裂隙岩体流热耦合的三维有限元模型

利用传热学和渗流理论,建立了深部裂隙地层流热耦合传热的三维数学模型。采用渗流和导热微分方程描述了裂隙岩体渗流场分布和水流及岩体的温度场分布,结合边界条件及计算参数对裂隙岩体的流固耦合传热进行了数值模拟。数值模拟结果表明:岩体内裂隙水流所引发的热质迁移,对裂隙岩体的温度场分布有重要影响。断裂带及地下水流的存在改变了岩体的原有温度场分布。模型揭示了岩体与裂隙水流之间发生的对流换热现象,模拟了岩体内的温度场分布,实现了由点向场的转变。模拟结果与实际情况相吻合,表明采用该方法研究裂隙岩体的流固耦合传热是可行的。     

裂隙岩体损伤的注浆加固效果试验

为了研究岩体的裂隙损伤及注浆加固恢复效应,基于损伤力学理论,引入损伤变量,构建综合岩体损伤和超声波测速定量评价裂隙岩体注浆加固效果的方法。通过室内试验模拟岩体裂隙损伤及注浆加固过程,应用超声波检测技术测定岩体在不同裂隙宽度下的声波传播速度,进而推算岩体动弹性模量,并对比分析注浆前后裂隙岩体的损伤变量与动弹性模量的变化程度及规律。结果表明:注浆前后岩体损伤变量均与裂隙宽度成正相关;同一裂隙宽度下,泥岩的损伤变量最大,为0.89;灰岩最小,为0.57;注浆后,裂隙岩体损伤变量明显减小,且岩体动弹性模量明显增大,其中砂岩动弹性模量增加幅度最大,为354.82%;泥岩次之,为174.15%;灰岩最小,为85.75%.根据实验室结果对比分析,提出注浆加固变量,建立分级分岩性定量评价注浆效果的新方法,并应用于现场实践。     

裂隙与破断岩体力学的分形研究

工程岩体的稳定性主要取决于裂隙与破断岩体的力学行为,由于其复杂和无序性,因此一直是岩石力学研究领域的热点和难点之一．本文简要概述了运用分形几何理论研究裂隙与破断岩体力学行为的主要工作,包括：(a)岩石节理表面几何形态的分形描述和测量方法;(b)岩石节理力学行为的分形研究：(c)裂隙岩体离散强度的分形研究;(d)利用分形几何理论研究和解决采矿工程中问题,如断层分布和开采沉陷,放顶煤开采过程中裂隙演化及块度分布等.     

单裂隙异质岩体变形参数及渗透系数分析

为了对不同地层接触区裂隙结构面的渗流特征进行研究,针对单裂隙异质岩体的变形参数及渗透系数,通过理论推导得出计算公式,并用试验对公式的正确性及适用性进行验证.研究结果表明:在相同裂隙水压和围压作用下,单裂隙粗砂岩、单裂隙细砂岩及单裂隙异质岩体的渗透系数各不相同,由此说明裂隙面两侧岩性对裂隙岩体渗透性有显著影响;裂隙岩体渗透系数随围压增大呈减小分布,且数值变化限定在一定围压范围内,当围压达到一定值时渗透系数趋于稳定;将推导所得的单裂隙岩体渗透系数理论计算值与试验结果进行对比分析,发现二者符合较好,从而表明推导所得的单裂隙岩体渗透系数理论计算公式的正确性与适用性.     

裂隙岩体有效弹性模量估计的一种方法

在裂隙随机分布和不考虑裂隙闭合效应的前提下，提出将单个裂隙置于Taylor介质中，以此为基础分析单个裂隙的力学行为，进而分析裂隙相互作用效应对岩体有效弹性模量的影响．根据Betti能量互等定理和断裂力学理论推导出裂隙岩体有效弹性模量、剪切模量、体积模量和泊松比的理论表达式，探讨了3种有效模量随裂隙密度参数变化而变化的规律，并与Taylor方法和自洽方法的计算结果进行对比，分析表明本文方法的计算结果更合理．     

裂隙岩体施工监测反馈分析中的参数辨识

对包含中等尺寸的成组分布裂隙的岩体，采用岩体几何损伤本构模型，用监测位移反馈分析法同时辨识岩体弹性模量、地应力及损伤参数。讨论了含一组裂隙和两组裂隙情况下弹性模量与损伤参数共同辨识、地应力与损伤参数共同辨识以及三者同时辨识时的可靠性问题。由识别结果给出了可靠辨识的参数组合。     

裂隙岩体的弹塑性本构模型及有限元分析

首先用弹塑性理论建立起裂隙的非线性应力应变关系,然后引入表征单元体的概念,定义了平均应力及平均应变。在此基础上建立了裂隙岩体的本构模型。该模型克服了应变叠加原理的不足,同时有效地模拟了裂隙的强烈非线性变形及剪帐等特性,编制了相应的三维有限元分析程序,并给出了算例分析,计算表明,裂隙的存在对整个岩体的变形及稳定性起控制作用。模型可直接应用于裂隙岩体的渗流应力耦合分析研究。     

