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粗糙节理网络模拟及裂隙岩体水力耦合特性研究

作　者: 吴月秀
导　师: 刘泉声
学　校: 中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）
专　业: 岩土工程
关键词: 离散裂隙网络 SAW法节理粗糙度系数(JRC) SA节理本构模型等效渗透系数非贯通节理迹长与隙宽相关性表征单元体积(REV)
分类号: TU452
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

众所周知,节理是控制岩体水力学行为的重要因素,研究节理的变形行为及渗透行为是对裂隙岩体工程安全评估的重要组成部分。随着地下开采、隧道、边坡及核废料地下处置库等岩体工程的兴建,对裂隙岩体水力耦合研究的需求越来越迫切。然而目前有关节理变形行为及渗透行为的描述和数值模拟,均局限于光滑、平行板模型,节理产状参数相互独立且节理处于常法向应力边界等假设；在使用裂隙岩体水力学模型时,常常忽略了其前提条件。针对目前研究的不足,结合国际合作项目DECOVALEX,以核废料地下处置库安全评估为最终目的,在国内外研究的基础上,采用离散裂隙网络模型方法,通过离散元数值计算(DEM)分析了节理粗糙性、非贯通节理的弱化作用、产状参数相关性以及应力状态等多因素对裂隙岩体水力耦合特性的影响,为分析实际裂隙岩体的水力学特性提供研究方法,其具体内容如下：1)提出了一种新的粗糙节理网络模拟方法—SAW法,将粗糙节理视为不断行走的SAW链,通过控制SAW链的一些基本参数(如键长、凸起高度等)来控制粗糙节理形态。本文详细讲述了SAW法的主要思想、实现程序、基本参数的取值以及其使用条件,最终给出了较为系统的粗糙节理网络模拟方法。且应用SAW,研究了不同取样长度下,描述节理粗糙性的各统计参数与JRC之间的相关关系。2)考虑节理模型的广泛适用性以及其参数取值的方便性,引入适用于任何边界条件下的粗糙节理本构模型—SA模型,将其嵌入UDEC自定义节理本构模型,并通过数值单轴压缩试验和直剪实验验证了该自定义节理本构模型的正确性,为水、力学计算提供基础。3)基于SAW,生成单条变隙宽、粗糙节理,对其进行数值渗透实验,分析了其水流规律,得出：节理等效水力隙宽与力学隙宽均值呈指数关系,与节理粗糙度系数JRC呈负指数关系。拟合三者的关系,将其与BB模型修正立方定律进行对比分析,得到了较好的相似性,从数值模拟的角度验证了BB模型的修正立方定律,并将修正的立方定律与SA节理模型联合使用,最终给出了粗糙节理水力学本构模型,为研究裂隙岩体水力学特性打下基础。4)为考虑非贯通节理对裂隙岩体力学强度的弱化作用,引入一损伤变量D,将其定义为块体内所有非贯通节理的实际长度总和与延长至块体边界的长度总和之比。并给出了各块体内损伤变量D的实现程序,然后将含有非贯通节理的岩块弹性模量进行折减,分析非贯通节理对裂隙岩体水力学特性的影响规律,得出：非贯通节理的弱化作用对裂隙岩体力学REV的影响较小,对岩体等效弹性模量有较大的消减作用；其弱化作用对裂隙岩体水力耦合REV的影响较小,对裂隙岩体渗透特性有消弱作用；尤其对岩体渗透率的最大值影响较大,对渗透率的最小值和渗透主方向的影响较小。在实际应用中,应考虑非贯通节理弱化作用的影响。5)研究不同分布规律的节理迹长与隙宽的相关性,重点讲述了迹长与隙宽均符合幂律分布时的相关性,在此基础上,对比分析了常隙宽情况下、变隙宽且不相关情况下以及变隙宽且相关情况下裂隙岩体的水力耦合特性,得出：考虑迹长与隙宽相关性对裂隙岩体的渗透REV、渗透率张量均有很大影响；只考虑隙宽的变化对裂隙岩体渗透REV的影响较小,但对其渗透率张量的影响较大。因此,在实际工程中,应根据地质调查结果对其分别进行研究。6)基于上述研究的基础,结合国际合作项目DECOVALEXⅢBMT 2,计算了Sellafield处核废料处置库各个区域内裂隙岩体的等效渗透系数张量,并研究了不同地应力状态下,其渗透系数张量的变化规律,得出：A)区域1裂隙岩体的等效渗透系数张量主渗透系数K1和K2分别为3.89×10-6m/s和2.27×10-6m/s,其主渗透方向为-15.32°；B)区域2裂隙岩体的等效渗透系数张量主渗透系数K1和K2分别为5.76×10-6m/s和1.06×10-6m/s,其主渗透方向为-32.03°；C)断层带裂隙岩体的等效渗透系数张量主渗透系数K1和K2分别为5.75×10-6m/s和1.97×10-6m/s,其主渗透方向为-31.33°；D)区域1裂隙岩体等效渗透系数张量随深度的变化规律为：Kxx=8.209×10-6·d-0.536, Kxy=3.081×10-6·d-0905,Kyy=2.205×10-6·d-0.635；E)区域2裂隙岩体等效渗透系数张量随深度的变化规律为：Kxx=4.275×10-6·d-0.255,Kxy=5.299×10-6·d-0.325,Kyy=5.971×10-6·d-0.115；F)断层带裂隙岩体等效渗透系数张量随深度的变化规律为：Kxx=4.04×10-6·d-0.141,Kxy=3.048×10-6·d-0.246,Kyy=5.99×10-6·d-0.114；G)与Blum等人的研究结果对比得,本文的计算结果偏小,这是因为本文考虑了节理的粗糙性及非贯通节理的弱化作用的影响。

