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岩石单结构面剪切变形渗透性演化规律

河北科技大学学报 2024年第2期45卷 207-216页

作者：常江姜克儒马海春于智敏国网安徽省电力有限公司经济技术研究院安徽合肥230061 合肥工业大学资源与环境工程学院安徽合肥230009 合肥工业大学水力压裂和油气运移研究中心安徽合肥230009

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... 详细信息

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。

关键词：渗流力学单结构面剪切变形数值模拟渗透率 forchheimer公式

峰后破裂岩石加、卸载围压过程渗流特性的试验

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煤炭学报 2019年第11期44卷 3379-3387页

作者：夏祖昊张小波姚池陈辉辉杨建华姜清辉周创兵南昌大学建筑工程学院

针对岩石裂隙面因加、卸载围压环境而引起渗流特性的改变,采用自行研制的温度-应力-渗流多场耦合岩石三轴试验系统,开展峰后破裂岩石加、卸载围压过程的渗流试验,研究峰后岩石裂隙在不同围压加、卸载路径下的非线性渗流特征。为了量化... 详细信息

针对岩石裂隙面因加、卸载围压环境而引起渗流特性的改变,采用自行研制的温度-应力-渗流多场耦合岩石三轴试验系统,开展峰后破裂岩石加、卸载围压过程的渗流试验,研究峰后岩石裂隙在不同围压加、卸载路径下的非线性渗流特征。为了量化裂隙岩石非线性渗流过程,采用forchheimer公式对水力梯度与渗流流量之间的关系进行拟合分析,将峰后破裂岩石渗流过程划分为线性Darcy流阶段与非线性Darcy流阶段,引入非线性影响因子E,作为区分达西流与非达西流的临界点。对比加、卸载围压过程中相同渗透压力下的裂隙渗流流量与裂隙渗透性,分析产生渗流差异性的发生机制。研究表明:峰后破裂岩石在围压的加载过程中,其渗流主要表现为非线性特征,裂隙的渗透性随围压增大而逐渐减小。在高围压作用下,虽然裂隙面会产生一定程度的压缩闭合,但存在的少量张拉裂隙会逐渐扩展和连通,可能会引起峰后破裂岩石的渗透性发生改变。当围压从较高水平卸荷后,且裂隙面渗透压力处于较低水平下时,裂隙渗透性没有增加反而减小,表明裂隙面在加、卸载围压和过流冲刷的共同影响下发生了不可逆的变形,导致裂隙面开度的逐步降低。当围压卸载到与加载过程同一水平时,各级渗透压力下的渗流流量均大幅下降,表明裂隙面的渗流能力的恢复存在明显的滞后效应。

关键词：峰后破裂岩石加卸载围压应力路径 forchheimer公式渗透性非线性渗流

不同围压下破碎花岗岩非线性渗流特性试验研究

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岩土力学 2017年第S1期38卷 140-150页

作者：李文亮周佳庆贺香兰陈益峰周创兵南昌大学建筑工程学院江西南昌330031 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072

随着我国高坝枢纽工程和高水头抽水蓄能电站的大规模兴建,高坝岩基和高压引水系统围岩将承受极高的渗透水压和水力坡降,不仅导致岩体渗流产生强烈的非线性,而且导致岩体发生渗漏、突透水和渗透破坏的风险急剧增大。采用Triaxial Cell三... 详细信息

