不同JRC粗糙单裂隙的渗流机理数值模拟研究

岩体裂隙的渗流理论具有广泛的应用价值,其中裂隙的表面粗糙和结构迂曲特征是影响渗流的重要因素.因此,在构建的粗糙单裂隙模型基础上开展了关于裂隙粗糙特性和迂曲特性对渗流影响的机理性研究.自行编写了基于格子Boltzmann方法用于模拟裂隙内流动的计算程序并进行了验证.利用该程序对具有不同JRC值和开度的单裂隙进行数值模拟.将模拟结果与考虑迂曲度修正的渗流立方定律(LCL)结果比较,发现迂曲修正的立方定律预测流量具有一定偏差.分析认为在粗糙单裂隙中,迂曲和粗糙两种因素同时对渗流作用,并且相互耦合,随着裂隙开度不同而相互转化,因此需要同时考虑迂曲和粗糙作用,使用两者对单裂隙渗流立方定律修正.结果认为含迂曲和粗糙双重作用的模型在预测粗糙单裂隙渗流特征时能获得相对更准确的结果,具有一定的工程应用价值.     

岩体裂隙网络渗流特性分析

岩体裂隙网络的渗流问题是水电工程设计及施工的难点,由于裂隙网络结构复杂,且裂隙节点间连接方式各异,目前对裂隙连接节点间水流特性的认识尚有不足.基于平行板立方定律,将裂隙渗流问题与模拟电路问题相类比,建立了等效过量压降损耗阻模型.针对串并联连接裂隙,结合所提出的模型,考虑支路次要裂隙对串并联裂隙整体渗流特性的影响,优化了串并联连接裂隙隙宽突变处过量水压损失分析方法.与多裂隙复合连接物理模型试验数据进行了对比,对比结果吻合度良好;定义雷诺数分配系数α,并分析了其在裂隙网络渗流过程中的作用.结合一个基于等效过量压降损耗阻模型的算例,考察了六棱柱柱状节理试样的渗透特性.     

岩体粗糙裂隙渗流研究

渗流线性立方定律是建立在单直平滑裂隙基础上的,而工程中裂隙多是粗糙的,很多裂隙渗流不满足线性立方定律。针对这一问题,根据裂隙分布统计特征生成粗糙裂隙,推导了不同渗流本构关系下的单宽流量公式、裂隙等分段结点水头公式和等效隙宽公式。对比分析光滑、粗糙裂隙的渗流规律得出如下结论:①实际工程中的裂隙往往是不平滑的,统计裂隙开度分布规律、研究裂隙开度的模拟是非常有必要的;②粗糙裂隙非立方、非线性型渗流的基本规律与光滑平直裂隙非立方、非线性型渗流的基本规律存在明显不同;③相等平均隙宽条件下的粗糙裂隙比光滑裂隙的过流能力小得多。     

粗糙裂隙渗流及其受应力作用的计算机模拟

基于裂隙微小单元内立方定律成立的假定和有限元法，建立了粗糙裂隙渗流及其受应力作用的计算机模拟技术，通过数值模拟的手段，进行任意粗糙裂隙等效水力隙宽的确定，并考察应力作用对裂隙面渗流的影响，通过算例分析，研究了有接触面积的粗糙裂隙和张开裂隙的等效水力隙宽的表征方法。     

岩体裂隙中宾汉姆流体渗流模型

为研究粗糙单裂隙中宾汉姆流体的渗流规律，提出了描述岩体裂隙中宾汉姆流体黏性和黏惯性流动的渗流模型，并采用数值模拟和室内试验结果对模型进行了验证.在粗糙裂隙中，开展了不同流变参数的宾汉姆流体在大范围压力梯度下的渗流模拟，结合修正的Forchheimer方程分析了宾汉姆流体在不同裂隙几何参数及流变参数下的非达西系数β、临界雷诺数Re_○c、非达西效应因子E等变化特性.结果表明:由宾汉姆流体本构方程推导出的黏性模型能更好地描述黏性渗流.修正的Forchheimer方程能更好地描述宾汉姆流体在粗糙裂隙中的黏惯性渗流特征.粗糙度及流变参数会对渗流特性产生显著影响:裂隙粗糙度越大，浆液屈服应力越大;浆液塑性黏度越大，惯性作用越强.     