全文目录

摘要  5-8
Abstract  8-15
第一章绪论  15-28
  1.1 论文研究背景及意义  15-16
  1.2 国内外研究现状  16-26
    1.2.1 节理网络模拟的研究现状  17-22
      1.2.1.1 节理测量和统计手段研究现状  17-18
      1.2.1.2 节理几何形态概率分布研究现状  18-19
      1.2.1.3 节理网络数值模拟研究现状  19-22
    1.2.2 岩体水力学模型的研究现状  22-24
    1.2.3 节理本构模型的研究现状  24-26
      1.2.3.1 节理法向变形行为  24-25
      1.2.3.2 节理切向变形行为  25-26
  1.3 本文的研究内容及技术路线  26-28
第二章粗糙节理网络模拟  28-54
  2.1 引言  28-29
  2.2 描述节理粗糙性的参数  29-35
    2.2.1 传统统计参数  31-34
      2.2.1.1 振幅参数  31-32
      2.2.1.2 斜率参数  32-34
      2.2.1.3 混合参数  34
    2.2.2 节理粗糙度系数JRC  34-35
  2.3 SAW法  35-48
    2.3.1 粗糙节理网络的模拟  36-45
      2.3.1.1 粗糙节理与SAW链  37-38
      2.3.1.2 节理几何参数的概率分布  38-42
      2.3.1.3 粗糙节理剖面的生成  42-45
    2.3.2 SAW基本参数研究  45-48
      2.3.2.1 凸起高度基本参数对JRC的影响  45-47
      2.3.2.2 键长对粗糙节理形态的影响  47-48
  2.4 SAW法应用  48-52
  2.5 本章小结  52-54
第三章单一粗糙裂隙面水力学特性研究  54-94
  3.1 引言  54-55
  3.2 单一粗糙裂隙面的力学变形性质  55-86
    3.2.1 法向行为  55-59
    3.2.2 切向行为  59-78
      3.2.2.1 节理剪切变形的力学机制  60-67
        3.2.2.1.1 单个凸起体  60-62
        3.2.2.1.2 多个凸起体  62-67
      3.2.2.2 节理剪切模型  67-78
    3.2.3 SA模型在UDEC中的数值实现及验证  78-86
      3.2.3.1 离散元力学场计算基础  78-79
      3.2.3.2 SA模型程序  79-81
      3.2.3.3 SA本构模型验证  81-86
  3.3 单一粗糙裂隙中水流规律  86-93
    3.3.1 光滑节理的水流规律  86-87
    3.3.2 离散元中渗透场计算基础  87-89
    3.3.3 粗糙节理的水流规律  89-93
      3.3.3.1 立方定理的修正法  89-90
      3.3.3.2 单条粗糙节理水流流动数值试验  90-93
  3.4 本章小结  93-94
第四章非贯通节理对岩体水力耦合特性的影响研究  94-110
  4.1 引言  94-95
  4.2 裂隙岩体水力耦合分析方法  95-101
    4.2.1 REV的确定  96-99
    4.2.2 等效渗透率的确定  99-101
  4.3 非贯通节理对岩体力学特性的影响研究  101-105
    4.3.1 损伤变量D及其数值实现  101-103
    4.3.2 非贯通节理对裂隙岩体力学特性的影响  103-105
  4.4 非贯通节理对岩体水力耦合特性的影响研究  105-109
  4.5 本章小结  109-110
第五章节理参数相关性对岩体水力耦合特性的影响究  110-127
  5.1 引言  110-111
  5.2 迹长与隙宽相关性研究  111-117
    5.2.1 截断分布函数形式  112-114
    5.2.2 迹长与隙宽的相关性  114-117
  5.3 迹长与隙宽的相关性对裂隙岩体水力耦合特性的影响  117-126
    5.3.1 裂隙网络模型  117-119
    5.3.2 Case 1计算结果  119-120
    5.3.3 Case 2计算结果  120-121
    5.3.4 Case 3计算结果  121-123
    5.3.5 结果对比  123-126
  5.4 本章小结  126-127
第六章工程应用  127-141
  6.1 引言  127
  6.2 工程概况  127-130
    6.2.1 DECOVALEX项目  127-128
    6.2.2 DECOVALEX Ⅲ BMT 2  128-130
  6.3 渗透计算  130-136
    6.3.1 区域1  130-132
    6.3.2 区域2  132-134
    6.3.3 断层带  134-136
  6.4 水力耦合计算  136-139
    6.4.1 区域1  137-138
    6.4.2 区域2  138
    6.4.3 断层带  138-139
  6.5 本章小结  139-141
第七章结论与展望  141-144
  7.1 主要研究成果与结论  141-143
  7.2 下一步工作展望  143-144
参考文献  144-153
博士期间发表文章  153-154
致谢  154-155

粗糙节理网络模拟及裂隙岩体水力耦合特性研究

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