应力-渗流侵蚀耦合作用下粗糙裂隙渗流特性研究

在复杂应力和长期渗流侵蚀作用下岩体裂隙的表面形貌不断发生改变,导致岩体裂隙的渗流特性演化机理更加复杂。开展不同粗糙程度的石灰岩裂隙渗透试验,对比试验结果和渗透试验前后裂隙表面形貌特征,分析应力和渗流侵蚀耦合作用对粗糙裂隙表面形貌的改造影响,研究其渗流特性的演变规律。结果表明,在应力作用下粗糙程度不同的裂隙其渗流量随时间均呈现先快速减小,后趋于稳定的变化规律;不同粗糙度裂隙的等效水力隙宽和渗透率在试验初始时刻基近相等,随后均呈不断减小的趋势,但在应力和渗流侵蚀耦合作用下裂隙表面粗糙度越大,其等效水力隙宽和渗透率的下降幅值越大,试验结束时其稳定值越小;粗糙起伏程度小的裂隙,其渗流路径较均匀,流线平直,而粗糙起伏程度大的裂隙,表面出现沟槽流现象,渗流路径曲折延长;当裂隙表面粗糙凹凸体增多,与渗透水流的接触面积增大,应力和渗流侵蚀作用对裂隙表面形貌的溶蚀改造增强,使表面整体形态更粗糙起伏,而表面形态影响其渗流路径,致使裂隙表面沟槽流现象加剧,反过来影响裂隙渗流特性的演变规律。

应力-渗流耦合作用下不同卸荷路径对砂岩损伤特性及能量演化规律的影响研究

岩体灾害发生的本质是能量驱动下的一种失稳现象,受开挖卸荷扰动影响导致的岩体结构破裂失稳是诱发采场突水等动力灾害的主要原因之一。为探究开挖卸荷过程对岩体结构破裂的影响,明晰围岩劣化损伤规律及突水等动力灾害孕育机制,针对应力-渗流耦合因素影响下岩石损伤特性及能量演化规律研究较少的特点,采用Rock Top多场耦合试验仪,在应力-渗流耦合作用下对砂岩开展了常规三轴(C组)、不同初始损伤程度常规卸围压(W组)及循环加卸围压(X组)3种应力路径下的岩石损伤特性及能量演化规律试验研究。试验结果表明:岩石能量演化规律与应力-应变曲线具有明显相关性,基于岩石弹性应变能演化特征,将常规三轴压缩(C组)下岩石应力-应变曲线分为5个阶段,并对每个阶段U_(1)、U_(3)、U_(e)、U_(d)及渗透率变化特点进行了详细阐释(U_(e)为弹性应变能,U_(d)为耗散能,U_(1)为轴向应力对岩石做正功转化的岩石应变能,U_(3)为做负功所释放的应变能);常规卸围压过程中,U_(1)、U_(3)演化规律与C组岩石基本一致,但U_(3)负增长更为显著,岩石输入能逐渐从以U_(e)为主导转变为以U_(d)为主导,初始损伤程度对该规律无明显影响,卸围压过程中渗透率呈波动上升趋势,围压与渗透率呈负相关;循环加卸围压过程中,各能量演化规律与W组岩石基本一致,仅因时间效应而导致能量积累量存有差异。整体来看,无论何种应力路径,峰前阶段岩石均以U_(e)为主导,以能量存储为主,峰后阶段则以能量释放及耗散为主,轴向应力加载是U_(e)得以快速积累的主要影响因素,围压改变不足以引起U_(e)发生较大变化,轴向载荷作用为工程致灾的主要影响因素。此外,岩石损伤变量与围压存在明显负相关,围压越大,岩石U_(e)释放比例越小,岩石损伤越小,围压束缚作用可有效提高岩石储能能力并抑制岩石能量的耗散与释放。

高地应力-化学侵蚀耦合作用下炭质板岩蠕变试验及非线性蠕变损伤模型

为克服高程障碍并降低施工风险,可采用长大隧道穿越崇山峻岭,但这些隧道往往处于深埋高地应力环境,并受到化学侵蚀影响。为了解决此问题,以丽江—香格里拉炭质板岩大变形隧道为研究对象,采用室内试验和理论推导,研究深埋炭质板岩隧道受化学侵蚀作用下的围岩变形特性。在Poyting-Thomson体蠕变体的基础上,根据模型元件的力学特性,叠加了损伤元件、化学损伤元件和非线性元件,提出高地应力-化学侵蚀耦合作用下炭质板岩非线性蠕变损伤本构关系。研究结果表明:1)炭质板岩试样受化学侵蚀影响显著,侵蚀90 d试样所产生的轴向蠕变应变为侵蚀0 d试样的2.02倍,侵蚀60 d试样所产生的径向蠕变为侵蚀0 d试样的1.85倍;2)受侵蚀的炭质板岩试样在三轴压缩状态下破裂以斜向贯通裂隙为主,并产生一定的滑移错动裂隙,且沿轴线的拉伸劈裂破坏受围压作用抑制明显,未产生竖向贯通裂隙。