粗糙元对单裂隙渗流影响的格子Boltzmann方法模拟及分析

岩体单裂隙中的粗糙结构会对流体流动性能产生一定影响,但实际粗糙结构复杂无序,很难通过直接研究认识到其作用机理.本文在单裂隙中构造了参数化的人工粗糙元,并基于格子Boltzmann方法自行编写了程序,对单裂隙中不同间距、高度和数量的粗糙元作用下的渗流场进行数值模拟,定性分析了速度场、压强场、角速度场的变化规律;在定性分析的基础上提出了等效黏度的宏观描述方式,定量分析了粗糙元对等效黏度的影响.结果表明渗流场中粗糙元的存在造成了一系列涡旋,增大了等效黏度;涡旋本身具有局域性但作用的范围很大;在低速渗流条件下这些粗糙元附近的涡旋互不影响,可以划分成若干个相互独立的含涡区,这种划分对于理解涡旋对等效黏度的影响有很大帮助.     

块体单元法中地下水荷载分析的一种方法

基于非线性块体单元法和裂隙渗流的立方定律，建立了裂隙岩体变形和渗流的耦合分析模型，该模型反映了裂隙岩体的不连续变形和裂隙渗流的规律，分析了裂隙岩体和渗流相互作用，较为实际地考虑了地下水荷载的作用.     

基于格子玻尔兹曼方法的自仿射粗糙裂隙渗流模拟

基于格子玻尔兹曼方法模拟研究了自仿射粗糙裂隙的渗流特征.通过连续随机叠加技术,生成了不同粗糙指数的自仿射粗糙裂隙.为验证格子玻尔兹曼方法,将格子玻尔兹曼结果与泊肃叶流解析解对比.通过格子玻尔兹曼方法与自仿射粗糙裂隙技术的结合,成功模拟了粗糙裂隙内部的流场分布,并分析了粗糙裂隙内部的渗流路径与水力等效隙宽的变化.结果表明,不均匀的隙宽分布对裂隙的流场分布影响较大;尽管两组裂隙内部的Re一致,但其最大流速有一定差异.     

裂隙岩体核素迁移的稳态时间模型

将裂隙岩体渗流视为裂隙网络流 ,核素仅在岩体裂隙网络流中迁移 ;核素在迁移过程中同时存在吸附和解吸作用 .基于图论和单一裂隙渗流的立方定律 ,建立了裂隙岩体裂隙网络渗流模型 ;在此基础上 ,考虑核素在裂隙网络流中迁移时既被裂隙表面吸附同时又发生解吸 ,建立了裂隙岩体核素迁移的二维稳态平衡和非平衡时间模型     

基于流固耦合的充水采空区渗流模型

为研究潜水面升降对充水采空区渗透系数的影响,根据立方定律推导以应变为参数的3个渗透主方向上的等效渗透系数,通过FISH函数完善FLAC^3D的非饱和渗流计算功能,基于FLAC^3D的流固耦合计算模式,对采动岩体的等效连续介质流固耦合模型非饱和单元进行修正,实现充水采空区渗流场与应力场的模拟计算.通过主渗透系数比与1差值的绝对值反映渗流场对应力场的影响程度,对比模型修正前后矿柱中部单元的计算结果可知：该值随潜水面升高而增大;模型修正前渗流场对应力场的影响大于修正后;模型修正后最大和最小主应变的变化曲线在饱和度为1后出现拐点.因修正前渗流模型参数与饱和渗流参数相同,由此可验证修正后的模型更符合非饱和渗流理论.最后通过与实际工况中地下水渗流量的数据对比,验证了修正后的模型更符合实际.     

