砂岩体裂隙渗流区的探地雷达信号动态响应机制

裂隙病害是石窟寺较为普遍而广泛存在的病害类型,水的参与加速了石窟岩体中裂隙的发育,裂隙渗流成为文物保护中的一项难题。针对石窟寺裂隙渗流问题,研究了雷达波地下传播特征对砂岩体裂隙渗流的动态响应机制。首先,依据实际物性参数和Richards方程建立了砂岩体裂隙渗流的瞬态模型;再采用时域有限差分法,对砂岩裂隙渗流模型进行探地雷达波场数值模拟;最后,利用Hilbert变换进行瞬时属性的提取,分析不同渗流时间下的雷达波场响应特征。砂岩体裂隙渗流模拟发现,裂隙渗流使得岩体渗流区域的介电常数增大,增强了该区域对雷达波的散射,导致雷达波散射的瞬时振幅随含水饱和度增大而增大。研究结果为探地雷达实现超精度探测砂岩体微小渗流裂隙提供了重要的理论支撑。

基于格子Boltzmann方法的单一粗糙裂隙渗流状态研究

岩体中普遍存在裂隙,基于格子Boltzmann方法以及D2G9离散模型在计算流体的渗流状态下具有边界条件易于设置、计算效率较高、计算结果可视化等优点,建立考虑不同粗糙度的单一裂隙渗流模型,模型的上下边界设置为无滑移的全反弹边界,左右边界则采用非平衡外推格式的分布函数边界,同时结合经典流体力学的Poiseuille流问题,对计算模型进行验证。最后,分析岩体裂隙表面粗糙程度对渗流状态的影响,计算结果表明:随壁面粗糙程度的增加,流体的流速、大小、方向均会发生不同程度的改变,并且在由粗糙度的改变而引起隙宽急剧变化的部位,局部伴随着流体旋涡的形成,导致流体内部摩擦阻力的增大,从而产生较大的局部能量损耗。

基于COMSOL的普朗铜矿裂隙渗流数值模拟

为了补充普朗铜矿地质特征研究以及探明矿区裂隙渗流特征,基于COMSOL软件对普朗铜矿裂隙渗流进行数值模拟。通过人工测窗法、三维激光扫描法和数字式全景钻孔摄像法对矿区的节理裂隙进行全面测量,调查开采前后矿区岩体裂隙张开度、倾向倾角、分布特征等情况。利用Monte-Carlo法生成裂隙网络模型并导出矿区岩体裂隙的几何参数,用COMSOL软件对普朗铜矿中裂隙进行渗流数值模拟。模拟结果得出,矿区的孔隙率为2.56%,渗透系数为6.52×10^(-8)m/s,对普朗铜矿的开采和资源评估具有重要意义,为其他类似矿山中裂隙渗流的数值模拟提供借鉴。

基于EDEM-FLUENT岩体微裂隙渗流特征及演化过程研究

为进行微观层面裂隙渗流过程的研究,构建三维单裂隙渗流模型,借助EDEM-FLUENT软件对单裂隙模型进行控制变量的数值模拟,获得了单裂隙结构在渗流过程中流体-颗粒关于压力流速分布图像,描述了单裂隙结构在渗流过程中流体-颗粒渗流特征的相关性。在承压水作用下,由颗粒迁移引发单裂隙的冲蚀效应,使裂隙喉部贯通处水流形态呈现阶段性变化:初始阶段、软化冲蚀阶段、扩展阶段、完全贯通阶段。以颗粒冲蚀速率评价微裂隙的演化过程,直观地描述了微裂隙演化过程呈现阶段性变化,其表现为快速增长-缓慢-平稳趋势。

