浅谈裂隙岩体渗流与应力耦合的问题

针对工程岩体在渗流与应力相互作用下动态平衡体系中的变形及稳定,提出了裂隙岩体渗流与应力耦合的研究课题。结合岩体渗流的特性,分析了裂隙岩体应力与应变对渗透系数的影响情况,然后对裂隙岩体渗流场和应力场耦合作用及反演分析的思想和方法进行了论述,最后对目前裂隙岩体渗流场与应力场耦合的研究进展和存在的问题进行了介绍。     

裂隙岩体渗流场与应力场耦合分析

介绍了裂隙岩体渗流场与应力场耦合非线性分析的基本原理以及迭代耦合计算方法,并给出算例,利用结果进一步验证了耦合机理的可靠性。     

渗流-应力-损伤耦合研究现状

归纳总结了渗流-应力-损伤三场耦合的研究现状，并详细阐述了其中两场进行耦合研究的类型及各自的使用范围和优缺点。渗流一应力耦合包括多孔介质的渗流-应力耦合和裂隙系统的渗流一应力耦合两方面的内容。通过对前人研究成果的总结，研究岩体微裂纹的萌生、连接、扩展和贯通全过程中渗透率演化规律及作用机理，对于解决工程实际问题有一定的应用价值和参考价值。     

岩体裂隙面形貌特征对其渗流特性的影响研究∗

岩体裂隙面的形貌特征直接影响其渗流特性,为了分析二者的相关关系,采用劈裂法制备了单裂隙砂岩试样,进行了裂隙面扫描分析和渗流试验,基于分形维数在定量表达不规则曲线形貌特征方面的优势,提出了考虑裂隙面形貌各向异性特征的分形维数计算方法。研究结果表明:(1)基于矩阵理论的裂隙面综合分形维数,相当于用矩阵网格去覆盖整个裂隙面,可以较好地反映裂隙面的整体形貌特征;(2)裂隙面的形貌特征对其渗流特性影响显著,随着裂隙面综合分形维数逐渐增大,裂隙岩体的渗透系数逐渐减小,而且侧向应力越大,渗透系数的减小趋势越明显;(3)分析建立了裂隙岩样渗透系数kf与裂隙面综合分形维数■的相关关系,验证分析表明,该公式计算得到的裂隙岩样渗透系数与试验结果吻合较好。相关研究成果可为裂隙岩体渗流特性分析提供参考。     

三峡船闸高边坡的渗流损伤耦合分析

讨论了复杂岩体工程中渗流场与损伤场的相互作用问题,建立了渗流损伤耦合作用数学模型,并运用数值方法,对三峡船闸高边坡节理岩体中渗流场与损伤场的相互作用机理及其对工程岩体稳定性的影响进行了分析研究。     

岩体开挖卸荷过程力学特性分析

基于岩体开挖卸荷过程中力学参数变化理论的分析研究,建立卸荷岩体有限元分析模型,运用ADINA有限元分析软件对岩体进行一维卸荷数值仿真研究。根据有限元数值分析计算成果得到岩体力学参数与主卸荷方向累计开挖卸荷量间的变化关系曲线。结果表明:岩体开挖卸荷过程中,岩体力学参数变形模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角等呈现出随开挖卸荷量的变化而发生变化的特征,随卸荷量的增大有减小的趋势,但它们不是从初始值一直减小到零,而是随卸荷量的增大减小到一定的量值后,岩体的裂隙张开、结构面的扩展到一定的程度,岩体的力学参数保持一定的量级不再减小。     