水压致裂作用对岩石渗透率影响数值模拟

针对在低渗透油、气田和煤层气开采过程中,水压致裂增透机理应用中的问题.基于流固耦合理论,考虑损伤和应力变化对渗透率的影响,运用岩石破裂过程流固耦合分析系统RFPA,进行了单孔水压致裂过程对岩石渗透率影响的数值模拟研究.实验结果表明,水力压裂过程中水压力不断增加致使裂隙萌生、扩展,岩石破裂失稳;水压力与裂隙长度呈强烈非线性关系;裂隙扩展提高岩体渗透率,渗透率数值上增加1-2个数量级,裂隙扩展过程中主裂隙附近岩体渗透率高于非破坏区岩体渗透率.     

地下洞室中裂隙岩体围岩稳定性研究的模糊信息优化处理方法

基于地下洞室工程中裂隙岩体围岩分类及稳定性分级的实际资料,选取岩石单轴抗压强度、岩体ＲＱＤ值、裂隙间距、声波纵波波速等重要影响因素,运用模糊信息优化处理技术,建立了一套裂隙岩体围岩稳定性分级的评价方法;并应用于某水电工程地下厂房的围岩稳定性评价,体现了该方法简单、快速的特点。     

川中红层岩体结构裂隙发育特征及多尺度分析

四川盆地红层岩体宏细观裂隙发育,是影响其卸荷变形、吸水风化膨胀和工程特性的控制因素,近年来出现的多起高速铁路深挖红层路堑型路基持续超限上拱变形病害与此有关。为了解红层软岩裂隙发育特征,在原位岩体所有节理裂隙进行现场调查和测量统计基础上,采用统计岩体力学的方法,从不同尺度对岩体结构裂隙进行了深入系统的分析。结果表明,大尺度裂隙多为原生沉积层面,显示地层相变明显;中尺度和小尺度裂隙多为构造及剥蚀卸荷非协调性变形引起局部复杂应力场共同作用所致,深路堑开挖卸荷加剧了张性裂隙发展,以细观尺度裂隙为主,两种尺度裂隙长度分布均符合负指数模型,发育优势方向多垂直于层面,与基于岩体宏观结构面特征的分析结果吻合;该模型可以应用于工程实际,通过易于测绘统计的中尺度裂隙的发育特征分析,建立红层岩体整体形成的地质环境模型及裂隙结构框架,进而对红层岩体力学特性和红层工程岩体变形及稳定性进行更客观的评价。     

节理岩体的渗透系数与应变、应力的关系

根据岩体裂隙渗流实验成果，采用机械隙宽的概念并根据节理岩体的力学本构关系，导出了含一组或多组节理的岩体的等效渗透系数与复杂应变的耦合关系式，以一组节理为例，以 Ｚ为法线的节理等效渗透系数为：ｋｚ＝ｋ０ｚＤｉ（Ａｚεｚ＋１，（ｃτｚ·）２（式中Ａｚ、Ｃτｚ为εｚ、γｘｙ、γｙｚ的耦合作用系数，Ｄｉ、ｎｉ为与应力、应变有关的修正系数）。公式说明节理岩体的等效渗透系数是复杂应变的函数，并且受裂隙面几何形态、节理面力学参数、间距、隙宽、应力加载和卸载条件的影响，是复杂岩基在复杂应变条件下考虑力学－渗流耦合关系的一种新的探索。     

岩体渗流模拟的二维随机裂隙网络模型

基于裂隙的走向、迹长、间距和张开度的统计特征,应用Monte-Carlo方法随机生成裂隙网络系统．依据裂隙网络交叉点处的流量守恒原理,推导了裂隙岩体网络渗流数学模型,并提出模型的求解方法,通过一个算例验证了模型的合理性．此外,讨论了裂隙岩体渗流场随裂隙张开度均值和方差的变化规律,确定了模型的适用范围,为裂隙岩体渗流场的模拟提供了一种方法．     

降雨入渗对裂隙性粘土边坡稳定性作用机理的分析

为进一步认识降雨入渗对裂隙性粘土边坡稳定性的作用机理,基于饱和-非饱和渗流理论,研究了降雨条件下不同裂隙深度、裂隙开口宽度、裂隙分布位置、降雨强度和降雨持时等对裂隙性粘土边坡渗流场的影响,并进行了相应的稳定性评价.研究结果表明:裂隙的存在改变坡体的入渗能力和入渗路径;裂隙开裂越深,饱和区域越大,边坡稳定性越低;裂隙开口宽度的大小对稳定性的影响不大;裂隙分布在坡顶时易发生浅层破坏,稳定性较低,降雨容易导致浅层破坏,且对裂隙分布坡底边坡稳定性影响大;降雨强度主要影响裂隙层达到饱和的快慢,对于边坡的长期稳定性的影响则可以忽略;裂隙粘土边坡稳定性随降雨持续时间的增加而减小,当裂隙层达到饱和后,其安全系数基本不变.     

