岩体粗糙裂隙网络渗流分析的子单元法

岩体粗糙裂隙的细部特征对区域整体渗流分析影响很大,以往渗流分析往往没有考虑粗糙裂隙细部特征以及其对整体渗流分析的影响。提出子单元法来分析岩体粗糙裂隙网络渗流,则可以较好的分析上述影响。子单元法将每一裂隙当成一个单元,裂隙内部则分成若干子单元,裂隙单元的总体水力特征受所有的子单元联合作用控制,而细部水力特征由单一子单元体现。根据单裂隙开度分布统计规律模拟裂隙开度分布,将单裂隙等长分段(子单元),根据模拟开度参数求得裂隙中任一子单元的平均隙宽,进一步推导裂隙的单宽流量公式和子单元结点的水头公式。利用岩体裂隙网络渗流理论,结合粗糙单裂隙等宽流量公式,求得各裂隙结点水头,进一步求得裂隙的单宽流量,进而求得裂隙子单元水头和流速。通过分析可得粗糙裂隙网络渗流与平滑裂隙网络存在明显不同:(1)裂隙网络中任一裂隙单宽流量计算公式不同,粗糙裂隙的等效水力隙宽小于平均隙宽;(2)裂隙内水头分布形式不同,光滑裂隙呈直线状分布,而粗糙裂隙呈阶梯状分布;(3)组成裂隙网络渗流传导矩阵的计算公式不同,粗糙裂隙网络考虑了裂隙细部水力特征对渗流的影响;(4)粗糙裂隙子单元法考虑了裂隙开度分布不均匀对裂隙过流能力的影响,更加合理。本研究可为实际工程提供参考。     

一种裂隙岩体渗流场有限元分析的改进模型

研究裂隙岩体渗流的模型有等效连续介质模型、裂隙网络模型和双重介质模型等。等效连续介质模型受到样本单元体REV的限制，裂隙网络模型和双重介质模型复杂，处理难度较大。为此，在分区的同时考虑结构面和岩块的渗透特性，并考虑结构面法向与岩块之间的水力交换，利用两类介质接触处水头相等及节点流量平衡建立新的模型。对所建立模型的渗流场有限元公式进行推导，并通过与试验结果对比验证了该模型的正确性及实用性。     

坝基岩体裂隙渗流效应数值模拟方法

为获取工程尺度的裂隙岩体三维渗流效应,在裂隙岩体基质岩块和裂隙水力传导特性研究基础上,推导了含裂隙单元渗透系数表达式。基于嵌入裂隙单元（EFE）模型,使用离散裂隙网络（DFNs）技术与连续介质渗流分析方法,提出了利用连续介质渗流分析方法模拟非连续介质渗流效应的数值模拟技术,通过算例对该方法的有效性进行了验证,分析了单元尺度大小对该方法计算准确性的影响,并提出了提高计算精度的措施。工程实例研究表明裂隙岩体渗流分析的EFE模型能够真实地模拟坝基岩体渗流路径和孔隙压力分布,更好地揭示坝基的扬压力实际非规则分布形态。     

三维离散裂隙网络渗流模型与实验模拟

本文根据天然裂隙系统发育规律及其渗透机制，将复杂的裂隙系统划分成带状断层、面状裂缝和管状孔洞三大类型，在忽略岩块渗透性的前提下，建立了由管状线单元、缝状面单元和带状体单元组合而成的三维裂隙网络渗流数值模型，为检验模型的合理性，在室内利用混凝土试块制成的离散体来模拟三维裂隙网络结构，设定不同的边界水位和降雨入渗对裂隙中渗流进行了实验，利用数值模型对实验结果进行了模拟，初步验证模型是合理而可靠的。     

三维裂隙网络非稳定渗流数值分析

研究裂隙岩体中渗透水流随时间、边界条件的变化规律，从而客观反映渗透水流情况，具有重要的意义。本文针对分布特别稀疏的三维主干岩体裂隙网络，以渗流区内的水量平衡原理为依据建立基本方程，推导三维岩体裂隙网络非稳定渗流的基本方程；并将三维裂隙网络渗流理论及有限元数值方法运用于主干岩体裂隙网络渗流分析中。基于裂隙岩体网络非稳定渗流数学模型，编制相应的程序。对于工程实例，根据实测情况利用Monte-Carlo模拟出岩体中二级裂隙网络分布情况进行分析，然后进行了三维非稳定渗流分析。计算结果充分体现了岩体中裂隙网络的储水性，当边界条件发生变化时，裂隙岩体中水头分布变化存在一定的滞后性；并表明主干裂隙的强导水性，使得裂隙岩体中的主干裂隙的渗流分析成为渗流分析中的重点。     

