裂隙岩体渗流场-损伤场耦合理论研究及工程应用

以岩体结构控制论为基础,把裂隙岩体看作由离散介质和拟连续介质岩体组成的复杂介质岩体。从理论分析和数值模拟两个方面,对地下水的渗流场与裂隙岩体的损伤场之间的相互作用机理进行了深入系统的研究,具体工作有以下几个方面 　　(1)从地质学、岩体力学、统计学的角度出发,定量化分析了岩体裂隙的几何特征和裂隙岩体渗透特性,为渗流场与损伤场的耦合研究奠定了基础。 　　(2)基于Betti能量互易定理,系统研究了应力场与渗流场共同作用下的岩体损伤演化机制,建立了考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体脆弹性和弹塑性断裂损伤本构模型和损伤演化方程。研究结果表明渗透压力可显著提高裂隙尖端应力强度因子,增加岩体的柔度,降低岩体强度,对裂隙岩体的力学特性具有明显的削弱作用。 　　(3)从岩体裂隙变形角度出发,建立了三维应力作用下考虑渗流与变形耦合效应的单裂隙渗流物性方程,从理论上推导了拟连续介质岩体渗透张量表达式。基于岩体裂隙的损伤变形,提出了裂隙岩体渗透张量演化方程。 　　(4)以岩体结构力学为基础,根据裂隙发育规模与工程尺度的关系,建立了非稳态裂隙岩体渗流模型。该模型充分体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用和网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应。与以往研究成果相比,克服了单纯离散介质渗流模型工作量大和拟连续介质渗流模型不能正确反映裂隙水力学特性的缺点。本文还对渗流分析中存在的若干问题进行了研究。 　　(5)针对岩土工程中大小裂隙共存的特点,建立了包含离散介质和拟连续介质的裂隙岩体水力学模型,并自行开发了相应的有限元软件CPSS3D。 　　(6)将本文所建裂隙岩体水力学模型应用于某水利工程的高边坡开挖中,计算结果表明,该模型具有较好的实用性与可靠性。     

裂隙岩体渗流场2损伤场耦合理论研究及工程应用

 博士学位论文摘要　以岩体结构控制论为基础, 把裂隙岩体看作由离散介质和拟连续介质岩体组成的复杂介质岩体。从理论分析和数值模拟两个方面, 对地下水的渗流场与裂隙岩体的损伤场之间的相互作用机理进行了深入系统的研究, 具体工作有以下几个方面:(1) 从地质学、岩体力学、统计学的角度出发, 定量化分析了岩体裂隙的几何特征和裂隙岩体渗透特性,为渗流场与损伤场的耦合研究奠定了基础。(2) 基于Betti 能量互易定理, 系统研究了应力场与渗流场共同作用下的岩体损伤演化机制, 建立了考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体脆弹性和弹塑性断裂损伤本构模型和损伤演化方程。研究结果表明:渗透压力可显著提高裂隙尖端应力强度因子, 增加岩体的柔度, 降低岩体强度, 对裂隙岩体的力学特性具有明显的削弱作用。(3) 从岩体裂隙变形角度出发, 建立了三维应力作用下考虑渗流与变形耦合效应的单裂隙渗流物性方程, 从理论上推导了拟连续介质岩体渗透张量表达式。基于岩体裂隙的损伤变形, 提出了裂隙岩体渗透张量演化方程。(4) 以岩体结构力学为基础, 根据裂隙发育规模与工程尺度的关系, 建立了非稳态裂隙岩体渗流模型。该模型充分体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用和网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应。与以往研究成果相比, 克服了单纯离散介质渗流模型工作量大和拟连续介质渗流模型不能正确反映裂隙水力学特性的缺点。本文还对渗流分析中存在的若干问题进行了研究。(5) 针对岩土工程中大小裂隙共存的特点, 建立了包含离散介质和拟连续介质的裂隙岩体水力学模型,并自行开发了相应的有限元软件CPSS3D。(6) 将本文所建裂隙岩体水力学模型应用于某水利工程的高边坡开挖中, 计算结果表明, 该模型具有较好的实用性与可靠性。     

