组合介质KE的一般表达式,讨论了影响各种空隙组合KE的主要因素。以普通砖模拟岩石基质,通过砖身钻孔填充及砖间缝隙填充,试验模拟了岩溶岩体和裂隙岩体中溶孔和裂隙填充后的渗透情况。试验结果与所推求理论公式计算出的KE在同一量级且误差很小,很好地验证了所推导的多空隙组合介质渗透系数表达式的有效性。     

裂隙网络非连续介质渗流场与温度场耦合分析研究

在岩体水力学研究中,一个重要问题就是岩体渗流场与温度场的耦合分析。笔者关注了国内外相关的研究,对其发展的趋势进行了展望。系统综述了裂隙岩体渗流-温度耦合的研究情况,阐明了裂隙岩体三种渗流模型的特点、适用范围及裂隙网络非连续介质模型的研究概况,分析了裂隙岩体渗流-温度耦合作用研究及工程应用。最后,提出基于裂隙网络非连续介质渗流温度耦合分析是目前亟待解决的课题,并指出今后需要深入研究的问题。     

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。     

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。     

裂隙岩体渗透结构类型分析

岩体的渗透结构控制着裂隙岩体的宏观渗透特征,而控制着岩体渗透结构类型的地质因素却是复杂多样。在实际工程岩体中,裂隙岩体的渗透结构通常是由基本渗透结构经过组合叠加而形成的复合渗透结构类型。本文通过野外调研和室内统计分析,总结了裂隙岩体中广泛存在的5种基本渗透结构类型及其4种组合形式的复合渗透结构类型及其渗流特征,分别归为Ⅰ-Ⅱ型、Ⅲ-Ⅳ型、Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型和Ⅰ-Ⅲ-Ⅳ型。并选择一工程实例,运用裂隙岩体复合渗透结构类型的分析方法,分析了西南某水电站主厂房和开关站边坡岩体的复合渗透结构类型以Ⅲ-Ⅳ型和Ⅰ-Ⅲ-Ⅳ型为主,更符合实际情况。     

孔隙裂隙双重介质的三维逾渗数值模拟研究

基于三维孔隙介质的逾渗模型,首次把裂隙这一重要的渗透通道引入到三维逾渗研究中,提出了孔隙裂隙三维逾渗的研究方法,并建立了孔隙裂隙双重介质三维逾渗模型,这一模型的建立使得逾渗理论的研究成果可以被应用到更多的领域中,如煤体、岩体等。基于VC++6.0开发了孔隙裂隙双重介质三维逾渗模拟软件,模拟研究了双重介质的逾渗规律,模拟研究表明：裂隙的存在在很大程度上提高了介质的逾渗概率,使孔隙裂隙双重介质的逾渗规律明显不同于孔隙介质;随孔隙率、裂隙分形维数、裂隙数量分布初值由小到大逐渐增长,必然发生逾渗转变的自然现象。     

Hydro-geomechanical modelling of seal behaviour in overpressured basins using discontinuous deformation analysis

A coupled hydro-geomechanical modelling environment, developed to evaluate the coupled responses of fluid flow in deforming discontinuous media, is described. A staggered computational framework is presented, where the two simulations tools, HYDRO and DDA, communicate via the mapping of an equivalent porosity (and related permeabilities) from the rock system to the fluid phase and an inverse mapping of the pressure field. Several algorithmic and modelling issues are discussed, in particular the computational procedure to map the current geometry of the discontinuous rock blocks assembly into an equivalent porosity (and permeability) field. A generic, geometrically simple, overpressured reservoir/seal system is analysed for illustration. Further examples investigate discontinuous, fractured configurations in flexure causing a degree of spatial variability in the induced stresses. Model predictions show that the combination of hydraulic and mechanical loads causes a dilational opening of some pre-existing fractures and closure of others, with strong localisation of the modified flow pattern along wider fracture openings.     

塑性扩容梯度对孔隙介质岩体中T-H-M耦合作用的二维有限元分析

由双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型退化为单一孔隙介质模型,将其与岩体扩容梯度引入笔者所研制的二维有限元程序中,使用Mohr-Coulomb准则,计入塑性扩容对岩体孔隙率及渗透系数的影响,针对一个假设的实验室尺度且位于饱和孔隙介质岩体中的高放废物地质处置库模型,拟定不同扩容梯度值的5种工况,进行4年处置时段的数值模拟,考察了岩体中的温度、正应力、塑性区、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力和地下水流速的变化、分布情况。结果主要显示,相比于不考虑扩容梯度的工况,考虑扩容梯度工况的正应力、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力和地下水流速等的分布与塑性区的分布有明显的对应关系,呈现了某种"剪切带效应";正应力量值、塑性区面积、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力、地下水流速等均随所取扩容梯度值的变大而增加。     