基于渗流-应力耦合分析的野鸡尾尾矿坝稳定性研究

基于渗流场与应力场耦合机理,对柿竹园野鸡尾尾矿坝进行稳定性研究。研究渗流-应力的耦合效应,提出了渗流-应力耦合以及渗流体积力计算的实施方案;建立二维的有限元渗流-应力耦合计算模型,分析了考虑耦合效应时的尾矿坝渗流场、位移场、应力场;最终分析了不同耦合关系对于渗流量、位移场、等效渗透集中力以及应力场的影响。研究结果表明:当前水力条件下,尾矿坝稳定性良好;尾矿坝主要受水平渗透力作用,初期坝坝顶、坝脚以及坝底等处应力集中;尾矿坝的渗流-应力作用不容忽视,不同的耦合关系对于x方向位移、渗透力的预测影响巨大;考虑渗流-应力耦合关系得到的主应力、剪应力以及竖向位移,比不考虑耦合效应时大。     

高寒山区深切河谷碎裂松动岩体成因机制分析∗

以澜沧江某水电站坝址区碎裂松动岩体为研究对象,通过对岩质边坡现场调查,并运用 ANSYS 有限元软件模拟河谷演化和冻融循环过程,综合分析碎裂松动岩体的成因。调查结果表明,碎裂松动岩体的形成与区域赋存的地应力场、地层岩性、河谷演化及高原冻融风化有关。数值模拟揭示了河谷演化过程中边坡岩体持续经历主应力降低、剪应力增大的状态,应力释放而驱动边坡岩体结构面破裂,形成大量的卸荷拉张裂隙,初现“松动”特征;在大温差冻融循环作用下,原本存在裂隙面的岩体不断扩展延伸直至发生疲劳性损伤裂化。由此,总结了碎裂松动岩体的成因机制,该成果对高寒山区深切河谷碎裂松动岩体的形成机制提供依据。     

分形块体理论及其在三峡高边坡稳定分析中的应用

把分形几何与块体理论相结合，提出了分形块体理论，建立了分形块体理论赤平解析法，并将其应用于三峡永久船闸高边坡稳定性分析中。结果表明：分形块体理论符合工程实际，是分析裂隙岩体工程稳定性行之有效的可靠方法。     

热储岩层单条裂隙换热概念模型的解及相关讨论

在地热开采工程中,单条裂隙换热的概念模型分析是裂隙岩体换热研究中的基本问题。借鉴已有的平面二维域内单条裂隙和平行裂隙概念模型,针对地热井与周围岩体换热问题,推导了轴对称二维坐标下管状裂隙换热模型在Laplace域内的解析解。数值逆变换后得到的时域内温度解与有限元模拟给出的解吻合良好,从而验证了该解的正确性。围绕概念模型相关假定,讨论了忽略岩体纵向导热系数、忽略水岩界面两侧温差等假设的合理性。数值模拟结果表明,裂隙水换热问题可忽略水的导热性。当研究问题尺度在百米及以上时,水岩界面温差可以忽略。忽略岩石基质纵向导热性将无法考虑周围岩石的热补给,会造成计算开采温度10%以内的相对误差。所建议的分析方法和计算结果可为有关问题的设计分析提供参考。     

基于非饱和土渗流理论的尾矿库流固耦合分析

基于非饱和土渗流理论,针对某上游法尾矿库工程地质、水文地质条件以及库内尾矿的物理力学性能试验成果,建立了尾矿库三维有限元模型,研究了尾矿的土-水交互特征曲线,分析了尾矿库的渗流场、应力场以及流固耦合效应,总结出了上游法尾矿库流固耦合计算规律。结果表明:(1)与不考虑流固耦合作用相比,考虑流固耦合作用时尾矿库堆积坝内浸润线平均埋深更符合实际、更趋合理;(2)与不考虑流固耦合作用相比,考虑流固耦合作用时尾矿库内正孔隙水压力更大,而考虑流固耦合作用时尾矿库内负孔隙水压力则更小;(3)与不考虑流固耦合作用相比,考虑流固耦合作用时尾矿库内最大Von-Mises应力和最大切应力均更小;(4)连续流固耦合只需耦合计算1次,完全流固耦合则需多次耦合计算,完全流固耦合作用时的计算精度随耦合计算次数增加而趋于精确,尾矿库流固耦合分析宜采用完全流固耦合分析方法。     