随着我国高坝枢纽工程和高水头抽水蓄能电站的大规模兴建,高坝岩基和高压引水系统围岩将承受极高的渗透水压和水力坡降,不仅导致岩体渗流产生强烈的非线性,而且导致岩体发生渗漏、突透水和渗透破坏的风险急剧增大。采用Triaxial Cell三轴试验系统,开展不同围压(1~30 MPa)下阳江破碎花岗岩的非线性渗流试验,研究高水力梯度条件下破碎花岗岩的非线性渗流特性及其表征方法。试验结果表明,随着水力梯度的逐步增大,破碎花岗岩中的水力梯度与渗流流量呈非线性特征;在围压加载过程中破碎花岗岩的非线性渗流特征逐渐减弱。结合花岗岩的破碎形态和渗透率量级,提出了破碎花岗岩非线性渗流3种可能的成因机制即惯性效应、渗透失稳和固液界面效应。在该基础上分别采用二次函数型forchheimer公式和幂函数型Izbash公式对试验结果进行拟合,结果表明二者均能很好地表征破碎花岗岩的非线性渗流行为。forchheimer公式非线性系数既能够表征渗流的惯性效应,又能表征渗透失稳机制,其在量值上随着围压的增大呈现正负交替现象,与围压加载过程中破碎花岗岩裂纹的闭合和扩展密切相关;Izbash公式非线性系数则既能够表征渗流的惯性效应,又能表征低渗介质非线性渗流的固液界面效应,其在量值上与围压存在相关性很好的幂函数关系。研究成果对于深化高渗压、大水力梯度条件下断层破碎带和挤压带非线性渗流规律研究具有重要意义。

关键词：破碎花岗岩高渗压非线性渗流 forchheimer公式 Izbash公式

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砂粒尺寸对抽水井压力水头的影响分析

广西大学学报（自然科学版） 2013年第4期38卷 1009-1013页

作者：梁冰董擎姜利国辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000

为了分析抽水井井底处不同粒径介质对抽水井周围水头高度的影响，基于forchheimer公式进行计算，并将数值计算的结果与所开展的相似模拟试验结果进行对比。结果表明：forchheimer公式中表征非Darcy流的系数口主要受抽水井井底附近区域... 详细信息

为了分析抽水井井底处不同粒径介质对抽水井周围水头高度的影响，基于forchheimer公式进行计算，并将数值计算的结果与所开展的相似模拟试验结果进行对比。结果表明：forchheimer公式中表征非Darcy流的系数口主要受抽水井井底附近区域中砂粒尺寸的影响。由理论计算可得，4种不同直径（1．65—2．36mm、0．83～1．65mm、0．35-0．83mm、0．25～0．35mm）的砂粒在距井轴水平距离1m处，压力水头的高度分别为36．02、34．95、33．94、29．84m；由试验结果可得，在井底介质同取以上4组不同直径的砂粒时，0．1m处测压管中水位的高度分别是0．450、0．439、0．424、0．413m。随着砂粒直径的减小，压力水头高度也依次减小，离井底越近处，抽水井周围水流的非线性流动现象越明显。该结论对分析不同介质环境下抽水井周围水流的非线性渗流规律具有重要意义。

关键词：砂粒尺寸非Darcy流 forchheimer公式压力水头

单裂隙非线性渗流数值模拟与表征方程参数研究

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单裂隙非线性渗流数值模拟与表征方程参数研究

作者：张瑶西安理工大学

学位级别：硕士

地下岩体由于地质构造运动或者外界扰动,往往会在其内部形成许多纵横交错的裂隙结构面。裂隙作为岩体渗流的主要通道,对其渗透特性的研究受到包括水利工程在内的多个领域关注。一方面关注于裂隙本身的渗透特性,另一方面关注于裂隙渗流... 详细信息

