裂隙岩体地区导热-对流型温度场垂向渗透系数的计算及分布特征研究

阐述应用温度场方法研究裂隙岩体地区地下水渗流场参数的优点和存在垂向流作用下的导热–对流型温度场的地温特征。基于含水层导热–对流型温度场的地温曲线和渗流连续性方程,考虑受垂向流影响的温度场,建立地温与深度之间的函数关系,并建立不动点迭代方程,编制程序计算垂向渗透系数。针对渗透系数计算结果的统计特征分别构造满足正态分布、对数正态分布和均匀分布的3组新样本,构造减速膨胀曲线,对比分析渗透系数的概率分布特征。结果表明,同正态分布和均匀分布相比,裂隙岩体地区的垂向渗透系数更接近对数正态分布。利用温度场方法和统计学方法研究裂隙岩体地区地下水渗流场参数,如渗透系数,具有避免过多主、客观因素干扰,计算过程清晰,结果明确的特点。     

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。     

应力对裂隙岩体渗流影响的研究

研究了应力变化对裂隙岩体渗流特征的影响。假设裂隙网络由等效隙宽相等的相互平行的一组裂隙组成，由于应力变化而导致的隙宽变化控制了裂隙岩体渗流的变化，据此得出了裂隙岩体渗透系数及渗流量与应力的关系式。通过裂隙岩体渗流试验，证实了关系式的正确性。利用此关系式及有限元方法计算，得出了裂隙岩体渗透系数随应力的变化值。     

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。     

裂隙岩体渗流溶质运移耦合离散裂隙模型数值计算方法

研究裂隙岩体渗流溶质运移问题对于岩土工程地下水污染物预测控制具有重要意义。基于离散裂隙网络模型,采用实体单元模拟基质岩块、无厚度单元模拟复杂裂隙网络,提出了裂隙岩体渗流溶质运移耦合的三维数值计算方法。针对无反应项和含反应项两种情况,通过算例分析了单裂隙中溶质迁移行为,并与精细模拟方法、解析方法的结果进行对比验证;进一步将该法应用于预测大规模裂隙岩体溶质浓度分布规律及发展趋势,并评价了主要影响因素。结果表明,该法可有效模拟裂隙网络、基质岩块中水分溶质传输行为;由于贯通裂隙网络的优势流影响,溶质羽主要受控于裂隙水的对流作用,出现了高度非均匀分布现象;通过参数敏感性分析发现,相较于岩块基质的扩散作用,裂隙开度产生的对流作用是影响浓度场分布的主控因素。在保证精度的前提下,该法可大幅减小计算量和计算时长,对于解决含复杂裂隙网络岩体渗流传质的三维数值模拟问题具有明显优势。     

裂隙岩体渗流–断裂耦合机制及应用

将断裂力学引入裂隙岩体流固耦合分析,建立裂隙岩体渗流–断裂耦合机制,在 FLAC ^3D 现有计算模块的基础上,通过 FISH 研制了裂隙岩体渗流–断裂耦合分析程序。该模型的耦合机制体现在：渗透水力梯度作为渗透体积力作用于应力计算单元,裂隙渗透压作为面力作用于裂纹张开部分引起断续岩体裂纹的劈裂扩展;岩体裂纹的扩展引起岩体渗透系数的增加导致渗流场的改变。将渗流 – 断裂耦合理论应用于高水头不衬砌压力隧洞工程中,系统地研究高水头不衬砌压力隧洞在运行期间的水力劈裂、渗流场和内水外渗渗漏情况,得到：①处于水力劈裂的高水头压力隧洞周边向外延伸依次为拉剪劈裂区、压剪劈裂区、未劈裂区;②由于渗流体积力作用,高水头压力隧洞内水外渗过程中洞周产生径向向外变形;③高水头压力隧洞内水外渗过程中渗漏率先增加后平稳减少最终稳定。首次提出陡倾地表下不衬砌压力隧洞与裂纹几何特性、力学特性和岩石断裂韧度高度相关的水力劈裂系数的概念 。 建议在水工隧洞设计规范中建立与水力劈裂系数相匹配的安全控制标准,可为我国不衬砌压力隧洞工程的设计提供理论基础。     

