非均质性控制的岩体裂隙溶蚀机制研究综述

岩体裂隙作为自然界中渗流-溶蚀过程的介质之一,是自然演变过程中化学风化作用的重要载体。目前学界认同的研究成果主要集中在均质、各向同性条件下的裂隙溶蚀研究中,并不能适用于由裂隙非均质性、各向异性等影响下的溶蚀演化。近四十年,限于真实岩石、岩体裂隙的复杂结构以及渗流-溶蚀过程的微观机制影响,许多非均质性参数对裂隙溶蚀特征的影响仍未取得清楚认知。因此,针对岩体裂隙几何特征非均质性、矿物分布非均质性和裂隙溶蚀模式及判别准则状三方面研究现状进行了分析阐述,并探讨了非均质性对自然裂隙溶蚀演化过程中存在的关键问题,分析了岩体裂隙溶蚀今后的研究趋势,并做出了研究展望。

岩体裂隙粗糙度表征及其对裂隙渗流特性的影响

岩体裂隙粗糙程度对裂隙渗流特性的影响显著。利用三维光学扫描系统获取岩体裂隙面点云数据,结合SURFER和GEOMAGIC STUDIO等软件计算裂隙面节理粗糙度系数JRC和表面粗糙比率Rs,建立JRC与Rs的定量关系,开展应力、渗流和化学耦合作用下石灰岩裂隙渗流试验,研究JRC和Rs对粗糙裂隙渗流特性的影响。结果表明:JRC与Rs呈对数函数关系,其平方根R2为0.9128,该表征公式与裂隙渗流试验结果最大相对误差MRE、平均绝对误差MAE和均方根误差RMSE分别为6.93%、0.34和0.27。JRC与渗流量、稳定期渗透率分别呈二次函数和对数函数关系,Rs和各参数的拟合关系与JRC相同。JRC值越大,渗流量和渗透率越小,且三场耦合作用下裂隙面JRC和Rs值均有所增大。该表征方法可用于岩体裂隙面粗糙度估算,由裂隙面JRC值可预测该裂隙渗流量和稳定时刻渗透率。

变开度岩体裂隙多相渗流实验与有效渗透率模型

岩体裂隙的有效渗透率是描述岩体非饱和或多相渗流的关键参数,而裂隙开度是影响有效渗透率的重要因素.通过自主研发的粗糙裂隙多相渗流可视化实验平台,针对天然岩体裂隙复制而成的裂隙模型开展变开度条件下的多相渗流可视化实验,研究开度变化对多相渗流流动结构以及有效渗透率的影响.研究表明:非湿润相流体运动通道,在低流量比条件下呈现出气泡流流动结构,而在高流量比条件下呈现较为稳定的通道流流动结构.随着开度的增加,非湿润相流动通道的分支变少、等效宽度增加,两相流体的有效渗透率均增大,流动结构趋于稳定.可视化结果还阐明了柱塞流流动结构下,两相流体交替占据裂隙空间的竞争机制:当非湿润相流体通道由连续转变为不连续时,裂隙进出口压差显著增加;反之,当该通道由不连续转变为连续时,压差显著减小.最后,基于分形理论以及渗透率统计建模方法,建立了考虑开度效应的岩体裂隙多相渗流有效渗透率理论模型,并通过实验测定的有效渗透率数据验证了该模型的正确性与有效性.

天然地应力作用下不同产状岩体裂隙渗流特性研究

为了研究天然地应力作用下裂隙产状等因素对深部岩体裂隙渗流特性的影响,基于单裂隙面渗透性服从负指数变化规律,建立了三维应力作用下不同产状裂隙的渗透系数计算公式,利用Lagrange乘子法分析裂隙面产状变化对其渗透性的影响,并分析了岩体裂隙有、无充填物对其渗透性的影响及敏感性;然后,以我国大陆地区地应力统计规律为例,分析了地表以下5 000 m范围内在天然地应力作用下裂隙渗透性随深度、产状的变化规律。结果表明:裂隙产状的变化对其渗流特性有明显影响,对于浅层岩体,在大主应力大致呈水平方向分布时,随着裂隙面倾角的增加,裂隙渗透系数逐渐降低;但随着深度的增加,在裂隙深度超过约200 m和裂隙面走向与大或中主应力方向大致一致时,裂隙渗透性反而会随着裂隙面倾角的增加逐渐增加,在裂隙面走向与小主应力方向垂直时增加最为明显;对于深部岩体,裂隙的渗透性很小,裂隙面产状的变化对其渗透性影响很弱;对于有充填物裂隙,岩块与充填物的弹模比和充填物泊松比的变化对裂隙渗透性的影响很小。研究结果可为深入研究我国深部岩体渗透特性变化规律提供借鉴意义。

