基于裂隙充填特征的坝基岩体灌浆效果评价

灌浆是水工建筑物基础处理中最常用的技术手段,通过灌浆封堵裂隙使基础岩体的防渗性、结构强度等达到设计要求。裂隙是透水透浆的最基本结构面,在灌浆处理中浆液对裂隙的充填程度是灌浆效果最直观的表现,由于灌浆工程的隐蔽性,裂隙的充填特征难以直接获取到,目前大多采用间接的压水试验法进行效果评价。利用钻孔摄像技术对灌浆钻孔进行成像探测,获取钻孔360°壁面图像,识别灌浆后的裂隙充填特征,考虑不同充填特征对灌浆效果的影响,建立以充填裂隙和未充填裂隙为要素的灌浆效果评价指标——钻孔内裂隙充填指数(borehole fracture filling integrity,BFFI),探讨BFFI与常规压水试验透水率结果的相关关系,利用三次多项式拟合两种评价指标的函数关系,建立基于钻孔内裂隙充填指数的灌浆效果评价标准,并将该方法应用到雅砻江桐子林水电站厂房坝区帷幕灌浆补充试验中,结果表明,(1)压水试验法和BFFI法的灌浆效果评价结果吻合度较高,进一步说明了BFFI法评价灌浆效果的可行性;(2)利用钻孔摄像技术开展灌浆效果评价,既直观地展示浆液在裂隙中的充填特征,又能反映灌浆效果,为灌浆效果评价提供了新的思路和方法。

煤层动态裂隙充填瓦斯抽采技术试验研究

为缩短常规封孔深度,延长钻孔有效使用寿命,实现煤矿井下瓦斯(甲烷)抽采高效密封,针对钻孔及周边煤体漏气问题,从巷道围岩变形角度探讨钻孔周边裂隙带漏气失效机制,提出并研究动态裂隙充填密封瓦斯抽采技术,并进行相关工程试验。结果表明,与常规的"两堵一注"封孔技术相比,采用动态裂隙充填技术的钻孔封孔深度缩短一半以上;在连续71天的抽采过程中,单孔平均抽采瓦斯体积分数提高了85%;钻孔平均累计抽采量和高效抽采时间均是"两堵一注"封孔的3倍以上;成本降低30%左右。

裂隙充填蒙脱石对巷道稳定性的影响

在深入调查大冶铁矿尖林山矿体上盘闪长岩蒙脱石化蚀变带地压显现特点的基础上，探索了该岩体失稳的原因，提出了提高巷道蒙脱石化围岩稳定性的措施。

裂隙充填介质对边坡渗流的控制效应

基于裂隙充填物膨胀压力与蚀变岩体力学参数测试分析成果,针对膨胀性充填物对裂隙岩体渗流影响极少开展的问题,探讨了充填物的力学响应对裂隙渗流的影响。研究表明,无论充填物产生的膨胀压力对裂隙来说是剪应力还是拉应力,都将导致其渗透性显著增加。并且,充填物的塑化、液化效应也对裂隙渗流产生重要影响。

裂隙充填对岩体单轴压缩力学性能及锚固效应的影响

用相似材料试件研究了裂隙不同充填物对节理岩体单轴压缩力学性能及锚固效应的影响。对裂隙含不同充填物节理岩体相似材料无锚及有锚试件进行了单轴压缩试验及数值研究,分析了不同充填物对节理岩体单轴压缩力学性能及锚固效应的影响。研究得到:充填物弹性模量在一定范围内,含充填节理岩体抗压强度峰值随着充填物弹性模量的提高而提高;充填物与基体材料弹性模量越接近,无锚含充填节理岩体试件的峰后塑性越好,但充填物对加锚试件的峰后塑性影响很小;充填物与基体材料弹性模量差值越大,试件峰后应力-应变曲线应力下降速率越快;当裂隙充填物弹性模量低于基体材料时,试件内沿受力方向出现拉应力,拉应力的峰值及分布区域随充填物弹性模量的降低而增大。

基于岩石物理模拟与声学实验识别孔隙-裂隙充填型水合物

孔隙充填和裂隙充填是自然界中水合物赋存的两种基本形态,其类型判别对储量评价、钻井安全以及环境评估均具有重要影响。本文模拟南海孔隙充填和裂隙充填两种类型水合物储层,利用岩石物理模型和声学模拟实验获取声波速度和密度,对两种类型的识别方法进行了探索。结果显示,孔隙充填和裂隙充填型水合物沉积体系的纵波速度都随水合物体积分数的增大而增大,密度都随水合物体积分数增大而减小。将速度与密度参数结合计算两种类型水合物阻抗和ρ√Vp属性表明:对于含孔隙充填型水合物沉积体系的ρ√Vp属性,岩石物理模拟的计算结果与实验结果斜率均为正;而对于含裂隙充填型水合物沉积物的ρ√Vp属性,其斜率均为负。但当水合物体积分数小于40%时,含裂隙充填型水合物沉积物的理论计算结果与实验值存在偏差,因此,在计算低体积分数水合物的ρ√Vp属性时,需要对模型进行适当修正。本文利用ρ√Vp属性对GMGS2航次16井赋存的孔隙充填和裂隙充填型水合物进行了验证,结果表明井中上部分赋存的水合物以裂隙充填型为主,底部以孔隙充填型为主,验证结果与实际钻探结果一致,表明该方法用于识别水合物类型是可行的。

