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1.
《岩土力学》2016,(1):219-228
岩体裂隙粗糙度和流体惯性效应是影响岩体裂隙网络等效渗透性的重要因素。首先回顾了单裂隙中裂隙粗糙度和流体惯性效应对其过流能力的影响;然后基于逆Broyden秩1拟牛顿迭代法求解控制裂隙内流体流动的非线性方程组,研究岩体裂隙粗糙度和流体惯性效应对离散裂隙网络(DFN)等效渗透性的影响;最后,基于两种不同边界条件,对离散裂隙网络模型内流体的流动特性进行了探讨。结果表明,当水力梯度较小(0.5)时,裂隙粗糙度和流体惯性效应对离散裂隙网络渗透性的影响很小;当水力梯度较大(0.5)时,裂隙粗糙度和流体惯性效应对离散裂隙网络渗透性的影响随水力梯度的变化而显著变化;在两种边界条件下,当水力梯度在0.1~10.0之间时,裂隙粗糙度和流体惯性效应对离散裂隙网络过流能力的最大影响分别为18.1%和27.5%。所以,当水力梯度较大时,需要在离散裂隙网络模型的渗流计算中考虑裂隙粗糙度和流体惯性效应的影响。 相似文献
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基于离散裂隙网络模型的裂隙水渗流计算 总被引：1，自引：1，他引：0
离散裂隙网络模型(Discrete Fracture Network（DFN）)是研究裂隙水渗流最为有效的手段之一。文章根据裂隙几何参数和水力参数的统计分布,利用Monte Carlo随机模拟技术生成二维裂隙网络,基于图论无向图的邻接矩阵判断裂隙网络的连通,利用递归算法提取出裂隙网络的主干网或优势流路径。基于立方定律和渗流连续性方程,利用数值解析法建立了二维裂隙网络渗流模型,分析不同边界条件下裂隙网络中的流体流动。结果表明,该方法可以模拟区域宏观水力梯度和边界条件下,裂隙网络水力梯度方向总的流量,以及节点的水位、节点间的流量和流动方向的变化特征,为区域岩溶裂隙水渗流计算提供了一种实用、可行的方法。 相似文献
3.
离散裂隙渗流方法与裂隙化渗透介质建模 总被引：4，自引：1，他引：4
流体渗流模拟的连续介质方法通常适用于多孔地质体，并不一定适用于裂隙岩体，由于裂隙分布及其特征与孔隙差异较大。若流体渗流主要受裂隙的控制，对于一定尺寸的裂隙岩体，多孔介质假设则较难刻划裂隙岩体的渗流特征。离散裂隙渗流方法不但可直接用于模拟裂隙岩体非均质性和各向异性等渗流特征，而且可用其确定所研究的裂隙岩体典型单元体及其水力传导（渗透）张量大小。主要讨论了以下问题：（1）饱和裂隙介质中一般的离散流体渗流模拟；（2）裂隙岩体中的REV（典型单元体）及其水力传导（渗透）张量的确定；（3）利用离散裂隙网络流体渗流模型研究裂隙方向几何参数对水力传导系数和REV的影响；（4）在二维和三维离散裂隙流体渗流模型中对区域大裂隙和局部小裂隙的处理方法。调查结果显示离散裂隙流体渗流数学模型可用来评价不同尺度上的裂隙岩体的水力特征，以及裂隙方向对裂隙化岩体的水力特征有着不可忽视的影响。同时，局部小裂隙、区域大裂隙应当区别对待，以便据其所起的作用及水力特征，建立裂隙化岩体相应的流体渗流模型。 相似文献
4.
裂隙岩体渗透系数确定方法综述 总被引：4，自引：2，他引：4
总结了近年来裂隙岩体渗透系数的确定方法,主要有现场水力试验法、裂隙测量法和离散裂隙网络渗流数值试验法。每种方法都有自己的适用性和测量尺度。裂隙岩体渗透系数存在尺度效应,针对不同尺度的研究对象,应尽量选取与渗流模型网格剖分尺度匹配的测量方法。裂隙的延伸具有方向性,测试点的布设应合理科学,不同测量方法需要结合起来才能得到裂隙岩体真实的渗透系数。 相似文献
5.
