乌东德水电站右岸地下厂房随机块体特征研究

随机块体的几何特征和稳定性是水利水电工程中地下厂房支护设计的重要依据。对乌东德水电站右岸地下厂房随机块体的特征进行了深入研究。对研究区域内实测的裂隙参数进行了分组统计,确定了各组裂隙产状、迹长等参数的分布形式和大小。利用逆建模方法建立了三维裂隙网络模型,获取了各组裂隙的直径和三维密度。采用一般块体方法对地下厂房进行随机块体的识别和稳定性分析,利用GeneralBlock软件进行了10次随机实现,对10次计算结果进行了统计分析和讨论。研究结果表明,结构面与开挖面形成的随机块体集中在地下厂房的顶拱部位,10次随机实现中,地下厂房全长范围内平均每次形成的随机块体为414个;随机块体的平均体积为2.9 m³,最大块体的体积达152.0 m³;可移动块体中,大部分为稳定块体,不稳定块体均以坠落形式破坏;构成可移动块体的结构面多为3~4条,最多可达12条,其中倾W向的中等倾角裂隙是构成块体并可能造成块体失稳的最危险结构面;随机块体的平均深度为1.2 m,最大深度为8.8 m。建议支护锚杆应尽量穿透倾W向中等倾角的长大裂隙,且锚杆支护长度大于8.8 m。     

分布热源作用下单裂隙岩体三维水流-传热的半解析计算方法

针对高放射性核废物地下处置库近场饱和裂隙岩体环境,提出一种由分布热源、饱和单裂隙和两侧无限大岩石构成的三维水流-传热简化模型,建立了控制微分方程和基于拉氏变换域格林函数的积分方程;采用矩形单元把裂隙面域离散化,利用极坐标下的解析方法计算包含奇点的单元积分,利用数值方法计算分布热源和不包含奇点的单元积分,建立拉氏变换域的线性代数方程组,求解后,利用拉氏数值逆变换,计算任意时刻裂隙水和岩石的温度分布。对两个无内热源、流场确定的计算模型进行了计算,与仅考虑岩石沿裂隙面法向一维热传导的解析解进行了对比。计算分析了分布热源作用下饱和单裂隙岩体的三维水流-传热特征及其对裂隙水流速、岩石热传导系数和热源热流集度的敏感度。计算结果表明：与直接采用高斯数值积分相比,提出的解析法奇异积分精度较高;就裂隙水温度而言,单裂隙岩体三维水流-传热半解析计算方法与解析法得到的结果基本一致,但由于半解析计算方法考虑了岩石的三维热传导,使得裂隙水的上游温度较低,而下游温度较高;无分布热源作用时,岩石热传导系数越大,裂隙水温度越低;裂隙水流速越大,裂隙进水温度对裂隙水和岩石温度分布的影响越明显;由于受到裂隙水流动传热的作用,分布热源对裂隙水温度和岩石温度的影响在裂隙水流的下游区域比较显著。     

断续三裂隙砂岩强度破坏和裂纹扩展特征研究

利用岩石力学伺服试验机,对尺寸为80 mm×160 mm×30 mm的断续三裂隙砂岩试样进行了单轴压缩试验,研究了岩桥倾角? 2对断续三裂隙砂岩（? = 30°和? 1 = 60°）强度破坏和裂纹扩展特征的影响规律。与完整砂岩试样相比,断续三裂隙砂岩试样应力-应变曲线显示了较多的应力跌落,其峰值强度也呈显著降低趋势,但降低程度与? 2密切相关,随着? 2从75°增加到90°,峰值强度从82.04 MPa 降低到77.82 MPa,而当? 2从90°增加到120°,其峰值强度无明显变化。完整砂岩试样呈现轴向劈裂脆性破坏,而断续三裂隙砂岩试样是由许多从裂隙尖端产生的裂纹扩展与汇合,导致了其失稳破坏。通过照相量测技术,探讨了? 2对断续三裂隙砂岩试样裂纹扩展特征的影响：? 2为75°、90°和105°的断续三裂隙试样中裂隙①、③和②、③之间均出现了贯通,而裂隙①、②之间无任何贯通;? 2为120°的断续三裂隙试样中裂隙①、③和①、②之间均出现了贯通,而②、③之间无任何贯通。最后给出了断续三裂隙砂岩试样宏观变形特性与裂纹扩展过程之间的关系。     