裂隙岩体渗流新模型

为适应网状和层状渗透结构，根据多边形裂隙网络理论．确立了裂隙网络生成的原理和方法，系统地推导了在渗流和应力耦合作用下裂隙岩体渗流模型。并结合拉西瓦水电站坝区岩体裂隙构造的特征，进行了渗流计算和分析；还与连续介质和裂隙网络渗流模型进行了计算比较。     

裂隙岩体二维渗流水力学理论模型研究

本研究主要内容包括 :裂隙岩体随机网络模拟、分形几何描述裂隙岩体参数几何特征、二维裂隙岩体等效渗透系数估算、二维裂隙岩体渗流应力耦合 非耦合模型、三维等效连续介质渗流模型、二维裂隙岩体连续介质与离散介质耦合模型、渗流模型与离散元应力模型耦合分析工程问题等。(1)利用三维裂隙网络随机模拟模型 ,针对乌江构皮滩水利枢纽工程平硐裂隙数据 ,研究其裂隙几何参数的分布情况 ,对其中一个优势裂隙组进行了模拟和检验。在模型中 ,基于蒙特卡罗方法 ,对裂隙隙宽的模拟进行了尝试。并应用分形几何的理论对其网络分维和裂隙数分维进行了研究 ,提出应用分形几何来模拟裂隙岩体中裂隙几何参数的方法。(2 )基于裂隙网络的转形 ,提出了裂隙岩块等效渗透系数的简便算法。与数值计算方法比较 ,其计算更简便迅速。 (3)推导了裂隙渗流和应力耦合的理论关系 ,建立二维裂隙岩体渗流应力耦合 非耦合非稳定流模型和三维等效连续介质渗流模型。耦合模型中应用经典耦合关系进行了计算验证 ,模型可以计算多种耦合关系。 (4)建立二维裂隙岩体连续介质和离散介质耦合非稳定流模型 ,并对其数值算法进行了研究。耦合模型使用离散介质渗透理论描述岩体主干裂隙中的水运动 ,使用连续介质渗流理论来描述岩体次要裂隙及孔     

考虑裂隙迹长和开度相关性的随机裂隙网络数值模拟及渗流分析

基于蒙特卡罗法,引入裂隙迹线长度和开度的相关性函数,提出了一个改进的随机裂隙网络生成算法。利用MATLAB平台编制程序,实现二维裂隙网络的生成,通过与布尔模拟生成的真实裂隙场的比较,验证了改进算法的有效性和程序的正确性。然后借助离散裂隙网络渗流模型对生成的裂隙网络进行渗流分析。分别在考虑迹长开度相关性和不考虑二者相关性的条件下,计算了随机裂隙网络的渗流场,给出了下游边界出口裂隙流量分布和裂隙网络内部水压力的分布。计算结果表明,考虑裂隙迹线长度和开度的相关性能很好地反映裂隙网络渗流的结构特征,从而证明了所提方法的合理性。该模型是对随机裂隙网络模型的有效补充,可为岩体工程渗控分析提供理论基础和数值计算工具。     

基于离散裂隙网络模型的边坡渗流研究

以渗流立方定理、质量守恒定理和水流不可压缩假设为基础,对岩体裂隙网络及裂隙岩体的渗流机理进行合理简化和假设,利用Monte-Carlo方法随机生成具有一定分布规律的裂隙几何信息,通过净化处理最终建立裂隙渗流网络模型,并用PCG算法和Fortran语言开发相应的计算程序,对具有复杂裂隙网络的边坡进行渗流计算分析,获得有排水和无排水2种条件下裂隙边坡的渗流规律,为研究岩石裂隙边坡的渗流-应力耦合效应和边坡稳定性分析提供参考。     

裂隙岩体渗流模型及渗流参数的现场试验研究

裂隙岩体渗流常受控于主干渗流通道，表现出明显的分类、分带和分级性。以裂隙渗流主通道为骨架，以各向异性连续体渗流为基础的双重介质渗流模型较适合裂隙岩体诊流。针对拉西瓦工程花岗岩体渗流特点，综合样本单元体积理论研究，提出了以吸水率为裂隙网络渗透能力的特征量，分类划分两种模型，分带、分级地生成渗流网络的方法。并以导水系数和渗透张量为工具，利用改进了的气压或水压止水胶囊三段压水器，摸索了在同一钻孔中分别对主干渗流通道及合裂隙岩体测试渗流参数的双重介质同孔渗流参数测试法。     

A REVISED SOLUTION OF EQUIVALENT PERMEABILITY TENSOR FOR DISCONTINUOUS FRACTURES

The equivalent permeability tensor is essential to the application of the equivalent porous media model in the numerical seepage simulation for fractured rock masses. In this paper, a revised solution of the equivalent permeability tensor is proposed to represent the influence of the fracture connectivity in discontinuous fractures. A correction coefficient is involved to reflect the complex seepage flow type through the rock bridge. This correction coefficient is back analyzed from single-hole packer tests, based on the Artificial Neural Network (ANN) back analysis and the Finite Element Method (FEM) seepage simulation. The limitation of this back analysis algorithm is that the number of single-hole packer tests should be equal or greater than the number of fracture sets, and three is the maximum number of the fracture sets. The proposed solution and the back analysis algorithm are applied in the permeability measurement and the seepage simulation for the Xiaowan arch dam foundation.     