裂隙岩体渗透系数确定方法研究 总被引：3，自引：0，他引：3
裂隙岩体渗透系数以及渗透主方向的确定对研究岩体渗透性大小及各向异性具有重要意义。高放废物地质处置库介质岩体的渗透性能将直接影响其使用安全性。本文运用离散裂隙网络模拟的方法对我国高放废物处置库甘肃北山预选区3#钻孔附近裂隙岩体进行了渗透性质分析。通过对3#钻孔171.5~178.0m段压水试验数据的反演,标定了离散裂隙网络渗流模型中的裂隙渗透参数(导水系数T)。利用标定的离散裂隙网络模型对场区裂隙岩体进行了渗流模拟,确定了该区域裂隙岩体的渗流表征单元体(REV)的尺寸大小以及渗透主值和主渗透方向。运用离散裂隙网络模型计算得出的渗透主值的几何均值与现场压水试验计算结果较接近,证明了计算结果的有效性。 相似文献
6.
基于人工交叉裂隙模型,通过室内透水试验,利用电荷耦合元件（CCD）照相机可视化技术,对流体在裂隙交叉点内的非线性流动特性进行研究。建立两种离散裂隙网络（DFN）模型,考虑两种边界条件,改变模型进口和出口之间的压力,直接求解Navier-Stokes（简称N-S）方程,对DFN的非线性渗流特性进行研究。结果表明,室内试验可以观测到与出口3相连的裂隙单元内发生了明显的非线性流动,且通过模型的流量Q和模型两端的压力P具有非线性关系。数值计算结果也表明,在水力梯度J较大时（比如J > 0.1）,通过DFN的Q和P具有非线性关系,而当J较小时（比如J < 10-4）,Q与P线性相关;根据文中的算例,建议利用局部立方定律求解DFN内每条裂隙的渗流特性的临界条件为J ≤10-4;裂隙表面粗糙会造成通过DFN渗流量的降低,但对相对流量误差的影响可忽略不计。 相似文献
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等效水力隙宽和水力梯度对岩体裂隙网络非线性渗流特性的影响 总被引：1，自引：0，他引：1
等效水力隙宽和水力梯度是影响岩体裂隙网络渗流特性的重要因素。制作裂隙网络试验模型,建立高精度渗流试验系统;求解纳维-斯托克斯方程,模拟流体在裂隙网络内的流动状态,研究等效水力隙宽和水力梯度对非线性渗流特性的影响。结果表明,当水力梯度较小时,等效渗透系数保持恒定的常数,流体流动属于达西流动区域,流量与压力具有线性关系,可采用立方定律计算流体流动;当水力梯度较大时,等效渗透系数随着水力梯度的增加而急剧减少,流体流动进入强惯性效应流动区域,流量与压力具有强烈的非线性关系,可采用Forchheimer方程计算流体流动。随着等效水力隙宽的增加,区别线性和非线性流动区域的临界水力梯度呈幂函数关系递减。当水力梯度小于临界水力梯度时,控制方程可选立方定律;当水力梯度大于临界水力梯度时,控制方程可选Forchheimer方程,其参数A和B可根据经验公式计算得到。其研究结果可为临界水力梯度的确定及流体流动控制方程的选取提供借鉴意义。 相似文献
8.
叙述软硬互层状岩体中的裂隙发育规律,并由此建立了互层状岩体渗流的离散裂隙网络模型.根据裂隙网络水均衡原理,介绍了裂隙岩体网络渗流数学模型以及模型的求解方法;通过一个数值算例验证了模型的合理性,并且讨论了软岩中的切层裂隙以及软岩层面裂隙开度对渗流场分布和通过软岩流量的影响. 相似文献
9.
