Seepage properties of a single rock fracture subjected to triaxial stresses

Coupled properties of seepage and stress fields of rock fractures greatly influence the safety of geotechnical engineering work. Based on the closing deformation principle of a single rock fracture, equations describing relationships of aperture and triaxial stresses are developed, and coupled models of seepage and triaxial stresses are proposed. Seepage tests are conducted under triaxial stress conditions by adopting hard granite specimens with an artificial fracture. The results show that the normal stress, lateral stress and seepage pressure significantly affect the flow behavior of rock fractures, and that hydraulic conductivity decreases with increasing normal stress, but increases with rising lateral stress or seepage pressure. In addition, an exponential function provides a good representation of the seepage characteristics of a single rock fracture subjected to triaxial stresses.     

三维应力作用下砂砾岩孔隙型渗流

为了掌握砂砾岩在三维应力作用下的渗流规律,开展了理论和试验研究。把渗透系数设定成孔隙率变化量的函数,再基于孔隙弹性理论推导孔隙率变化量和应力之间的关系,建立了孔隙型岩石的渗流应力耦合特性关系式,其表明平均有效应力是控制孔隙型岩石渗透系数变化的主要因素。在渗流-三轴应力耦合试验机上开展的砂砾岩渗流应力耦合试验的结果进一步证明,砂砾岩渗透系数与平均有效应力成负指数函数关系。根据理论分析和试验结果建立了砂砾岩在三维应力作用下的耦合特性关系模型。     

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。     

岩体裂隙渗流水力特性的实验研究

根据数理统计原理，从随机平稳过程理论出发，提出了一套描述裂隙空间曲面几何形态的三维指标和方法。在一套特制的岩石裂隙渗流实验装置上系统地研究了不同几何形态的裂隙在不同应力、应变条件下的水力特性，探讨了渗透系数与机械隙宽、剪切变形、几何形态、应力条件、加卸载条件的关系，并得出了各种不同情况下的实验数据拟合方程式。     

岩溶裂隙水地区某水库的渗漏计算

本文采用“斯诺法”和“最优化反求法”相结合的方法,求黄河上游某水库西岸岩溶裂隙含水介质的渗透张量,然后对水库的渗漏进行计算和评价:计算结果与实际情况吻合较好;碳酸盐岩地区,裂隙中充有泥沙岩体的渗透性将迅速降低;黄河地带水库蓄水后的渗透性有所增强.     

煤岩不同应力水平的蠕变及破坏特性

对韩城地区3#和5#煤岩在9 MPa围压下进行三轴蠕变试验,通过分级加载试验获取不同应力水平下煤岩的蠕变曲线。建立不同应力水平下煤岩的蠕变本构方程,并根据试验数据进行参数识别。结果表明:当3#和5#煤岩样的轴向应力分别小于其瞬时抗压强度的60%、40%时,蠕变曲线仅包含瞬时变形阶段、衰减蠕变阶段和等速蠕变阶段,在等速蠕变阶段应变速率几乎为零;当3#和5#煤岩样的轴向应力分别介于其瞬时抗压强度的60%～80%、40%～80%时,等速蠕变阶段的应变速率近似为一常值;而当3#及5#煤岩样的轴向应力均为其瞬时抗压强度的80%以上,蠕变试验曲线分别表现出蠕变脆性破坏特性和蠕变韧-脆性破坏特性。     

岩石单结构面剪切变形渗透性演化规律

为了研究剪切作用下单裂隙渗透性的演化规律,在Comsol中采用Weierstrass随机分形函数来生成单裂隙,调整2个裂隙面的相对位移来模拟剪切作用,通过分析不同剪切位移条件下裂隙隙宽的变化以及不同流量下的非线性效应发生的界定范围,并绘制散点图与函数曲线拟合确定剪切过程影响裂隙渗透率的因素,给出定量关系。结果表明：未发生剪切时,隙宽的概率密度分布满足标准的高斯分布,而随着剪切过程的发生,隙宽的高斯分布被破坏,仅体现标准高斯分布的部分特征;发生剪切时,渗透率先有一个减小的过程,然后在一定范围内波动;当Re>9.6时,流体开始从线性向非线性发展。对岩石单结构面剪切变形过程中裂隙孔径变化对流体渗流特性的影响进行模拟,可为分析地质体中结构面变形对地热变化的影响提供参考。     

裂隙岩体非饱和渗流研究综述

综述了国内外裂隙岩体（主要是细、微裂隙岩体）非饱和渗汉的研究情况,首先,评述了现有的测定和确定单裂阳非饱和水力参数的几种方法的优缺点,为单裂隙非饱和水力参数的提供了理论依据,其次,分析了目前用行求解裂隙岩体非饱和渗流的四种数学模型的优缺点,为选取合理的数学模型用于解具体的裂隙岩体非饱和渗流问题提供了参考依据,最后,在上述基础旧提出了一些需要进一步研究的问题。     

流固耦合作用下节理岩质边坡失稳过程的RFPA模拟分析

利用基于强度折减法的RFPA-Slope对渗流与应力耦合作用下的软弱互层岩质边坡稳定性进行了数值模拟分析,数值模拟不但直观形象地给出了边坡的渗流场、应力场、破坏区分布,而且得到了边坡滑移破坏面的萌生、扩展、贯通以及坡体整体失稳的渐进破坏过程,同时求得安全系数。并与无地下水的稳定性作了比较,结果表明,地下水渗流的作用使坡体位移增大,边坡安全系数减小,明显加大了滑坡范围。对实例的分析说明,RFPA-Slope能够较为准确地预测边坡潜在破坏面的形状与位置及计算相应的稳定安全系数,本文方法对于边坡,特别是对于复杂边坡的稳定性分析具有实用性。     