基于双重孔隙介质模型的渗流-应力耦合并行数值分析

为模拟天然岩石中孔隙和裂隙的不同渗透性能及应力耦合特性,基于双重孔隙介质模型,建立渗流–应力耦合分析的迭代计算模型。岩石基质渗透系数和孔隙率通过体积应变进行更新。裂隙系统的耦合模型通过立方体单元模型来建立,渗透系数和孔隙率随有效应力的变化进行更新。考虑到耦合分析时步多、计算量大的问题,采用基于element-by-element策略的有限元并行计算方法进行数值模拟。编制相应的耦合分析并行程序CoupledGF,并在分布存储的并行机上实现。对包含一个生产井和一个注入井的封闭区域进行渗流–应力耦合分析,模拟约22 000个时步。计算结果表明,并行耦合分析模型对于渗流应力的耦合分析是很有效的。     

大坝及其周围地质体中渗流场与应力场耦合分析

 博士学位论文摘要　进行大坝及其周围地质体中渗流场与应力场耦合分析, 是解决评价和预测大坝、坝基、坝肩稳定性, 库岸边坡稳定性等问题的关键。运用岩体力学、渗流力学和结构力学相结合, 理论分析与工程应用相结合, 大坝与周围地质体相结合的系统研究方法, 以大坝及其周围有限的地质体为研究对象, 进行渗流场与应力场耦合分析研究。首先, 以大坝及岩体的结构类型为基础, 进行裂隙渗流力学基础研究, 分析大坝2地质体系统的渗流及渗流控制问题。然后, 同时考虑渗流对介质作用的渗透静水压力和渗透动水压力(渗流体积力或裂隙壁切向拖曳力) , 建立大坝2地质体系统渗流场与应力场耦合分析的多重裂隙网络非线性数学模型及渗流场与温度场耦合分析的连续介质数学模型, 并开发求解此耦合分析模型的三维有限元程序与软件。最后, 进行小湾水电站坝区和龙滩碾压混凝土坝渗流场与应力场耦合分析, 以及龙滩碾压混凝土坝渗流场与温度场耦合分析。在大坝2地质体系统渗流场与应力场耦合分析的多重裂隙网络模型及三维主干裂隙网络模型、渗透动水压力引起的裂隙壁(或碾压混凝土坝层面) 切向拖曳力、渗流场与温度场耦合分析的连续介质数学模型、以及大坝2地质体系统渗流场与应力场(或温度场) 耦合分析的数值方法及三维有限元程序与软件等方面作了创新性的研究。实际工程计算结果表明, 考虑耦合作用时, 由于裂隙(层面) 隙宽的减小而使总渗流量减小, 使渗流场水头分布发生变化; 也使岩体(坝体) 各应力分量的最大值增加10%～ 20% 左右; 当水力坡度较大时, 裂隙壁切向拖曳力使剪应力明显增加; 和耦合分析相比较, 不考虑耦合作用得出的应力结果偏于不安全。随着渗透系数的增大, 渗流场对温度场的影响更加明显, 而温度场对渗流场的影响减弱; 渗流由低温向高温流动时, 使温度场温度普遍降低, 但使渗流场水头普遍升高。     

基于双重孔隙介质模型的渗流–应力耦合并行数值分析

为模拟天然岩石中孔隙和裂隙的不同渗透性能及应力耦合特性，基于双重孔隙介质模型，建立渗流–应力耦合分析的迭代计算模型。岩石基质渗透系数和孔隙率通过体积应变进行更新。裂隙系统的耦合模型通过立方体单元模型来建立，渗透系数和孔隙率随有效应力的变化进行更新。考虑到耦合分析时步多、计算量大的问题，采用基于element-by-element策略的有限元并行计算方法进行数值模拟。编制相应的耦合分析并行程序CoupledGF，并在分布存储的并行机上实现。对包含一个生产井和一个注入井的封闭区域进行渗流–应力耦合分析，模拟约     