《岩土力学》2017,(11):3332-3340
针对裂隙岩体的非饱和渗流问题,基于离散裂隙网络模型并结合非饱和Darcy定律、Richards方程、非饱和本构模型以及Signorini型饱和-非饱和互补溢出边界,提出了离散裂隙网络非饱和渗流问题的数学模型。采用有限单元法建立了裂隙网络非饱和渗流模型的数值求解格式和对应的迭代算法。通过与矩形坝稳定渗流、一维竖直裂隙非饱和入渗以及室内二维瞬态排水渗流的试验、数值及理论结果对比分析,验证了文中算法的有效性;根据流量等效原则,指出了裂隙网络模型应用于求解连续介质非饱和渗流问题的有效性。验证了该算法对于求解裂隙边坡降雨入渗问题的可靠性,揭示了降雨入渗过程裂隙网络流量分布的非均匀性及裂隙产状对降雨入渗流动具有重要的控制作用。 相似文献
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渗透系数的各向异性对裂隙水渗流潜水面的影响 总被引：1，自引：0，他引：1
天然岩体是多相的不连续介质，在其中分布有大量的节理裂隙，这些裂隙的渗透能力要比岩石高几个数量级，构成了地下水流的主要通道，并控制着地下水渗流的运动规律．由于裂隙分布的方向性，导致裂隙岩体的渗流具有明显的各向异性．本文便在规则裂隙岩体模型的基础上，改变每组裂隙的渗透系数，利用有限元计算出裂隙水渗流的潜水面，分析了裂隙岩体渗透系数的各向异性对裂隙水渗流潜水面的影响． 相似文献
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Based on a simulation of three-dimensional fracture networks and a superposition principle of liquid dissipation energy for fractured rock masses, a model of the fracture permeability tensor is proposed. An elastic constitutive model of rock fractures, considering fracture closure and dilation during shearing, is also proposed, based on the dilation angle of the fracture. Algorithms of flow-path searching and calculation of the effective flow coefficients for fracture networks are presented, together with a discussion on the influence of geometric parameters of the fractures (trace length, spacing, aperture, orientation and the number of fracture sets) on magnitude, anisotropy of hydraulic permeability and the size of a representative elementary volume (REV). The anisotropy of hydraulic permeability of fractured rock masses is mainly affected by orientation and the number of fracture sets, and the REV size is mainly influenced by trace length, spacing and the number of fracture sets. The results of studies on REV size and the influence of in-situ stress on hydraulic conductivity of the rock mass on the slope of Jinping-I hydropower station, China, are presented using the developed models and methods. The simulation results agreed well with the results obtained from field water-pressure measurements, with an error of less than 10 %. 相似文献
12.
基于三维裂隙网络的裂隙岩体表征单元体研究 总被引：1，自引：0，他引：1
岩体表征单元体（REV）的研究一直是岩土工程中的重要问题。裂隙岩体REV是其内部复杂结构在尺寸效应上的体现,归因于岩体内裂隙系统的随机性。在三维网络模型的基础上通过计算体积节理数建立了确定岩体REV的方法。这种方法考虑了岩体内裂隙的三维空间密度的特征,采用体积节理数这一参数的收敛状况确定岩体REV的大小。建立了实际岩体的模拟裂隙系统,用一定大小的立方体来分割裂隙系统,统计不同立方体内的体积节理数,并将均值作为最终裂隙岩体的参数。将此参数作为裂隙岩体的属性,通过判别其收敛状况获得了岩体REV的尺寸。考虑了岩体不连续面的特征,建立了REV的分析模型,得出工程岩体的REV的尺寸是裂隙平均迹长的4倍的结论。 相似文献
13.
