多级加载下岩石裂隙渗流分段特性试验研究

利用自行研制的岩石裂隙辐射型渗流系统,试验研究室温下粗晶大理岩、中砂岩、灰岩和细晶大理岩4个岩石张裂隙在法向闭合过程中的渗流分段特性及加载历史的影响。根据闭合裂隙的接触状态及流域分布特征,裂隙渗流可分为群岛流、过渡流、沟槽流3个阶段;单位水头流量与法向应力呈指数函数关系,随法向应力增加而降低,后次加载中相同法向应力下单位水头流量明显较低;单位水头流量与力学隙宽呈幂函数关系,幂指数范围为1.93～2.60,可认为接触型粗糙岩石裂隙渗流量与力学隙宽呈次立方关系;后次加载时,相同力学隙宽下单位水头流量也明显较低;水力等效隙宽与力学隙宽呈分段的线性关系,修正的立方定律在相应分段内成立。研究结果对岩体裂隙渗流计算有一定的理论意义。     

破断岩体裂隙的流体流动特性分析

 讨论立方定律成立的前提条件,指出立方定律只有在裂隙隙宽波动极小的情况下才能近似成立,对于岩体粗糙裂隙来说,此种状态只会出现在裂隙的局部区域,即局部立方定律;而在裂隙隙宽波动较大的区域,则需准确表述裂隙粗糙对流体流动的影响作用。提出天然粗糙裂隙的多平行板离散等效模型,可以有效地适用局部立方定律,推导粗糙裂隙的隙宽表示和流量计算公式;借助数值软件分析隙宽波动对等效模型单元体内部流体压力的作用规律,并定义一个过量压力降损耗系数,基于该系数对粗糙裂隙的流量计算方法进行修正。     

光滑单裂隙高速非达西流数值模拟

为了研究单裂隙中的高速水流运动规律,利用数值模拟建立了不同隙宽下光滑单裂隙中的水流运动。针对临界雷诺数为300~500,模拟了低速水流运动,模拟结果表明,运动规律与达西定律相吻合,从而验证了该数值模拟的可靠性;高速下,水力梯度与速度间开始偏离线性的达西定律。     

岩体裂隙面粗糙度对其渗流特性的影响研究

为了研究岩体裂隙面的粗糙程度与渗流机制间的相互关系,将裂隙沿长度方向均匀分割成若干段,通过设置每一段末端的随机高度,生成两侧对称的粗糙裂隙面。基于格子Boltzmann方法,采用不可压缩流体的D2G9模型,验证了经典的Poiseuille流,计算了不同相对粗糙度岩体裂隙的渗流特性,讨论了裂隙面粗糙度对渗流流态的影响。研究结果表明:裂隙结构壁面对流体的阻碍作用,使得流体在壁面附近的流动产生急剧调整,同时随着裂隙相对粗糙度的增加,在裂隙隙宽急剧变化的部位,局部伴随着旋涡的形成,导致流体内部摩擦阻力作用增大。在单位时间截面渗流流量及每一段平均隙宽相等的条件下,将本数值解与多平行板理论解进行了对比,对于相对粗糙度δ=0.01674的裂隙方案,由于多平行板理论解忽略了粗糙裂隙隙宽变化而引起的局部压降,其裂隙中线处压降产生的最大误差达到15.2%。当相对粗糙度较小时,裂隙中线处的压力与光滑平板流相类似,近似呈线性变化。随着裂隙相对粗糙度增大,压力变化偏离直线方向,且在断面由窄突然变宽的部位,压力变化偏离线性尤为显著。     

充填砂裂隙在剪切位移作用下渗流规律的实验研究

对充填砂裂隙进行控制位移的剪切渗流实验，结合充填砂的物性，揭示了岩体裂隙发生剪切位移时的渗流规律，并对剪切位移与隙宽、剪切位移与流量、隙宽与流量的关系进行了探讨，提出了砂粒的微小扰动与孔隙比（隙宽）的增加是影响裂隙流量的主要因素。     

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。     

基于 MBM 随机隙宽单裂隙浆液渗透规律的模拟研究

为了研究单裂隙面隙宽分布对浆液渗透的影响，基于多重分数布朗运动 (MBM) 分形理论构建出 4 种不同规则维数下的随机隙宽单裂隙几何模型，从而较真实的反应了天然裂隙面隙宽分布的局部渐进自相似性。通过注浆数值模拟研究发现，压力等值线随时间延续呈现曲折扩散形式，反映了其非均匀渗透特征。裂隙面闭合区分布形态随规则维数降低由点状散布趋向面状集中，其空间位置对浆液后期渗透压力和全程注浆时间影响很大；并且随着浆液入渗发展，节点压力由前期的较快单调增长到后期逐步趋于稳定，越靠近入渗边界的节点达到稳定压力所用时间越短。节点压力与注浆时间成幂函数关系，通过曲线拟合给出了不同参数下的经验方程。     

