粗糙单裂隙渗流与岩体应力特性分析

摘要

在大型水利工程的坝基和地下隧洞等区域，由于长期的地质作用，岩体内部会产生不同规模和走向的裂隙。裂隙的渗透性远大于岩石，因此裂隙成为岩体内部渗流的主要通道。研究裂隙的形态结构和渗流特性，可为工程的安全运行提供合理预测。本文从二维裂隙形态的描述方法出发，对不同粗糙度的裂隙渗流进行数值模拟。结合单裂隙辐射流剪切一渗流耦合试验，分析应力与渗流的相互作用和对粗糙度的影响。基于渗流规律，建立单节点交叉裂隙二维渗流模型，为裂隙网络渗流模型的研究奠定基础。本文的主要研究成果如下： (1)推导采样间距为2mm，粗糙度系数(JRC)与伸长率、相对起伏度、有效起伏角和分维数之间的关系，建立了不同JRC直线和曲线裂隙轮廓的二维数值模型。结果阐明了水流的流速分布受起伏角度影响较大，且对于同一条裂隙，改变裂隙起伏的顺序，将对水流流速发生改变。此外，在一定的水力坡降下，隙宽越大，JRC越小，渗流量则越大。 (2)基于能量和动量守恒定理，设计深度为80～150m的裂隙地下水渗流试验，采用光滑和规则锯齿状裂隙面，推导得出辐射流水流冲击处的外力和水头损失公式。试验结果表明渗透水压对剪切应力的敏感性低于法向应力。 (3)分析两种试件的渗流量结果，拟合得出渗流量与机械隙宽符合幂指数关系，且表面越粗糙，指数越小。试验结束后裂隙表面的粗糙度发生改变，光滑试件由JRC=0变为3左右，JRC的增大幅度与法向应力呈正相关；锯齿状试件由JRC=16.41变为12左右，JRC的降低幅度与剪切应力呈正相关。 (4)建立二维辐射流渗流模型，分析光滑试件在剪切作用下，水流在辐射冲击处的流速分布。结果阐明在相同渗透水压下，最大流速值比入水口流速高78%左右。锯齿状裂隙在剪切过程中隙宽呈波动变化，裂隙间水流为紊流形态，产生的漩涡范围与隙宽有关。 (5)取裂隙网络的一个节点作为研究对象，建立X型单节点交叉裂隙网络渗流模型。计算结果表明在入口裂隙宽度不变的情况下，出口角度是决定优势通道的重要因素，宽隙比主要影响出口流速大小。同时，在同等边界条件下．交叉裂隙的最大流速低于单裂隙。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 单裂隙渗流研究进展

1.2.2 粗糙裂隙渗流研究综述

1.2.3 应力-渗流耦合作用下的裂隙渗流研究综述

1.2.4 裂隙网络渗流研究现状

1.3 有待解决的问题

1.4 本文研究内容和技术路线图

2 岩体粗糙度概述及渗流理论

2.1 岩体粗糙度描述参数选取

2.2 裂隙形态分类

2.3 裂隙岩体渗流理论

2.4 流-固耦合相似理论

2.5 本章小结

3 不同形态的裂隙渗流研究

3.1 二维粗糙度量化回归分析

3.2 样本水力特性研究

3.3 最大起伏角的位置对裂隙渗流的影响

3.4 不同隙宽条件下JRC对渗流量的定量分析

3.5 本章小结

4 岩石单裂隙渗流试验研究

4.1 试验原理及目的

4.2 试验仪器及材料

4.2.1 试验仪器

4.2.2 试验材料

4.3 试验过程及方案

4.3.1 试验过程

4.3.2 试验方案的拟定

4.4 试验结果分析

4.4.1 不同方案的光滑试件破坏结果

4.4.2 不同方案的粗糙试件破坏结果

4.4.3 累计流量的测量统计

4.5 本章小结

5 应力作用下的裂隙渗流研究

5.1 不同渗透水压下试件破坏结果分析

5.2 机械隙宽变化分析

5.2.1 光滑试件机械隙宽变化机理

5.2.2 锯齿状试件机械隙宽变化机理

5.3 渗流量与机械隙宽的规律研究

5.4 剪切作用的影响

5.4.1 光滑结构面法向应力和渗透水压对剪切应力的影响

5.4.2 锯齿状结构面法向应力和渗透水压对剪切应力的影响

5.5 剪切应力和法向应力对JRC的影响

5.6 水流形态数值模拟

5.6.1 光滑结构面辐射流水流形态数值模拟

5.6.2 锯齿状结构面特征隙宽的水流形态数值模拟

5.7 本章小结

6 粗糙单节点交叉裂隙的渗流研究

6.1 裂隙网络模型的生成研究

6.2 不同宽隙比对X型单节点交叉裂隙的渗流影响

6.3 不同粗糙度对X型单节点交叉裂隙的渗流影响

6.4 不同出口角度对X型单节点交叉裂隙的渗流影响

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间主要研究成果