双重裂隙系统渗流模型研究

根据岩体裂隙系统发育规律及其渗流特征，提出双重裂隙系统渗流原理，将裂隙网络渗流理论模型变成能详细描述主次裂隙系统渗流机制的裂隙岩体渗流实用模型，为解决工程中的岩体裂隙渗流分析提供了新方法。

双重裂隙系统断裂损伤渗流张量研究

针对双重裂隙系统渗流，提出断裂损伤渗流张量模型－ 该模型将主干裂隙网络模拟为非连续介质模型，将裂隙岩块模拟为具有一定开度的扁平圆盘裂纹－ 由裂隙统计分析和Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ 法产生随机网络系统－ 根据断裂力学理论，按照裂隙的断裂扩展过程建立起渗流张量的演化方程－

考虑基质渗透性的粗糙单裂隙非达西流动特性研究

粗糙单裂隙及其周围岩石基质是组成复杂岩体裂隙网络的基本单元,了解其中发生的流体流动行为具有重要意义。通过直接求解Navier-Stokes(N-S)方程开展三维粗糙单裂隙和裂隙-孔隙双重介质模型的渗流模拟工作,研究了裂隙表面粗糙度、匹配性和基质渗透性对粗糙单裂隙中发生的非达西流动的影响规律。结果表明:Forchheimer方程可以准确描述双重介质模型中粗糙单裂隙流体流量与压力梯度间的非线性关系;表面粗糙度和不匹配性的增大会加剧裂隙内部开度分布的不均匀性,增大裂隙的流动阻力而促进非达西流动的发生;可渗透基质会使得裂隙过流能力增强,通过粗糙单裂隙的流量最多可增大约14%,这会抑制非达西流动的发生;基质渗透性对裂隙过流能力增长的影响程度与表面粗糙度和不匹配性呈正相关。

裂隙开度的压力溶解对双重孔隙介质热-水-应力耦合影响的有限元分析

为了考虑应力拉压和压力(化学)溶解对裂隙开度的综合影响,对所建立的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型中裂隙开度的计算模型作了改进。通过一个假定的高放废物地质处置库算例,就岩体裂隙开度变化的3种工况,分析了岩体中的温度、孔(裂)隙水压力、地下水流速和主应力的变化、分布情况。结果显示:3种工况的计算域中温度场基本相同;孔(裂)隙水渗流场形态相似,但其量值有一定差别;工况1的裂隙开度在应力和压力(化学)溶解的共同作用下闭合量最大,负孔(裂)隙水压力增值最高;核废物的释热效应明显地改变了岩体自重应力场的水平分量,但对其垂直分量影响较小。

热-水-应力-迁移耦合条件下双重孔隙-裂隙介质的抗剪强度及有限元分析

考虑裂隙的连通率、间距、孔隙基质和裂隙材料在表征单元(REV)中的体积分数,并假定双重孔隙-裂隙介质的等效内摩擦角保持常数,而等效黏聚力是固有黏聚力、等效塑性应变、基质吸力、溶质浓度及温度的函数,提出了一种在热-水-应力-迁移耦合条件下确定表征单元内任一平面上等效的黏聚力及内摩擦角的方法。针对一个假定的位于非饱和双重孔隙-裂隙岩体中的高放废物地质处置模型进行了数值模拟及分析。结果表明,基质吸力对于等效黏聚力的增强作用大于等效塑性应变和溶质浓度的减弱作用,使得等效黏聚力得到了提高,故减少了围岩中的塑性区;由此岩体应力、孔(裂)隙水压力及流速、孔(裂)隙溶质浓度的分布及量值也发生相应的改变。

一种双重孔隙-裂隙岩体流变模型及其在地下洞室有限元分析中的应用

用西原模型描述双重孔隙-裂隙介质的流变特性,在理论上给出了其流变参数及强度指标的确定方法,建立了瞬弹-黏弹-黏塑性平面有限元求解格式和研制了相应的计算程序。针对一个矩形地下洞室围岩为裂隙岩体和完整岩体的两种工况进行数值分析,对比了围岩中的位移、应力及塑性区。其结果显示:相比于单一介质的情况,双重介质因其变形模量、凝聚力和内摩擦角减小,故洞室围岩中随时发展的位移和塑性区有明显的增长,两种工况的围岩应力分布亦存在较大的不同,特别是双重介质围岩中最大主应力σ_1和最小主应力σ_3的差值较大,因此,提高了围岩破坏的可能性。

双重孔隙-裂隙岩体中洞室变形及强度各向异性的三维有限元分析

将确定双重孔隙-裂隙介质凝聚力及内摩擦角的方法与描述介质强度各向异性的微结构-无迹张量方法相结合,引入到三维有限元程序中。以简单的算例,通过解析解与数值解的比较,验证了所开发的有限元程序的可靠性。针对一个假定的位于被3组正交裂隙所切割的围岩中的矩形洞室,使用Mohr-Coulomb准则进行弹塑性数值模拟,就不同的工况分析了围岩中的位移、应力及塑性区的状态。计算结果显示:裂隙组的不同展布及组合使得岩体的变形及强度性质有着不同的各向异性,从而相应地导致围岩中的位移、应力及塑性区的分布与量值产生明显的差异。