微生物灌浆加固裂隙岩体的渗流特性分析

裂隙岩体的防渗加固是影响工程稳定和安全的关键技术问题之一。在以往微生物加固砂土技术基础上,将微生物加固技术应用于裂隙岩体灌浆加固,研究结果表明,(1) 加固前围压对裂隙岩样的水力开度影响很大,加固后裂隙被碳酸钙沉积物充填,岩样的渗流由裂隙渗流转变为孔隙渗流,单位渗流量和渗透系数由围压和渗透水压共同控制;(2) 微生物灌浆加固后,不同围压和渗透水压力作用下裂隙岩样的单位时间渗流量减小了80.12%～90.04%,渗透系数可达到10–6 cm/s数量级;(3) 裂隙岩样灌浆加固过程中微生物诱导产生的CaCO3沉积物具有较好胶结作用,将劈裂岩样胶结为一个整体,达到了加固防渗效果。研究成果可为裂隙岩体的灌浆加固提供较好的参考。     

Identifying the Representative Elementary Volume for Permeability in Heterolithic Deposits Using Numerical Rock Models

Using a range of realistic 3D numerical lithofacies (dm-scale) models of ripple laminated sandstone intercalated with mudstone we evaluate how single-phase permeability varies as a function of sample support. The models represent a range of mudstone content which is typical for tidal deposits. Furthermore, the spatial distribution of flow barriers (i.e. mudstone) is not random, but governed by sedimentological rules giving a variable anisotropy ratio as a function of mudstone content. Both vertical and horizontal permeability are found to vary at small sample volumes, but these fluctuations reduce as the sample volume increases. The vertical permeability increases while the horizontal permeability is nearly constant as a function of sample support for small mudstone contents. For higher mudstone content, the horizontal permeability decreases while the vertical permeability is nearly constant as a function of sample support. We propose a criterion, based on a normalised standard deviation, to determine the Representative Elementary Volume (REV). The size of the REV is dependent on both the property measured (vertical and horizontal permeability) and the correlation lengths of the lithological elements (i.e. lithofacies). Based on this we identify three flow upscaling regimes that each require a different method for upscaling: (1) layered systems where the arithmetic and harmonic averages are appropriate, (2) systems close to the percolation threshold where a percolation model should be used, and (3) discontinuous systems where an effective medium method provides the best estimate of permeability. The work gives, by using numerical experiments on a range of heterogeneous systems, a new insight in determination of the REV for permeability at the lithofacies scale and its relation to sedimentological parameters.     

An Approach for Modeling Rock Discontinuous Mechanical Behavior Under Multiphase Fluid Flow Conditions

In this paper, the two computer codes TOUGH2 and RDCA (for “rock discontinuous cellular automaton”) are integrated for coupled hydromechanical analysis of multiphase fluid flow and discontinuous mechanical behavior in heterogeneous rock. TOUGH2 is a well-established code for geohydrological analysis involving multiphase, multicomponent fluid flow and heat transport; RDCA is a numerical model developed for simulating the nonlinear and discontinuous geomechanical behavior of rock. The RDCA incorporates the discontinuity of a fracture independently of the mesh, such that the fracture can be arbitrarily located within an element, while the fluid pressure calculated by TOUGH2 can be conveniently applied to fracture surfaces. We verify and demonstrate the coupled TOUGH–RDCA simulator by modeling a number of simulation examples related to coupled multiphase flow and geomechanical processes associated with the deep geological storage of carbon dioxide—including modeling of ground surface uplift, stress-dependent permeability, and the coupled multiphase flow and geomechanical behavior of fractures intersecting the caprock.     

Groundwater Behaviour in Layered Slope Rock Mass And Finite Element Simulation

The paper deals with the relatively weak permeable layer in a layered structure of a slope rock mass and itseffect on groundwater behaviour in the rock mass. When the whole groundwater table is declined in such typeof slope rock mass, the permeability of the relatively weak permeable layer in the middle will be several timeslower than that of the upper and lower permeable layers and consequently the water level in layers of differentpermeability will fall in different rates which will lead to a discontinuous phenomenon of the water body. Amethod of finite element simulation on a vertical two-dimensional profile is suggested for the study of the phe-nomenon and its application to practical situation is described. The calculation result shows that the existingweak permeable layer in a layered slope rock mass exerts unnegligible influence on the variation of water levelin the rock mass of a slope. The result also proves the applicability of the finite element simulation method.