溶蚀岩体随机结构模型建立及其在岩体渗漏评价中的应用

针对中小规模裂隙和溶蚀洞穴造成的溶蚀岩体渗漏 ,本文提出了溶蚀岩体渗漏评价的一种新思路 :首先对现场开挖所揭露的有限的裂隙和溶蚀洞穴观测资料进行统计分析 ,利用统计分析结果建立溶蚀岩体随机结构模型 ;然后根据随机结构模型所反映出的裂隙和溶蚀洞穴有关参数计算渗透参数 ;最后结合区域水力学条件计算岩体渗漏量。多次模拟后可以得到渗漏量的分布规律。其中 ,建立合理的随机结构模型是关系本方法成败的关键 ,文中给出了建立溶蚀岩体随机结构模型的步骤 ,提供了随机模拟的编程思路和程序框图 ,并结合具体的工程实例对该方法的应用前景进行了讨论     

水电工程坝基岩体溶蚀程度对坝体不均匀沉降影响分析

水电站坝基岩体发生溶蚀以后会对大坝的稳定性带来较大的影响,本文以工程实例为依托,利用三维数值分析技术,分析计算了坝基岩体不同溶蚀程度对坝体不均匀沉降的影响。结果表明:当坝基岩体强烈溶蚀、中等溶蚀、轻微溶蚀以后,坝顶处的最大位移分别达到10cm、5.5cm、4cm。坝基岩体溶蚀程度越高,坝体各处不均匀沉降的程度越严重。在相同的溶蚀程度下,坝踵处的不均匀沉降程度最严重,坝顶处不均匀沉降程度次之,坝趾处不均匀沉降程度相对最小。     

观音岩水电站坝址区右岸岩体溶蚀发育机理研究

观音岩水电站位于金沙江上游,坝型初拟混凝土重力坝和心墙堆石坝组合坝。坝址区分布有侏罗系中蛇店组(J2s)地层,岩性主要为钙质铁质胶结的砾岩、石英砂岩,其中砾石成分以泥晶灰岩和生物灰岩为主。在地下水作用下砾岩钙质溶蚀形成规模较大的囊状空腔或孔洞,砂岩则表现为钙质胶结物流失溶蚀呈砂土状或砂糖状,对坝基稳定性造成了一定的影响。本文在对观音岩水电站坝址区右岸地质条件和水文地质条件分析的基础上,采用地下水动力模拟、可溶成分统计、取样室内溶蚀试验等方法对岩体溶蚀发育机理进行了分析。结果表明:岩体溶蚀作用主要受岩性、构造控制; 由于局部地下水流循环快,流速较大,顺节理裂隙的走向方向溶质作用强烈; 钙质胶结的砾岩、含砾砂岩中,钙质砾石碎屑含量占30％ ~50％; 新鲜岩石易受溶蚀且溶蚀速度较快。研究成果为进一步对大坝抗滑、变形及渗透稳定性的影响评价奠定了基础,同时为水库蓄水后地下水对岩体溶蚀作用的研究提供了背景。     

缝洞型油藏三维离散缝洞数值试井模型

缝洞型碳酸盐岩油藏发育着大尺度的溶洞和裂缝,非均质性极强,缝洞型碳酸盐岩油藏问题的研究成为了世界级难题之一.由于大尺度溶洞和裂缝对储层的流体流动起主导作用,因此,基于连续介质理论的双重介质或三重介质模型已不适合其中流体流动的描述.根据大型缝洞分布地质特征,探索性地提出了一种板块组合的复合架构离散缝洞模型描述该类油藏中的流体流动,将三维空间大裂缝用板块描述,溶洞用高渗透率和高孔隙度不规则多面体团块描述.将裂缝面用二维三角形单元离散, 溶洞和基质用三维四面体离散, 利用三维混合单元有限元法对建立的不定常渗流模型进行求解,得到了三维渗流条件下的试井理论曲线及压力场分布.通过对试井理论曲线特征的分析, 获得了各敏感参数对试井曲线的影响规律.通过对1口井的实际测试资料解释结果的分析,并与实际地震反射资料及生产实际资料的对比,发现本文所建立的模型可以较好地反映裂缝和溶洞的地质动态状况,并与实际生产状况具有较好的一致性.这一结果说明了所建模型的正确性以及测试资料分析结果的可靠性.      