库区水位变动下白沙碉变形体稳定性研究

渗流场与应力场的耦合分析是库区水位变动下变形体稳定性研究的热点和难点问题。基于岩体不连续性的离散元方法可以模拟流体在不透水岩体之间的裂隙中的流动,是一种完全的流固耦合分析方法。以金沙江溪洛渡水电站右岸白沙碉变形体为研究对象,通过岸坡岩体力学特性试验给出参数建议值;在充分考虑岸坡区域地质条件特征的基础上,采用离散元方法的应力–渗流耦合分析理论,结合溪洛渡水电站水库调度曲线,研究库水位变动下变形体的稳定性变化过程,并开展基于渗流场计算的极限平衡对比分析。分析结果表明,随库水位增加,变形体的孔隙水压力不断增大,稳定性则逐渐减低;当水位为600 m时,变形体发生失稳;离散元与极限平衡分析结果基本一致,但离散元动态地反映水在裂隙中的流动过程,相对极限平衡分析更能反映实际情况。     

岩体结构类型与水力学模型

 岩体水力学是一门研究岩体内一定温度条件下渗透力与应力相互作用关系及其耦合作用对岩体及岩体工程稳定性影响的交叉学科。为了准确描述岩体的水力学问题, 定义了有关名词。依据岩体的水力学特征, 把岩体的结构分为五类, 即: 准孔隙连续介质、裂隙网络介质、双重介质、岩溶管道网络介质以及岩溶溶隙- 管道介质。以岩体结构类型、达西定律、立方定律等为基础, 推导了在变温度和变应力条件下的孔隙型、裂隙型及管道型岩体的渗透定理, 并将岩体渗流场、温度场与应力场耦合模型分为两大类, 即: 集中参数型模型和分布参数型模型。     

遍有节理岩体的双重孔隙–裂隙介质热–水–应力耦合模型及有限元分析

 建立一种饱和–非饱和遍有节理岩体的双重孔隙–裂隙介质热–水–应力耦合模型,其特点是应力场和温度场是单一的,但具有不同的孔隙渗流场和裂隙渗流场,以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系的影响,并研制出相应的二维有限元程序。针对一个假定的高放废物地质处置库,就岩体为双重介质和单重介质2种工况进行数值分析,考察缓冲层和岩体中的温度、孔隙水压力、饱和度、地下水流速和主应力的变化、分布情况。结果显示,地下水由双重介质进入缓冲层中要快得多,2种工况的计算域中温度差别不大,但缓冲层及附近部位的主应力大小及分布有显著不同,单重介质的应力集中程度要大。     

复杂裂隙岩体渗流与应力弹塑性全耦合分析

采用等效连续介质模型和离散裂隙单独分析相结合的方法进行复杂裂隙岩体的模拟,分别给出了裂隙岩体介质和离散裂隙介质的弹塑性本构关系;首次采用四自由率全耦合法,建立了基于增量理论的复杂裂隙岩体渗流与应力弹塑性全耦合有限元方程组;结合算例分析,得出了若干有益于工程的结论,并进一步表明耦合分析的重要性和四自由度全耦合法的优越性。     

基于离散单元法的裂隙岩体渗流与应力耦合数值分析研究

基于离散单元法能够充分考虑到岩体结构的不连续性,适用于解决节理岩石力学问题,本文建立离散介质贺连续介质耦合的渗流模型,模拟裂隙岩体渗流与应力耦合迭代过程。该方法能较客观地反应了岩体变形的真实特性,应用该方法对一混凝土坝进行计算。能够较好的切合实际,具有一定工程实际意义。     

裂隙岩体非恒定渗流场与弹性应力场动态全耦合分析

为更真实地反映在环境条件变化以及施工过程等因素作用下渗流场和变形场的行为规律，在裂隙岩体介质小变形的假定下，基于不可压缩水流在复杂应力状态作用下的裂隙岩体介质中运动的一般方程，建立两场动态全耦合的有限元数值模拟方法。在耦合分析中采用统一域混合模型模拟渗流场，对弹性变形场的模拟则采用多裂隙岩体介质和离散裂隙介质分别模拟的方法。对建立的耦合模型采用四自由度全耦合法结合有限元数值方法直接求解，对无压流中自由面的处理则采用固定网格法中的改进初流量法。最后针对水库裂隙岸坡算例，进行能模拟水库蓄水加载过程的静态、动态耦合有限元分析，揭示水库蓄水过程中裂隙岸坡位移场和渗流场的基本变化规律。分析结果表明，考虑蓄水过程中渗流的动态效应时，将会使水库岸坡产生较大的差异沉陷，从而对岸坡的稳定性产生不利影响，对于缓慢蓄水过程可以近似作为静态问题处理。     