非饱和岩体裂隙中冰层生长试验及单个裂隙壁面上的结霜模型研究

裂隙中冰夹层的出现及生长是岩体冻胀风化的重要特征及成因,裂隙岩体是由裂隙和岩石基质构成,裂隙与可视为孔隙介质的岩石性质差异巨大,多数情况下是岩体中水分主要的储存及运移通道,对于不饱和裂隙而言,其中往往同时存在着气态迁移和液态迁移,很难直接用既有的原位冻胀和分凝冰机理解释裂隙中冰层形成及生长过程。为研究非饱和岩体裂隙中冰层出现及分布状况,作者用两块水泥试块拼接成带有单条垂直裂隙的岩体试样,并对试样进行了暖端补水条件下的单向冻结试验,试验结束后,试块中新增了3条水平裂隙和1条垂直裂隙,且裂隙中均有薄冰层出现,试样负温区有显著的结霜现象,整个过程中水分迁移总量达221 mL,且以气态形式为主。基于传热学基本原理,建立了自然对流条件下单个裂隙壁面上的结霜模型,根据试验中试样不同冷表面的特征,将结霜表面分为Ⅰ~Ⅲ类,分别计算了三类冷表面上霜层厚度、密度及单位质量随时间的变化,并利用试验结果对计算结果进行了验证,证明了单个壁面上结霜模型的可靠性。以结霜模型为依据,同时结合相关文献进行分析得到:影响岩体裂隙负温区壁面结霜量的直接因素有裂隙中的对流传热条件、空气相对湿度及负温区壁面面积大小,这三个因素取值越大时,则一定时间内裂隙壁面上的结霜量越多,裂隙中的成冰作用更为显著。裂隙沿程的温度梯度则是更为本质的原因,温度梯度越大时,岩体裂隙中的对流传热作用会更为强烈,负温区壁面面积越大,则一定时间内结霜量越多。

岩体裂隙几何结构对其渗流传热特性的影响

深部岩体热能开发、利用及存储过程中普遍涉及裂隙渗流传热问题,粗糙裂隙几何结构对其渗流传热特性具有重要影响。通过逐次随机累加法,构建不同分形维数和标准差的粗糙裂隙几何模型;结合Navier-Stokes方程、动量和能量守恒方程,模拟粗糙裂隙渗流传热动态过程;研发岩体裂隙渗流传热试验系统,开展花岗岩裂隙渗流传热试验验证数值方法的可靠性;然后分析不同分形维数与标准差条件下粗糙裂隙渗流传热特性的变化规律。结果表明:水岩换热作用随着时间推移逐步下降,热锋面贯通后进入热平衡阶段;随着分形维数的增大和标准差的减小,由于优势流效应显著增强,总体换热特性减弱,因此平均对流换热系数逐步减小;局部对流换热系数与裂隙的平均开度和中线最大高程差值呈正相关关系;局部努塞尔数随分形维数增大而增大,在出口处达到峰值。

岩体裂隙网络渗流模型及隧道掌子面渗流预测研究

【目的】岩体的裂隙特征直接影响其渗流特性,随着隧道工程中与岩体裂隙渗流有关的突涌水问题日益突显,为提高隧道建设与维护的安全性及稳定性,建立一套隧道掌子面岩体裂隙渗流量的预测计算程序。【方法】基于MATLAB平台,利用Monte-Carlo随机模拟方法编制岩体裂隙二维网络模型生成程序及稳定渗流数值计算程序,研究了裂隙岩体表征单元体积(REV)的尺寸效应及渗透张量的确定方法。将该程序应用于某地铁隧道,在现场调查及裂隙参数统计的基础上,对隧道掌子面裂隙岩体稳定渗流量和渗透系数进行预测。【结果】结果显示:(1)掌子面岩体裂隙方向角服从正态分布,迹长及间距服从负指数分布;(2)裂隙岩体表征单元体(REV)的最佳尺寸为裂隙迹长均值的14倍;(3)计算了裂隙岩体的渗透系数椭圆、渗透张量及渗透主轴,分析结果表明该隧道掌子面裂隙岩体具有强烈的渗透各向异性特征。【结论】结果表明:岩体裂隙的网络模型对于隧道工程岩体的水力学问题研究有不可替代的作用。所编程序可以预测隧道开挖过程中掌子面的渗流量和渗透主方向,为采取经济、合理的地下水控制措施提供依据。