渗流-应力耦合作用下穿断层破碎带TBM输水隧洞结构安全研究

为分析敞开式隧道掘进机(TBM)穿越断层破碎带深埋长输水隧洞围岩的稳定性及其支护结构的安全性,依托东庄水利枢纽北线输水隧洞工程,采用ABAQUS软件建立隧洞开挖过程渗流-应力耦合三维动态施工仿真模型,研究了隧洞开挖支护过程中断层破碎带处围岩的稳定性和支护结构的受力特性及其变化规律。结果表明:隧洞围岩由于卸载作用其孔隙度最大值较初始状态增大了0.88%,渗透系数最大值较初始状态增大了2.59%;隧洞围岩孔隙水压力随开挖支护过程先下降—再平缓—最后回升至稳定;围岩塑性区出现在沿径向1 m范围内,等效塑性应变极值出现在围岩腰线处;锚杆应力在衬砌进行支护时达到峰值,其最大值为182.90 MPa;衬砌内、外缘均处于受压状态,衬砌环向应力值随开挖支护过程先出现最大值,随后略微减小至稳定,其值在6.66~11.92 MPa范围内;衬砌的变形整体上表现为向内收缩,收缩量从顶拱和底拱处向腰线处逐渐减小,其值在0.67~1.35 mm范围内;随着排水量的增加,围岩最大径缩量逐渐增大,衬砌外水压力折减系数逐渐减小。研究结果可为穿断层破碎带TBM隧洞工程结构设计及其安全施工和运营提供参考依据。

基于双重介质渗流-应力耦合模型的高压压水试验渗透参数反演

高压压水试验过程中岩体易发生水力劈裂产生裂隙,岩体内部孔隙、裂隙双重导水,渗流场和应力场相互作用,导致岩体渗透参数的时空变异性。基于高压压水试验反演渗透参数需考虑双重介质渗流-应力耦合作用下产生裂隙前后渗透系数的变化规律,利用渗流-应力耦合数值模型结合工程现场高压压水试验数据进行参数反演,计算得到不同压力阶段下灰岩岩体渗透率。主要结论如下:发生水力劈裂前,随着注液压力的增大,渗透率及孔隙水压力在不同压力阶段之间分界明显,渗透率反演值与规程公式计算值相近;发生水力劈裂后,岩体渗透率增大约2倍,孔隙介质渗透率和通过的流量出现陡减现象。

深部工程岩体温度与渗流耦合作用下复杂应力场反演方法

深部地质体应力场的复杂性可归因于高地温和高岩溶水压覆存环境中的岩体非线性特征和局部构造应力场重构。该文结合岩体在流-固-热多场耦合作用下的力学响应机制,建立了能够解析深部各应力测点构造信息特征的非线性反演与优化方法。系统地分析了深部地质体温度场—渗流场—地应力场的耦合作用,以及温度场和渗流场对地应力场的影响机理,开展了三山岛金矿区深部岩体在不同围压及孔隙水压力作用下的三轴压缩试验,探究了深部岩体物理力学参数随不同孔隙水压及围压的非线性变化规律。提出了一种非线性特征延扩迭代算法(NCEI算法),该算法能够对各区域实测地应力数据中“弱”非线性与连续性部分的特征信息进行整体优化拟合,以及对局部构造区地应力中“强”非线性和非连续部分的特征信息进行强化解析。基于ABAQUS软件的二次开发接口,编写出多耦合计算子程序,实现了岩体地应力场—温度场—渗流场的耦合迭代计算,并对三山岛矿区深部地应力场进行了反演计算和分析。反演结果表明,考虑岩体多场耦合作用下的NCEI算法的各测点应力分量的平均反演精度为85.62%,高于BP神经网络算法与不考虑岩体耦合作用下NCEI算法的反演计算结果。因此,该研究方法可充分考虑深部地质环境的特征,为深部岩体复杂地应力场的反演与构建提供新的思路。

