基於裂隙岩體裂隙面三維形貌參數的滲流本構關係研究

《基於裂隙岩體裂隙面三維形貌參數的滲流本構關係研究》是依託重慶大學，由張振宇擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於裂隙岩體裂隙面三維形貌參數的滲流本構關係研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張振宇
• 依託單位：重慶大學

中文摘要

裂隙岩體裂隙面粗糙度、接觸面積、法向及切向變形等因素對裂隙岩體的滲流規律有著重大的影響。在裂隙岩體滲流-應力耦合特性及機理上，目前大多研究都是用線性的裂隙面形貌參數來表征裂隙面三維的幾何特徵，其有很大的局限性，在很多情形下是不準確的。為提高裂隙岩體滲流預測模型的置信度和工程預測的準確性，本項目緊緊圍繞裂隙岩體裂隙面三維形貌參數，考慮單裂隙裂隙面間空腔的三維空間結構對滲流的影響，綜合運用室內試驗，理論分析和數值模擬相結合的研究方法，開展不同三維形貌參數下裂隙滲流-應力耦合的試驗研究，揭示裂隙面三維形貌參數對裂隙岩體滲流規律的影響及其在應力耦合作用下的損傷演化規律，最終建立基於裂隙面三維形貌參數的裂隙岩體滲流本構模型。最後，通過VC++編程將建立的基於裂隙面三維形貌特徵的滲流本構模型嵌入到UDEC和3DEC之中。

結題摘要

裂隙廣泛存在於自然地質岩層中。即使在完整性相對較高的岩層中，伴隨著工程套用開挖造成的應力釋放和地應力的重新分布，開挖空間周圍岩體也會產生不同程度的破裂損傷。當流體流過裂隙時，流體的流動規律受到了裂隙岩體裂隙面的表面起伏程度，接觸面積，法向和切向變形等因素的重大影響，因此，對裂隙面形貌，接觸狀態的研究是本研究的關鍵問題之一，如何表征這種三維裂隙面形貌對推動裂隙岩體滲流-應力耦合的研究有重要的意義。為了很好的表征裂隙表面形貌，僅僅停留在二維的角度和使用一些線性的參數存在很大的局限性，因此，採用三維形貌參數來表征裂隙面的三維幾何特徵是解決這一問題比較有效的途徑。通過開展裂隙岩體滲流-應力耦合實驗，闡釋了流體在不同應力狀態下流動的理論基礎，揭示了裂隙面粗糙度對流體流動影響的內在機理；通過裂隙面三維空間形貌對滲流影響的微觀研究，更加全面細微地闡明流過裂隙面時受裂隙面不規則凸起，凹陷及接觸面積的影響；基於裂隙面形貌參數建立了裂隙岩體滲流本構模型。形成的主要研究成果主要有以下幾個方面：①選擇了天然的與手工形成的裂隙岩體作為實驗的研究對象，在數位化裂隙面的基礎上形成了直觀的裂隙面表面偽視圖與三維視圖，確定裂隙面的表面形貌參數。②自主設計和製造了三軸流固（岩石-氣-液）耦合實驗模組，然後對重慶大學煤礦災害動力學與控制國家實驗室三軸蠕變儀器進行了改裝，實現了該儀器三軸岩石-氣-液耦合實驗工程，運用該系統開展了匹配與非匹配的單裂隙岩體水力應力耦合流體輸運實驗，分析了應力對流體輸運的影響，揭示了裂隙岩體水的流動規律和控制方程。③通過微流體技術研究流體流過裂隙面局部形貌時流動路徑和流動形式的變化，分析流體流過裂隙面形貌時流阻的變化和不同流速下流體流過裂隙面局部形貌時流體粘性與慣性表現，進而在微觀尺度上描述裂隙面空間形貌對滲流的影響。④基於裂隙面三維形貌參數，建立了流體流過裂隙面時的流阻經驗公式，確立了滲流本構方程，最後將其嵌入到流-固耦合計算模組中，實現了數值模型的計算。本課題研究很好地表征了裂隙表面的三維形貌，這對裂隙岩體滲流-應力耦合的研究有重要的意義；基於裂隙面三維形貌參數的裂隙岩體滲流的本構關係的建立，能夠提高裂隙岩體滲流預測模型的置信度和工程預測的準確性。