考慮裂隙剪脹特性的裂隙岩體水力耦合機理研究

《考慮裂隙剪脹特性的裂隙岩體水力耦合機理研究》是依託山東科技大學，由王剛擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：考慮裂隙剪脹特性的裂隙岩體水力耦合機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王剛
• 依託單位：山東科技大學

項目摘要

裂隙剪脹是連線岩石節理力學特性和滲流特性的一個重要性質。剪脹效應受到岩石材料特性、裂隙表面粗糙度、邊界條件、荷載條件等的影響，其自身又控制著節理力學開度的變化，對裂隙的滲流特性產生直接的影響。本項目擬通過一系列的物模試驗，研究岩石裂隙變形特性和剪脹條件下的岩石裂隙滲透特性演化規律；藉助可視化試驗技術和多物理場耦合分析方法，分析流體的流線、溝道效應、粒子移動特性等及其對裂隙水力開度的影響規律，細觀研究裂隙滲透特性的影響因素；結合數學、力學理論，系統分析法向荷載和切向荷載作用下岩石裂隙水力耦合機理，建立基於剪脹特性的裂隙剪下滲流耦合模型及理論，使其既能反映裂隙的剪下變形特性，又能從裂隙變形特別是切向變形的角度來解釋剪下應力與滲流的耦合作用規律及描述方程。這將有助於明確和完善裂隙岩體滲流與應力耦合特性和規律，為實際工程的穩定和安全提供一定的指導依據。

結題摘要

由於裂隙介質剪下變形的複雜性，雖然一些學者在這方面進行了一些初步的實驗研究，但由於實驗條件的限制，其研究成果大多是一些定性的結論，還不能對裂隙的應力滲流耦合機理，特別是裂隙剪脹和滲流的耦合機制進行合理的解釋。建立基於變形特性的裂隙剪下滲流耦合模型及理論，使其既能反映裂隙的剪下變形特性，又能從裂隙變形特別是切向變形的角度來解釋剪下應力與滲流的耦合作用規律及描述方程。在剪下過程中，裂隙面變形受到材料特性、裂隙表面粗糙度、邊界條件、荷載條件等的影響，其自身又控制著節理力學開度的變化，對裂隙的滲流特性產生直接的影響。本項目根據項目研究的既定技術路線，通過一系列的裂隙變形試驗和裂隙滲流應力耦合試驗，結合數值模擬和理論分析，重點研究了基於裂隙剪脹特性的岩石裂隙滲流應力耦合機理及描述評價方法，建立了考慮剪脹特性的節理面水力耦合模型及其演化規律的描述方程。基於項目研究成果發表SCI檢索論文6篇，EI檢索論文11篇，授權發明專利3項，實用新型專利5項，按計畫完成了既定研究內容和任務，達到了預期研究目標。 項目負責人聯合試驗機生產廠家成功研製了JAW-600型岩石節理面剪下流變-滲流耦合試驗系統並進行了最佳化，提出了新型試驗方法及其可視化試驗過程。試驗機套用特殊的載入和密封技術，能夠在高滲透壓力和高應力條件下進行水力耦合試驗。利用類岩石材料預製不同粗糙程度的規則節理面和自然斷裂節理面，進行了不同邊界條件和應力條件下的剪下滲流耦合試驗研究。基於顆粒離散元法軟體PFC開展了岩石節理面剪下破壞細觀機理研究，分別從巨觀和細觀角度深入探討了節理在不同邊界條件下剪下過程中的力學演化規律和破壞機制；提出了一種新型粗糙節理面隨機強度模型，並開展了套用研究；考慮粗糙節理面的分形特徵，提出了節理面滲流計算模型，實現了節理面接觸面積、節理開度和節理面分形維數的良好耦合，能更為全面地描述粗糙節理面的滲流特性，具有較好的適用性；採用有限元軟體Comsol Multiphysics軟體模擬粗糙裂隙中的流體流動問題，在得到流場的基礎上增加溶質運移計算模型，研究溶質隨著流場流動在粗糙裂隙中的運移過程；最後，基於節理面應力滲流耦合模型和離散介質流固耦合理論，以我國首個大型地下水封石油洞庫工程為背景，開展了地下石油洞庫水封性和穩定性評價。