掘进应力路径下充填和非充填裂隙岩石的破裂特征研究

充填裂隙岩体在超前注浆巷道开挖后起主要承载作用。本文通过对开挖过程的数值模拟获得掘进应力路径,分别在常规压缩及掘进应力路径下对含充填裂隙岩石进行加载;同时采用数字图像相关法及声发射设备对岩石破裂过程进行监测。结果表明掘进应力路径对含充填裂隙岩石有三种影响:1)压密;2)裂隙附近的强度异化;3)裂隙尖端形成预裂。压密导致树脂充填试件起裂角减小。裂隙附近强度的异化导致在未充填试件裂隙靠近长边的区域拉伸和压缩变形交替出现,水泥充填试件由突然变形转为渐进变形,树脂充填试件则相反。预裂减弱了未充填试件的强度,改变了水泥充填试件剪切裂纹的传播方向。

充填物的力学响应对裂隙渗流的影响

针对膨胀性充填物对裂隙岩体渗流影响方面研究较少的现状,基于大冶铁矿充填介质的水理性质和蚀变岩体力学参数测试成果,在充填物膨胀压力与蚀变岩体力学参数对比分析的基础上探讨了充填物的力学响应对裂隙渗流的影响。研究表明,充填物的膨胀效应对蚀变岩体力学变形起着重要的控制作用,充填物膨胀产生的拉张效应和剪切效应都导致裂隙渗透性的显著增加,并且充填物的塑化效应和液化效应也明显提高了裂隙的渗透性。

含充填裂隙砂岩破坏特征的模拟研究

深部应力环境下充填裂隙会影响岩石的破坏特征,针对此问题,基于PFC2D模拟了充填裂隙对砂岩裂纹发育、力链和应力场演化特征的影响。结果表明:试样在属性相对较弱的充填裂隙内部起裂,在承压条件低于砂岩颗粒破坏的阈值前,裂纹仅在充填裂隙内部发育,超过阈值时裂纹在充填裂隙尖端突破;砂岩颗粒与充填裂隙尖端交界处受较高的压应力,充填裂隙内部分布有拉应力;充填裂隙中部的应力集中导致试样起裂,裂纹突破充填裂隙后,内部形成卸压区,试样由两侧完整部分承载。

裂隙充填型天然气水合物储层的各向异性饱和度新估算及其裂隙定量评价

天然气水合物有时会以结核状、层状、脉状或块状等裂隙形态发育在深水盆地的细粒泥质沉积物中,该类型天然气水合物被称为裂隙充填型.与孔隙充填型不同,裂隙充填型天然气水合物储层由于裂隙的出现,在测井速度、电阻率和地震数据上会呈现明显的各向异性特征.本文利用细层层状介质模型和有效介质理论(EMT)新估算出印度克里希纳—戈达瓦里(K-G)盆地NGHP-01-10A和10D孔裂隙充填型水合物储层的各向异性饱和度,纵波(V_p)和垂直极化横波(V_(sv))测井速度估算的平均饱和约为20%,明显优于水平极化横波(V_(sh))估算结果,且与压力取心估算结果更为一致.倾角随深度变化曲线和不同角度估算的水合物饱和度结果都表明10A孔浅部以高倾角裂隙为主,深部出现低倾角裂隙;10D孔以垂直裂隙为主,这说明两口相距10 m的孔中裂隙在空间上延伸长度较小;而10B-08Y岩心的X射线成像定量评价结果显示水平裂隙倾角位于0°～21°,高倾角裂隙倾角位于68°～89°,裂隙尺度为厘米级,最大高度、宽度和纵横比分别为27.66 cm、6.71 cm和170.此外,水合物饱和度估算的影响因素分析表明,地层岩性和方程计算参数对饱和度估算的准确与否至关重要,与简化三相方程相比,有效介质理论计算参数的物理意义明确,参数选择简易,因此计算也更为准确与便捷.