单轴压缩条件下溶蚀岩体力学特性数值试验研究

工程尺度的溶蚀岩体难以开展室内外力学试验,导致溶蚀岩体的力学参数获取存在困难,因此基于岩石矿物含量特征、室内力学试验和岩体结构面特征,采用三维颗粒流离散元法,通过建立等效孔隙型溶蚀岩体模型进行单轴压缩数值试验,进而分析其力学特性和变形破坏机制。研究表明：采用改进平行黏结模型,基于细观矿物特征,通过元胞自动机算法剔除颗粒可建立孔隙型溶蚀岩体模型;加载前期,岩体结构面首先快速破坏而产生以剪切为主的微裂纹;随加载进行,岩块内逐渐产生以拉裂纹为主的破坏,其微裂纹呈指数增加,而结构面微裂纹先激增后趋于稳定;相同轴向应变时,岩块内拉裂纹随溶蚀率增加而增加,而结构面剪切微裂纹减少;岩体的变形破坏分为结构面快速破坏、岩块弹性变形、岩块塑性变形和岩体完全破坏等4个阶段,其破坏形式随溶蚀率增加而从整体均匀性破坏转化为局部结构性破坏;溶蚀使岩体强度降低,溶蚀率与单轴抗压强度和变形模量分别呈反比和负指数函数关系。     

黄河上游某电站上新统石膏夹层对坝基岩体稳定性影响评价

拟建的黄河上游某水电站在勘查过程中发现在河床以下存在一层厚约2m的石膏层。石膏岩遇水易溶解,工程地质性质较差,力学强度较低,是水电建设中的不良岩体。本文对石膏岩的物理力学性质和化学成分做了仔细分析,分析了石膏溶蚀后对坝基稳定性的影响,找出防止石膏溶蚀的判断标准,最后得出防治措施。     

基于三棱柱体的三维地质体可视化研究

三维可视化技术能形象表达地层信息的真实形态及构造要素的空间关系而应用广泛,建立了一种以三棱柱体作为基本体元来实现三维地质体可视化的方法,该方法通过对三角形的自分解并且充分考虑地质体内所存在的断层等地质现象,在引入虚拟钻孔的基础上,建立三维模型,该模型通过自分解而实现地质体内部信息的显示,最后用实际资料进行了验证。     

基于DPM系统的风化岩软弱区定位以及性质描述

风化岩体中存在软弱区,这些软弱区导致岩体的力学性能大幅度降低。现阶段往往采用地质钻孔取样对岩体中的软弱区进行定位以及性质分析。但是,由于造价以及工期方面的原因,地质钻孔数量非常有限,这些软弱区很难被有效定位,这在分析风化岩体的力学性能中造成了很大的隐患,成为边坡、基坑设计施工过程中岩体失稳的重要原因。本文介绍了一个风化岩体软弱区定位和性质描述的新方法。该方法应用钻孔过程监测系统(DPM)对土钉、锚杆、抗滑桩以及其他加固体的钻孔过程进行监测,无需取样,通过对钻孔过程数据的分析,实现对软弱区的定位和性质描述。工程实例证明,基于DPM系统的钻孔过程分析方法能够快速有效的定位和描述风化岩体中的软弱区。该方法的出现为风化岩体的工程勘察提供了新的思路,为基于该方法的岩体质量评价系统的建立打下了坚实的基础。     

嵌套网格计算的一种实用初始洞面构造方法及应用

针对结构嵌套网格计算,提出一种实用的初始洞面构造方法,成功应用于自动化嵌套网格生成过程。首先采用封闭物面作为嵌套网格"挖洞"的初始洞边界,然后通过分别给定期望的壁面距离及初始洞间距比例因子的方法进行优化,得到真正的挖洞曲面。通过对NACA4412单段翼型、30P30N三段高升力翼型等算例计算,结果表明:本文提出的方法能有效解决嵌套网格计算中初始洞边界自动构造问题,并能有效避免在近壁面区域进行流场传值,在不需要额外采用洞面优化技术的情况下解决壁面狭缝网格重叠问题,获得更优的嵌套网格流场计算结果。结合本文方法对传统嵌套网格方法进行改进,可为自动化嵌套网格生成提供有效的途径。     

两体磨料磨损的三维动态模拟

概述了目前存在的几种两体磨料磨损的数学模型。将Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ方法怀数值模拟相结合,提出了一个新的三维仿真模型。运用Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ方法随机选取磨粒的形状参数,采用打靶法生成随机的磨粒表面,采用网格剖分法记忆被磨表面的外形,为脊的处理以及磨损量的计算提供了一种的新方法,在三维空间内模拟了多个磨粒同时参与磨损的随机的动态磨损过程。将模拟结果和碳钢系列材料的试验结果以及其他研究者的模拟结果     

龙游牛场古地下洞室群岩柱的长期抗拉强度反演

在龙游县上畈村附近的牛场有一处由2个洞室组成的古地下洞室群。现场调查发现,在其中1号洞的岩柱1上出现了一条竖直的张开裂缝。据分析,这是上覆岩层对该岩柱施加过大荷载的结果,这一发现为本文研究岩体长期抗拉强度提供了条件。作者即以根据牛场古地下洞室群1号洞内岩柱1的拉裂现象为研究对象,根据最大拉应力论来反演岩体的长期抗拉强度。这不仅对长期强度研究具有理论意义,而且在古工程保护方面也具有应用价值。     

