THM耦合過程中裂隙巖體滲透性演化機理及滲控優(yōu)化方法

裂隙巖體THM耦合機理與過程控制是國際巖石力學(xué)領(lǐng)域極富挑戰(zhàn)性的前沿研究課題。本項目以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、損傷力學(xué)和熱力學(xué)原理為基礎(chǔ)，以THM耦合過程中裂隙巖體的損傷機理為紐帶，以THM耦合及其誘發(fā)損傷過程中的滲透特性演化為核心，以考慮滲透特性演化及復(fù)雜滲控結(jié)構(gòu)精細模擬的滲控效應(yīng)分析方法為手段，以THM耦合過程中的滲控結(jié)構(gòu)優(yōu)化為目標(biāo)，重點開展THM耦合過程中裂隙巖體的損傷擴容機理、滲透特性演化、滲控效應(yīng)分析和滲控結(jié)構(gòu)優(yōu)化等內(nèi)容的研究。在本項目資助下，經(jīng)過3年的努力，全面完成了研究計劃內(nèi)容，實現(xiàn)了預(yù)期的研究目標(biāo)，取得了一系列創(chuàng)新性研究成果：（1）研發(fā)了低滲巖石三軸壓縮與水氣滲流耦合試驗技術(shù)，建立了THM耦合過程中巖石各向異性損傷的細觀力學(xué)模型以及各向異性損傷誘發(fā)的巖石滲透特性與熱傳導(dǎo)特性演化模型，深刻揭示了巖石熱-水-力-損傷耦合機理；（2）提出了考慮土體變形并反映滯回效應(yīng)的土水特征曲線模型和非飽和滲透系數(shù)模型，建立了考慮圍壓和顆粒尖端破碎效應(yīng)的堆石體滲透特性演化模型，發(fā)展了考慮結(jié)構(gòu)面任意發(fā)育模式及滑動剪脹效應(yīng)的巖體滲透張量應(yīng)變敏感性模型，揭示了巖土體在開挖、加載、錨固、灌漿等工程作用過程中滲透特性的演化規(guī)律；（3）建立了巖土體固-水-氣三相耦合模型與數(shù)值模擬方法，提出了堆石體非穩(wěn)定滲流與非線性變形耦合模型與數(shù)值模擬方法，完善了巖土體多場多相耦合分析平臺THYME3D，為巖土體多場耦合效應(yīng)分析與滲控效應(yīng)評價提供了有效的分析手段；（4）以巖土多場多相耦合數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過分析各種工程滲控措施在多場耦合數(shù)學(xué)模型中的地位和作用，提出了滲流控制的耦合過程、初始狀態(tài)、邊界條件和介質(zhì)特性多元優(yōu)化方法，為大型水利水電工程滲控系統(tǒng)全局優(yōu)化提供了理論模型、技術(shù)手段和新的研究視角，實現(xiàn)了從定性分析到定量優(yōu)化的轉(zhuǎn)變。上述研究成果已在錦屏一級、水布埡等一批大型水電工程中得到成功應(yīng)用；發(fā)表學(xué)術(shù)論文26篇，其中SCI收錄論文6篇，EI收錄論文18篇；出版書籍章節(jié)1部；獲批實用新型專利1項，軟件著作權(quán)登記1項；獲國家科技進步二等獎1項，湖北省科技進步一等獎1項；培養(yǎng)博士研究生9名、碩士研究生23名（含外國留學(xué)生1名）。