水-岩作用下白云岩单裂隙渗流特性演化规律试验研究

为研究水—岩作用条件下水库消落带岩体渗流特性演化规律,以乌东德水电站库区白云岩为例,通过单裂隙渗流试验获取裂隙渗流特性变化规律,并借助SEM和三维表面轮廓扫描技术,研究了裂隙面微细观结构和表面形貌变化规律,探讨了裂隙渗流特性演化规律及影响机理。结果表明,在水—岩作用过程中,当渗透水压恒定时,渗流量随围压的增大呈指数关系递减;当围压恒定时,渗流量随渗透水压的增加呈线性关系递增;随水—岩作用周期的增加,裂隙渗流量呈先快后慢的减小,随后缓慢增加并趋于稳定。水—岩作用使得裂隙面一定深度的矿物软化溶解,改变了微细观孔隙结构和表面形貌特征,在围压作用下裂隙面闭合更加紧密,裂隙有效隙宽进一步减小是裂隙渗流量减小的主要原因。

基于泥砂介质的浆液裂隙渗流与孔隙渗透机理

为研究低渗透岩土介质的浆液裂隙渗流和孔隙渗透力学机理,以泥砂为研究对象,基于高压密封注浆试验系统设计注浆实验,根据格里菲斯强度理论推导了渗流通道形成准则,运用流体力学推导分析了面形渗流通道中浆液渗流压力变化和浆液渗透扩散半径公式。研究结果表明:浆液扩散包括渗流通道形成和渗流通道周围孔隙渗透两个过程。孔隙渗透是“初始渗入-开始絮凝-絮凝层局部破坏”等循环往复的过程。单相面形渗透扩散半径与浆液渗透率、注浆时间、注浆压力成正比,与被注介质孔隙率和浆液黏度成反比。研究结论为中煤平朔井工一矿综采工作面过陷落柱工程提供理论依据。

岩石粗糙裂隙渗流试验模型研究

分析岩石裂隙渗流对评价岩体工程安全性有重要意义。通过三维结构光学扫描仪扫描岩石裂隙表面测得三维坐标点并可视化重构,采用节理粗糙度系数和形貌统计等参数定量描述岩石裂隙粗糙程度和起伏特征。试验研究发现,当增大渗透压力梯度时,岩石裂隙渗流将由线性渗流转变为非线性渗流,采用Forchheimer公式能较好拟合这一过程。引入非线性因子E,求得临界非线性流的阈值和雷诺数。引入动量相对损失量—欧拉数来描述裂隙渗流过程中的流体能量演化规律,发现欧拉数呈先急速下降后逐渐趋于稳定的趋势。研究成果对实际工程具有一定指导意义。

粗糙交叉裂隙渗流行为模拟研究

以分形维数与交叉角度一定的复杂交叉裂隙体模型为核心研究对象,采用MATLAB与CAD平台建立了分形维数D=1.1、交叉角度θ=90°的交叉裂隙体模型,基于COMSOL软件模拟了不同水头比工况下交叉裂隙的渗流行为规律并对其进行定量表征,探讨了不同水头比对交叉裂隙流量、雷诺数、欧拉数、流线等定量指标的影响规律。结果表明:随着水头比增大,两侧分支裂隙渗流能力同步增加,总渗流量增大。水头增大侧分支裂隙的出流量始终比另一侧分支裂隙出流量略大,且随水头比增大二者出流量差值增大;随着水头比的增大,两分支裂隙的雷诺数一同增大,水头增大侧的雷诺数略大于另一侧,更快进入湍流阶段;水头增大侧分支裂隙欧拉数始终较高,而另一侧的欧拉数随着水头比增大而减小,说明水头比的增大会强化水头较大一侧对另一侧的动量补充;随着水头比的增大,水头较大一侧对另一侧的分流量增大,不会发生明显的混流。

岩体单裂隙渗流特性研究综述

为了提供一个关于岩体裂隙几何特征对其渗流特性影响的全面综述,大量调研多年来国内外学者所开展的相关研究工作,总结出开度、粗糙度和应力条件等因素对单裂隙渗流特性的具体影响。结果表明:在开度、粗糙度、应力条件等3种对单裂隙渗流产生影响的因素中,开度影响最早被研究,针对粗糙度影响效应的研究开展较晚,有关应力的研究在近30 a中逐渐增多且愈发被重视。此外,总结出试样制备、开度值获取以及粗糙度表征等未被考虑、提出和解决的关键的问题。研究成果可为岩体裂隙渗流特性的研究提供借鉴。