光滑裂隙高流速非达西渗流运动规律的试验研究

 采用光滑平行板模拟岩体裂隙,研制可变裂隙开度、高水力梯度、自循环水流的单裂隙室内渗流模型试验装置。试验研究宽裂隙高水力梯度下的非达西渗流运动规律,建立流速与水力梯度的非线性关系曲线。将试验结果与Lomize紊流公式、速宝玉紊流半经验公式进行对比分析,发现三者在低水力梯度情况下结果较为一致,对于高水力梯度情况会出现较大的差异。最后探讨单裂隙高流速非达西渗流运动特点及判别准则等问题,建立非达西渗流流速与裂隙开度的关系曲线,以便于工程应用。     

裂隙岩体注浆中的浆液–岩体耦合效应分析

基于岩体卸荷–加载理论与平板裂隙浆液运移方程,建立考虑浆液对岩体单向耦合作用的裂隙岩体注浆理论模型,对注浆过程中浆液与围岩的相互作用展开研究。研究表明,裂隙岩体注浆伴随着浆液压力对岩体卸荷与重新加载过程,岩体完全卸荷后,隙宽将随浆液压力增加,对于近似水平展布的裂隙,隙宽增量随扩散距离近似呈线性衰减,裂隙越小衰减速率越快。岩体受浆液卸荷影响范围大于浆液扩散范围,裂隙越小受浆液–岩体耦合作用越显著。裂隙组中相邻的裂隙在注浆过程中相互影响,较大裂隙进一步张开,较小裂隙趋于闭合,导致浆液在微小裂隙中的扩散范围减小或无法注入,并在较大裂隙中大量无效扩散,单纯提高注浆压力不会改善对较小裂隙的注浆封堵效果。研究结论对裂隙岩体注浆工程提供了一定指导与借鉴。     

光滑与粗糙单裂隙动水注浆对比试验

采用模型试验在动水条件下对光滑和粗糙的单一裂隙注浆进行了对比研究,分析了光滑和粗糙裂隙在动水注浆过程中的渗流压力、流出液体重量、浆液扩散半径和扩散面积的变化规律。结果表明,渗流压力与裂隙的粗糙度成正比,随裂隙粗糙度的增加而增大;粗糙的裂隙有利于浆液沿逆水流和垂直水流方向扩散但不利于浆液沿顺水流方向扩散;粗糙的裂隙有利于防止被动水冲刷从而达到更好的注浆堵水效果;为了达到理想的注浆堵水效果,在裂隙光滑时应该调节浆液配比缩短浆液的凝胶时间。本文研究结果对根据不同的裂隙粗糙度调整注浆工艺有指导作用。     

Fracture morphology and viscous transport

The morphology of a fracture in a granite block is sampled using a high resolution profiler providing a 3999×4000 pixel image of the roughness. We checked that a self-affine model is an accurate geometrical model of the fracture morphology on the basis of a spectral analysis. We also estimated the topothesy of the experimental surface to be and the roughness exponent to be ζ≈0.78. A finite difference scheme of the Stokes equation with a lubrication approximation was used to model the viscous flow through a fracture aperture defined as the gap between the experimental fracture surface and a flat plane. We finally compare our numerical results to experimental measurements of the flux through the fracture of a glycerol/water mixture (to be at sufficiently low Reynolds number where Stokes equations holds) changing the average aperture of the fracture. The comparison is successful despite a limited resolution of the experimental measurements. Interestingly we show that only long wavelengths of the fracture morphology control the fracture hydraulic conductivity.     

Estimation of REV size and three-dimensional hydraulic conductivity tensor for a fractured rock mass through a single well packer test and discrete fracture fluid flow modeling

A new methodology is presented to determine the representative elementary volume (REV) size and three-dimensional (3-D) hydraulic conductivity tensor for a fractured rock mass. First, a 3-D stochastic fracture network model was built and validated for a gneissic rock mass based on the fracture data mapped from scanline surveys at the site. This validated fracture network model was combined with the fracture data observed on a borehole to generate a stochastic-deterministic fracture network system in a cubic block around each packer test conducted at a different depth region in the same borehole. Each packer test was simulated numerically applying a developed discrete fracture fluid flow model to estimate the influenced region or effective range for the packer test. A cubic block of size 18 m, with the packer test interval of length about 6.5 m located at the centre of this block, was found to be suitable to represent the influenced region. Using this block size, the average flow rate per unit hydraulic gradient (defined as the transmissivity multiplied by mean width of flow paths) field for fractures was calibrated at different depth regions around the borehole by numerically simulating the packer tests conducted at different depth regions. The average flow rate per unit hydraulic gradient of the fractures that intersect the borehole was considered to be quite different to the average flow rate per unit hydraulic gradient of the fractures that do not intersect the borehole. A relation was developed to quantify the ratio between these two parameters. By studying the directional hydraulic conductivity behaviour of different cubic block sizes having the validated stochastic fracture network and calibrated hydraulic parameters, a REV for the hydraulic behaviour of the rock mass was estimated to be a block size of 15 m. The hydraulic conductivity tensor in 3-D computed through regression analysis using the calculated directional hydraulic conductivity values in many directions was found to be significantly anisotropic. The principal directions of the hydraulic conductivity tensor were found to be agreeable with the existing fracture system of the site. Further, the geometric hydraulic conductivity calculated was found to be comparable to the hydraulic conductivity estimated through the radial flow assumption in continuum porous media.     