渗流-应力-化学耦合作用下岩石裂隙渗透特性试验研究

为研究渗流-应力-化学耦合作用下岩石裂隙渗透特性变化规律,设计3组试验工况,在改变渗透压以及化学溶液的条件下,分别测定每种工况下的渗出水流量、渗出水离子浓度值以及渗出水pH值变化情况,进而得出裂隙渗透特性变化情况。通过处理试验数据,总结分析各因素对裂隙渗透特性的影响,并建立裂隙开度变化率与渗出水中钙离子浓度值之间的关系式。试验结果表明,渗出水流量、裂隙开度总体趋势是随着时间逐渐减小的,最终趋于稳定状态;增大渗透压,稳定状态会被打破,裂隙的流量和开度都会增大,但最终趋于另一个稳定状态;化学溶液对岩体裂隙的侵蚀性大,对岩体渗透性的影响更明显。通过分析和提炼渗出水流量、裂隙开度、渗出水的离子浓度值以及渗出水的pH值等随时间变化的数据,及它们之间的内部关系,在理论上描述岩体裂隙在渗流-应力-化学耦合作用下的渗透特性,进一步揭示渗流-应力-化学耦合作用机制。

单裂隙花岗岩在应力-渗流-化学耦合作用下的试验研究

通过开展单裂隙花岗岩在恒定三轴应力及化学溶液渗透压作用下的试验,对单裂隙岩石在应力–渗流–化学耦合环境下的综合响应机制进行研究。结果表明,单裂隙花岗岩在同时承受三轴压缩荷载及渗透压作用时,其侧向蠕变变形一直以稳定速率增加,显示水对裂隙面的物理软化效果,不同于完整岩石的扩容机制;应力作用下渗流溶液与裂隙表面矿物发生明显的溶解反应,其中反映硅铝酸岩矿物溶解的Al3+及SiO2浓度随时间递增,硅铝摩尔浓度比下降。扫描电镜下观察到长石、石英表面溶蚀孔洞及云母溶解后的不完整解理;随着裂隙接触面上水岩相互作用,水力开度发生变化。酸性溶液渗流情况下的水力开度降低,直至稳定;而蒸馏水渗流情况下的水力开度先增加直至稳定。造成此种不同变化规律是水岩化学反应及水力通道贯通两种因素的相互竞争的结果。对裂隙表面三维激光扫描表明,反应后裂隙面的JRC明显降低,表面趋于平缓化,表明应力作用下的溶解反应优先发展于矿物颗粒接触面。

三向应力作用下节理岩体渗流-应力耦合特性

节理岩体渗流-应力耦合特性研究是岩石力学领域的重点和难点。水利水电工程与地下工程中天然节理岩体往往处于三向不等压应力状态,针对三向应力状态下节理岩体渗流-应力耦合特性研究较少。其中,单节理岩体渗流-应力耦合特性研究是基础。首先分析与探究了单节理岩体侧向应力作用效果及渗流作用机制,在单节理岩体渗透性-应力耦合分析模型基础上推导了单节理岩体渗流-应力耦合的理论公式。通过室内真三轴渗流-应力耦合试验,基于全局优化算法的非线性拟合及块体离散元数值仿真,验证了所提出理论公式的合理性。基于电路原理,给出了模拟电路与渗流问题的相似物理量,通过引入等效渗流阻方法,探究了典型的含正六边形主干节理网络的渗流-应力耦合特性。该研究结果对实际工程岩体的渗流分析有一定的参考价值。

重力坝应力-渗流相互作用的无单元耦合分析

应用两场交叉迭代解耦技术,建立了应力-渗流相互作用的无单元耦合分析计算模型。详细分析了东方红重力坝在不计应力-渗流耦合和考虑应力-渗流耦合两种情况下,正常蓄水时坝体的位移、应力和渗流位势分布的变化规律。分析表明,考虑耦合作用后,坝体的位移略小,但分布规律一致;坝体的水平正应力分布不同,垂直正应力变化较大,但分布规律一致;耦合作用条件下渗流对重力坝坝体应力的影响是不利的。计算成果符合一般规律。

初论环境地质中裂隙岩体渗流-应力-温度耦合作用研究

裂隙岩体赋存于地下水渗流场、应力场与温度场多场并存的复杂地质环境之中，由于以上多场之间存在的相互作用，一方面影响了深层地下水资源的评价精度，另一方面在工程实践中易于诱发诸如岩体失稳、岩爆、涌水及地热等多种地质灾害。基于对深层地下水资源的开采利用和对岩体工程中以上易发生地质灾害预测防范研究的目的，本文提出了开展裂隙岩体渗流－应力－温度耦合作用研究的工作设想，为环境地质中防灾减灾工作及水资源合理利用开拓了一个新的研究方法。