裂隙岩体水–冰相变及低温温度场–渗流场–应力场耦合研究

 岩体冻融损伤涉及低温环境下温度场、渗流场和应力场的耦合问题。基于水–冰相变理论和能量守恒原理,得出冻结率表达式。运用双重孔隙介质模型理论,根据质量守恒定律、能量守恒定律及静力平衡原理,得出冻结条件下裂隙岩体的温度场–渗流场–应力场(THM)耦合控制方程。最后,通过1个含裂隙隧道低温THM耦合算例,将围岩当作岩块与裂隙介质组成的系统,采用等效热膨胀系数法对夹冰(含水)裂隙的冻胀效应进行模拟,并考虑冻结过程对岩体渗透系数的影响,研究低温THM耦合条件下的温度场、应力场及孔隙压力等的分布规律。     

地应力对裂隙岩体渗流特性影响的研究

岩体总是赋存于一定的渗流场与应力场中的，研究地应力场对渗流场的影响具有重要的意义。首先分析了裂隙岩体渗流运动的基本规律，研究了应力对渗流作用影响的机理。在此基础上，结合甘肃某工程进行了现场地应力测量及高压压水试验，并且作了大量地表的、钻井岩芯的节理裂隙地质调查，得到了该地区的地应力值和渗透系数值。然后通过回归分析，可以发现该地区渗透系数随地应力值的增大呈负指数递减的变化规律。     

裂隙岩体卸荷渗透规律试验研究

边坡开挖等岩体工程使得岩体形成卸荷作用,同时引起岩体中地下水性态的改变。水库蓄、放水使库岸边坡产生加载、卸荷效应,库岸边坡的稳定性受到影响。这都涉及到有关卸荷-渗流问题,因此研究裂隙岩体卸荷渗透规律具有重要意义。文章通过裂隙岩体的卸荷-渗流试验,探讨了裂隙岩体的渗透系数在卸荷过程中的变化规律,不仅揭示了裂隙岩体渗透系数与卸荷量的近似双曲线关系,还验证了裂隙岩体在加载、卸荷过程中渗透系数的迟滞现象。同时从理论上推导了裂隙岩体卸荷量与渗透系数之间的关系式,并对式中的试验系数进行了优化计算,其计算结果与试验结果吻合较好。     

矿井含水构造附近采动岩体的温度响应特征相似模拟研究

 研究含水构造附近在采动影响下围岩的热扩散理论,采用新型的流–固耦合相似材料和相似模拟试验架,完善光纤温度、多点位移监测系统。对含水构造附近的煤层开采进行试验模拟,重点分析采动过程中覆岩变形引起渗流场、温度场的变化规律。通过试验得出：煤层开采前,初始地温场中含水构造处具有明显的低温异常特征;采动过程中,顶板岩体的热对流作用随采场推进逐步加强,岩体温度逐步降低,水体的温度影响范围逐步增大;在采动应力、承压水的耦合作用下,采场顶板断裂突水,岩体温度产生显著的突跳特征。通过试验数据,拟合试验条件下岩体温度场曲线的经验公式,为岩体温度法探水提供可靠的试验依据。     

裂隙岩体渗流-损伤-断裂耦合分析与工程应用

综合运用岩体结构力学、几何损伤力学及岩石流体力学理论,建立裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合数学模型(扩展FLAC3D模型),在FLAC现有计算模块的基础上,通过Fish研制了其分析程序。该模型的耦合机理:渗透水力梯度作为渗透体积力作用于损伤应力计算单元,裂隙渗透压作为面力作用于裂纹张开部分引起断续岩石裂纹的起裂,扩展导致岩体损伤演化;岩体裂纹的扩展引起岩体渗透系数的增加,导致渗流场的改变。对一复杂裂隙岸坡蓄水加载过程进行渗流–损伤–断裂耦合分析,得到不同蓄水时期,裂隙岸坡渗流场分布、损伤场的演化,初步探讨了水库蓄水过程中岸坡山体变形机制。耦合分析认为:山体变形是增量渗透力和增量浮托力共同作用于岸坡的结果;对蓄水相对高程较大的裂隙岸坡而言,库水位上升,裂隙渗透水压增加导致岩体裂纹起裂扩展,岩体损伤区增大且向岸坡深部扩展。高渗透压诱发岸坡不利断层带损伤区扩展,甚至贯通,可能是导致岸坡失稳的重要原因。     