岩体裂隙连通路径及岩体等效渗透张量参数研究∗

在高放核废料的处置中,掌握地下水在裂隙岩体中的渗流规律是当下的关键问题。以甘肃北山岌岌槽一测区为工程背景,通过现场数据测得的裂隙统计参数,应用编制的 MATLAB 语言程序生成全局域内的离散裂隙网络模型,将三维裂隙以圆盘模拟并简化为变截面圆管单元渗流网络,为考虑边缘效应以圆管作为单元体切割基准。通过比较随单元体尺寸增大的三个方向上的等效渗透系数变化趋势得到表征单元体 REV,并在该单元体中计算渗透张量以及应用 Dijkstra 算法识别对应边界方向的最优路径。结果表明:该测区的渗透系数最值分别为 3.62e^-6 m/s与 9.19e^-7 m/s,水平向渗透性最小,竖直向附近最大,基本符合工程实际。     

考虑岩体各向异性强度的隧洞围岩稳定性分析

岩体中普遍存在着大量的节理裂隙等不连续面,这些不连续面对岩体的强度有着重要的影响。以具有较密集成组节理的岩体为研究对象,以Drucker-Prager准则和裂隙应力张开准则为基础,分别考虑岩块和节理面各自的物理力学性质,研究岩体在各向异性强度准则下的理论方法,并建立了岩体各向异性本构模型,用以描述节理岩体在强度方面的各向异性及其破坏特征。将该模型用于隧洞围岩稳定性分析工程中,研究表明,该模型可以较好地解释节理岩体围岩的破坏特征,与工程实践相符。研究成果对我国地下石油、核废料储存以及深埋地下工程的设计与施工具有重要的指导意义。     

降雨作用下地震损伤斜坡破坏机理研究

地震导致斜坡岩体产生裂隙,岩体裂隙的存在为不稳定斜坡再次发生灾害提供了条件。降雨渗入到损伤斜坡裂隙中,使斜坡岩体强度降低,进而诱发大规模地质灾害。根据损伤力学理论,考虑岩体损伤与降雨入渗流的作用,基于FLAC~(3D)自定义损伤本构的二次开发,利用C++开发环境建立裂隙岩体的损伤本构模型。结合都江堰三溪村滑坡的成灾特征,运用开发的损伤本构模型,分析降雨入渗过程中斜坡内孔压场的分布规律及其破坏机理。分析结果表明:在降雨初期,斜坡到达完全饱和之前,有效应力变化幅度很大,斜坡内不同岩性岩体交界面位置的孔隙水压力值较大;地形陡峭的浅层岩体最先达到剪切破坏状态,随着降雨入渗时间增加,屈服范围逐渐向斜坡内部扩大,并且在斜坡的后部出现拉伸屈服破坏。降雨入渗强度在降雨前期对斜坡内的有效应力影响较大,当斜坡到达完全饱和之后,对有效应力的影响很小。     

随机介质理论下隧道围岩渐进破坏过程数值实验研究

将强度折减法引入到隧道围岩安全评价中,结合"浅埋暗挖快速施工双线小间距隧道、盾构下穿立交结构隧道和结构面含有节理、不规则裂隙的山体公路隧道"等工程实例,借助材料真实破坏分析软件RFPA-2D,建立每个强度折减系数下的有限元模型。模型采用了黏弹性人工边界来消除边界条件对计算精度的影响,并借助随机介质理论实现了围岩细观结构单元的非均值性和随机分布的缺陷,揭示了不同工况下隧道围岩的动态渐进破坏过程、基元相变损伤演变机理和岩体结构面破坏特征,认为隧道围岩的宏观破坏是由岩体非线性材料细观单元的非均值性造成的,计算结果借助不同折减步中裂纹发展趋势和单元破坏的数量判断隧道围岩是否失稳破坏,并计算出具有安全储备意义上的安全系数。同时,结合ABAQUS和RFPA-2D两种不同有限元模型,对比分析了随机介质理论和连续介质理论结合强度折减法在隧道围岩稳定性评价中的差异。     