含夹层盐岩双重介质耦合损伤模型研究

针对中国地下油气储库建设中所出现的含夹层盐岩问题,考虑夹层和盐岩层之间存在地质界面,采用以节点位移和孔隙压力为自由度的界面单元来模拟水力损伤造成的地层界面的开裂、扩展和流体渗漏;并基于多孔介质流–固耦合理论,建立含夹层盐岩双重介质耦合损伤模型。该模型克服了等效连续介质模型不能正确反映地层界面的渗流问题,又克服了双重介质模型不能考虑地层界面开裂问题。在此基础上,采用数值模拟技术,研究高压流体在泥岩夹层与盐岩的界面渗透及其开裂扩展特征,结果表明,高压流体沿腔体围岩渗漏过程中,含夹层盐岩界面呈扇形状张开,沿界面通道流体压力逐步降低。因此,在层状盐岩储库运营过程中,要严格控制腔体压力,避免在含夹层盐岩分层界面上产生油气渗漏,保持腔体的致密性及稳定性。     

裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合模型及其应用

 从岩体结构力学和细观损伤力学的角度出发,根据裂隙发育与工程尺度的关系,建立合理且适用的裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合数学模型,该模型能真实反映渗流场与应力场耦合作用下裂隙岩体的损伤演化特性,并能模拟由于渗透压的存在和变化引起的拟连续岩体内翼形裂纹的开裂、扩展和贯通等损伤演化特性和高序次贯通裂隙的张开、闭合。建立考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体弹塑性断裂损伤本构方程和损伤应力状态作用下流体渗流方程,给出该数学模型的求解策略与方法,开发裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合分析的的三维有限元计算程序DSDFC.for。该计算程序能模拟岩体分步开挖、应力和渗流边界的动态变化,对裂隙岸坡蓄水加载过程进行渗流–损伤–断裂耦合分析,发现水库蓄水后岸坡山体的竖向抬升,随水位上升岸坡破损区增大,断层塑性区向岸坡深部扩展,与裂隙渗流比较,拟连续岩体渗流滞后。     

页岩气开采过程中储藏压力影响因素研究

页岩气的流动是一个跨流态、多尺度的复杂问题,研究其在开采过程中,储层压力的变化规律,对其产能效率具有重要意义。基于连续介质模型、双重介质模型以及离散裂缝模型,建立页岩气流固耦合渗流模型。本文采用COMSOL Multiphysics软件建立页岩气水力压裂开采物理模型并进行求解,并且模拟页岩气开采过程中气体流动。通过改变压裂裂缝参数以及采用不同介质模型,探究页岩储层压力的变化规律。     

Rôle des fluides dans le comportement hydromécanique des roches fracturées hétérogènes: Caractérisation in situ et modélisation numérique

Hydromechanical coupled processes in a shallow fractured rock mass were investigated in situ through field experiments and numerical simulations. The experimental approach consists of performing simultaneous and multi-frequency measurements of fluid pressures and displacements at different points and on different fracture types within a carbonate reservoir. Two kinds of experiments were conducted at the Coaraze Laboratory Site (France):

