巖石節(jié)理全剪切-滲流耦合試驗(yàn)技術(shù)和系統(tǒng)研制

近年來隨著核廢料處理、天然氣及CO2地下儲(chǔ)存、壓氣儲(chǔ)能、水利和采礦工程等大型深部地下巖體工程的興建，高滲透壓力作用下節(jié)理巖體的力學(xué)和滲流及其耦合特性是關(guān)系該類地下工程安全與否的關(guān)鍵因素。由于節(jié)理剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)高滲透壓力（3MPa）條件下邊剪切邊滲流的過程，保證試驗(yàn)系統(tǒng)中剪切盒的密封性成為試驗(yàn)系統(tǒng)成功的技術(shù)瓶頸。本項(xiàng)目在國(guó)外同類型儀器研究的基礎(chǔ)上，自主發(fā)展和研制全新的節(jié)理剪切滲流試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括部分：（1）剪切滲流盒及其密封系統(tǒng)；（2）滲流伺服控制系統(tǒng)；（3）主機(jī)和加載系統(tǒng)；（4）高精度測(cè)量和多通道伺服加載控制系統(tǒng)和（5）試驗(yàn)操作軟件系統(tǒng)。據(jù)此，本系統(tǒng)精確地實(shí)現(xiàn)了在法向和剪切向多種加載邊界條件的加載方式和控制問題，尤其實(shí)現(xiàn)了常法向剛度邊界條件以及法向流變-滲流、剪切流變-滲流的加載方式，攻克了高滲透壓和小流量的測(cè)量和控制技術(shù)，并解決了在3MPa滲透壓力下，在節(jié)理剪切過程中上、下剪切盒具有法向和剪切位移（最大剪切位移20mm，即試件長(zhǎng)度的10%）動(dòng)態(tài)情況下巖石節(jié)理密封的關(guān)鍵技術(shù)難題，并初步應(yīng)用于深部巖體工程中的節(jié)理剪切-滲流、剪切流變-滲流的試驗(yàn)研究。該試驗(yàn)裝備是國(guó)內(nèi)外首臺(tái)能達(dá)到3MPa滲透壓力的巖石節(jié)理剪切滲流儀器，填補(bǔ)了在較高滲透壓力下巖石節(jié)理剪切達(dá)到峰值后直至殘余強(qiáng)度整個(gè)過程中滲流試驗(yàn)和研究的空白。儀器的成功研制，將使我國(guó)在巖石節(jié)理水力學(xué)性質(zhì)研究技術(shù)水平、方法和儀器達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，對(duì)促進(jìn)我國(guó)節(jié)理力學(xué)和水力學(xué)特性基礎(chǔ)前沿研究起到積極推動(dòng)作用。 2100433B

節(jié)理的力學(xué)和滲流性質(zhì)對(duì)巖體的力學(xué)和滲流性質(zhì)起著支配作用，節(jié)理的力學(xué)和滲流性質(zhì)存在相互的耦合作用，尤其是在剪切過程中，因此，高滲透壓力作用下節(jié)理的剪切-滲流耦合性質(zhì)是巖體力學(xué)和工程中迫切需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，而巖石節(jié)理全剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)是揭示這一科學(xué)問題的重要手段。雖然已有節(jié)理在不同法向應(yīng)力下的滲流試驗(yàn)以及較低滲流壓力下節(jié)理剪切位移后的滲流試驗(yàn)的研究成果，但是較高滲流壓力下在節(jié)理剪切達(dá)到其峰值后的過程中進(jìn)行的滲流試驗(yàn)和研究還是空白，主要是由于一直沒有能在節(jié)理剪切過程中進(jìn)行滲流試驗(yàn)的滲流剪切盒。本項(xiàng)目擬重點(diǎn)攻克高滲流壓力下滲流剪切盒在剪切過程中的密封、高滲流壓力和小流量的測(cè)量和控制、常剛度控制等技術(shù)關(guān)鍵，研制巖石節(jié)理全剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)及相應(yīng)的試驗(yàn)技術(shù)，為研究巷道、隧道、地下洞室、邊坡等巖體工程中的科學(xué)問題提供儀器和技術(shù)支撐。