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。

裂隙贯通率对双重孔隙介质热-水-应力耦合现象影响的有限元分析

为探讨裂隙的贯通率对于耦合的温度场、渗流场和应力场的作用,应用所建立的遍有节理岩体双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型,以一个假定的位于非饱和地层中的高放废物地质处置库为算例,针对裂隙和孔隙的贯通率不同的4种工况进行了二维有限元数值分析,考察了围岩中的温度、负的孔隙和裂隙水压力、地下水流速、孔隙及裂隙的渗透系数修正因子和应力的变化、分布情况。结果显示,由于裂隙贯通率的差异使得双重介质的刚度不同,引起岩体中应力状态及水平的改变,从而影响到孔隙、裂隙的孔隙率及渗透系数的量值,并导致孔隙水和裂隙水的压力大小、分布以及水流速度的变化。

孔隙-裂隙双重变形介质中的油水两相流动理论研究

在连续介质力学理论架构下,文章建立了饱和油水两相渗流与变形孔隙-裂隙双重介质耦合作用的理论来模拟裂隙砂岩储层中的油-水渗流,提出了基于双孔隙固相系统变形与油水两相渗流的全耦合力学模型;在对力学模型给予适当简化的基础上,应用解耦的有限元数值解方法对裂隙储层的两相流体压力、饱和度以及储层变形等参数进行了数值模拟;结果表明,裂隙储层流体运动主要由裂隙变形、油/水的PVT特性所决定。

裂隙-孔隙双重介质Darcy-Forchheimer耦合流动模拟方法及工程应用

针对裂隙-孔隙双重介质非线性渗流问题,采用压力交换函数描述孔隙Darcy渗流和裂隙Forchheimer渗流耦合特性,推导了渗流方程有限体积的数值格式,并编制了相应的计算程序。通过与单裂隙和相交裂隙渗流的Frih和Arraras解对比,验证了新方法的合理性。对富水深埋裂隙型围岩隧道非线性渗流问题的计算表明,所提算法对复杂裂隙系统问题具有很强的适用性。进一步分析隧道围岩渗流特征:越接近隧道位置,水压梯度越大,流量也越大;隧道周围水压梯度呈现“底部大,顶部小”的特点,最大相差2.5倍,因此隧道底部的流量大于顶部流量;裂隙方向均匀性和密度是影响隧道围岩水力特性的重要因素。在一定水力梯度下,裂隙方向越集中于水力梯度方向且密度越大时,围岩导水性越大,隧道流量越大,越容易发生涌水事故。研究成果为裂隙型围岩隧道防水设计及工程实践提供参考。

强随机分布裂隙介质的二维逾渗规律研究

首先以介质中裂隙的方向分布为基础,将孔隙裂隙双重介质分为弱随机分布裂隙介质、分组分布裂隙介质、强随机分布裂隙介质3类。然后将岩体的主要渗流通道——裂隙引入到逾渗研究理论中,以裂隙数量分布分形规律的基础,建立了强随机分布裂隙介质的逾渗模拟方法。通过数值计算的方法研究了强随机分布裂隙介质逾渗现象与逾渗规律,得到了以裂隙分形维数、裂隙数量分布初值、孔隙率为变量的逾渗阈值的数学表达式。

双重孔隙介质THMM耦合模型及其有限元分析

建立了一种饱和-非饱和遍有节理岩体的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合模型,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、裂隙渗流场和孔隙浓度场、裂隙浓度场,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;并开发了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,就岩体为非饱和双重孔隙-裂隙介质和放射性核素泄漏的情况进行了数值分析,考察了岩体中的温度、负孔隙水压力、饱和度、地下水流速、核素浓度和主应力的状态.结果显示:孔隙和裂隙中的负水压力及核素浓度呈现不同的变化、分布;尽管裂隙水饱和度平均仅为孔隙水饱和度的1/10,但因裂隙的渗透系数比孔隙的渗透系数大4个数量级,故裂隙中地下水的流速约是孔隙中相应值的3倍;孔隙和裂隙中核素浓度的量值接近.

应力腐蚀和压力溶解引起的裂隙开度-刚度变化对THMM耦合过程影响的数值模拟

在使用Yasuhara等建立的裂隙开度的应力腐蚀和压力溶解模型的基础上,考虑裂隙闭合量对裂隙刚度的影响,针对一个假设的位于非饱和双重孔隙-裂隙岩体中且有核素泄漏的高放废物地质处置模型,拟定两种计算工况:(1)裂隙的刚度系数是裂隙闭合量的线性函数;(2)裂隙刚度为常数,进行热-水-应力-迁移耦合的二维有限元数值模拟,考察了岩体中的温度、裂隙开度的闭合速率、闭合量、孔(裂)隙水压力、地下水流速、核素浓度、裂隙刚度和正应力的变化、分布等情况。结果表明,两种工况岩体中的温度场、孔(裂)隙水压力、地下水流速、核素浓度无明显差别;裂隙闭合基本由应力腐蚀产生;在相同计算时间内两种工况的裂隙闭合量较为接近,工况1略大;工况1中离玻璃固化体越近,裂隙刚度值越高,并且在玻璃固化体附近的应力值较大,且集中程度较高。