基于并行自注意力的石窟寺岩体裂隙发育研究

针对石窟寺岩体裂隙发育缓慢、影响因素多样化,难以对裂隙发育情况进行预测的问题,提出了一种新的基于深度学习的岩体裂隙发育预测网络(FDPNet:Fracture Development Prediction Network),即并行自注意力机制混合网络。FDPNet通过局部卷积模块和全局循环模块对序列数据的时间相关性进行建模,使模型能准确捕捉到不同时间尺度的时间模式。同时通过引入自注意力机制对多元时序数据中不同序列之间复杂的依赖关系进行建模。在此基础上,利用传统的自回归模型进一步提高模型的鲁棒性。此外,以Q市北石窟寺32号窟6个月的裂隙发育相关因素监测数据构建了国内外首个该领域的数据集。在该数据集上进行的对比实验结果表明,该模型在石窟寺岩体裂隙发育预测场景下具有更好的性能表现。

近景摄影测量技术在非开挖岩体裂隙发育特征研究中的应用

岩体裂隙结构的准确获取分析对于生态脆弱区非开挖钻遇岩体的稳定性分析有重要意义。本文基于近景摄影测量技术,通过PhotoModeler Scanner软件对多方位岩体图像特征点畸变处理、杂点剔除,实现密集点云三维信息准确提取,进而建立三角网格、依据三角网建立密集曲面,最后通过数据的可视化对曲面进行渲染,实现岩体的三维建模。建立的三维模型裂隙形态与原裂隙趋于一致,可实现对于裂隙长度、平均宽度、面积等参数的无损拾取与观察,将获取裂隙信息进行对比,结果与直观反映的岩体裂隙发育程度一致。

基于改进后向投影算法的地质雷达探测岩体裂隙的成像方法

利用地质雷达(GPR)提前识别、探明裂隙对于认识岩体结构、预防岩体灾变十分重要,由于多次反射、绕射等问题,地质雷达对于较复杂裂隙网络的探测结果识别解译困难,后向投影(BP)算法能够获得高分辨的雷达成像,但是传统BP算法成像中杂波干扰严重,降低了地质雷达成像效果和分辨率。据此提出了改进BP算法,利用待成像点在各道上的雷达响应值之间的相关性,通过2次快速互相关操作增强了对其他点的干扰的抑制作用,并采用电磁波衰减补偿系数对地质雷达成像结果进行补偿,实现提高地质雷达的成像效果的目的。针对几种典型的岩体裂隙网络开展了地质雷达正演模拟和基于改进BP算法的成像仿真,同时利用物理模型试验进行了验证,发现利用基于改进的BP算法可以实现对裂隙网络的位置和形态进行成像,与传统的BP算法相比具有更强的干扰抑制效果。

剪应力作用下岩体裂隙渗流特性研究

通过对规则、均匀、粗糙裂隙的渗流剪切实验,结合裂隙面受剪时的力学机理,研究了岩体裂隙在剪切荷载作用下的渗流特性,并对裂隙剪缩阶段过流能力的变化进行了探讨。实验结果表明,剪切荷载作用下,裂隙在剪动前渗透性随剪应力的增加而降低,且渗透系数与剪应力有十分明显的线性关系。

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。

岩体裂隙结构面的温度-应力-水力耦合本构关系

进行了单、正交裂隙岩体的渗透实验 ,并针对单、正交裂隙岩样在不同温度及应力下的渗流试验特点 ,分析了裂隙结构面变形规律 ,并以此实验成果为基础 ,给出了岩样裂隙结构面温度 -应力 -水力的耦合本构关系式。