岩石中三维双裂隙组扩展和贯通过程的试验研究和弹脆性模拟

最新研制了一种完全透明、较低温度下拉压比可达1/6.6的树脂,其与岩石特性的相似性较前人的研究有大幅度提高。制作了一组含三维内置平行双裂隙组的试件,详细描述并分析了单轴加载下试件的裂隙扩展与贯通过程,研究其产生的条件和机制。试验结果表明：试件的破坏大致经历4个阶段,三维裂隙组的断裂比二维情况复杂得多,产生了多种不同形态的裂纹。在FLAC3D软件框架内建立了一种新的弹脆性本构关系,并采用超细单元和合理形态的网格建模。将数值模拟结果与相关试验进行对比,相符程度良好,表明新数值模拟方法的有效性。当双轴加载时,模拟结果也与前人类似试验结果有很好一致性。     

模拟日照条件下膨胀土的湿-热耦合性状及蒸发效应

利用长弧氙灯模拟太阳辐射,通过调节灯罩与土样间的高度产生不同的辐射强度,通过控制光照时间模仿自然环境中的日照状态,通过设定恒温、恒湿环境获得单因素的控制条件,对阳光辐射下原状膨胀土的湿-热耦合性状及降雨蒸发效应进行分析。研究结果表明：当太阳辐射、降雨等气象现象发生后,膨胀土水分迁移和温度变化呈现不同的状态,随着土体水分的往复迁移,浅层土体趋于破碎,疏松,在太阳辐射作用下,土体含水率变化幅度增加,从而进一步加剧土体裂隙的拓展。对于膨胀土,裂隙性和膨胀性是它内在的秉性,而大气作用是诱因,在大气与土壤之间的水分和能量交换过程中,膨胀土的工程性质逐渐发生改变。采用自制的太阳辐射模拟装置,针对大气作用下原状膨胀土的湿热耦合性状以及降雨蒸发效应展开分析,相关经验也可应用到其他土类的研究。针对膨胀土工程性质,可进一步开展太阳辐射对膨胀土水分迁移机制影响的量化分析。     

南阳膨胀土裂隙面强度试验研究

裂隙性是膨胀土的基本特性之一,膨胀土中原生裂隙面的存在往往导致膨胀土边坡的失稳。选取南水北调中线工程南阳段膨胀土进行裂隙面强度特性试验,提出了裂隙面强度三轴试验新方法。首次将计算机X射线断层扫描技术引入裂隙面的强度试验,通过测量裂隙面真实产状,准确分析裂隙面上的破坏应力,提出了裂隙面强度参数的整理方法。研究成果表明,裂隙面的峰值强度不仅远小于两侧土的峰值强度,而且也小于两侧土的残余强度;裂隙面强度较低的原因主要是其具有较高的含水率、蒙脱石含量以及颗粒排列定向度。地下水淋滤作用对于膨胀土裂隙面存在3个方面的影响：微观上使得膨胀土中铁的氧化物由三价转变为二价,形成与两侧土颜色完全不同的灰白色裂隙黏土;细观上改变了母体土的矿物成分和颗粒排列结构,使得裂隙填充物具有较高的蒙脱石含量和颗粒定向度;宏观上形成了裂隙面与两侧土体力学强度的显著差异。     