多孔介质曲折度对膨润土衬垫渗透性能的影响

膨润土的颗粒膨胀所引起的孔隙率及流径曲折度的改变是影响膨润土衬垫(Geo?synthetic Clay Liner,GCL)防渗性能的关键.通过COMSOL建立模拟膨润土中渗流的数值模型,研究了膨润土颗粒膨胀过程对GCL防渗性能的影响.COMSOL模型研究结果表明,流体通过膨润土粒间孔隙时,边界通道的最大速度明显小于非边界通道速度,这与泊肃叶公式的基本结论一致,初步验证了模型的准确性.同时,微观粒子速度分布规律与宏观流体场的速度分布规律基本一致,因此可以从微观的角度研究GCL的宏观渗透规律.利用COMSOL中的粒子轨迹监测方法,分析了颗粒膨胀对膨润土孔隙率和流径曲折度的影响.研究结果表明,流径的曲折度随孔隙率的增加而减小,且呈指数函数关系.基于GCL试样的多孔介质毛管模型和修正泊肃叶公式,考虑GCL孔隙率与流径曲折度之间的指数函数关系,提出了能综合反映孔隙率与流径曲折度影响的GCL渗透系数理论预测模型,并将理论预测结果与已有文献试验数据进行了对比,两者的比值介于1/5～5,验证了模型的准确性.     

介质间流体交换对裂隙介质渗流的影响

建立光滑可渗透平行板单裂隙新模型,以此为基础分析介质间流体交换对基质岩块渗透性和单裂隙导流能力的影响,推导出两者的等效渗透率修正公式,并对不同裂隙开度和间距下的裂隙介质渗透性进行分析,研究介质间流体交换对裂隙介质渗流的影响.结果表明,当裂隙开度大于250μm或裂隙间距大于1.36 cm时,可忽略介质间流体交换对裂隙介质渗流的影响.     

粗糙多孔保温层的热质耦合传递分形研究

粗糙多孔保温层内部的热质耦合传递过程广泛存在于能源利用、机械隔热等工程中，为了更加真实地体现该热质耦合传递过程，将粗糙的孔隙通道描述为短周期正弦变化的毛细管道，根据达西定律、能量守恒定律和牛顿冷却定律，同时考虑粗糙度和粗糙密集度两个影响因素，提出了粗糙毛细管道的渗流系数和对流换热系数模型，分析了粗糙表面对渗流系数和对流换热系数的影响。结果表明，渗流系数模型的理论预测值与实验数据相吻合；渗流系数与面积分形维数、粗糙密集度呈正相关，与迂曲分形维数、粗糙度呈负相关；对流换热系数与渗流系数、粗糙度和粗糙密集度呈正相关，与面积分形维数、迂曲分形维数呈负相关。     

粗糙裂隙内涡旋结构演化特征及影响因素分析

为探究粗糙裂隙内细观流动结构演化过程及影响因素，用COMSOL Multiphysics可视化了不同条件下粗糙裂隙渗流场中的流动结构.基于响应面法建立多因素与涡旋结构面积的二阶多项式回归方程，并进行了方差分析和显著性检验，探讨多因素间交互作用对裂隙内涡旋结构的影响.结果表明：粗糙裂隙内细观流动结构演化过程包括涡旋结构发生、发展、破裂和稳定；回归模型的显著性和适应性良好，可以较为有效确定影响因素的重要程度；多因素交互作用对涡旋结构的影响程度中平均开度最大，速度次之，裂隙粗糙度最小.研究结果对揭示裂隙非线性渗流细观机理有重要意义.     

大坝基岩单裂隙灌浆流固耦合模拟研究

单裂隙是构成裂隙网络的基本元素,对浆液在单裂隙中扩散规律的研究是研究浆液在裂隙网络中扩散的基础.目前灌浆数值模拟研究主要集中在特定参数的取值对数值模拟结果的影响以及数值模拟与模型试验结果的对比,且在考虑流固耦合作用对实际灌浆的影响时均采用二维模型.本文通过构建三维单裂隙特征模型,以对实际灌浆效果影响显著的灌浆压力、裂隙宽度和裂隙倾角等3个因素为研究对象,基于三维离散元方法进行了考虑流固耦合作用的单裂隙灌浆数值模拟参数的敏感性分析.研究结果表明:流固耦合作用对于数值模拟结果的影响随灌浆压力的增大而增大,随裂隙宽度的增大而减小,基本上不会随裂隙倾角的变化而改变.以上结论对于指导基岩裂隙灌浆具有一定的理论和现实意义.     