压力溶解和自由面溶解/沉淀对双重孔隙岩体中热-水-应力耦合影响的有限元分析

引入裂隙开度的压力溶解和自由面溶解/沉淀模型,针对一个假设的位于饱和双重孔隙-裂隙岩体中的高放废物地质处置库,拟定3种计算工况:(1)裂隙开度是压力溶解和自由面溶解/沉淀的函数;(2)裂隙开度仅随压力溶解而变化(这2种工况中基岩的孔隙率亦是应力的函数);(3)裂隙开度和基岩的孔隙率均为常数,进行热-水-应力耦合的二维有限元分析,考察岩体中的温度、裂隙开度及渗透系数、孔隙水压力、地下水流速和应力的变化、分布情况。结果表明:自由面溶解/沉淀引起的裂隙开张及渗透系数增量的绝对值要明显大于压力溶解产生的裂隙闭合及渗透系数减量的绝对值,而压力溶解对裂隙的开度及其渗透系数的影响较小;同时计入压力溶解和自由面溶解/沉淀相比于仅考虑压力溶解,同时计入压力溶解和自由面溶解/沉淀的裂隙开度及其渗透系数分别约为仅考虑压力溶解时的1.5和7.0倍;在释热温度场的作用下,计算域中的裂隙水压力随时间先上升再下降,但变化幅度不大;3种工况下岩体中的应力量值及分布差别很小。

双重介质中洞室周边切向应力的各向异性解

为快速、批量地进行参数敏感性研究,基于各向异性弹性力学的理论,将具有两组正交节理的双重孔隙-裂隙介质简化为平面正交各向异性无限域,建立了相应的物理方程,得出此无限域中圆形洞室周边切向应力的弹性解析公式。对节理、基岩的几何及弹性常数、侧压力系数、边界荷载作用方向角等因素的应力敏感性进行了分析。其结果表明:节理的间距及刚度、基岩弹性常数的变化对洞周切向应力的影响不大;而侧压力系数、边界荷载作用方向对洞周切向应力的分布及量值有显著的作用;在边界荷载作用方向为某个角度时应力波峰和波谷的差值最大,这意味着此时洞室的稳定性最差。

一种基于逾渗模型的裂隙岩石渗透系数确定方法

针对裂隙岩体提出了一种基于双重逾渗模型的渗流系数分析方法。通过变参数研究,考察了岩体中渗流和孔压分布的不均匀;根据裂隙长度的不同将岩体分为"孔隙控制"渗流模式和"裂隙控制"渗流模式。这种模型不仅能够同时考虑孔隙和裂隙的作用,而且在模拟大规模裂隙网络时更加快捷简便。

基于孔与裂隙网络模型的平行微裂隙对驱油的影响规律研究

认识双重多孔介质中油水两相微观渗流机制是回答形成什么类型的裂隙网络可提高油藏采收率的关键.微裂隙的分布可以提高多孔介质的绝对渗透率,但对于基质孔隙中的流体介质,微裂隙的存在会引起多孔介质中局部流体压力和流场的变化,导致局部流动以微裂隙流动为主,甚至出现窜流现象,降低驱油效率.本文基于孔与裂隙双重网络模型,在网络进口设定两条平行等长且具有一定间隔的微裂隙,分析微裂隙的相对间隔(微裂隙之间距离/喉道长度)和微裂隙相对长度(微裂隙长度/喉道长度)对于微观渗流特征的影响.结果表明:随微裂隙相对长度的增加,出现驱油效率逐渐降低,相对渗透率曲线中的油水共渗区水饱和度和等渗点增加,油水两相的共渗范围减小等现象;随着微裂隙之间相对间隔增大,周围越来越多的基质孔穴间的压力差减小,在毛管压力的限制下,驱替相绕过这些区域,而导致水窜现象.

天生桥一级水电站岩体三维渗流初步分析

天生桥一级水电站坝高库大 ,地质条件复杂 ,坝区岩体是由岩性各异岩层组成的单斜地层结构 ,并发育有数条断层 ,坝区地下水渗流场的变化情况是大坝安全运行必须考虑的重要因素之一。本文将双重裂隙系统渗流模型应用于天生桥一级水电站的三维渗流计算中 ,对不同工况下的坝基岩体和坝体渗流场的变化特征及坝基渗漏量进行了初步分析 ,其结果可为水库运行管理提供参考。

回龙抽水蓄能电站上库渗流模拟计算与防渗新工艺

将回龙抽水蓄能电站上库裂隙岩体分为主干裂隙系统和其间的裂隙岩块系统,构成具有导水和贮水双重功能的水文地质体,建立双重裂隙系统三维渗流数值模型进行渗流计算,为库盆采取全封闭防渗措施及防渗新工艺提供了决策依据。经过优化分析,上库采用了在坝前及构造带浇筑钢筋混凝土面板、其余部位挂网喷混凝土的全封闭组合防渗新工艺,降低了工程投资。通过现场喷混凝土试验验证,各项性能指标均满足设计要求。