移动荷载作用下渗流-应力耦合沥青路面动力响应

水与荷载的耦合作用是沥青路面早期破坏的主要原因之一。采用有限元数值分析方法,在弹塑性假设下利用ABAQUS软件,建立降雨入渗条件下的渗流-应力耦合沥青路面三维有限元模型,给出了材料参数、边界条件和荷载作用形式,实现了均布竖向移动荷载作用下的数值模拟,得到了耦合作用下沥青路面三向应力、竖向沉降、孔隙水压力等的空间分布情况,并与无水状态下应力场模型进行了对比分析,结果表明,渗流-应力耦合作用下,沥青路面各结构层内三向应力动力响应特性较无水状态时不同,使得沥青路面受力状态不利从而更易产生结构性损坏。

考虑渗流-应力耦合作用的基坑边坡稳定性分析

介绍了岩土体中渗流场与应力场的耦合作用机理,选取某基坑边坡工程中的一个典型剖面,采用FLAC3D软件建立计算模型,对比分析渗流-应力耦合与不耦合两种工况下的边坡稳定性。结果表明,在渗流场与应力场不耦合或耦合作用下,边坡的位移最大值分别为10.67cm和9.85cm,水平应力最大值分别为0.099 MPa和0.276 MPa,安全系数分别为1.5和1.1。渗流场与应力场的耦合对边坡稳定性的影响效果明显,使边坡安全系数降低了约26.7%,因此地下水对边坡的作用不能简单以孔隙水压力代替,考虑渗流场与应力场的耦合效应更符合实际。

裂隙岩体渗流-应力-温度耦合作用研究

基于对深层地下水资源的开采利用和对岩体工程中易发生的地质灾害预测防范研究的目的,提出了开展裂隙岩体渗流-应力-温度耦合作用研究设想,为环境工程学科中防灾减灾工作及水资源合理利用提供了一个新的研究方法。

渗流-应力耦合作用下巷道预排瓦斯等值宽度研究

准确确定巷道预排瓦斯等值宽度,对于矿井瓦斯涌出量预测、抽采达标评判及提高掘进工作面瓦斯灾害防治效果具有重要意义。为了确定合理的巷道预排瓦斯等值宽度,推导了考虑应变软化和扩容特性的巷道周围煤体弹塑性力学模型,得到了巷道周围煤体应力及体积应变的解析表达式,以渗透率为桥梁建立了考虑巷道卸压及基质收缩效应的瓦斯运移耦合模型,得出了巷道周围煤体瓦斯运移规律及影响因素,确定了不同条件下的巷道预排瓦斯等值宽度。研究结果表明:巷道周围煤体瓦斯运移受到应力场和渗流场的控制,巷道卸压范围越大,其周围煤体渗透率提高得越多,越有利于瓦斯排放;排放时间、煤层透气性系数、地应力、煤体强度、支护应力、巷道尺寸和煤变质程度是影响巷道预排瓦斯等值宽的主要因素;排放时间60、120、180、240 d的巷道预排瓦斯等值宽度分别为9.2、11.9、13.8、15.3 m,随着排放时间的增加而增大;较难抽采煤层排放180 d的巷道预排瓦斯等值宽度小于15m,可以抽采煤层为15~20 m,容易抽采煤层厚度大于20 m,巷道预排瓦斯等值宽度随煤层透气性系数的升高逐渐增大;地应力、煤体强度、支护应力和巷道尺寸通过控制煤体变形而影响瓦斯运移,巷道预排瓦斯等值宽度与排放时间、煤层透气性系数和巷道尺寸呈正比关系,与煤体强度、地应力、支护应力及变质程度呈反比关系;确定了试验巷道排放时间120 d的预排瓦斯等值宽度为11.9 m,瓦斯含量测试结果表明确定的预排瓦斯等值宽度合理可靠。

渗流-应力耦合作用下砂岩声发射及分形损伤特征研究

为探究渗流-应力耦合作用下岩石内部微元体的损伤演化特征,对取自某矿井的砂岩进行了三轴渗透及声发射试验。研究结果表明:砂岩的渗透率变化历经降低、动态平衡、快速增加以及略微回落四个阶段;声发射现象呈阶段性变化特征,随着围压的升高,声发射最大值越滞后;基于柱状分形理论得到的分形特征表明,分形维数逐渐降低,表明砂岩内部损伤经历了一个从无序到有序的变化趋势,分形维数突变点的出现,可作为砂岩即将失稳破坏的前兆;渗流-应力耦合作用下砂岩的损伤值呈指数型函数增加,渗透损伤Ds主要集中于屈服阶段之后,渗透损伤与总损伤的比值随围压的升高呈线性减小;应力加载是损伤产生的主要因素,渗透作用为次要因素;分形维数df与损伤D、渗透损伤Ds之间呈良好的负指数型函数关系。

