基于分形理论的多孔介质渗透破坏研究

渗透破坏对大坝长效安全运行构成严重威胁,时常导致大坝险情发生乃至溃决。针对土石坝多孔介质自相似特点,开展了典型级配下的砂性土、粉质黏土等主要筑坝材料的渗透破坏分形试验,提出了可作为划分渗透变形判别标准的质量分维数。在分形理论基础上,探讨了质量分维数与颗粒级配、密实度、渗透系数等物理力学参数的关系,重点研究土体渗透破坏的分形特征。研究结果表明,土体质量分维数D<2.35时,渗透破坏为流土;当2.35≤D≤2.65时,渗透破坏为管涌或流土;当D>2.65时,土体渗透破坏为管涌。结论认为可通过渗透变形后质量分维数下降的趋势,来预测渗透变形的发生和发展情况,从而减少堤坝因渗透破坏而引起的致灾隐患。

三维节理岩体分形维数与RQD相关性研究

应用三维随机不连续面网络模拟技术对岩体结构统计均质区内的不连续面进行计算机模拟,再现岩体结构,并应用分形理论计算三维节理岩体的分形维数。平行于三维节理岩体网络模型的x,y,z轴布置测线,计算不同阈值下三维岩体的岩石质量指标(RQD)。对获取的分形维数与RQD分析表明,三维岩体RQD随分形维数增大而减小,二者具有良好的线性关系。最后,推导三维节理岩体的分形维数与若干个阈值下RQD的关系式,并根据不同阈值下RQD与分形维数关系曲线的斜率确定合理阈值。

煤体孔隙结构综合表征及全孔径分形特征

为探究煤体孔隙结构及全孔径分形特征,借助压汞和低温液氮吸附试验,结合微焦点CT扫描系统,分别表征了取自海湾煤矿5煤(#1)和顾北煤矿中央1煤(#2)煤样的孔隙结构,并基于分形理论对比分析了煤样全孔径分布的复杂程度。结果表明:1)#1煤体孔隙结构发育,微孔至大孔都具有开放性,裂隙由上端面倾斜蜿蜒延伸至下端面,两者在空间上形成网状拓扑结构,而#2煤体存在大量孤立孔隙,微孔多属于封闭孔或半开放孔,裂隙结构数量较少,两者难以形成孔裂隙拓扑结构,不利于瓦斯渗流;2)#1,#2煤体孔隙比表面积大部分由微孔和过渡孔贡献,但两者孔容占比差异明显,#1煤体大孔、中孔孔容占比较高,而#2煤体孔容主要由微孔和过渡孔贡献;3)综合比较三种表征手段存在的缺陷,提出了可表征全孔径分形维数的新方法,得出低温液氮吸附法所表征的孔径优势区间内,#1煤体孔径分布较#2煤体的非均质性更强,即孔隙结构更为复杂,高压压汞法所表征的孔径优势区间内,#2煤体孔隙结构较#1煤体更复杂,两者在中孔范围孔隙结构的差异最为显著;微焦点CT扫描所表征的孔径优势区间内,孔隙结构非均质性大体相同,差异在于孔隙数量;4)多手段联合表征煤体孔隙结构特征,可校正高压阶段煤基质的“压缩效应”和孔裂隙压缩破坏以及微孔、过渡孔测定时的“屏蔽效应”或因样品尺寸导致大孔及可见孔被忽略而导致分形维数产生的误差,是研究及评价气固耦合和瓦斯赋存、扩散及渗流的基础。