渗流裂隙岩体冻结温度场模型试验研究

我国西部地区有丰富的煤炭资源埋藏在富水岩层下,普遍采用冻结法凿井实现井工开采。与我国中东部地区表土冻结不同的是,西部地区人工冻结的目标为富水岩层,其为孔隙储水、裂隙导水,易在裂隙处形成优势流。当出现裂隙优势流时,将不可避免地对岩体的冻结温度场产生控制性影响,裂隙面处往往会成为冻结壁的薄弱部位,这与表土冻结温度场研究中所考虑的孔隙渗流影响迥异。为此,本文在人工冻结温度场模型中引入裂隙参数和渗流参数,推导渗流裂隙岩体人工冻结水热耦合温度场的相似准则,并在此基础上开展裂隙岩体双管冻结温度场的模型试验和数值模拟研究。研究结果表明:裂隙渗流显著延缓了冻结壁交圈时间,裂隙面冻结壁交圈时间远大于岩块,且其冻结壁厚度也显著降低。在富水裂隙岩体人工冻结中,在冻结管与裂隙垂直,裂隙开度为20 mm,管间距为1.736 m时,冻结壁能够交圈的极限渗流速度为(17±1)m/d研究结果对西部地区富水岩层的冻结法凿井具有重要参考价值。

采场岩体边坡渗流的裂隙控渗特征

裂隙岩体的渗透特性实质上是裂隙水力学问题,裂隙控制着岩体的渗透特性。大多数矿山岩体边坡,由于岩体裂隙发育较为密集,最大裂隙间距或平均裂隙间距与边坡的尺寸(通常高数百米)相比,一般都很小,流场区域体积远大于典型表征体单元REV体积,因此采用等效连续介质模型是合理的,并且能反映裂隙各向异性渗透特征对渗流场的控制和影响作用。实例分析表明,裂隙分布形式影响着裂隙岩体的渗透系数张量;裂隙分布影响着裂隙岩体边坡的渗流场分布,自由面等势线形态和剖面等势线形态明显受裂隙发育方位的影响,自由面等势线的展布方向趋向裂隙发育优势走向,剖面等势线的展布方向趋向裂隙发育优势倾向。因此,采场岩体边坡渗流的基本特征是裂隙发育对渗流的控制性。

裂隙岩体渗流与三维应力耦合的理论与实验研究

围绕裂隙岩体渗流与应力之间的关系问题,从理论出发,经过合理的建模和严密的推演,得出裂隙岩体渗流与三维应力的耦合方程。该方程经过了大量的三轴实验数据的验证,解决了裂隙岩体受到的侧向应力对其渗流是否有影响这一岩石力学学科中争议很大的问题。指出了裂隙侧向应力引起的裂隙侧向变形是影响裂隙岩体渗流的主要因素,其影响符合负指数规律。同时,还分析了裂隙组的渗流问题。

Oda裂隙张量的DC模型在裂隙岩体渗流模拟中的应用

针对裂隙岩体渗流非均质各向异性的特点,我们用基于离散连续模型(discrete continuum model,简称DC模型)的方法,对裂隙岩体渗流和溶质运移进行了数值模拟。在此工作中我们采用Oda裂隙张量理论计算各个单元的渗透张量,组成整个渗流区域的渗透张量场;并采用具有"旋转不变性"特征的九点差分格式,来减少网格离散方式对数值模拟结果的影响;并对一benchmark test model(BTM)模型进行了数值模拟。模拟结果与BTM结果很吻合。

有地表入渗的裂隙岩体渗流数值分析及工程应用

有地表入渗的裂隙岩体渗流是一饱和非饱和渗流过程。针对裂隙密度较大的岩体 ,把裂隙岩体等效为连续介质来处理 ,建立了有地表入渗的裂隙岩体饱和非饱和渗流数学模型。采用有限元方法作为数值模拟手段 ,编制了考虑地表入渗的饱和非饱和渗流有限元计算程序。用一室内模型试验对程序的可靠性进行了检验 ,检验结果表明模型和计算程序是合理的。最后介绍了程序在一实际工程问题中的应用。

裂隙岩体渗流场有限离散解法

本文以二维问题为背景,研究裂隙线上水头降和二维流场按两套网格离散的解法,并进一步研究了该方法的收敛性及解的唯一性.

