土中三维裂隙网络渗流的数值模拟

摘要

土中存在的裂隙网络影响了水在土体中的运动，进而影响了土体的渗透以及强度等特性。通常可以采用试验的方法来研究裂隙网络渗流的特性，但是在室内或者室外的试验研究中，土样容易受到扰动，并且土样的尺寸也会受到试验条件的限制。因此，本文采取数值模拟的方法对裂隙网络渗流进行研究。
　　本文对裂隙网络的一些性质做了如下假设：单个裂隙的两个裂隙面为不透水的平面，并且两个裂隙面是相互平行的，裂隙的宽度在裂隙面的范围内是固定值，两个裂隙面之间没有任何填充物，水可以自由流动，同时忽略水在垂直于裂隙面的方向上的流动，因此单裂隙可以看作一个沿裂隙面的方向，二维各向同性的介质；不考虑交线上水头损失，交线上的水头值唯一。
　　本文分析了单裂隙渗流的假设条件，根据单裂隙渗流的控制方程以及边界条件，采用边界元法原理对单裂隙进行边界离散，建立了单裂隙的边界积分方程，给各节点赋予了边界条件，计算了系数矩阵中的各个元素，并求解了矩阵方程，得到了各节点的水头值或流量值。根据交线上水头唯一以及流量平衡两个条件，结合边界元法，计算了两个相交裂隙的渗流，得到了相交裂隙每个节点的水头值或流量值。
　　根据对单裂隙、两个相交裂隙的分析，结合边界元法在裂隙网络渗流计算中的原理，本文编写了三维裂隙网络渗流的计算程序。程序包含了：裂隙网络的离散、系数矩阵的计算、边界条件的设置和求解矩阵方程四部分，每一部分都做了详细叙述。并且，采用一个简单算例对编写的程序进行了验证。
　　本文采用编写好的程序，计算了不同形状的裂隙网络的流量，得到了矩形裂隙网络、三角形裂隙网络、梯形裂隙网络和混合形状裂隙网络的流量值，并对最终结果做了适当分析。

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第 1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 本文的主要研究内容

第 2章 边界元法分析裂隙渗流及算例验证

2.1 引言

2.2 单裂隙渗流的分析

2.3 相交裂隙渗流的分析

2.4 本章小结

第 3章 三维裂隙网络渗流程序的实现

3.1 引言

3.2 裂隙网络的离散

3.3 H、G矩阵的组成

3.4 H、G矩阵的计算

3.5 边界条件

3.6 裂隙网络流量的计算

3.7 程序设计

3.8 算例验证

3.9 本章小结

第 4章 三维裂隙网络的流量

4.1 引言

4.2 矩形裂隙网络

4.3 三角形裂隙网络

4.4 梯形裂隙网络

4.5 混合裂隙网络

4.6 本章小结

结论与展望

参考文献

附录

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致谢