玄武岩渗透系数尺度效应及顺序指示模拟

论文摘要

裂隙岩体地下水渗流是水利水电工程、岩土工程、核废料地下贮存中一个重要的科学研究和工程应用问题。当前裂隙岩体地下水渗流数值模型主要有三种：等效连续介质模型、离散裂隙网络模型和裂隙-孔隙双重介质模型。后两种模型由于可以精确刻画裂隙岩体的渗流情况，近年来发展很快，但目前仅适用小范围研究对象。而等效连续介质模型将裂隙岩体等效为连续介质，无论在理论上还是在求解方法上均有成熟的基础和经验，适用于裂隙发育密集的大范围研究对象，如坝区渗流模拟等宏观渗流行为。 目前，构建裂隙岩体等效连续介质渗流模型最重要的内容是确定模型参数——渗透系数。这涉及到两个问题：一是野外有限样本点渗透系数的获得；二是根据有限样本点数据确定模型中每一个网格的渗透系数。野外获取渗透系数的方法有很多，如何针对具体的地质条件和研究对象，选择合适的渗透系数测量方法是一个难点。模型中渗透系数的确定主要有分区法、插值法和随机模拟等方法。传统的分区法和插值法都不适合描述裂隙岩体渗透系数的非均质性。如何根据研究对象的范围和精度要求合理地表征裂隙岩体介质的非均质性是裂隙岩体渗流数值模拟的关键点和难点。 针对这两个难点，本文研究了金沙江溪洛渡水电站和雅砻江官地水电站坝区玄武岩的渗透性，主要作了以下工作：（1）在野外对溪洛渡坝区水平岩流层峨眉山玄武岩和官地坝区竖直岩流层峨眉山玄武岩构造裂隙进行调查和研究；（2）总结了近年来确定裂隙岩体渗透系数的常用方法，并将其归为四类：现场水力试验法、裂隙测量法、基于裂隙测量的校正系数法以及离散裂隙网络渗流数值试验法；分析不同的测量方法各自的优点、局限性和适用尺度。野外采用单孔压水试验，裂隙测量法来获取玄武岩渗透系数。溪洛渡坝区86个钻孔进行了2715段单孔压水试验，官地坝区96个钻孔进行了1388段压水试验。考虑到溪洛渡坝区地质条件的复杂性和玄武岩裂隙发育规模的多级次性，在野外还做了实用性较强的地下水示踪试验和平硐渗水试验来研究岩体渗透系数；（3）基于单孔压水试验数据，分析溪洛渡水电站坝区和官地坝区渗透系数在空间中的变化特征；（4）基于不同尺度的水力试验所获取的玄武岩渗透系数，分析渗透系数随着试验尺度增加而变化的特征；（5）采用随机模拟——顺序指示模拟构建官地坝区渗透系数场；（6）采用渗透系数统计规律分区法，并将分区结果用于官地坝区右岸区域渗流场模拟；将渗透系数顺序指示模拟结果用于官地坝区局部渗流场模拟。 主要有以下结论： 1．西南峨眉山玄武岩构造裂隙发育规模具有多级次性。 西南峨眉山玄武岩是一种基性喷发岩，由于形成时具有流动性，形成层状熔岩，具有层状渗流特点。玄武岩空隙是以原生空洞、次生孔洞、原生柱状节理和次生裂隙所构成的

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 裂隙岩体渗透系数国内外研究现状
• 1.2.1 裂隙岩体渗流模型
• 1.2.2 裂隙岩体渗透系数确定方法
• 1.2.3 裂隙岩体渗透系数尺度效应
• 1.2.4 裂隙岩体渗流模型渗透系数场随机模拟
• 1.3 研究内容和研究思路
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究思路
• 第二章 玄武岩裂隙发育特征
• 2.1 玄武岩空隙网络
• 2.1.1 玄武岩的构造
• 2.1.2 玄武岩空隙类型及其网络系统
• 2.2 溪洛渡水电站坝区玄武岩裂隙发育特征
• 2.2.1 自然地理概况
• 2.2.2 坝区玄武岩裂隙发育特征
• 2.3 官地水电站坝区玄武岩裂隙发育特征
• 2.3.1 自然地理概况
• 2.3.2 坝区玄武岩裂隙发育特征
• 2.4 官地水电站坝区右岸随机裂隙网络构建
• 2.4.1 随机裂隙网络构建原理
• 2.4.2 官地右岸1230m高程裂隙几何参数统计
• 2.4.3 官地坝区右岸三维随机裂隙网络构建
• 第三章 玄武岩裂隙岩体渗透系数
• 3.1 溪洛渡坝区玄武岩渗透性研究
• 3.1.1 单孔压水试验
• 3.1.2 裂隙测量法
• 3.1.3 基于裂隙测量的单孔压水试验校正系数
• 3.1.4 平酮渗水试验
• 3.1.5 地下水示踪试验
• 3.2 官地坝区玄武岩渗透性研究
• 3.3 玄武岩裂隙岩体渗透系数的空间变异性
• 3.3.1 裂隙岩体渗透系数变化的随机性
• 3.3.2 裂隙岩体渗透系数变化的规律性
• 第四章 裂隙岩体渗透系数尺度效应
• 4.1 裂隙岩体渗透系数尺度效应
• 4.2 尺度效应原因分析
• 4.3 裂隙岩体地下水渗流的多尺度特性
• 4.3.1 地下水渗流的多尺度特性
• 4.3.2 基于单孔压水试验的裂隙岩体连续介质表征
• 第五章 玄武岩渗透系数顺序指示模拟
• 5.1 渗透系数顺序指示模拟原理
• 5.1.1 随机模拟概述
• 5.1.2 区域化变量与变异函数
• 5.1.3 简单克立格估计
• 5.1.4 条件模拟
• 5.1.5 顺序指示模拟
• 5.2 官地坝区玄武岩渗透系数顺序指示模拟
• 5.2.1 官地坝区单孔压水试验渗透系数统计
• 5.2.2 模拟区坐标变换
• 5.2.3 指示变异函数的计算与理论模型
• 5.2.4 官地坝区渗透系数顺序指示模拟
• 第六章 官地坝区右岸玄武岩地下水渗流模拟
• 6.1 裂隙岩体等效连续介质渗流模型
• 6.1.1 多孔介质渗流数学模型
• 6.1.2 裂隙型岩体连续介质渗流数学模型
• 6.1.3 模型渗透系数确定
• 6.2 官地坝区右岸玄武岩区域地下水渗流模拟
• 6.2.1 水文地质概念范围
• 6.2.2 源汇项
• 6.2.3 网格剖分
• 6.2.4 天然情况下地下水渗流数值模型
• 6.2.5 模型校正
• 6.2.6 模拟结果
• 6.3 官地坝区右岸玄武岩局部二维渗流随机模拟
• 第七章 结论
• 7.1 主要结论
• 7.2 研究特色与研究展望
• 7.2.1 研究特色
• 7.2.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献