裂隙岩体渗流作用下地下洞室围岩稳定性分析

针对传统的考虑外水荷载的围岩稳定性计算方法难以定量评价地下工程的围岩稳定状况的问题,结合卡里巴水电站的工程实例,采用三维弹塑性损伤有限元数值计算方法,分别在无支护开挖、无渗流锚固支护开挖、有渗流锚固支护开挖三种工况下,定量分析并评价了地下洞室群围岩的稳定状况。结果表明,分期锚固支护开挖可确保洞室围岩稳定,裂隙岩体渗流对地下洞室围岩稳定影响较大。可见裂隙岩体渗流—弹塑性损伤计算方法可定量评价围岩稳定状况,为地下厂房设计、施工及安全运行提供了参考。

基于圆盘裂隙物理模型的岩体单一裂隙渗流规律试验研究

岩体中裂隙平行板渗流模型被广泛地应用于实际岩体裂隙渗流过程与特征的定量描述与刻画,但实际岩体裂隙渗流的空间域与平行板假设可能相差甚远。因此,裂隙平行板渗流模型应用于实际裂隙渗流条件下的模型有效性及适宜的修正表达方法成为关注点。选取更接近实际裂隙空间分布的圆盘形状,在室内构建单圆盘裂隙物理模型。通过改变圆盘裂隙的隙宽和裂隙相交产生的水流进出口交线长度,进行不同压力梯度下的渗流试验,探讨不同岩体隙宽和交线长度下的裂隙水渗流规律。试验结果表明,针对不同雷诺数下的非达西流态,达西定律模型在一定程度仍能较好地刻画岩体裂隙渗流量和压力梯度的统计关系,但Forchheimer模型精准度更高。值得注意的是,Forchheimer模型中参数A与B的计算式需要修正。提出了修正方法,并依据试验数据获得了具有一定应用范围的A与B相应修正计算式。研究成果可望为岩体中单一裂隙及复杂裂隙网络渗流研究与工程应用提供一定理论基础与方法借鉴。

三维任意裂隙网络渗流模型及其解法

首先,分析三维裂隙网络渗流分析模型需解决的2个关键问题,即如何获得结构面网络相交形成的裂隙渗流通道、如何计算二维任意形态区域的渗流问题。采用全空间块体搜索(三维块体切割)技术,得到封闭块体的边界就是渗流通道,块体边界的连接关系就是渗流有限元计算节点的连接关系;块体边界的裂隙面(或临空面)由不同形态、不同数量的回路构成,将每个回路上的渗流考虑为二维连续介质渗流,在面的局部坐标系下,通过单纯形积分解决任意形态回路上的渗流问题。然后,根据计算节点连接关系,形成总体渗流矩阵和渗流控制方程后就可实现三维任意结构面网络渗流计算。最后,采用算例对理论分析过程和计算程序进行检验,并将三维结构面网络渗流分析结果应用到块体系统渐进失稳分析中。

二维任意裂隙网络裂隙–孔隙渗流模型的两种解法

与裂隙网络渗流模型相比,裂隙–孔隙渗流模型(双重介质渗流模型)假定裂隙及裂隙切割而成的岩块均透水。这样可以只考虑较大裂隙形成的裂隙网络,而岩块及其内部的较小随机裂隙均作为连续孔隙介质进行渗流分析,从而减少裂隙网络中的裂隙数量以增加计算容量。讨论裂隙–孔隙渗流模型研究存在的问题,归纳剖析2种解法,即整体求解法与流量交换法。整体求解法中,裂隙作为有一定宽度的介质并划分为实体计算单元,与岩块单元的单元渗透矩阵合并成总体渗透矩阵进行求解。裂隙实体单元无需在网格划分时划出,只需在计算程序中对裂隙节点进行扩展。流量交换法中,裂隙系统和岩块系统分别形成渗透矩阵和渗流方程组,分别计算2个系统的渗流,2个系统之间通过流量交换,最终实现流量平衡和同一节点的水头一致,并指出水交换量只修正下游节点的渗流平衡方程。通过算例,比较2种解法的特点。还提出任意封闭回路在不增加节点前提下的三角形划分法。