含密实原岩充填物的宜昌砂岩裂隙渗流试验研究

鉴于有无填充物条件下岩体裂隙渗流规律巨大差异,以及工程岩体中大量渗流裂隙为原岩破碎物填充的剪切滑移裂隙,研究加载路径、轴压、围压、裂隙深度、原岩充填物粒径等因素对渗流量的影响对岩质边坡渗流参数的选取及稳定性判别。针对带人工切割裂纹的宜昌地区砂岩裂隙渗流开展试验研究,得到如下结论:(1)填充砂粒在没有冲紧密实之前,不但受到轴压的加载路径影响,还受到围压的加载路径影响,其渗流量测量数据是没有可重复性的。经过4次以上围压轴压加卸循环后,渗流数据趋于稳定,具有可重复性。(2)裂隙深度小于2.5cm时,含密实充填物的裂隙渗流量与轴压的关系大致呈线性;裂隙深度达到2.5cm后,两者为非线性关系,这主要是裂隙深度增大导致砂粒位置和结构的改变可能性增大造成。(3)对有充填裂隙岩体,围压影响显著,而对开度较大的无充填的裂隙,围压对渗流量的影响极小,这是因为围压造成的岩体形变量对于开度较大的裂隙过水断面而言量级过小造成。(4)轴压小于0.03MPa或围压小于1MPa时,填充物粒度对渗流量影响呈无序性;轴压大于0.03MPa且围压大于1MPa时,砂粒度越大,对应的渗流量就越大,此时,轴压越大,填充物粒度对渗流量的影响越显著,随着围压的增长,3种不同粒度对应的流量保持的大小关系和相互比例趋于稳定。

粗糙裂隙渗流的超立方和次立方定律及其试验研究

在充分总结和认真分析了裂隙渗流现有研究成果以后发现,采用平均隙宽代替水力隙宽后,裂隙单宽渗流量与平均隙宽之间存在两种截然相反的幂指数关系,一种是指数大于3的超立方关系,而另一种是指数小于3的次立方关系。基于理想裂隙渗流遵循的立方定律,提出可以采用超立方定律和次方立定律来反映粗糙裂隙的渗流规律。并通过多种人工裂隙的试验研究,证明了该两种定律在粗糙裂隙渗流中可能同时存在,并初步提出了临界判别的定性标准。结果表明:吻合粗糙裂隙符合次立方定律,而非吻合粗糙裂隙遵循超立方定律。

富水覆岩采动裂隙渗流相似模拟研究

为了确保工作面在综放开采条件下安全生产,研究了采动过程中因顶板冒落、放顶垮落造成的顶板透水的灾害机理.结合具体工程地质条件,利用固-液耦合相似材料模拟方法对首采工作面综放开采过程进行了研究,分析了裂隙带与冒落带导水通道分布特征,总结了含水层潜水渗流规律.模拟结果表明,当工作面推进到300 m左右时覆岩主关键层断裂,裂隙带发展高度到达含水层,为顶板透水提供了可能的通道.在此基础上,分析了采动岩体的周期破断与裂隙发展过程,划分了顶板透水危险区域,其结论可为大佛寺煤矿顶板透水预测及防治提供依据.

裂隙渗流与应力耦合特性的试验研究

裂隙渗流与应力耦合特性的试验研究速宝玉詹美礼王媛（河海大学水电系，南京，２１００９８）１国内外研究成果概述及问题的提出自人们认识到裂隙在岩体中的重要性以来，作为基础性的单裂隙面渗流、力学及其耦合特性首先成为人们理论和试验研究的重点。在单裂隙面的渗流...