地下岩体由于地质构造运动或者外界扰动,往往会在其内部形成许多纵横交错的裂隙结构面。裂隙作为岩体渗流的主要通道,对其渗透特性的研究受到包括水利工程在内的多个领域关注。一方面关注于裂隙本身的渗透特性,另一方面关注于裂隙渗流对岩体稳定性的影响。长久以来,裂隙中的渗流规律研究都是基于立方定律。然而由于裂隙本身几何结构以及裂隙赋存环境的影响,线性的立方定律可能失效,流量与水力梯度之间呈现出非线性关系。如果继续运用立方定律去表征裂隙的渗透特性,可能会导致严重的预测误差,进而增加工程事故发生的风险。因此,需要对裂隙的非线性渗流特性进行深入研究。本文通过数值模拟和理论分析两种方法,对粗糙单裂隙的非线性渗流特性开展了系统研究。主要的研究内容和结论如下:(1)综述分析了影响裂隙渗流的主要表面特征和内部几何特征,指出选用粗糙度参数应该考虑采样间隔和粗糙度大小的影响。许多参数适用于研究裂隙的力学行为,但在研究水力特性中运用则会受到一定限制。不同尺度的粗糙度对裂隙渗流产生不同程度的影响,使用单一的几何参数会简化粗糙度多尺度特征的作用,特别是对于裂隙非线性渗流特性的研究。(2)通过Weierstrass-Mandelbrot分形函数构建具有不同几何特征的二维和三维裂隙,综合研究了剪切效应、隙宽、粗糙度和水力梯度对非线性渗流的影响。粗糙裂隙的非线性渗流增强伴随着涡流的形成和演变,而非线性表征公式—forchheimer公式和Izbash公式的系数也相应增加。对于高雷诺数条件下的非线性渗流,内部几何结构和涡流都会对其产生影响。对于节理粗糙度系数小于18的裂隙,不同剪切位移和水力梯度条件下隙宽比和雷诺数的变化遵循统一的幂函数关系。但是粗糙度的进一步增加导致内部流场产生很强的易变性,该统一关系将不再成立。(3)通过数学推导建立了 forchheimer公式和Izbash公式之间的联系,得出了 Izbash公式指数的具体表达式。结果发现Izbash公式指数是与流量有关的无量纲参数,依赖于裂隙的几何特征和所处的水力条件。进一步推导得出了改进型Izbash公式。该公式形式简单,能够描述裂隙的非线性渗流行为。当流量和水力梯度为给定流量梯度曲线的最大值时,改进型Izbash公式的修正系数与Izbash公式指数的大小近似相等。结果成功揭示了立方定律、forchheimer公式、Izbash公式和改进型Izbash公式之间的联系。(4)借助forchheimer公式,确定了当forchheimer数等于0.11时,用Izbash公式或者改进型Izbash公式判断非线性渗流起始点的临界值,该临界值确定为1.1。该关系表明当改进型Izbash公式修正系数或者Izbash公式指数的大小超过1.1时,裂隙的非线性渗流不可以忽略。(5)运用改进型Izbash公式对现场的高压压水试验数据进行解析,建立了基于改进型Izbash公式的非线性阶段渗透系数预测公式。结果表明非线性阶段的渗透系数小于线性阶段的渗透系数,二者的差距与改进型Izbash公式的修正系数呈正相关。该公式的正确性和适用性通过现场的试验数据进行了验证。相较于以往的预测公式,该公式形式简单,含义明确,运用更加简便并且具有相当的精度。

关键词：粗糙单裂隙非线性渗流 forchheimer公式 Izbash公式改进型Izbash公式高压压水试验

饱和花岗岩力学特性及峰后非线性渗流试验研究

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饱和花岗岩力学特性及峰后非线性渗流试验研究

作者：李文亮南昌大学

学位级别：硕士

随着我国高坝枢纽工程和高水头抽水蓄能电站的大规模兴建,高坝岩基和高压引水系统围岩将承受极高的渗透水压和水力坡降。花岗岩具有高密度、低孔隙率、岩性致密和强度高等优点,因此在高水头抽水蓄能电站、页岩气开采、地下水封油库、高... 详细信息