巖石節(jié)理滲流運(yùn)動(dòng)規(guī)律是巖石力學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)問題，但節(jié)理的滲流規(guī)律及幾何形貌對(duì)其影響機(jī)制仍未深入掌握。本項(xiàng)目以巖石節(jié)理復(fù)雜滲流規(guī)律為研究?jī)?nèi)容，開展考慮節(jié)理滲流機(jī)制的幾何形貌表征方法研究。進(jìn)行節(jié)理粗糙起伏、張開度、滲透梯度對(duì)其流量、流速、流態(tài)及臨界雷諾數(shù)等滲流規(guī)律影響和滲透各向異性與尺寸效應(yīng)的滲流試驗(yàn)。研究包括節(jié)理幾何形貌建模、復(fù)雜滲流邊界處理和高雷諾數(shù)滲流計(jì)算等的節(jié)理復(fù)雜滲流數(shù)值模擬方法，并開展幾何形貌和滲流梯度等對(duì)其滲流規(guī)律影響的模擬分析。通過試驗(yàn)和模擬研究揭示節(jié)理幾何形貌影響滲流規(guī)律的機(jī)制，應(yīng)用巖石力學(xué)和流體力學(xué)等理論綜合試驗(yàn)和模擬結(jié)果，建立考慮節(jié)理幾何形貌影響的非線性滲流分析模型，為解決工程中裂隙巖體滲流規(guī)律評(píng)價(jià)問題提供理論方法。

項(xiàng)目按申請(qǐng)計(jì)劃重點(diǎn)開展了考慮節(jié)理滲流機(jī)制的幾何形貌表征方法、節(jié)理復(fù)雜滲流規(guī)律的粗糙起伏與開度控制機(jī)制、節(jié)理滲流規(guī)律的各向異性與尺寸效應(yīng)和節(jié)理滲流運(yùn)動(dòng)數(shù)值方法及其模擬等方面的研究。通過研發(fā)儀器、理論建模、試驗(yàn)分析及數(shù)值模擬等手段進(jìn)行了深入研究。在闡明巖石節(jié)理由線性層流到弱慣性流和非線性紊流的變化規(guī)律、節(jié)理幾何形貌對(duì)其非線性滲流規(guī)律的控制作用、節(jié)理復(fù)雜滲流運(yùn)動(dòng)流態(tài)的判別條件、節(jié)理非線性滲流分析模型和巖石節(jié)理復(fù)雜滲流規(guī)律的數(shù)值分析方法等方面取得了較好進(jìn)展，對(duì)涉及巖體滲透性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)工程建設(shè)與管理提供了理論參考。在本項(xiàng)目的支持下，至目前為止共發(fā)表SCI論文17篇，EI論文3篇，核心及其他論文7篇，申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng)，獲批軟件著作1項(xiàng)。 2100433B

包括滲透性、滲流理論、滲流應(yīng)力狀態(tài)和滲流控制等。對(duì)大多數(shù)巖石假定巖石中的水流為層流，流速與水力梯度呈線性關(guān)系,遵循達(dá)西定律。巖石滲透性用滲透系數(shù)表示,該系數(shù)在室內(nèi)用滲透儀測(cè)定，在野外用壓水和抽水試驗(yàn)測(cè)定。滲流理論借流體力學(xué)原理進(jìn)行研究。穩(wěn)定滲流滿足拉普拉斯方程。多數(shù)巖石內(nèi)的孔隙（裂隙）水壓力可用K.泰爾扎吉 有效應(yīng)力定律計(jì)算。為了減小大壩底面滲透壓力、提高大壩的穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)采取滲流控制措施，如抽水、排水、設(shè)置灌漿帷幕以延長(zhǎng)滲流途徑等。2100433B