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。     

三轴应力作用下岩盐溶解特性试验分析

岩盐地下储备库是能源储备重要方式。三轴应力作用下岩盐溶解特性的研究,为岩盐地下储库水溶造腔的形状控制、安全建设等提供理论基础。运用三轴岩盐溶解试验机进行了岩盐试样在三轴应力作用下溶解特性试验,研究发现在应力作用下岩盐溶解特性发生显著变化。计算分析了岩盐试样通水孔壁处应力与试样外部载荷轴压和围压的关系,运用等效应力描述通水孔壁处应力分布情况。采用多组围压条件下三轴应力和溶解耦合试验,分析了不同围压条件下岩盐溶解速率与等效应力之间的关系。研究结果表明,岩盐溶解速率随着等效应力的增大先缓慢减小,随之降到最低点,然后又随着等效应力的增加而迅速增大。三轴应力对岩盐溶解速率的影响主要是由于岩盐试样在三轴应力加载过程中造成试样内部裂纹发育及溶蚀面积的变化,在弹性阶段时溶蚀面积减小(裂纹闭合),溶解速率降低,而在塑形阶段时溶蚀面积增大(裂纹发育),溶解速率升高。     

渗透动水压力作用下裂隙岩体渗流与应力耦合分析

针对裂隙岩体的渗透水压力使岩体应力产生非常大变化,同时应力变化也影响裂隙岩体渗透性。考虑岩体渗流和应力耦合分析是研究地下水活动规律的首要问题。当岩体以裂隙为主,且其分布较密集时,可将岩体系统看作等效连续多相介质体系。运用等效连续介质理论,建立了等效连续岩体渗流与应力耦合分析的数学模型,充分考虑了渗透水压力和裂隙的存在对岩体应力及孔隙裂隙水压力变化产生的影响。给出了渗流场与应力场耦合分析的工程算例。     

裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合分析模型

从流体扩散能量叠加原理出发,建立了裂隙岩体介质的渗流张量解析表达式。综合应用断裂力学与损伤理论,探讨了复杂应力状态下裂隙岩体的本构关系以及压剪裂纹的起裂准则,建立了裂隙岩体在压剪、拉剪应力状态下损伤演化方程,提出了渗透张量随裂隙损伤发展的关系以及裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合模型。     

利用岩石三轴抗压强度优选PDC钻头

岩石三轴抗压强度是表征地层抗钻性质的重要参数之一，是PDC钻头优选的基础和主要依据。利用测井资料获取地层岩石三轴抗压强度并进行聚类分层处理，建立了PDC钻头切削结构参数与岩石三轴抗压强度之间的定量关系，提出了基于岩石三轴抗压强度的PDC钻头优选方法。通过实例计算得出了311．2mm PDC钻头切削结构参数设计结果。该方法可为现场PDC钻头优选提供必要的理论依据，具有一定的实用性。     

利用岩石三轴抗压强度优选PDC钻头

岩石三轴抗压强度是表征地层抗钻性质的重要参数之一,是PDC钻头优选的基础和主要依据。利用测井资料获取地层岩石三轴抗压强度并进行聚类分层处理,建立了PDC钻头切削结构参数与岩石三轴抗压强度之间的定量关系,提出了基于岩石三轴抗压强度的PDC钻头优选方法。通过实例计算得出了311.2 mm PDC钻头切削结构参数设计结果。该方法可为现场PDC钻头优选提供必要的理论依据,具有一定的实用性。     

等效连续裂隙岩体渗流与应力全耦合分析

推导了等效连续裂隙岩体渗透性与应力变形的关系,根据应变等效原则推导了等效连续裂隙岩体的弹性矩阵,首次采用四自由度全耦合法,建立了等效连续裂隙岩体渗流与应力的全耦合有限元方程组,进行了等效连续裂隙岩体渗流与应力的全耦合分析。     

A mathematical model for solid liquid and mass transfer coupling and numerical simulation for hydraulic fracture in rock salt

Thehydraulicfracturingtechniqueiswidelyused intheoilengineering,naturalgasexploiting,under groundheatextractingandothermineralresources mining,etc.withwelldevelopedhydraulicfracture modelsforordinaryrocks[1—3].Inthefieldofsolu tionminingofsaltdeposit,thistechniqueisusedto producefracturealongtheplanelayerofthedeposit,thustoconnecttheinjectionandtargetwells[4,5].However,duetothespecialphysicalandmechanical characteristicsofrocksalt,executinghydraulicfrac tureinrocksaltdepositisdifferentfromtha…     

岩体渗流的一种改进数学模型

鉴于常规岩体渗流模拟数学模型存在拟真性差、水量交换项难确定、计算难度大、不能全面反映岩体渗流真实物理特性等不足,从离散-连续介质渗透机理出发,引入无厚度渗透突变单元,建立了改进的离散-连续介质耦合模型,提出了反映水头间断程度的连续系数概念,并通过不同地质条件下水头间断现象研究,分析了合理的连续系数取值规律.研究表明,改进模型能够真实反映岩体渗流中的水头间断现象,较容易地解决常规数学模型中水量交换难确定的问题.     

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。     

岩质边坡渗流场中等效连续介质模型的应用

在运用等效连续介质模型分析了裂隙岩体诊流场时，综合考虑并比较了单孔压水试验和节理裂隙统计取得的渗透系数，获得了能较好反映原位地质环境的修正渗透张量．将这种确定渗透张量的方法应用于某铁矿边坡工程渗流场分析中，取得了较好的结果．