THM耦合過程中裂隙巖體滲透性演化機(jī)理及滲控優(yōu)化方法結(jié)題摘要

裂隙巖體THM耦合機(jī)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(xiàng)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(jī)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(xì)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(diǎn)開展THM耦合過程中裂隙巖體的損傷擴(kuò)容機(jī)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(xiàng)目資助下，經(jīng)過3年的努力，全面完成了研究計(jì)劃內(nèi)容，實(shí)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(yàn)技術(shù)，建立了THM耦合過程中巖石各向異性損傷的細(xì)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(jī)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(jià)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(shí)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(shí)用新型專利1項(xiàng)，軟件著作權(quán)登記1項(xiàng)；獲國家科技進(jìn)步二等獎1項(xiàng)，湖北省科技進(jìn)步一等獎1項(xiàng)；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(jī)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(xiàng)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(jī)理及滲流控制方法為研究主線，采用試驗(yàn)、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(jī)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(jī)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(xì)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(jī)理的認(rèn)識、增強(qiáng)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(jià)值。

本項(xiàng)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(shí)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(jìn)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(xiàng)試驗(yàn)。通過對壩址區(qū)133個鉆孔2595段壓水試驗(yàn)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(jià)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(shí)際情況更相符合的匯點(diǎn)法井流計(jì)算公式，利用兩次大型抽水試驗(yàn)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(jià)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(jì)算軟件，對水庫蓄水后壩址區(qū)地下水滲流場進(jìn)行了初步計(jì)算。該項(xiàng)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(jìn)一步的認(rèn)識，許多結(jié)果已被實(shí)際工程所采用，取得了很好的應(yīng)用效果。,本項(xiàng)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(shí)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(jìn)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(xiàng)試驗(yàn)。通過對壩址區(qū)133個鉆孔2595段壓水試驗(yàn)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(jià)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(shí)際情況更相符合的匯點(diǎn)法井流計(jì)算公式，利用兩次大型抽水試驗(yàn)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(jià)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(jì)算軟件，對水庫蓄水后壩址區(qū)地下水滲流場進(jìn)行了初步計(jì)算。該項(xiàng)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(jìn)一步的認(rèn)識，許多結(jié)果已被實(shí)際工程所采用，取得了很好的應(yīng)用效果。 2100433B