某大型地下洞室群围岩稳定性分类研究

根据地下洞室群的特点 ,选取岩体质量综合级别、块体状况、开挖位移及破坏区、岩爆烈度四因素为分类指标 ,建立了大型地下洞室群围岩稳定性分类体系。针对不同稳定性等级 ,提供了相应的开挖方式和支护处理建议。最后 ,运用该分类体系对某地下洞室群的主厂房进行了分析评价。     

边坡下伏地下圆形洞室的弹性应力解析

根据洞室与边坡的相对位置,将其分为深埋地下洞室与浅埋地下洞室,并分别建立了计算模型。将浅埋圆形洞室视为分布荷载作用下半无限体表面附近的孔洞的应力分析问题,采取复变函数的保角映射得到了浅埋洞室的应力解析解。将深埋洞室视为一个双向受压无限板孔应力集中问题,得到了边坡下伏深埋圆形洞室的应力解析解。以某填筑边坡下地下圆形洞室为例,计算得到了浅埋圆形洞室周边的径向应力与环向应力分布,计算结果表明洞室圆心水平线上的环向压应力随着与洞周距离的增加逐渐减小,但径向压应力却是首先增加,然后才逐步减小。洞顶圆周出现环向拉应力,随着越来越接近地表,环向应力逐步转变为压应力并且越来越大,而径向应力逐渐变大。洞周环向拉应力在洞顶与洞底数值最大,洞室左右两端洞周环向压应力数值最大;洞周径向应力在洞顶、洞底数值较小,左右两端洞周应力最大。     

微环境对龙游石窟粉砂岩风化的影响

本文通过龙游石窟2号洞离洞口较近的洞内围岩的风化程度比离洞口较远的洞内围岩的风化程度更为严重的事实来论证微环境对粉砂岩风化的影响。为了描述围岩风化的严重程度,利用橡皮泥压模法对龙游石窟2号洞洞口附近围岩和洞内围岩的凿痕深度进行了量测。量测结果表明,洞内围岩凿痕的最大高差和最大起伏度的平均值分别为10.2mm和0.43。与之相比,洞口附近围岩凿痕的相应值都较小,分别为8.0mm和0.35。以上数据说明洞口围岩凿痕的风化深度较大,粗糙程度较小,被"磨平"的趋势更严重。作者认为, 2号洞洞口附近和洞内的微环境差异(主要包括降水、温度、光照和苔藓等)造成了上述围岩风化程度的差异。     

Thermal dynamics of a block-filled underground hot water store

One of the best methods for seasonal storage of solar heat is the storage of hot water in large unlined rock caverns. A safe method to build self stabilizing very large caverns is to excavate them partially, i.e. to leave a considerable amount of the blasted rock in the cavern.The remaining rock in such a hot water store represents an undesired thermal inertia and it is of great practical interest to estimate how the remaining blocks influence the performance of the store.If the cavity is assumed to be spherical, the remaining blocks spherical as well, the heat diffusitivity of the solid matter constant and the water well stirred, the temperature of the water can rather easily be calculated. In the present paper it is shown that the coupled system of partial differential equations and one ordinary differential equation can be reduced to a Volterra integral equation. The calculations show how the porosity and the size of the remaining blocks influence the water temperature if an arbitrary power is added to or extracted from the cavern.     

Modeling Approaches for Investigating Gas Migration from a Deep Low/Intermediate Level Waste Repository (Switzerland)

In low/intermediate-level waste (L/ILW) repositories, anaerobic corrosion of metals and degradation of organic materials produce mainly hydrogen, methane, and carbon dioxide. The Swiss reference concept for the L/ILW repository consists of parallel caverns sealed off from a single access tunnel in a deep low-permeability claystone formation. The potential buildup of excess gas pressures in the backfilled emplacement caverns was investigated in a series of two-phase flow models. In the first step, a large-scale model was constructed, implementing the 3D radial tunnel and cavern geometry with a simplified rectangular geometry. In the second step, the potential impact of the detailed geometry of the engineered barrier system (EBS) and the associated heterogeneity inside the cavern was examined using detailed models of the repository caverns, tunnel seals, access tunnel, and surrounding host rock. The simulation results from the large-scale 3D repository model show that during the early post-closure period simulated pressures can vary significantly between different parts of the repository. The simulated pressure increase in the emplacement caverns remained below the fracture pressure of the rock for realistic assumptions. Gas flow is largely limited to the EBS and the excavation disturbed zone (EDZ); thus, gas flows through and around the repository seal into the adjacent tunnel system, which is also demonstrated in the detailed repository-cavern model. The repository seal model described the detailed two-phase flow pattern of early time resaturation of the repository by water inflow from the ramp and subsequent counter flow associated with the gas flow from the repository cavern. Overall, the results of the detailed models complement and confirmed the results of the large-scale 3D model in terms of the timing of the pressure peaks and the migration of gas from the cavern into the surrounding host rock and through the repository seal.     