隧道渗流场数值模拟的实现

依某高寒区隧道工程实际,对现场结构面参数进行实测,在此基础上,利用Monte Carlo法生成节理贯通网络图,得到主要的优势结构面。利用渗透张量法计算得到不同方向的渗透系数,同时利用单孔压水试验修正,得到裂隙岩体的渗透系数张量。采用有限元软件模拟隧道的渗流场,模拟结果为下一步渗流场影响温度场的数值模拟提供渗流速度的参数。     

基于岩体地下流固耦合理论的研究

本文通过对渗流场、应力场与温度场三场耦合的研究得出三场耦合作用的"完全耦合"模式;通过对孔隙介质流固耦合研究得出在此种情况下应力与应变的关系;通过对裂隙岩体流固耦合研究得出了单一裂隙渗流与应力的关系;分析了裂隙岩体渗流与应力耦合的不同数学模型,得出各种数学模型的优缺点以及适用范围。     

多孔介质流-固-热三场全耦合数学模型及数值模拟

给出多孔岩体介质的流–固–热三场全耦合数学模型。假定流体为单相流,固体介质为非沸腾的饱和、热弹性多孔介质,该模型由流体物质守恒方程、力学平衡方程和能量守恒方程这3个相互耦合的方程组成,其中包含了众多耦合项,并定义一系列的本构关系及耦合变量。以FEMLAB工具为基础,将该数学模型转化成为一个统一的偏微分方程组,在人机交互的环境下,实现流–固–热三场全耦合数值求解,一次解出渗流场、位移场和温度场,给出更接近真实物理过程的数值解答,避免松散耦合法求解多场耦合问题带来的误差。利用一个已知解析解和数值解的算例来证明了耦合模型及求解方法的正确性。最后模拟通过井孔向岩体中注入冷水时流–固–热全耦合过程,详细地分析全耦合作用对井壁围岩应力的影响,计算结果表明:流–固–热三场耦合作用对井壁的稳定分析有非常重要的影响。     

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。     

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。     

基于遗传神经网络的坝基岩体渗透系数识别

基于坝基岩体渗流场正演分析的数学模型，通过观测渗流区域地下水运动的动态信息反演坝基岩体的渗透系数。将遗传算法和神经网络相结合，所建立的遗传神经网络具有较快的训练速度和较强的泛化能力。数值算例表明，遗传神经网络在求解坝基岩体渗透系数反演问题中具有较高的计算效率和识别精度。     

裂隙岩体二维离散裂隙网络模型的非均质、稳定渗流计算

本文在生成的二维离散裂隙网络中利用逾渗理论突出裂隙的主干网,保存了明显的优势流路径。在此基础上,基于渗流的连续性方程和立方定律,在稳定的、单相的、完全饱和的渗流系统使用DFN模型研究随机产生的裂隙网络中的流体流动。利用matlab程序实现了裂隙岩体渗流数值模拟,在该模型中使用导水系数而非Priest的孔径,且导水系数服从对数正态分布实现了离散裂隙网络模拟的非均质性;在随机的Monte Carlo模拟中,进行了总流量的预测。模拟实验结果表明:总流量的变异系数在合理的范围内,该方法为裂隙水的稳定渗流计算提供了简单、实用的计算方法。     

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。     

非连续裂隙网络管状渗流模型及其校正

模拟一个野外实际入渗试验的岩体裂隙网络的渗流。在建立渗流模型时，首先产生圆盘形三维裂隙网络，然后令圆盘形裂隙网络退化为三维空间上的管状网络。管元的直径通过模型校正的办法确定，即通过优化方法寻找适当的管元直径，使计算的渗流试验排泄流值能够满意地拟合实测值。由于不可能校正每个管元直径，所以假设在一组裂隙内管元直径服从对数正态分布，这样渗流模型校正参数为每组裂隙管元直径的平均值和标准差。为验证模型的稳定性，通过重复实现产生20个裂隙网络，这20个随机裂隙网络的平均流量与实测值之间的误差为6％。