表征单元体（REV）是岩体力学中的一个基础性概念,其存在性是确定岩体等效参数和应用连续介质方法进行研究的前提条件。为综合反映裂隙大小、产状和密度对岩体REV的影响,本文提出采用岩体非均质系数HI来确定岩体的REV。首先,详细介绍了非均质系数的概念和含义。利用General Block软件建立了中等间距-中等延展性（MS1-MP1）裂隙的网络模型,并完成20次随机实现。从各模型中选取10个不同尺寸的岩体模型计算非均质系数,结果表明:非均质系数具有明显的尺寸效应,当岩体尺寸不小于8 m时,非均质系数的平均值和标准差分别为0.5和0.14,综合确定该岩体的REV为8 m。采用HI对三峡地下电站厂房围岩的研究表明,该岩体的REV为60 m,可作为非连续介质方法适用性的判断标准。HI是从岩体结构角度提出的新指标,适用于确定岩体的REV和统计范围,对岩体的统计分析和等效参数研究具有重要意义。 相似文献
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岩体裂隙中渗流场有限元随机模拟分析 总被引：2，自引：0，他引：2
采用有限元方法数值,模拟了开度随机分布裂隙中的渗流场问题。根据给定的裂隙开度均值和标准差,随机分布生成有限元模型中的单元裂隙开度,模型中的材料参数和单元属性用ANSYS中的APDL参数化语言赋值。根据有限元随机模拟断面的流量分布和稳态渗流问题的达西定律,计算在不同裂隙开度标准差条件下的等效导水系数,研究等效导水系数与裂隙粗糙度之间的关系。数值模拟结果表明,与光滑平直的裂隙相对比,在裂隙平均开度为常数、开度随机正态分布的条件下,表面粗糙裂隙的等效导水系数略有降低;对于裂隙平均开度为0.5 mm的裂隙模型,裂隙开度标准差从0.01 mm变化到 0.2 mm,其等效导水系数变化小于5 %。传统的渗流控制方程无法精确描述地下水在粗糙裂隙中的流动特征,因为在压力水头的定义中忽略了速度项。 相似文献
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Fracture networks play a more significant role in conducting fluid flow and solute transport in fractured rock masses, comparing with that of the rock matrix. Accurate estimation of the permeability of fracture networks would help researchers and engineers better assess the performance of projects associated with fluid flow in fractured rock masses. This study provides a review of previous works that have focused on the estimation of equivalent permeability of two-dimensional (2-D) discrete fracture networks (DFNs) considering the influences of geometric properties of fractured rock masses. Mathematical expressions for the effects of nine important parameters that significantly impact on the equivalent permeability of DFNs are summarized, including (1) fracture-length distribution, (2) aperture distribution, (3) fracture surface roughness, (4) fracture dead-end, (5) number of intersections, (6) hydraulic gradient, (7) boundary stress, (8) anisotropy, and (9) scale. Recent developments of 3-D fracture networks are briefly reviewed to underline the importance of utilizing 3-D models in future research. 相似文献
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A numerical procedure to determine the equivalent permeability tensor of a fractured rock is presented, using a stochastic REV (Representative Elementary Volume) concept that uses multiple realizations of stochastic DFN (Discrete Fracture Network) models. Ten square DFN models are generated using the Monte Carlo simulations of the fracture system based on the data obtained from a site characterization program at Sellafield, Cumbria, UK. Smaller models with varying sizes of from 0.25 m×0.25 m to 10 m×10 m are extracted from the generated DFN models and are used as two-dimensional geometrical models for calculation of equivalent permeability tensor. The DFN models are also rotated in 30º intervals to evaluate the tensor characteristics of calculated directional permeability. Results show that the variance of the calculated permeability values decreases significantly as the side lengths of the DFN models increase, which justifies the existence of a REV. The REV side length found in this analysis is about 5 m and 8 m with 20% and 10% acceptable variations, respectively. The calculated directional permeability values at the REV size have tensor characteristic that is confirmed by a close approximation of an ellipse in a polar plot of the reciprocal of square roots of the directional permeability.