降雨诱发型残坡积土滑坡形成机理分析

以马家村滑坡为例,用有限元方法分析了降雨入渗条件下残坡积土斜坡的暂态非饱和渗流场,用极限平衡方法分析了残坡积土斜坡的渗流稳定性。分析了斜坡结构、临空面、降雨对斜坡变形与稳定性的影响,分析了降雨诱发残坡积土滑坡的过程。降雨诱发残坡积土滑坡的机理为:降雨入渗使残坡积土斜坡中形成软弱带;坡脚开挖使斜坡坡面出现拉张裂隙;降雨使坡面裂隙中充满水,导致斜坡土体饱和,抗剪强度降低,同时产生动水压力,不利于斜坡的稳定;当斜坡的下滑力大于抗滑力时发生滑动。     

不同裂隙形式类岩体单轴压缩破坏特征研究

采用水泥砂浆制作具有不同倾角、不同裂隙形式和不同岩桥间距的预制裂隙类岩体试样,开展单轴压缩试验。基于滑动裂纹理论,分析在单轴压缩作用下类岩体破坏受力特征和破坏形式。结果表明:裂隙形式、裂隙倾角和岩桥长度等参数变化对试样强度和破坏形式有较大影响,且在不同破坏模式中起主要作用的控制性参数不一样;对于不同倾角的单裂隙和平行双裂隙试样在单轴压缩破坏形式基本类似,当倾角在0°~90°变化时,它们的峰值强度随倾角的变化趋势呈下凹型,当岩桥倾角为45°时试样的峰值强度最低;对于不同岩桥长度不共面断续裂隙试样,试样的抗压强度会随着岩桥长度的增大而逐渐增大,而对于共面断续裂隙试样裂隙岩桥长度为20 mm左右时最容易被破坏     

浙江某水库大坝渗流安全综合分析

对浙江省某水库大坝的测压管观测资料进行了分析，建立了用来预报测点水位并能反映大坝实际渗流性态的统计模型。在此基础上结合观测资料采用有限元方法反演了坝体、坝基各分区的渗透系数，预测未来高水位时大坝的渗流性态，并建立了物理概念明确、预报效果较好的渗压确定性模型。     

基于PFC3D的残煤自燃对露天矿边坡稳定性研究

为了了解残存在露天煤矿边坡内的残煤自燃对边坡稳定性的影响,使用PFC3D对某矿某边坡进行建模,在热力耦合的条件下,模拟了残煤自燃至不同燃空区深度时,边坡内部的岩体破坏过程,进而确定影响边坡稳定的岩体破碎区。研究表明:随着燃空区深度的发展,当深度较浅时破碎区分布为三角形;当燃空区超过80 m后,破碎区为喇叭口形;当燃空区超过100 m后,岩体内部破碎的分层较为明显;当燃空区超过160 m后,裂隙基本不向上再发展。因此,对于残煤层上覆完整高强岩体的露天煤矿边坡,不应以边坡表面的开裂情况判断煤层自燃程度,应进一步进行物理探测,从而采取有效措施保证边坡稳定。     

大柳树坝址岩体松动机制动力三维有限元分析

黄河黑山峡大柳树坝址区存在大范围的岩体松动现象。其主要特征是岩体应力释放。结构面张开。密度显著下降。为进一步研究岩体松动的成因机制，在详细调查区域地质背景条件及区域地震动力作用基础之上。提出了地震动力作用与岩体松动现象的内在联系，同时又通过动力三维有限元数值模拟计算。进一步证明大柳树坝址区存在的大范围岩体松动与历史上该地区发生的强烈地震具有密切关系。