裂隙网络无压渗流分析的初流量法

借鉴初流量法的思想,引入初流速来抵消在裂隙网络干区实际不存在的流速,将Darcy定理扩展到整个区域,定义了在整个区域上的非线性边值问题,并将潜在溢出面边界条件归纳为Signorini型边界条件,建律了等价的变分不等式提法。通过结合连续型的Heaviside函数,给出了基于变分不等式的初流量有限元迭代算法,研制开发了相应的计算程序,通过两个典型算例验证了本文算法在求解复杂裂隙网络渗流自由面的有效性和鲁棒性。     

随机分布贯穿裂隙岩体变形特性研究

洞室开挖后,其周边通常会产生许多随机分布的贯穿裂隙,直接影响洞室围岩稳定,研究随机分布贯穿裂隙岩体的变形及变形特性具有重要意义。基于线弹性理论和线性刚度理论计算岩石和裂隙的位移,用概率的方法建立了随机分布贯穿裂隙岩体变形的计算模型,给出了随机分布贯穿裂隙岩体的等效弹性模量和等效泊松比,研究了岩石和裂隙的材料参数和几何参数对岩体等效弹性模量和等效泊松比的影响。可得如下结论：等效弹性模量和等效泊松比随着岩石弹性模量的增大而增大;等效泊松比随着岩石泊松比的增大而增大;等效弹性模量和等效泊松比随着裂隙法向刚度的增大而增大;随着剪切刚度的增大,等效弹性模量逐渐增大,而等效泊松比则逐渐减少;随着裂隙平均间距的增大,等效弹性模量逐渐减小,等效泊松比在平均倾斜角较小时逐渐增大,在平均倾斜角较大时逐渐减小;随着裂隙平均倾斜角的增大,等效弹性模量先减小后增大,而等效泊松比先增大后减小。模型能较全面地考虑构成岩体的岩石和裂隙的材料参数与几何参数对岩体变形的影响,其结果对研究洞室围岩的变形和工程设计有一定的参考价值。     

裂隙动水注浆渗流压力与注浆堵水效果的相关分析

采用裂隙动水注浆设备结合正交试验设计进行了裂隙动水注浆模型试验,获得了渗流压力场与注浆效果和注浆工艺之间的相关关系。结果表明,裂隙动水注浆的渗流压力场包括单峰型、平台型、多峰型、阶梯型4种类型;出现平台型和多峰型渗流压力场时的注浆堵水效果好,而出现阶梯型渗流压力场时的注浆堵水效果差;为了获得好的注浆效果且节约浆液,在渗流压力场为单峰型时应该适量增加注浆量;而在渗流压力场为平台型或多峰型时应该适量减小注浆量;渗流压力场为阶梯型时应该调节浆液配比,缩短凝胶时间。研究结果对应用压力监测及时控制施工质量和调整注浆工艺有指导作用。     

随机单裂隙饱和/非饱和渗透系数研究

裂隙易在降雨作用下诱发滑坡等灾害,裂隙的饱和/非饱和渗透特性是研究此类问题的关键。利用精密数控机床制作随机粗糙裂隙面,并研制了一套仪器进行此随机粗糙裂隙的渗流试验,得到了裂隙的饱和渗透系数,然后通过间接方法预测此裂隙的非饱和渗透系数。研究发现,当裂隙平均开度为0.4 mm时,其饱和渗透系数为0.1 m/s。通过立方定律得到的水力等效隙宽为0.35 mm,小于其平均隙宽。同时裂隙的渗透系数与平均隙宽的平方成正比,这与立方定律的趋势相一致。研究得到了不同隙宽裂隙的非饱和渗透系数函数,当基质吸力小于进气值时,渗透系数为一常数,即为饱和渗透系数;当基质吸力大于进气值时,裂隙板的渗透系数急剧减小。当裂隙板的基质吸力达到其残余含水率对应的吸力值时,裂隙板的渗透系数基本稳定。在此情况下,基质吸力的继续增加对渗透系数的影响非常小,很难使渗透系数减小。