拉剪应力状态下岩体裂隙扩展的断裂力学机制及物理模型试验

开挖卸荷岩体裂隙面通常处于拉剪应力状态。在裂隙应力和变形状态分析的基础上,采用线弹性断裂力学理论和物理模型试验研究了拉剪应力状态下裂隙扩展的力学机制。岩体裂隙在拉剪应力状态下沿裂隙面间的滑动抗剪摩擦力消失,裂隙起裂沿Ⅰ型张拉裂隙断裂韧度KⅠ最小的方向起裂,并最终发展与卸荷拉应力方向垂直;拉剪应力状态下岩体的总位移方向平行于拉应力方向,通过合理的位移假设,基于能量及线弹性断裂力学理论,求解了拉剪应力状态下分支裂隙扩展过程中尖端的动态应力强度因子和扩展长度判据;通过拉剪应力状态下单裂隙扩展物理模型试验验证了理论推导的正确性。

三峡永久船闸高边坡岩体裂隙分布的分形研究

ＦｒａｃｔａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｏｒｒｏｃｋｍａｓｓｉｎｆｒａｃｔｕｒｅｓｆｏｒｒｏｃｋｍａｓｓｉｎｈｉｇｈｓｌｏｐｅｓａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｔｈｅｌｏｃｋｏｆＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓ１概述岩体结构面的存在，不仅破坏岩体的完整性...

利用“岩体裂隙率”评价工程岩体的质量

本文提出用建立在岩体结构面网络三维模拟基础上的“岩体裂隙率”来表征岩体的质量。它可以用来衡量结构面的发育程度及岩体的完整性 ,评价岩体质量 。

基于数码摄影技术的岩体裂隙测量方法初探

基于数码摄影技术的岩体裂隙测量法,是一种与传统测量完全不同的新方法,可以高效率地测量岩体裂隙。基于数字图像处理理论,针对裂隙图像的特点,对这一新方法进行了比较全面地探索,提出了裂隙图像的现场采集方法及其解译路线,重点研究了智能识别方法,并研发了相应的处理软件。按照上述解译路线,应用自编裂隙图像处理软件,对从野外实拍的典型数字裂隙图像进行了试算、分析和总结,初步证明了此解译路线的可行性。

隧道掌子面岩体裂隙快速识别方法

隧道掌子面上含有许多地质信息,若能充分提取和分析,将有助于对隧道工程地质状态作出评价,用于指导隧道设计和施工.以隧道掌子面数码图像为基础,对掌子面上岩体裂隙检测、提取、分组算法进行研究.首先,基于数字图像处理技术对掌子面岩体裂隙目标分割算法进行分析,根据分割结果,通过图像细化和边界线拟和、分离、合并、过滤,连接不连续边界,过滤短边界,形成较完整的岩体边界线识别结果;然后,计算岩体边界线视倾角,将视倾角相近的边界线合并为一组,实现对裂隙边界线的自动分组;最后,将本方法应用于实际掌子面岩体图像测试其有效性.测试结果表明:该方法基本实现了对掌子面上岩体裂隙的自动提取和分组;对具有明显裂隙的掌子面岩体,本算法能较完整的提取出岩体裂隙,错误提取率不超过10%,并实现了自动分组,自动分组错误率不超过5%,提高了掌子面岩体分析的自动化程度,可用于地质素描,并为掌子面围岩分级提供参考依据.

岩体裂隙非线性蠕变过程特性与应用研究

从岩体不连续裂隙介质三轴蠕变试验结果，分析了开挖诱致岩体裂隙蠕滑全过程的基本特点。研究了裂隙起裂机制、蠕变扩展规律，讨论了岩体裂隙损伤断裂全过程与裂隙岩体蠕变全过程的耦合关系，并建立了相应的本构模型和分析模型，最后进行了算例分析。

岩体裂隙等效水力隙宽的统计确定方法

针对天然裂隙岩体等效水力隙宽确定的复杂性,利用平行板水流的立方定律及流量等效原理,推导出光滑平行板单裂隙的等效水力隙宽公式,同时对隙宽分布的频率特性进行了探讨,认为非均匀隙宽单裂隙的等效水力隙宽可近似取40%频率的隙宽,或取隙宽的几何平均值与调和平均值的算术平均值。