裂隙巖體THM耦合機理與過程控制是國際巖石力學(xué)領(lǐng)域極富挑戰(zhàn)性的前沿研究課題。本項目以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、損傷力學(xué)和熱力學(xué)原理為基礎(chǔ)，以THM耦合過程中裂隙巖體的滲透特性演化機理及滲流控制方法為研究主線，采用試驗、理論建模和數(shù)值分析相結(jié)合的方法，通過開展裂隙巖體在THM耦合過程中的損傷演化機理、滲透特性演化規(guī)律、滲流控制方法及滲控結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法研究，建立THM耦合條件下裂隙巖體的損傷演化模型，揭示THM耦合誘發(fā)損傷過程中裂隙巖體的滲透特性演化規(guī)律，探討THM耦合過程中裂隙巖體的滲流控制機理與優(yōu)化方法，構(gòu)建基于THM耦合和復(fù)雜滲控結(jié)構(gòu)精細模擬的滲控效應(yīng)分析與優(yōu)化平臺。研究成果對于深化THM耦合過程中巖體變形破壞與滲透穩(wěn)定機理的認識、增強滲流控制與防災(zāi)減災(zāi)能力具有重要理論意義，對于解決我國西部地區(qū)復(fù)雜環(huán)境下大型水利水電、高放廢物地質(zhì)處置以及深部巖體工程中滲流控制與優(yōu)化問題具有重大應(yīng)用價值。

本項目以金沙江下游向家壩壩址區(qū)的三疊系鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖裂隙巖體為對象，結(jié)合實際工程需要，完成了從理論到應(yīng)用的整個研究過程。在三年時間里，課題組共15人次赴向家壩進行野外調(diào)查，完成了過河平硐疏干抽水和平硐內(nèi)裂隙巖體大型抽水兩項試驗。通過對壩址區(qū)133個鉆孔2595段壓水試驗數(shù)據(jù)的系統(tǒng)整理，結(jié)合基礎(chǔ)地質(zhì)資料的分析，提出了巖體宏觀滲透結(jié)構(gòu)，并給出了巖體滲透性分區(qū)和評價指標(biāo)。針對向家壩地區(qū)砂巖裂隙巖體滲透性的非均質(zhì)性，提出了與實際情況更相符合的匯點法井流計算公式，利用兩次大型抽水試驗數(shù)據(jù)得到了準(zhǔn)確的巖體滲透系數(shù)值。建立了巖體滲透性評價指標(biāo)與滲透系數(shù)之間的定量關(guān)系，最終得到各分區(qū)內(nèi)巖體的宏觀滲透系數(shù)值。借助pmw 滲流計算軟件，對水庫蓄水后壩址區(qū)地下水滲流場進行了初步計算。該項工作提出了一系列理論和方法，對砂巖裂隙巖體的滲透規(guī)律有了進一步的認識，許多結(jié)果已被實際工程所采用，取得了很好的應(yīng)用效果。,本項目以金沙江下游向家壩壩址區(qū)的三疊系鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖裂隙巖體為對象，結(jié)合實際工程需要，完成了從理論到應(yīng)用的整個研究過程。在三年時間里，課題組共15人次赴向家壩進行野外調(diào)查，完成了過河平硐疏干抽水和平硐內(nèi)裂隙巖體大型抽水兩項試驗。通過對壩址區(qū)133個鉆孔2595段壓水試驗數(shù)據(jù)的系統(tǒng)整理，結(jié)合基礎(chǔ)地質(zhì)資料的分析，提出了巖體宏觀滲透結(jié)構(gòu)，并給出了巖體滲透性分區(qū)和評價指標(biāo)。針對向家壩地區(qū)砂巖裂隙巖體滲透性的非均質(zhì)性，提出了與實際情況更相符合的匯點法井流計算公式，利用兩次大型抽水試驗數(shù)據(jù)得到了準(zhǔn)確的巖體滲透系數(shù)值。建立了巖體滲透性評價指標(biāo)與滲透系數(shù)之間的定量關(guān)系，最終得到各分區(qū)內(nèi)巖體的宏觀滲透系數(shù)值。借助pmw 滲流計算軟件，對水庫蓄水后壩址區(qū)地下水滲流場進行了初步計算。該項工作提出了一系列理論和方法，對砂巖裂隙巖體的滲透規(guī)律有了進一步的認識，許多結(jié)果已被實際工程所采用，取得了很好的應(yīng)用效果。 2100433B