非饱和开裂混凝土中水分运移研究

根据双重孔隙介质模型将开裂混凝土视为由完好混凝土和裂缝组成的复合孔隙材料,基于非饱和混凝土的水分运动方程和裂隙渗流的立方定律提出非饱和开裂混凝土中的水分运动方程,同时采用渗水装置对预制裂缝混凝土试块进行渗水试验,研究混凝土初始饱和度、水胶比和裂缝宽度对渗水深度的影响;采用TOUGH 2软件数值分析开裂混凝土中饱和度和水分流速的变化,根据平均流速计算渗水深度并与试验结果比较.研究发现:混凝土初始饱和度越小、裂缝宽度越大,则渗水深度越大,且渗水深度增长先快后慢,反映了混凝土基质势是开裂混凝土中水分运移的驱动因素;裂缝宽度与混凝土渗透性正相关;水分入渗开裂混凝土后流速差和平均流速随时间延长逐渐降低;采用平均流速计算的渗水深度能更好地反映渗水试验中渗水深度的变化趋势.     

不同强度海水珊瑚骨料混凝土断裂性能对比研究

对不同强度海水珊瑚骨料混凝土(SCAC)开展了抗压、劈裂拉伸以及预切口梁三点弯曲试验,获得了其荷载-裂纹口张开宽度关系以及断裂能、特征长度等断裂参数.结果 表明:随着SCAC强度等级的提高,其抗压强度及劈裂抗拉强度增大,拉压强度比小幅降低,开裂荷载与峰值荷载比明显增大,峰值裂纹口张开宽度显著降低;SCAC试件破坏均为裂纹贯穿骨料,断面光滑;提高SCAC强度等级可在一定程度上弥补珊瑚骨料的低强度缺陷,提高SCAC的断裂性能,但其脆性也相应增加.     

裂隙岩体精细结构描述及工程特性数值试验

 基于裂隙的空间形态及分布的统计特性,应用裂隙网络随机模拟技术,建立工程裂隙岩体的数字化岩体模型,并编制程序实现自动化建模。利用GeoCAAS程序进行裂隙岩体数值试验研究,发展了研究裂隙岩体的力学和水力学特性以及两者关系的方法。主要探讨裂隙岩体变形模量和渗透系数随裂隙迹长变化而演化的规律,并进一步分析变形模量和渗透系数之间的关系。     

矩形钢管混凝土K型节点受力性能试验

对6个矩形钢管混凝土K型节点和1个矩形钢管K型节点进行了受力性能试验研究,结合Packer试验结果,对矩形钢管混凝土K型节点的破坏模式及节点间隙对节点性能的影响进行了分析,并和矩形钢管节点进行对比,推导了K型节点与Y型节点的判别式。试验结果表明:矩形钢管混凝土K型节点没有发生屈服线破坏模式,节点极限承载力得到了有效的提高;受拉支管破坏模式与矩形钢管节点相似,为冲剪破坏和有效宽度破坏;在满足受压支管承载力的前提下,受压支管为横向局部承压破坏模式;当受压支管宽厚比较大时,可不考虑节点间隙对节点承载力的影响;当受压支管宽厚比较小、节点间隙较大时,需考虑节点间隙对节点极限承载力的影响。     

Heat transfer and fluid flow behaviour of a rectangular duct roughened with V-ribs with symmetrical gaps

In the present work, artificial roughness in the form V-ribs with symmetrical gaps have been applied on the heated surface to enhance the heat transfer in the limbs of V-ribs. Symmetrical gaps on both legs were provided by varying the relative gap width from 1 to 5 and number of gaps from 1 to 5. The relative roughness pitch, relative roughness height and aspect ratio of the rectangular duct are kept constant to the value of 10, 0.0433 and 12, respectively. The Nusselt number and friction factor of the artificially roughened absorber plates has been determined experimentally and corresponding values were compared with that of the smooth duct for the range of flow Reynolds number 4000–18,000. The maximum enhancement in Nusselt number was reported for relative gap width of 4 and Number of gaps of 3. The thermohydraulic enhancement factor was found to be in order of the 1.54–2.39.     

压差控制病房门缝渗透特性的CFD研究

通过建立压差控制病房模型,模拟渗透风量随压差及门缝特性变化状况,确定不同门缝高度、门高度及门厚度值下,门缝渗透函数中的相关参数.模拟结果对比显示,门缝渗透函数的流量系数与门缝高度呈线性关系,并随着门宽度的增加而减小,而门的厚度在一定范围内对流量系数的影响可忽略不计.在此基础上得出适合压差控制隔离病房密闭门的渗透函数及渗...