坝体和库水及坝基相互作用动静力分析研究

国家“八五”攻关高拱坝建设关键技术方面的研究内容主要包括：岩体裂隙渗流与高拱坝稳定性分析；高拱坝三维非线性开裂计算方法研究；高拱坝抗震设计；拱坝可靠度分析；高拱坝安全监测自动化、反馈分析及专家系统等。研究成果在多方面取得突破，提供了先进的分析计算方法，把我国高拱坝设计水平提高到了一个新的高度。

小湾高拱坝应力、基础稳定、抗震及材料问题研究综述

小湾拱坝坝高 2 92m ,坝址基本地震烈度 8度。本项目系“八五”期间 ,原电力部重大科学技术研究项目 ,紧密结合小湾拱坝设计中的一部分关键技术问题进行研究 ,在岩体裂隙渗流与高拱坝稳定分析 ,高拱坝非线性开裂计算方法研究 ,高拱坝抗震设计等方面取得创新性的成果 ,其研究成果为小湾拱坝设计提供了科学依据 ,部分成果已用于小湾水电站初步设计中。

辐射流立方定理的推导及试验研究

为了推导辐射流光滑平行板立方定理并研究其适用性,通过理论分析,根据惯性力和黏性力的数量级关系,将水流的分布状态分成黏性区和势流区,在完全处于黏性区的“弱惯性带”中,由N-S方程和Laplace方程推导辐射流立方定理。在水力压强分别为0.1、0.2和0.3MPa时,对平行板和规则齿进行水力试验,验证平行板实际流量与立方定理吻合程度以及粗糙裂隙面对于立方定理的适用性。结果表明:水力压强为0.1MPa时,平行板的流量与立方定理吻合良好;高水头差易产生非线性流,导致流量偏离立方定理;粗糙度的存在会破坏水流的连续性,削弱过流能力,规则齿的试验值比预测值低7.9%~14.6%。

基于LB方法平板流立方定律的数值模拟研究

格子Boltzmann方法模拟岩体裂隙渗流场,较传统的数值模拟具有天生的并行特性、边界条件处理简洁、程序易于实施、能得到清晰的物理图像等独特优势。通过JRC数值生成法建立起在一定范围内的节理粗糙度系数JRC的二维岩体吻合裂隙结构。基于格子Boltzmann方法(LBM),设置出入口为非平衡态外推格式、上下岩体裂隙表面为标准反弹格式的边界条件,建立了模拟岩体裂隙渗流模型。通过C++编程实现格子Boltzmann方法模拟并验证了经典的泊肃叶流动。压力差为0.002和隙宽比为400:21的粗糙裂隙内,岩体裂隙渗流流态是线性次立方水流,并且随节理裂隙粗糙度系数JRC值的增加,次立方值偏离数值3越明显。在JRC=14.1的情况下,裂隙渗流在不同压力差驱动和不同隙宽、不同压力差下,可表现为次立方渗流、立方渗流和超立方渗流。

长江科学院非连续变形分析实验室举行学术研讨会

2011年4月16日．长江科学院非连续变形分析实验室举行了岩体裂隙渗流与流固耦合分析学术研讨会。应实验室首席科学家美籍华人石根华博士的邀请．来自中国科学院、武汉大学、河海大学、扬州大学、长江勘测技术研究所、长江科学院等单位的专家和研究生20余人参加了会议。