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应力/时间相关裂隙渗透率模型及应用

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1 绪论

1.1 研究意义(Significance)

1.2国内外研究现状(Research Status Review)

1.3 本文的研究内容(Research Contents)

2 单裂隙流固耦合渗透率演化模型

2.1单一裂隙渗流-平行板模型(Single Fracture SeepageModel)

2.2法向应力下裂隙开度变化的试验研究(Experimental Study of Fracture Closure Behavior under Normal Stress)

2.3单裂隙流固耦合模型(Fluid-Solid Coupled Model for a Single Fracture)

2.4单裂隙蠕变特性及对渗透率的影响(The Influence of Creep PropertyonPermeabilityin a Single Fracture)

2.5本章小结(Chapter Summary)

3 应力/时间相关裂隙岩体渗透率模型

3.1单裂隙本征渗透率(Intrinsic Permeability for a Single Fracture)

3.2岩体裂隙网络串并联渗透率(Series-Parallel Permeability for Fractured Rock Mass)

3.3UDEC裂网基本理论与串并联模型的对比(The Contrast between the Basic Theory of UDEC and the Series-Parallel Model)

3.4应力/时间相关裂隙岩体渗透率(Stress and Time-Related Fractured Rock Mass Permeability)

3.5本章小结(Chapter Summary)

4 断层区裂隙岩体失稳机理及远震影响

4.1裂隙岩体失稳机理(The Fracture Rock Mass Failure Mechanism)

4.2裂隙的剪切变形分析及库伦准则(The Shear Deformation Analysis of Fracture and Coulomb Criterion)

4.3裂隙剪胀效应及对远震水力响应的影响(The Fracture Shear Dilatancy and Its Influence on Hydraulic Response to Distant Earthquakes)

4.4本章小结(Chapter Summary)

5 断层区裂隙岩体渗流数值模拟分析

5.1断层区流固耦合控制方程(The Control Equations For Fluid-Solid CoupledFault Zone)

5.2表征单元体的孔隙度和渗透率(Porosity and Permeability of REV)

5.3断层区蠕变-渗流耦合分析模型(Creep-Seepage Coupled Model forFault Zone)

5.4模型求解与结果分析(Model Solutions and Result Analysis)

5.5本章小结(Chapter Summary)

6 结论与展望

6.1 结论(Conclusions)

6.2 展望(Prospects)

参考文献

作者简历

学位论文数据集

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摘要

断层区内渗透率演化形式对认识断层强度、流体运动情况以及远震作用等至关重要,为了掌握其中的关系,从建立单裂隙流固耦合模型出发,通过理论推导与试验手段相结合,综合考虑应力、时间和裂隙网络分布几何性质等,建立了应力/时间相关裂隙岩体渗透率模型。在这个过程中,基于单裂隙立方定理和裂隙变形的 Bandis双曲线关系,导出了单裂隙的流固耦合渗透率模型,并加入裂隙蠕变,探讨裂隙耦合渗透率随时间的演化形式;为了将单裂隙的渗透率与岩体裂隙网络结合在一起,根据裂隙网络的几何分布的串并联特性,建立了裂隙网络岩体的应力/时间相关渗透率模型。
  根据以上工作,在分析断层区裂隙岩体失稳的库伦准则基础上,应用应力/时间相关的裂隙闭合原理,建立了流体压力随时间增加的表达式,以定量的推导验证了裂隙愈合与失稳的关系;裂隙愈合过程中受到远震的影响,将会造成水力特性的改变。应用试验对单裂隙的剪切变形进行了分析,并对库伦准则进行验证;特别对于剪胀效应进行讨论,认为剪胀效应是影响远震作用下断层区渗透率增加的一个重要因素,并对剪胀效应下流体压力和渗透率的变化进行了定量推导。结果表明,当裂隙剪胀效应体积膨胀时,流体压力相应减小至体积膨胀比的倒数倍,渗透率增加至体积膨胀比的平方倍,与实际具有较好的吻合。
  在以上讨论的基础上,建立了断层区蠕变-渗流耦合分析数值模型,模拟并分析了体应变、裂隙开度、渗透率及流体压力等随时间变化规律,并对裂隙抗剪强度的Weibull分布进行了探讨,为岩体失稳机理提供了直观的展示。本文的研究成果可为地下工程渗流分析、断层区裂隙岩体愈合及远震水力响应等提供参考。

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