基于離散元流—固耦合優(yōu)化算法的巖石滲透破裂機(jī)理研究

1、基于離散元流固耦合優(yōu)化算法的巖石滲透破裂機(jī)理研究巖土工程穩(wěn)定性問題以及二氧化碳封存、核廢料處置、頁巖氣開采等環(huán)境和能源問題,都與國計(jì)民生息息相關(guān),受到了廣泛關(guān)注,而這些重大工程都涉及到流體與固體之間的相互耦合,因此,對(duì)流-固耦合問題的深入理解具有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。然而,在流-固耦合問題的試驗(yàn)研究中,由于試樣尺寸、實(shí)驗(yàn)儀器和操作工藝等限制,很多實(shí)際工程中的流-固耦合情況難以在實(shí)驗(yàn)室中重現(xiàn)。此外,在實(shí)驗(yàn)室中,對(duì)試樣內(nèi)部流體與固體細(xì)觀尺度上的演化情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)難以實(shí)現(xiàn),從而不利于對(duì)流-固耦合細(xì)觀機(jī)制的研究。相較于室內(nèi)試驗(yàn),數(shù)值模擬方法更經(jīng)濟(jì)、高效和靈活,精細(xì)全面的監(jiān)測(cè)更有利于對(duì)細(xì)觀機(jī)制的研究,是室

2、內(nèi)試驗(yàn)的一種有效補(bǔ)充研究手段。離散元方法由于對(duì)大變形問題的適用性,在巖土工程問題中得到了廣泛應(yīng)用。優(yōu)化和改進(jìn)離散元方法中流-固耦合的實(shí)現(xiàn)方法,對(duì)取得更加真實(shí)有效的模擬效果具有重要意義,是一項(xiàng)值得深入研究的課題。本文以優(yōu)化改進(jìn)離散元流-固耦合算法為中心,通過試驗(yàn)研究、理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬來對(duì)改進(jìn)的流-固耦合算法進(jìn)行支撐、驗(yàn)證和應(yīng)用,得到了以下主要進(jìn)展和結(jié)論:(1)基于顆粒流程序中的平行黏結(jié)模型,編寫了流-固耦合算法,實(shí)現(xiàn)了巖石中的流-固耦合行為,開展了滲透細(xì)觀機(jī)理的研究,揭示了孔隙結(jié)構(gòu)和裂隙結(jié)構(gòu)對(duì)塊體整體滲透性的影響,并通過對(duì)比前人經(jīng)驗(yàn)結(jié)論驗(yàn)證了流-固耦合算法的合理性。(2)針對(duì)原離散元流-固耦合

3、算法中大位移情況下流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)破壞且其不能反映裂隙導(dǎo)流優(yōu)勢(shì)等問題,優(yōu)化改進(jìn)了流-固耦合算法。分別建立了黏結(jié)系統(tǒng)和裂隙系統(tǒng),針對(duì)各自特點(diǎn)定義流動(dòng)網(wǎng)絡(luò),避免了由于大變形導(dǎo)致的流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)破壞的問題。通過對(duì)裂隙系統(tǒng)和黏結(jié)系統(tǒng)分別建立流動(dòng)方程,體現(xiàn)了流體在基質(zhì)和裂隙中的不同流動(dòng)行為。(3)根據(jù)三軸壓縮-滲透試驗(yàn)建立了穩(wěn)態(tài)滲透模型,分別利用原流-固耦合算法和改進(jìn)流-固耦合算法開展了模擬研究。通過對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的流-固耦合算法能夠更好的反映試樣在三軸壓縮-滲透過程中的逾滲現(xiàn)象。對(duì)三軸壓縮不同階段試樣在滲透過程中的流速與孔壓分布進(jìn)行了監(jiān)測(cè),揭示了流體在基質(zhì)與裂隙中的運(yùn)移規(guī)律。(4)開展了對(duì)大理巖完整試樣和單

4、裂隙試樣在不同圍壓下環(huán)向變形和滲透率的試驗(yàn)研究。通過對(duì)環(huán)向變形數(shù)據(jù)的分析處理,得到了裂隙張開度與圍壓的關(guān)系曲線?；诠?jié)理剛度的定義,推導(dǎo)了節(jié)理張開度-有效應(yīng)力關(guān)系模型,繼而以立方定律為橋梁得到了滲透率-有效應(yīng)力關(guān)系模型。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的擬合,驗(yàn)證了基于節(jié)理剛度的張開度-有效應(yīng)力模型和滲透率-有效應(yīng)力模型的有效性。(5)利用基于節(jié)理剛度的張開度-有效應(yīng)力模型,建立了新的流-固耦合本構(gòu)關(guān)系。利用改進(jìn)的流-固耦合算法建立了水力壓裂模型,開展了對(duì)完整試樣和節(jié)理試樣水壓致裂的數(shù)值模擬研究,分別從宏觀現(xiàn)象上和細(xì)觀機(jī)制上進(jìn)行了流-固耦合分析。研究了大量不同工況下的節(jié)理巖體水壓致裂行為,總結(jié)了水力裂隙與節(jié)理的相