隧洞式内衬储气库极限储存压力解析解

隧洞式内衬储气库是一种新型能源储存方法,有助于平衡供需,推动国家由化石能源向绿色能源的持续过渡,有利于国家“碳中和、碳达峰”目标的实现.本文采用极限平衡方法和弹塑性分析方法推导隧洞式内衬储气库极限储存压力的解析解.在极限平衡方法中,考虑上覆围岩自重、破裂面受力和极限储存压力,选用刚性锥模型,推导了上限压力表达式;在弹塑性分析方法中,根据围岩中应力分布规律和剪切、抗拉强度,推导获得了弹塑性条件下上限与下限压力表达式.最终综合考虑两方法求得的结果,确定极限储存压力解析解.结果表明:极限平衡方法求得上限压力与埋深呈二次函数关系,且随着侧压力系数的增大而增大;弹塑性分析方法确定的上限压力和下限压力与埋深呈线性关系,下限压力随着侧压力系数的增大而减小,且Ⅰ级围岩条件下的内衬储气库不用考虑下限压力.在侧压力系数λ=1.2时上限压力最大,因此应尽量在侧压力系数为1.2的围岩条件下修建隧洞式储气库.最后根据典型工况下上限和下限压力曲线给出内衬洞室推荐压力范围.     

龙游石窟3号洞第3-2号岩柱的监测与开裂机理分析

龙游石窟1-5号洞室群几百年来一直处于水下,1992年首次被抽干水用于开发旅游。由于抽水前后环境的强烈改变,以及洞内干湿交替明显,所以洞室围岩风化和破坏都十分严重。其中,本文所讨论的3号洞第3－2号岩柱就是已发生严重开裂,并亟待加固。为对该岩柱的加固提供科学依据,需准确把握变形破坏发展情况和据此研究它的变形破坏机理。为此,作者采用JSYCB-73系列电感式测缝仪和钢尺等手段对岩柱开裂的宽度和长度进行监测。根据监测所取得的大量数据和地质条件,对该岩柱的开裂机理进行了分析,得出了以下结论：（1）用来加固邻区的混凝土喷层的重力部分转移到该岩柱上,从而增加了荷载;（2）由于洞内渗水严重、干湿交替、温差变化较大等使风化作用加大。结果,导致该岩柱的强度降低。（3）该岩柱强度的降低和所施加荷载的增加等两个因素最终导致了岩柱被压裂。根据上述研究结论,并考虑文物保护和旅游的需要,提出了治水、地表卸荷、岩柱加锚、加箍等加固措施。加固后的监测数据表明,开裂已不再发展,岩柱已处于稳定     

关于龙游石窟4号洞4-2号岩柱长期抗剪强度反分析问题的讨论

对于地下工程来说,围岩的长期抗剪强度从来是工程设计者和研究者所关心的课题。但历来仅根据持续时间十分 有限的试验来确定。因此从某种意义上说,由这类试验所得到的,并非真正意义上的长期抗剪强度。所以,本文提出的根据 龙游大型古地下工程即龙游石窟岩柱(包括柱础)的剪坏现象反算岩柱的长期抗剪强度的成果,是很有理论价值的。本文将 以龙游石窟4号洞的4-2号岩柱为对象作古地下工程岩柱长期抗剪强度的反演研究。为了在反演中能进一步考虑剪切面上 各部位的应力变化,作者还借助于FLAC-3D分析结果对不同部分分别进行研究,从而取得了较好的反演结果。     

层状盐岩力学特性研究进展

盐岩具有孔隙度低,渗透率小,损伤自恢复和塑性变形能力大等特性.本文着眼于深部盐岩能源地下储备,在简要介绍国内外盐岩力学特性研究现状基础上,着重综述了近期关于层状沉积型盐岩工程力学特性研究的进展.层状盐岩压缩试验表明泥质硬石膏夹层对盐岩体的变形和破坏特性有明显的影响,揭示了复合岩体的变形和破坏机制;层状盐岩流变试验表明层状盐岩的蠕变主要由盐岩层控制,硬夹层的存在对溶腔围岩的长期蠕变起到抑制作用;为了深入了解界面的力学特性,开展了层状盐岩直接剪切试验、间接拉伸试验和界面微观分析试验,试验表明层状盐岩体中盐岩夹层界面具有较强的黏结力,这十分有利于盐岩溶腔的密闭性和稳定性;针对特殊的层状岩体提出了复合岩体Cosserat介质扩展本构模型,并应用于层状盐岩构造中能源储库稳定性分析中.最后指出了层状盐岩工程力学特性研究中值得关注的几个重点研究方向.