裂隙岩体承压渗流演化特征及其水力学机制研究

发布时间：2017-12-20 14:36

  本文关键词：裂隙岩体承压渗流演化特征及其水力学机制研究　出处：《中国矿业大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：地下工程水害中,由岩体裂隙导渗诱发的水害占比较高。对于高地压、高水压的地下工程环境,渗透水压不但会改变岩体的内应力状态、弱化岩体的力学强度,也对裂隙岩体的结构产生强烈的破坏效应。在高压渗流作用下,岩体裂隙网络不断扩展,渗流阻力持续降低,最终形成低阻渗流通道并导致突水等灾害事故。本文综合运用理论分析、室内模拟试验、现场实测等方法,对裂隙岩体承压渗流演化的结构控制效应及其水力学机制进行了深入的研究与探讨,取得了以下研究成果:(1)通过伺服渗透试验,对比分析了软岩和硬岩在全应力-应变过程的渗透性演化特点及其对应于不同变形阶段的渗透性差异。试验结果反映的岩石变形过程的渗透性与变形程度具有密切的关联性,导渗性伴随裂隙网络的形成、扩展呈现明显变化,脆性坚硬岩与塑性软岩对应于变形破坏过程的导渗性变化及其关联程度具有明显的差异。基于试验研究结果,论文构建了岩石破坏峰前应力段的渗透性-应力关系模式,提出了渗透性-应力关系表达式。(2)通过不同结构岩体的现场原位高压渗透试验,研究了高渗压作用下裂隙岩体的渗透性演化特性。论文基于试验取得的渗流水压、渗流水量及进、出口水压等关联数据的拟合分析,总结提出了岩体的起始导渗水压和最大导渗水压,指出最大导渗水压可作为衡量裂隙岩体阻渗能力的参数。在此基础上,建立了裂隙岩体渗透系数-渗透压力的关系模式,揭示了高渗压作用下裂隙扩展演化规律及其与渗透性之间的关系。(3)借助于岩石破裂过程的声发射信息识别技术,从理论角度对岩体渗透性与裂隙扩展之间的关联特性进行了分析。研究揭示出,渗流水压对裂隙岩体的破坏作用主要分为挤入破坏和劈裂破坏两种,裂隙在水压力和应力作用下发生扩展的过程中,声发射参数均随着应力增长呈现出分段特征,且存在突变点。论文定义了岩石破裂屈服系数,即突变点对应时间与破裂总时间的比值,将其作为界定岩石破裂临界信息,由此合理解释了岩石变形过程的渗透性演化特点及其水力学机制。(4)通过室内模型试验模拟研究了裂隙岩体形成集中渗流通道情况下的裂隙渗流特征。根据试验结果,贯通性裂隙通道导渗状态下总体表现为高渗流阻力特点,裂隙网络渗流呈紊流性态,渗流水压力和裂隙导渗通道形态是影响裂隙岩体渗流演化特点的两个关键因素:一方面,裂隙岩体渗流过程渗流速度与水力梯度呈幂函数或二次函数关系,一定的渗流压力下,渗流速度随导渗通道宽度增大而减小;另一方面,裂隙网络渗流过程沿途渗流压力随渗流距离的增大而逐渐减小,表明渗透压力消减与渗流阻力的增大呈关联转化趋势。对于一定的裂隙导渗条件,沿渗流路径的水力梯度表现有呈负指数形式衰减特点。(5)采用模型试验方法对比分析了地下水和高粘滞性化学浆液在裂隙中渗流过程的物性响应特点。根据水介质渗流路径沿途的自然电场变化能够量化确定地下水的渗流速度,根据化学浆液介质渗流路径沿途激励电流的跃升程度和视电阻率变化可以分别确定浆液介质渗流到达的位置和对裂隙空间的充填效果。论文对二者渗透性的试验结果进行了对比分析,揭示了岩体裂隙对于地下水渗流的结构控制效应。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU45

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本文编号：1312463