地下水封石油洞库渗流场-应力场耦合作用研究综述

石油和天然气储备已经被许多国家提到了战略的高度上,地下水封石油洞库作为原油储备的方式之一在中国已经进入实施阶段。本文通过综述国内外地下水封石油洞库渗流场-应力场耦合作用机理研究的现状、研究实际工程中遇到的问题、主要的研究手段、分析研究可能出现的新的技术趋势、并结合国内外地下水封石油洞库研究的成果,简要提出地下水封石油洞库渗流场-应力场耦合作用机理研究的主要方向是渗流场和应力场耦合情况下的洞库稳定性、围岩岩石力学行为特征和岩石的流变损伤。

高应力-渗流耦合作用下不同节理产状对岩体渗流及其塑性区的影响

为探讨高应力-渗流耦合作用下不同节理产状对隧洞岩体损伤破坏的影响,基于隧洞高应力、渗流现场监测成果,采用三维离散元软件建立应力-渗流耦合下的节理岩体数值模型,分析节理岩体开挖后渗流场的分布特征,以及不同节理产状对围岩渗流模式、塑性区破坏的影响。结果表明:1)节理倾角对渗流场的分布形态起主导作用,开挖后隧洞渗流场呈“漏斗状”,随倾角方向发生偏转,形成与之平行的“斜漏斗”,且当倾角越陡,围岩破坏面积越大。2)节理间距对渗流场的变化幅度起主导作用,整体呈现先增大后减小、最后趋于稳定的趋势,且节理间距每减小1/2,塑性区面积增大10.29%。3)节理初始隙宽的不同会改变节理面的渗透性,且沿径向14 m内的隙宽发育主要受高应力-渗流耦合作用影响。

渗流-应力-流变耦合作用下破碎带砂岩渗透演化规律试验研究

膝状挠曲破碎带是一些水电站坝基的主要工程地质问题。破碎带岩性为完整性较差的软弱砂岩,直接关系到坝基的变形和稳定。基于破碎带砂岩组织结构疏松、含水率较高、物理力学性能较差等特点,对渗流-应力耦合作用下流变过程中的岩石渗透特性进行测试。分析应力-应变过程中的渗透规律,研究流变过程中渗透系数演化规律,探讨渗透性演化破坏机制。得到轴向、环向和体积变形对渗透系数的影响及围压和孔隙压力对渗透特性的影响规律。结果表明:初始加载导致渗透系数快速减小,并随着非线性变形增加降低程度逐步趋缓;且环向变形比轴向变形更能灵敏地反映渗透系数演化规律;岩样非均质性引起孔隙度略有不同,加载作用导致渗透系数随时间变化存在部分波动,但整体呈线性降低;稳态流变阶段渗透系数恢复至平缓下降,说明波动对渗透系数的整体演化无显著影响,且围压增加导致渗透系数降低。

渗流-应力耦合作用对储层裂缝发育的影响研究

裂缝是影响储层高产、稳产的重要因素,而储层处在复杂的地质环境中,裂缝的形成和发育受众多因素的影响,研究各因素间的耦合作用对储层裂缝发育的影响,对指导油气勘探开发具有重要意义。为此,针对任丘油田任11井区雾迷山组碳酸盐岩储层进行了渗流-应力耦合作用对储层裂缝发育的影响研究。研究结果表明:未考虑渗流-应力耦合作用时,研究区最大水平主应力范围为82~100 MPa,从西南到东北逐渐增大;最小水平主应力范围为72~ 88 MPa ,从研究区中心向西南、东北两侧逐渐递增;考虑耦合作用后,研究区最大水平主应力范围为84~102 MPa,最小水平主应力范围为76~91 MPa,最大及最小水平主应力增加。渗流-应力耦合作用后,研究区裂缝发育指数分布在0.027~1.156之间,山头顶部和近东西向断层的内部区域裂缝发育指数在0.7左右,为裂缝较发育区域;而研究区西南和东北边缘区域裂缝发育指数在0.2以下,为裂缝欠发育区域。随着耦合作用时间的增长,储层裂缝发育指数逐渐增大,在注入井和产油井附近区域的裂缝发育指数增大幅度尤为明显;储层裂缝线密度也呈增大趋势,仅产油井周围的裂缝线密度呈现为先减小后增大的趋势;未考虑耦合作用时的储层裂缝参数小于考虑耦合作用后的裂缝参数,说明仅考虑应力场进行储层裂缝预测所得结果偏小。