随着我国高坝枢纽工程和高水头抽水蓄能电站的大规模兴建,高坝岩基和高压引水系统围岩将承受极高的渗透水压和水力坡降。花岗岩具有高密度、低孔隙率、岩性致密和强度高等优点,因此在高水头抽水蓄能电站、页岩气开采、地下水封油库、高放核废料地质处置等大规模工程建设中起着重要作用。地下采矿工程、大型水利水电工程和核废料处理等工程建设活动造成围岩在开挖、采动应力的作用下处于峰后破碎状态,恶化工程基岩附近岩体的赋存环境,极大地改变了岩体的渗透率和渗透特性,导致岩体发生渗漏、突透水和渗透破坏的风险急剧增大。大量的研究表明在高应力、高渗压作用下破碎岩体内流体流速和压力梯度不再满足线性达西方程,流体的渗流行为表现明显的非线性行为,继续采用达西定律研究破碎岩体的渗流问题,将带来较大误差,将严重影响工程安全评价。为此采用Triaxial Cell三轴试验系统开展阳江饱和花岗岩试验,对饱和花岗岩峰前力学特性进行研究分析,并进一步探讨峰后破碎花岗岩的非线性渗流特性随水力梯度和围压的变化规律,分析非线性渗流的物理成因机制。在此基础上,探讨峰后破碎花岗岩非线性渗流表征公式的适用性及其相关参数随围压的变化规律。主要研究内容与成果如下:(1)通过X射线衍射仪和偏光显微镜,对花岗岩矿物组成和细观结构进行鉴定分析,花岗岩主要以长石、石英两种矿物为主,岩石质地致密,结晶性良好,具有较完整的矿物颗粒,矿物颗粒接触紧密,仅有少量的穿晶微裂纹。除少数较明显的裂纹外,花岗岩内各个方向的微裂纹随机发育,呈现明显的各向同性特征。(2)通过开展饱和花岗岩和非饱和花岗岩三轴压缩试验,发现饱和花岗岩应力-应变曲线在变形破坏过程可以划分为初四个阶段,根据岩石体积应变和裂纹体积应变与轴向应变的关系曲线的拐点确定饱和花岗岩各阶段对应的应力阈值;饱和花岗岩闭合强度相对于非饱和花岗岩闭合强度有较大提高,峰值强度有所降低,闭合阶段在变形破坏中经历更长的过程;结合饱和花岗岩的破碎形态和岩石变形破坏过程曲线,分析可能的原因。采用能量原理对饱和花岗岩在变形破坏过程中的能量演化机制进行研究,在峰值强度?c强度之前,岩石吸收的总能量增长较快,弹性应变能增长幅度较大,外力所做的功主要以弹性应变能的形式储藏在岩石内部。在峰值强度以后,岩石总能量增长变缓,弹性应变能快速减小。基于岩石能量破坏准则可知,当弹性应变能达到0.722～0.764 MJ?M就可认为饱和花岗岩失去承载力。(3)开展不同围压下(1.0-30.0 MPa)阳江峰后破碎花岗岩的非线性渗流试验,研究高水力梯度条件下破碎花岗岩的非线性渗流特性及其表征方法。破碎花岗岩渗流流态呈现出显著的非线性流动特征,并出现渗流流量增张出现高于和低于线性达西流两种情况。流量增长低于线性的非线性渗流特征可用forchheimer公式很好的描述,固有渗透系数k与非线性项系数B可用幂函数很好的表征,进一步引入福希海默数F0判别水流动的状态,发现破碎花岗岩的临界水力梯度Pc随着围压的增加整体上呈现减小的趋势且均在10 MPa/m以下。对于流量增长高于线性的非线性渗流特征,分别采用二次函数型forchheimer公式和幂函数型Izbash公式对试验结果进行拟合,结果表明二者均能很好地表征碎裂花岗岩的非线性渗流行为。其中,forchheimer公式非线性系数表征了非线性渗流的惯性效应和渗透失稳机制,在量值上随着围压的增大呈现正负交替现象,与围压加载过程中碎裂花岗岩裂纹的闭合和扩展密切相关;Izbash公式非线性系数则表征了低渗介质非线性渗流的固液界面效应,在量值上与围压之间存在相关性很好的幂函数关系。研究成果对于深化高渗压、大水力梯度条件下断层破碎带和挤压带非线性渗流规律研究具有重要意义。(4)以所建的牙根二级水电站工程三维有限元模型为基础,分别采用达西渗流有限元计算模型和非达西渗流有限元计算模型,对高水头作用下坝体渗流规律进行研究,计算结果表明:两个模型计算结果相差不大,均可应用于对水电站渗流稳定安全评估。

关键词：饱和花岗岩应力-应变曲线能量演化非线性渗流 forchheimer公式 Izbash公式