相似文献
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节理岩体几何结构非常复杂,研究其渗流特性对于指导含水岩层稳定性分析具有重要价值。应用离散裂隙网络模型DFN方法,基于VC++6.0软件平台,建立了平面渗流分析方法,分析了节理岩体不同几何分布情况下的渗透率张量特征,通过定义渗流定向性系数对岩体渗流的定向性特征进行了定量分析。结果表明：单组节理岩体渗流具有明显的各向异性特征,渗流定向性随着节理角度变化显著;节理随着节理贯通性增加,节理渗透率呈现对数增加趋势;两组节理情况下,各向异性特征随着节理组间夹角变化;两组节理岩体渗流特征研究中,正交分布下,岩体仍存在各向异性,但渗流定向性系数较低;当节理倾角服从正态分布时,随着节理倾角标准差增大,渗透率增加;两组节理夹角不同时,节理渗透主方向倾角随着夹角增大而相应增大,基本沿两组节理夹角方向的角平分线方向。 相似文献
18.
表征单元体(REV) 的存在是应用连续介质力学方法对岩体进行研究的前提,REV可以从岩体块体化程度的角度进行研究,裂隙大小及其统计分布是影响岩体块体化程度REV的重要因素。本文利用课题组自主研发的GeneralBlock 软件,建立更一般化实际化的模型,研究裂隙延展性统计分布的离散程度对岩体块体化程度REV的影响。分析时选取了最常用的裂隙延展性统计分布形式:正态分布。由于所建立的岩体结构模型是随机的,需要对每个随机裂隙模型进行多次实现。为节省计算量,当研究范围比较小时,对每种结构的每个研究范围进行9次随机实现。当研究范围足够大,达到REV大小的时候进行100次随机实现。为确定离散程度对表征单元体的影响,本文针对5个不同标准差进行了模拟分析（共建立了1 005个裂隙模型,分别进行了块体识别并计算其块体化程度B）。结果表明,裂隙延展性服从正态分布的情况下,如果其平均值一定,岩体的块体化程度随着统计分布离散程度的增加略有上升,裂隙岩体的REV值基本上由裂隙延展性统计平均值决定。 相似文献
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Fracture data available for one of the rock masses (limestone) in the dam site of Yujian River Reservoir were used to build and validate a stochastic 3-D fracture network model, and to perform a REV and equivalent continuum study in 3-D. A number of relations are developed in the paper between the rock mass mechanical parameters and fracture tensor components in 3-D. Based on the mechanical parameter values obtained in every 45° direction in 3-D, the principal parameter values, principal directions and tensors are developed for rock mass mechanical parameters to represent the REV block size properties. An incrementally linear elastic, orthotropic constitutive model is suggested to represent the equivalent continuum pre-failure mechanical behavior of the jointed rock mass by incorporating the effect of joint geometry network by the fracture tensor components. 相似文献
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Field studies of fracture systems associated with 58 normal fault zones crosscutting sedimentary rocks were performed in the Northwest German Basin. Fracture orientations, densities, apertures and lengths, as well as fault zone structural indices, were analysed separately for fault damage zones and host rocks. The results show a pronounced difference between carbonate and clastic rocks: mainly in carbonate rocks we found presence of clear damage zones, characterized by higher fracture densities than in the host rocks. While the maximum aperture is similar for both units, the percentage of fractures with large apertures is much higher in the damage zones than in the host rocks.Based on laboratory measurements of Young's moduli and field measurements of fracture densities, we calculate effective stiffnesses Ee, that is the Young's moduli of the in situ rock masses, within the normal fault zones. Compared with carbonate rocks, Ee computed for clastic-rock damage zones decreases significantly less due to lower fracture densities. We conclude that normal fault zones in carbonate rocks have more profound effects on enhancing permeability in fluid reservoirs than those in clastic rocks. The results are of great importance for modelling the hydromechanical behaviour of normal fault zones in subsurface fluid reservoirs. 相似文献