岩石边坡裂隙渗流的流形元模拟

为了能够更好地考虑裂隙渗流在岩石边坡破坏中的作用,在考虑裂纹扩展的数值流形方法程序基础上,从最小势能原理出发,阐述了渗流与变形的耦合作用机理并推导了相应的耦合方程,在程序中实现了对渗流与断裂的模拟。最后利用该程序对含初始裂隙的岩石边坡在渗流作用下的破坏过程进行了模拟。模拟结果很好地再现了边坡在渗流作用下的实际破坏过程。同时通过对裂纹扩展过程中应力强度因子的计算发现,第一应力强度因子始终大于第二应力强度因子,且随着计算时间增加,二者的差值逐渐增大,裂纹扩展以Ⅰ型为主。

三维裂隙渗流模拟中裂隙对相交判断过程的优化

离散裂隙网络模型是模拟预测矿井突水事故有力工具。精确构建裂隙网络的几何结构需要判断大量裂隙之间的拓扑关系,而这一过程会显著影响数值模拟效率。引入定向包围盒技术对传统相交分析"两步法"进行算法优化,提出运算成本估算公式和基于假想裂隙面的参数选取方法。经多组相交实验表明,在大规模裂隙模拟中采用定向包围盒的整体运算时间与范围盒和轴向包围盒相比可节约40%和20%。

裂隙渗流对岩石边坡稳定的影响——渗流、变形耦合作用的DDA法

裂隙中的渗流是岩石边坡失稳的重要因素之一。在最近发展起来的离散型数值方法——DDA法的基础上,考虑裂隙网络中地下水的流动,以及渗流压力与岩石变形的耦合作用,从能量最小原理出发,推求了考虑裂隙渗流情况下岩石系统的瞬时平衡方程及对任意裂隙进行安全评价的局部安全系数。用该方法对日本某隧道的塌方事故进行了模拟分析,数值模拟再现了该隧道破坏的过程。模拟结果表明,由于连续降雨和表面结冰导致岩石裂隙中地下水位升高,过大的水压力致使隧道上部的垂向裂隙张开并向下扩展,最终导致整个岩坡的崩塌。研究结论与日本事故委员会的调查结果一致。

二维裂隙渗流等效渗透系数张量的一种近似算法

地质体裂隙渗流十分复杂,通常可用等效渗透系数张量来描述其渗透特性.本文基于无限延伸的多组平行裂隙的等效渗透系数张量的叠加算法,通过引入裂隙的贯通系数概念,并结合随机裂隙网络生成技术,发展了一种可用于估算二维裂隙等效渗透系数张量的叠加算法.

坝基岩体裂隙渗流效应数值模拟方法

为获取工程尺度的裂隙岩体三维渗流效应,在裂隙岩体基质岩块和裂隙水力传导特性研究基础上,推导了含裂隙单元渗透系数表达式。基于嵌入裂隙单元(EFE)模型,使用离散裂隙网络(DFNs)技术与连续介质渗流分析方法,提出了利用连续介质渗流分析方法模拟非连续介质渗流效应的数值模拟技术,通过算例对该方法的有效性进行了验证,分析了单元尺度大小对该方法计算准确性的影响,并提出了提高计算精度的措施。工程实例研究表明裂隙岩体渗流分析的EFE模型能够真实地模拟坝基岩体渗流路径和孔隙压力分布,更好地揭示坝基的扬压力实际非规则分布形态。

基于渗透张量的裂隙渗流有限元计算中反常水头现象初探

针对利用等效连续导水介质模型研究岩体裂隙渗流问题时，有限元计算部分结果出现的水头反常现象，经多因素分析，认为渗透张量与渗流区域边界形状之间存在着相互协调的条件，当这种条件被超越时，就会使计算结果出现水头反常现象．

新型砌块重力式挡土墙墙体裂隙渗流规律研究

为了研究新型砌块重力式挡土墙全断面排水规律及墙体裂隙堵塞对排水效率的影响,采用缩尺模型进行试验。试验研究结果表明,水位高度和墙体裂隙率是影响挡土墙排水效率的两个关键性因素。挡土墙等效渗透系数随着水位高度增加而增大;挡土墙等效渗透系数的变化与裂隙堵塞程度呈正比;垂直裂隙排水效果优于水平裂隙,水平裂隙会造成地下水一部分回流,降低挡土墙整体排水效率;设置土工布虽然会对挡土墙的等效渗透系数减小约20%,但可有效防止墙后土颗粒流失堵塞墙体裂隙;挡土墙在堆叠排块时应错缝堆叠,避免出现直缝或堆叠间隙相隔较大。