应力作用下三维岩石渗透特性演化机制及数值模拟

By employing a strategy combining laboratory tests, theoretical modeling and numerical analysis, this project aims to study the mechanisms of permeability evolution of three dimensional rocks under different stress conditions, and its corresponding numerical simulation models. Slicing and high-definition photography are used to get images of internal microstructures of rocks, and the digital spatial structures are obtained by the digital image processing technique; Based on geometric algorithms of the three-dimensional Voronoi diagram, an automated mesh generation procedure is to be established which can explicitly account for micro structures; Hydro-mechanical coupling experiments are to be conducted under different stress conditions for revealing the mechanisms of microstructure and permeability evolution under complex stress conditions; A numerical model is to be established which has the ability to simulate the coupling process comprising of stress-strain, fluid flow, crack initiation, propagation and coalescence, and the corresponding efficient algorithm and program are to be developed; The results from laboratory tests are used to validate the proposed model. Finally, the proposed model is to be applied to some cases from practical engineering. The research results will provide theoretical support for seepage and deformation control and optimization design in engineering rock masses in geological disposal of nuclear waste, hydropower, traffic and other projects.

本项目采用室内试验、理论建模和数值分析相结合的方法，研究应力作用下三维岩石渗透特性的演化机制及数值模拟方法。采用分层切片和高清摄影的方法获取岩石内部细观结构的二维图像，并通过图形处理技术建立数字化的岩石空间结构；采用三维Voronoi图的计算几何算法，建立显式模拟岩石细观结构的计算网格自动生成技术；采用不同荷载条件下的全应力应变水力耦合试验，揭示复杂应力条件下岩石细观结构的演化机理和渗透特性的演化规律；建立包括应力-应变、渗流、微裂隙产生-扩展-形成宏观破坏面等过程在内的细观力学数值模型，研发高效可靠的数值求解算法及计算软件，并利用室内试验结果验证该模型的正确性。最后，结合实际工程开展应用研究，为我国核废料地质处置、水电、交通、能源开发等工程岩体的变形和渗流控制设计提供理论支持。

本项目采用室内试验、理论建模和数值分析相结合的方法，研究了应力作用下岩石渗透特性的演化机制及数值模拟方法。研究了岩石材料细观结构在空间中的简化和数值表达，基于Voronoi图的计算几何算法，优化数据结构，建立了显式模拟细观结构和各种复杂内部边界的高效稳定的计算网格自动生成技术。推导了改进刚体弹簧方法的基本方程、边界条件，研究了相应的细观本构模型和破坏准则，建立了宏观弹性变形参数和与细观界面单元刚度参数之间的关系，在此基础上，提出了一种岩石渐进破坏过程细观力学数值模型，并开发了相应计算程序。然后，研究了细观结构对裂隙起裂扩展过程和岩体主要破坏模式的影响，并通过与室内岩石应力试验结果进行对比，验证模型的正确性。基于各向同性的Voronoi网格，研究了各向同性的等效裂隙网络渗流计算模型；然后，在各向同性网格中加入渗透性相对较大的裂隙，研究了裂隙-等效基质的双重介质裂隙网络渗流模型，并开发了相应的计算程序。结合刚体弹簧方法和离散裂隙网络模型，建立了岩石应力-渗流-损伤耦合数值模型，并开发了相应程序。针对所获取的实验数据，标定细观模型的力学参数和渗流参数，并基于实测细观结构建立初始计算模型，进行应力作用下的渗透性演化分析，并与相应实验结果进行对比，验证了模型的正确性。研究成果可为我国核废料地质处置、水电、交通、能源开发等工程岩体的变形和渗流控制设计提供理论支持。