基于流固耦合理论的套损力学机理分析

基于渗流力学与岩石力学理论,建立了油藏多相渗流与应力耦合分析模型,运用有限元和有限差分法建立数值解法,可对渗流场,应力场演变规律以及岩石力学参数变化进行研究,重点讨论了在渗流场影响下岩层应力分布的重新调整及其变形特征,并结合油田套损问题进行了应用研究,分析了套损的力学机理。     

岩体分形离散裂隙网络系统中流体流动模拟研究进展

回顾了岩体裂隙系统的位置、轨迹长度、方位和开度等几何拓扑结构参数的分形特征表征方法,分析了CT扫描技术对分析裂隙分形特征的重要作用,系统介绍了逾渗理论在裂隙网络系统连通性研究方面的成果,并对基于Monte-Carlo随机模拟的岩体裂隙网络系统生成方法和岩体分形离散裂隙网络系统中流体流动模拟等研究成果进行了综述。基于岩体裂隙系统的分形特征和逾渗特征建立的离散裂隙网络系统模型能够真实反映岩体裂隙的结构特征,并揭示岩体分形离散裂隙网络系统中流体流动机理,但目前尚无大型的逾渗数值模拟商业软件,分形离散裂隙网络逾渗模型算法的实现将成为研究的热点。     

三维随机裂隙网络非稳定渗流模型

介绍了在岩体三维随机裂隙网络中进行非稳定地下水渗流分析的数学模型和方法。包括:岩体裂隙系统特征和随机裂隙网络描述，三维裂隙网络非稳定修流数学模型，交叉点和交叉线识别和有限元数值解，井流量在裂隙网络中的分配方法，排水管道问题，非线性模型的迭代解法等。最后，针对裂隙网络中的轴对称井流和任意分布裂隙系统中的排水管道问题对模型进行了应用计算，验证了模型及其算法程序的有效性。     

岩体三维主干裂隙网络渗流分析

基于流体力学的基本理论和二维岩体裂隙网络渗流原理，推广得到了三维岩体裂隙网络渗流基本方程。将三维岩体裂隙网络渗流理论及有限元数值方法应用于主干岩体裂隙网络渗流分析中，得到了令人满意的结果。     

百色重力坝坝基复杂地质条件渗流特性分析

针对百色水利枢纽碾压混凝土重力坝存在的一些不利因素:坝基岩体地质条件复杂,上游面坝踵区存在一定蚀变带岩体,6号坝段坝基有贯穿坝基上下游的破碎带,且坝基岩层之间有岩层节理面并由此产生渗透各向异性,在充分考虑这些不利因素影响的基础上,采用三维有限单元法,对坝基渗流场进行分析计算,综合论证和评价了坝基的渗流场特性,并推选出坝基防渗和排水设施的渗控方案.     

岩体裂隙网络非线性渗流分析

裂隙中水流为紊流状态时，流量与水力坡度呈非线性关系，不再满足线性的立方定律，以岩体裂隙网络中结点的水量平衡来建立岩体裂缝网络非线性渗流控制方程式，提出矩阵求解方法和迭代运算步骤，并给出应用算例与验证。算例结果表明，不能采用岩体裂隙网络线性渗流规律来代替岩体裂隙网络非线性渗流规律。     

基于分形理论的岩石裂隙非线性渗流各向异性研究

针对裂隙岩体非达西渗流问题,开展了不同粗糙裂隙非线性渗流特性的研究。将完整的方形岩块采用劈裂法制成裂隙试件,用三维光学扫描系统量测裂隙表面形貌,并采用Kulatilake提出的自仿射分形维度方法计算表面的分形维度来表征粗糙表面的各向异性特征。根据裂隙流的曲折效应,在Forchheimer定律基础上,提出了水文弯曲度和表面分形幂律关系来表征非线性特点,并由此提出了新的粗糙裂隙非线性分形模型。对各组裂隙试件在2个方向（0°,90°）上进行饱和渗流试验,发现流动符合Forchheimer定律且存在各向异性特点,最后由分形模型,提出了区分达西流与Forchheimer流的新判据。