岩体三维裂隙网络非稳定渗流场与温度场耦合分析

摘要

目前,在岩土工程中,渗流-应力-温度-溶质的耦合分析已成为整个工程界非常关注的问题之一,而其中的渗流-温度耦合分析正是非常重要的一项研究内容。它是影响工程正常运转与工程安全性的重要因素,被广泛应用于水利水电工程、岩土工程、土木建筑工程、水资源开发与利用、环境工程、水文地质、工程地质、石油开发、煤炭天然气开发、地热开发、地震预报与控制、地下工程以及核废料处理等领域。 对于裂隙岩体而言,目前广泛采用的是等效连续介质模型,因为其有成熟的理论基础和计算方法；然而对存在稀疏裂隙或大的断层的岩体来说,采用非连续介质模型(裂隙网络模型)进行渗流温度耦合分析在理论上应是一种更加符合实际情况的方法。但是,与连续介质模型相比,采用离散裂隙网络模型对裂隙岩体进行渗流温度耦合分析研究才刚刚开始,将成为裂隙岩体研究的一个崭新的组成部分。 针对裂隙岩体本身的特殊性,假设岩块本身不透水,水流只存在于由裂隙面组成的裂隙网络中,因此将基于裂隙网络的渗流-温度耦合分析看作是存在于裂隙中的渗流场、水流温度场和存在于岩体中的岩块温度场三者之间的耦合分析。在此基础之上,主要完成了以下几方面的工作： 1.在了解当前裂隙网络渗流理论和温度场基本理论的基础之上,首先从渗流-温度相互作用的二维数值模拟出发,分析了连续介质中考虑渗流热学效应的大坝工程稳定温度场；分析了岩体裂隙网络考虑温度影响的稳定渗流场；分析了考虑裂隙水流影响的岩体裂隙网络非稳定温度场。通过定性定量地考虑渗流-温度之间的相互影响关系,为分析三维渗流温度的耦合机理、模型建立以及数值计算奠定了很好的基础。 2.三维裂隙岩体渗流-温度耦合分析是本论文的核心部份,从分析三维裂隙岩体中渗流场、水流温度场和岩块温度场之间的相互影响作用机理出发,推导了三者的耦合方程,并从考虑耦合作用的单场数值计算开始,进而到两场之间的耦合迭代,最终实现了三场的耦合数值计算,达到了预期的目标。 3.基于一定的基本理论和数值计算方法的基础之上,最终实现了3-D Coupled Seepage-Temperature Program in Fractured Network程序的开发。 4.将前面理论、模型和数值计算方法应用到某实际工程中验证自主开发3-D Coupled Seepage-Temperature Program in Fractured Network程序的正确性,对该工程的坝基进行了裂隙网络模拟,然后对连通区域组成的裂隙网络和岩块一起进行了渗流-温度的耦合分析。就相同的边界条件和初始条件,对上游水头瞬降、上游水头不发生变化、上游水头瞬升和上游水头缓降四种工况进行了对比分析。 结果分析表明,对于坝基而言,边界水头变化与不变化,水头变化的过程是否相同,从而得到的渗流场水头、水流温度值和岩块温度值都有一定的区别。因此,采用裂隙网络方法考虑渗流场、水流温度场和岩块温度场的耦合作用有一定的必要性,为工程的设计施工提供一定的参考依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2裂隙岩体渗流的特点

1.2.1裂隙岩体渗流理论发展现状

1.2.2裂隙岩体渗流数学模型

1.2.3裂隙岩体渗流计算方法

1.3岩体热传导的特点

1.3.1裂隙岩体热量运移理论发展现状

1.3.2裂隙岩体热量运移数学模型

1.3.3裂隙岩体热量运移数值计算方法

1.4裂隙岩体渗流温度耦合研究现状

1.5本论文研究的意义和主要内容

2裂隙网络渗流温度基本理论分析

2.1温度场基本理论分析

2.1.1热传导基本方程

2.1.2热传导问题的定解条件

2.1.3三维温度场有限元计算公式

2.2岩体裂隙网络的概念及生成

2.2.1裂隙网络系统的概念

2.2.2裂隙网络的生成

2.3岩体裂隙网络渗流基本理论分析

2.3.1裂隙型岩体的渗流规律分析

2.3.2单裂隙渗流的基本理论

2.3.3三维岩体裂隙网络渗流的基本方程

2.3.4非稳定渗流定解条件

2.3.5三维岩体裂隙网络有限单元法数值求解

2.4本章小结

3二维渗流-温度相互作用数值分析

3.1考虑渗流热学效应的大坝稳定温度场数值分析

3.1.1考虑渗流热学效应的大坝稳定温度场有限元数值求解步骤

3.1.2算例分析

3.1.3结论

3.2考虑温度影响的岩体裂隙网络稳定渗流场数值分析

3.2.1考虑温度影响的稳定渗流场数值求解步骤

3.2.2算例分析

3.2.3结论

3.3考虑裂隙水流影响的岩体裂隙网络非稳定温度场数值分析

3.3.1裂隙岩体热传导微分方程和定解条件

3.3.2裂隙岩体二维非稳定温度场数值求解

3.3.3工程算例

3.3.4结论

3.4本章小结

4三维岩体裂隙网络渗流温度耦合数值分析

4.1三维岩体裂隙网络渗流温度耦合模型建立

4.1.1基本假设

4.1.2渗流场-水流温度-岩块温度耦合机理

4.1.3耦合水流温度场的渗流场分析

4.1.4耦合渗流场与岩块温度场的水流温度场分析

4.1.5耦合水流温度场的岩块温度场分析

4.1.6岩体裂隙网络渗流场-水流温度场-岩块温度场耦合数学模型

4.2岩体裂隙网络渗流场数值分析

4.2.1耦合的渗流场有限元数值解法

4.2.2算例分析

4.3岩块温度场数值分析

4.3.1耦合的岩块温度场有限元数值解法

4.3.2算例分析

4.4水流温度场数值分析

4.4.1耦合的水流温度场有限元数值解法

4.4.2算例分析

4.5岩块温度场与水流温度场耦合分析

4.5.1岩块温度场与水流温度场耦合数学模型

4.5.2有限元数值解法

4.5.3算例分析

4.5.4小结

4.6渗流场与水流温度场耦合分析

4.6.1渗流场与水流温度场耦合数学模型

4.6.2有限元数值解法

4.6.3算例分析

4.6.4小结

4.7渗流场-水流温度场-岩块温度场耦合分析

4.7.1三维渗流温度耦合数学模型

4.7.2三维有限元数值计算格式

4.7.3三维耦合分析的有限元法迭代步骤

4.7.4三维程序设计框架图和开发

4.7.5算例分析

4.7.6小结

4.8本章小结

5工程应用研究

5.1工程概况

5.2计算模型以及网格划分

5.3计算参数与边界条件

5.4计算工况

5.4数值分析计算结果

5.4.1工况一

5.4.2工况二

5.4.3工况三

5.4.4工况四

5.4.5工况一、二、三和四结果对比

5.5本章小结

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

附录