非对称井问题的一个解析解

运用保角变换方法寻求了一个半无限渗流域中非对称进流问题的解析解、分析了非对称井流水头势的分布规律,在此基础上,又利用井群工作时降深叠加原理,进一步研究了非对称井群协同工作情况,获得了非对称井群共同作用下的水头场解析关系,如将该解析解与数值解（有限单元法或差分法）相结合,将可实现对含有复杂密集排水系统的渗流控制问题进行快速求解,对复杂的工程渗流防渗排水设计进行优化分析研究。     

渗流-三轴应力耦合试验机的研制

为了对工程设计提供必要的依据,需要进行岩体的渗流-三轴应力耦合研究。由于缺乏相应的试验设备,因此研制了渗流-三轴应力耦合试验机,该设备由密封、水压控制、三轴加载、流量计量、自动控制及数据采集系统5部分组成,能够在垂直于渗流向的两个方向上实现独立加载。研制过程中引入了一些新工艺,采用聚氨酯密封胶实现了试件在高水压下的密封,引入阻尼器削减水压振幅以获得平稳的高水压源,采用油封技术解决小流量测量中的蒸发问题。     

准噶尔盆地PX地区石炭系火山岩储层储量参数研究

准噶尔盆地车排子地区石炭系火山岩油藏勘探取得重要发现,但针对该区的火山岩储层尚未开展系统的储量参数研究。综合运用岩心、岩屑、试油、测井和地震资料,采用岩性约束"孔隙-裂缝"双介质模型方法,对准噶尔盆地PX井区石炭系火山岩岩性、储集空间及储层储量参数进行分析,并针对不同岩相建立火山岩双介质储层物性参数定量解释模型,定量计算火山岩储层的物性参数和含油饱和度。结果表明:研究区火山作用形成的岩石主要有凝灰岩、火山角砾岩、玄武岩和安山岩,可划分为爆发相、溢流相及火山沉积相3种岩相类型;孔隙和裂缝是准噶尔盆地PX井区重要的储集空间,测井综合识别裂缝方法适用于火山岩裂缝型储层预测;岩性约束的"孔隙-裂缝"双介质模型适用于火山岩储层储量参数的优选和储量计算。     

凝析气藏水平井产能计算新方法及影响因素分析

当前对于凝析气藏渗流和产能的研究是以直井研究较多,甚少有研究凝析气藏水平井产能。考虑压力变化对流体物性影响,对凝析气藏的产能进行研究评价。从常规的产能分析出发,考虑岩石应力敏感系数、气体高速非达西渗流因素,定义了气油两相拟压力,采用复变函数理论保角变换,推导凝析气藏气油两相渗流产能方程。实例计算表明,新公式与产能测试的误差仅为7.2%,准确程度高。产能影响因素分析表明,凝析气藏高速非达西渗流效应对产能影响较小,岩石应力敏感系数、油气体积比和滑脱因子对产能影响较大。随着岩石应力敏感系数和油气比的增大,气井无阻流量逐渐降低,而随着滑脱因子的增大,无阻流量不断增大。     

围岩质量综合评判模型和大坝建基面优选模型的建立

阐述了岩体质量及其影响因素的复杂性和不确定性，采用模糊数学方法建立了考虑岩石单轴抗压强度，RQD，裂隙间隙，裂隙面粗糙度系数，裂隙水压力与最大应力比值的5因素洞室围岩综合评判模型，以及考虑岩体纵滤波速，完整性系数，变形模量，均一性系数，RQD，裂隙间距，承压水顶板岩体自重应力与承压水头比值的7在坝建基面模糊优选模型。     

渗流作用下柱状节理岩体强度特性试验

为研究白鹤滩水电站柱状节理玄武岩在高渗透压力作用下的强度特性,采用与水电站现场岩体物理力学性质相近的人工材料,制作具有相同节理构造的柱状节理岩体模型试样,开展了不同渗透压力的渗流应力耦合三轴力学试验,分析了渗透压力对柱状节理岩体的破坏模式、强度和渗流量的影响。试验结果表明:渗流作用下柱状节理岩体的破坏模式为沿着节理倾角的滑移破坏;渗流作用下的柱状节理岩体具有较低的强度,三轴压缩峰值强度与渗透压力呈负相关关系;应力应变曲线可分为4个阶段,渗流量随应力应变曲线呈现出阶段性特征,渗透压力对岩体强度和渗流量影响较明显。     

无压渗流渗出面确定的等效结点流量法

结合溢出点的特性及初流量法求解具有自由面渗流的优越性,以可能溢出点等效结点流量控制为外循环,非饱和区高斯点初流量为内循环,以渗出面只有流量流出,没有流量流入原则进行渗出面判定,编制了相应三维渗流分析程序并应用于某除险加固土石坝渗流分析中,结果表明：渗出面的确定方法可行．土石坝防渗加固效果明显,墙体不会产生渗透破坏．