考虑裂隙-岩块间水交换的单裂隙非饱和渗流影响因素分析

为了研究考虑裂隙-岩块间水交换时单裂隙非饱和渗流的影响因素,应用分形几何法生成裂隙开度分布,根据毛细吸持理论和入侵准则形成充水域,基于水量平衡方程,建立了能考虑裂隙-岩块间拟稳态水交换的单裂隙非饱和渗流分析模型.进行了不同岩块孔隙率、不同岩块渗透系数及不同岩块初始饱和度情况下的单裂隙非饱和渗流数值模拟,以单裂隙非饱和渗透系数为评价指标,分析了各因素的影响程度.结果表明:岩块孔隙率对裂隙渗透性影响甚微;岩块渗透系数和岩块初始饱和度对裂隙渗透性存在较大影响,岩块渗透系数越大,裂隙-岩块间的水交换越剧烈,裂隙渗透性变化越明显,裂隙非饱和渗透系数随岩块初始饱和度的变化而变化.因此,在岩块渗透性较好或裂隙与岩块干湿差别明显的情况下,不能忽略裂隙-岩块间的水交换.     

单个粗糙裂隙中水流及溶质运移研究进展

文章回顾了有关单个粗糙裂隙中水流和溶质运移的理论、实验研究和数值模拟的成果,重点评述了对裂隙结构面粗糙度的分形特征、粗糙裂隙中描述水流的模型和溶质运移的弥散系数和穿透曲线,并对反映单个粗糙裂隙中水流特征的“局部立方定理“适用条件和溶质运移所呈现的“非费克”运移机理作了初步分析,在此基础上探讨了今后的研究趋势。     

基于免疫进化规划算法的边坡岩体渗流数值模拟

根据渗流达西定律和Burkley-Leverret方程建立了边坡饱和-非饱和渗流的数学模型,基于免疫进化规划算法,对龙滩电站蠕变体典型剖面进行了渗流参数反演,以此为基础,对边坡渗流规律进行了数值模拟.模拟结果表明,裂隙和坡角是渗透载荷比较大的部位,容易发生失稳破坏.     

裂隙膨胀土渗流中裂隙模型建立方法

考虑裂隙对膨胀土渗透性的影响建立膨胀土裂隙模型,对于研究因降雨而形成的浅层滑坡灾害具有十分重要的意义。裂隙模型既要考虑符合现实情况也要考虑实施的可能性,为此提出一种结合现场裂隙图片、土体含水率和室内实验成果建立裂隙模型的方法。这种方法从达西定律出发建立了裂隙介质渗流的数学模型,基于裂隙膨胀土降雨实验对裂隙膨胀土降雨入渗过程进行简化,最后根据室内脱湿实验数据结果进行数值曲线拟合建立裂隙模型。将模型应用于Geostudio软件中,发现降雨入渗在裂隙膨胀土中的深度远大于无裂隙的情况,裂隙的存在对渗流场的影响主要表现为增大土体入渗边界,扩大降雨入渗的范围以及提高土体地表的入渗率。     

交叉裂隙高速非达西偏流效应研究

目前针对交叉裂隙偏流现象的研究只局限于达西情况下,而实际工程中地下水渗流常常出现高速非达西现象。本文基于已有研究的基础,利用 Fluent 软件分别对不同隙宽比和不同粗糙度的交叉裂隙中的渗流进行数值模拟,以研究交叉裂隙在高流速下的非达西偏流效应特性。通过设置变量裂隙和参照裂隙,探讨两条支裂隙隙宽比以及节理粗糙度系数 JRC 对达西与非达西情况下偏流量的影响。同时对比了不同隙宽、不同粗糙度的单裂隙的渗流量与交叉裂隙分支裂隙的渗流量。结果表明相比于单裂隙,高流速下交叉裂隙各支裂隙的惯性项系数β减小,这种现象在宽裂隙及粗糙度较小的裂隙中尤为明显。并且在高速非达西条件下,交叉裂隙中的偏流现象更为显著。