1. At the fracture network scale, a global hydraulic loading by groundwater level change shows that the coupling between fluid flow and deformation is simultaneously governed by a dual-permeability hydraulic behaviour and a dual-stiffness mechanical behaviour. The following fluid flow and hydromechanical conceptual scheme was established: first, a transient flow only occurs in faults with high permeability; second, when a steady-state flow is reached in faults, water flows from faults into lower permeability bedding planes. The intact rock matrix is practically impervious but the connectivity between the discontinuities is high. When fluid pressure changes occur within the fracture network, the hydromechanical coupling is direct in the highly permeable faults where a pressure change induces a deformation change. No direct hydromechanical coupling occurs within the lower permeability zones where deformation is not directly correlated with pressure changes. This means that the mechanical deformation of the bedding planes and rock matrix is induced by the fault deformation.
2. At the single fracture scale, the hydromechanical behaviour was evaluated by performing hydraulic pulse injection testing. This test was monitored using high-frequency (f = 120 Hz) hydromechanical measurements conducted with innovative fiber-optic borehole equipment. The hydromechanical response is simultaneously monitored at two measuring points spaced about 1 m apart within the plane of the sub-vertical fracture. Observed fluid pressure versus normal displacement curves shows a characteristic loop-shaped evolution in which the paths for loading (pressure increase) and unloading (pressure decrease) are different. The test was evaluated by coupled hydromechanical modelling using a distinct element technique. By matching the loop behaviour, modelling indicates that the pulse pressure increase portion allows the fracture hydromechanical properties to be determined while the pulse pressure decrease portion is strongly influenced by the hydromechanical effects within the surrounding fractured rock mass. A sensitivity study shows that the key parameters to coupled hydromechanical processes in such fracture systems are the initial hydraulic aperture and normal stiffness of the fracture, the stiffness of the rock matrix and the geometry of the surrounding fracture network.

     

考虑裂隙水流拖曳力效应的平推式滑坡稳定性

为研究滑面裂隙水流拖曳力对平推式滑坡稳定性的影响,建立平推式滑坡渗流–径流耦合模型。该模型采用Navier–Stokes方程描述滑面裂隙径流,用Brinkman-extended Darcy方程描述软弱层多孔介质渗流。径流区和渗流区的流体运动均满足连续性方程,且在交界面处的流体满足流速相等和切应力连续双边界条件。根据上述条件推求出径流区和渗流区的流速分布,并引入Newton内摩擦定律求出滑动面裂隙径流拖曳力。利用刚体极限平衡理论对径流状态下平推式斜坡的稳定性进行分析,得出修正后的平推式斜坡抗滑稳定安全系数和后缘裂隙临界水深之间的关系。并结合工程实例讨论后缘水深、滑面倾角和滑面裂隙宽度对安全系数的影响。结果表明,考虑底部裂隙流体拖曳力效应时,滑坡安全系数下降了5.90%。因此,在进行平推式滑坡稳定性分析与计算中,应考虑滑动面裂隙水流拖曳力作用。     

残留含气量影响的非饱和多孔介质流动过程

 多孔介质微观大小孔隙的分布及其连通具有随机性,使得流体在实际孔隙中的流动与理想单孔隙中迥异,当多孔介质中的含水量循环变化时,毛细滞回和残留含气量效应极大地影响着多孔介质的渗流过程。基于对非饱和孔隙介质干湿过程的分析,提出能够考虑残留含气量影响的土水特征关系理论模型,随后建立一个新的渗流理论模型,该模型考虑残留含气量对流动过程的影响。在此基础上,建立相应的数值分析模型,并进行程序代码的实施。建立的模型能够用于模拟任意含水量变化条件下残留含气量对多孔介质中非饱和渗流过程的影响。通过数值模拟结果与实测数据的比较,证实残留含气量效应对非饱和孔隙介质中流体分布的重要影响。为更准确地预测多孔介质中的土水状态,在非饱和渗流分析中考虑残留含气量与毛细滞回效应十分必要。     

各向异性油藏渗流的有限元数值模拟

为使模拟计算更加接近实际情况,将油水井作为油藏的内边界处理,建立各向异性油藏单相流体渗流问题的有限元方程。在此基础上利用八节点四边形等参元,结合伽辽金有限元方法对渗流方程在空间域上离散,采用全隐式时步格式在时间域上离散。对单相流体的平面单向流、各向异性油藏平面径向流的有限元解和解析解进行对比,得到了地层中不同位置处的压力变化和产量变化规律。研究结果表明,有限元模拟的结果与解析解相比很接近,这充分说明所建立的模型和计算程序是正确的。该研究成果可用来指导油井的实际生产,对预测油井的产能变化具有重要意义。