加载速率对含充填裂隙砂岩破坏行为的影响

为研究加载速率对含充填裂隙砂岩破坏特征的影响,采用离散元方法分析了不同加载速率下,含充填裂隙砂岩拉伸、剪切裂纹数变化和裂纹发育扩展规律。结果表明,试样破坏以拉伸裂纹为主,试样裂纹数与加载速率呈正相关关系;加载过程中应力首先达到充填裂隙颗粒接触断裂阈值,裂纹初期在属性较弱的充填裂隙中发育;不同加载速率下试样破坏特征的差异主要为邻近破坏时的裂纹扩展方向,随着加载速率增加,裂纹发育方向逐渐与充填裂隙方向平行。

加载速率对含充填裂隙砂岩强度特征的影响

为研究加载速率对含充填裂隙砂岩强度特征的影响,采用离散元方法分析了不同加载速率下,含充填裂隙砂岩强度参数和AE计数的变化规律。结果表明:充填裂隙砂岩试样的起裂应力、峰值强度和峰值应变与加载速率呈正相关关系;随着加载速率的增加,试样声发射事件和声发射计数的最大值也逐渐增加;加载速率增加时,试样内部微裂纹不能充分发展,缩短了裂纹发育时间,使得试样内部损伤程度降低。

高渗透改性环氧树脂充填砂浆材料裂隙试验研究

制作含4种裂隙倾角(0°、30°、45°、60°)的圆柱体砂浆试样,选用高渗透改性环氧树脂作为充填材料,在重力作用下无压力充填试样裂隙,并对充填前后的试样进行单轴压缩试验。试验结果表明:高渗透改性环氧树脂能依靠自身的渗透性渗进试样的裂隙,固化后能不同程度地提高不同裂隙倾角试样的抗压强度,其中45°倾角和60°倾角的试样提高效果明显;不论是充填前还是充填后,试样的抗压强度随倾角的变化规律一致,均随着倾角的增大逐渐降低;试样的破坏模式大多表现为拉应力导致的拉伸劈裂破坏,且充填环氧树脂前后试样的破坏模式相差不大。研究成果为实际工程中分析灌注环氧树脂浆液对岩体强度的影响提供一定的数据支撑和理论依据。

充填裂隙渗流特性实验研究

本文通过充填裂隙模型实验研究探讨了充填裂隙渗流特性。实验表明，充填裂隙的渗透性主要取决于充填材料的颗粒组成及充填材料在充填后的孔隙率，与充填料的颗粒直径、裂隙宽度之比值有关。在实验研究及总结前人对孔隙介质渗透性研究成果的基础上，经理论分析推演得出了充填裂隙渗透性半经验理论公式，并与实验结果进行了对比，论证了半经验理论公式的合理性。

充填砂裂隙在剪切位移作用下渗流规律的实验研究

对充填砂裂隙进行控制位移的剪切渗流实验,结合充填砂的物性,揭示了岩体裂隙发生剪切位移时的渗流规律,并对剪切位移与隙宽、剪切位移与流量、隙宽与流量的关系进行了探讨,提出了砂粒的微小扰动与孔隙比(隙宽)的增加是影响裂隙流量的主要因素。

贯通充填裂隙类岩石渗流特性试验研究

利用3D打印技术制作平行、合并、T型、斜交以及正交裂隙,通过模具浇筑成贯通充填裂隙类岩石试样,应用低渗透岩石惰性气体渗透测试系统测试不同围压加卸载条件下贯通充填裂隙类岩石渗流特性,研究具有不同渗透结构面试样在不同围压作用下气体渗透率的变化规律。通过试验研究发现:充填物相同情况下,开度相同,形式不同的渗透结构面试样渗透率不同,但数量级上不存在差异,以围压加载25 MPa为例,平行裂隙试样渗透率最大,合并裂隙试样渗透率最小;试样渗透率随围压变化曲线在围压加载阶段高于卸载阶段,不同渗透结构面试样渗透率随围压变化波动幅度不同;围压加载阶段贯通充填裂隙类岩石渗透率与围压关系符合多项式函数;不同试样渗透率对应力敏感系数随围压变化曲线在围压加载阶段变化趋势不尽相同,在围压卸载阶段各曲线变化趋于接近,呈"W"型,贯通充填裂隙类岩石渗透率对应力敏感性受渗透结构面影响。

大理岩裂隙渗流特性及充填砂土影响

利用自行研制的岩石裂隙渗流系统,对9个不同裂隙面形貌的大理岩试样分别进行充填和未充填裂隙渗流试验,研究了不同法向应力条件下,加卸载过程、水头差大小、裂隙面形态、充填砂土粒径及厚度等因素对裂隙渗流的影响。试验结果表明:裂隙未充填时,在法向加载阶段,渗流量随水头差的增大呈线性递增,渗流量随法向应力的增大呈负指数减小,并得到了包含裂隙面三维形貌参数坡度均方根S_q的渗流量和法向应力关系式;单位水头流量与力学隙宽呈指数关系,指数平均值为3.01,基本符合立方关系。因此,通过增加修正参数得到了修正的立方定律,其中修正参数与裂隙面的三维形貌参数S_q呈指数关系。在法向卸载阶段,渗流量随法向应力的降低基本不变,相较于加载阶段,卸载阶段法向应力对渗流量的影响明显降低;相较于未充填裂隙,充填裂隙闭合量、裂隙面形态、法向应力在加载和卸载阶段对渗流量的影响均较小,充填砂土的粒径或厚度越大,相同法向应力下裂隙渗流量越大。

含不同充填物预制裂隙对爆炸裂纹扩展的影响

为了研究充填裂隙岩石动态断裂时裂纹扩展规律,以空气、黏土和水作为有机玻璃的预制裂隙充填材料,在炮孔与预制裂隙的不同夹角、不同距离条件下,通过单发雷管加载,对3种不同裂隙充填物的有机玻璃模型进行了起爆实验。结果表明:爆炸裂纹几乎都不会越过预制裂隙;空气充填模型裂纹总数、左端翼裂纹几乎全部大于黏土和水充填模型;最长裂纹分布位置和长度与反射应力波传播方向和能量有关;空气充填模型右端翼裂纹多随角度增大而增长,黏土充填模型右端翼裂纹则表现为先增后减;爆炸裂纹扩展对充填物种类具有敏感性。

不同粗糙度和隙宽贯通充填裂隙渗流特性试验研究

利用3D打印技术制作出30个含10级粗糙度(JRC=1~20)、3种厚度(1.5、3.0、5.0mm)的裂隙插片,通过模具浇筑成贯通充填裂隙类岩石试件,并对所制备的试件开展渗透性试验,研究在不同围压水平下不同粗糙度、不同隙宽贯通充填裂隙的渗流特性。试验结果表明:(1)不同粗糙度和隙宽贯通充填裂隙渗透率均随围压增加而减小,且在围压加载初期,裂隙渗透率的降低速度明显要高于围压加载中后期,最大渗透率降差达到78%。(2)围压加载初期,隙宽较小时,裂隙渗透率有随粗糙度增加而减小的趋势,且离散性较大;随着围压和隙宽的增加,粗糙度对裂隙渗透性的影响迅速减小。(3)对于10级不同粗糙度贯通充填裂隙,围压加载过程中,均有隙宽越大,裂隙渗透率越大的规律;且在围压较小时,粗糙度越大,不同隙宽贯通充填裂隙渗透率的差值越大,但随着围压的升高,这种影响逐渐被消除。(4)围压对贯通充填裂隙渗透率的影响处于主导地位,两者之间的关系可用幂函数进行描述。

基于自然电位的充填裂隙溶质运移特征试验研究

为精细描述充填裂隙溶质运移过程及其特征,设计加工了充填裂隙溶质运移试验模型,开展了不同流速条件下溶质运移试验,研究了充填裂隙溶质运移特征,结合不同测点自然电位(SP)实时动态监测数据,研究充填裂隙内部溶质运移过程。结果表明:1)在试验流速0.0733~0.9630 mm/s范围内,充填裂隙渗透系数为1.85 mm/s,与充填多孔介质渗透系数1.79 mm/s较为接近,水流符合达西定律。2)试验过程中,水流实际平均流速为0.247、0.431、0.661 mm/s时,取样口处溶质峰值浓度分别为5.14、5.50、5.78 g/L,溶质初始到达和峰值到达时间均减少,其中初始到达时间分别为4640、2640、1560 s,峰值到达时间分别为5480、3360、2040 s。3)3种水流实际流速条件下,溶质运移过程中SP响应呈现出相似特征,沿水流方向从1^#到6^#测量电极处峰值SP绝对值逐渐减小,且峰值前SP响应曲线陡峭程度逐渐降低;此外,溶质弥散前锋与溶质弥散峰值浓度点随水流动均呈匀速运移状态,其中溶质弥散前锋相应的平均流速分别为0.214、0.396、0.685 mm/s,溶质弥散峰值相应的平均流速为0.189、0.347、0.571 mm/s。4)基于峰值SP计算的水流实际平均流速与采用溶质峰值浓度计算结果基本一致,但基于峰值SP计算结果更接近实际平均流速(流量计算结果),准确度提高1.5%;随着流速不断增加,采用峰值SP计算的宏观平均流速误差降低9.9%。5)试验发现,与峰值SP值相比,采用初始SP值计算的充填裂隙水流宏观平均流速更接近由流量数据计算的水流宏观平均流速。