断层带岩体三维渗流场分析及程序设计

摘要

断层带岩体中往往存在大量的不连续面，包括节理、层面、片理、裂隙、断层等等，不连续岩体渗流普遍存在于人类的工程活动中，许多大坝工程的失稳破坏均与其有关，随着大型水利工程的建设和众多地下工程的开展，常常遇到规模不等的不连续岩体，其渗流影响不容忽视，自上世纪中叶开始，不连续岩体渗流一直都是国内外学者研究的热点课题之一。研究不连续岩体渗流的方法归纳起来可分为三类:物理实验法、理论分析法、数值模拟法。同其他方法相比，数值模拟方法具有成本低、速度快、可重复、程序化等优势。对不连续面的模拟方式主要可以分为三类:包括等效模型、离散模型以及混合模型。离散模拟因为考虑了每条不连续面的几何特性和物理性质，相对于等效模拟更接近于工程实际，但造成了前处理的难度。
　　基于等效模拟和离散模拟存在的问题，本文致力于将二者融合运用。复合单元法在这方面具有特别的优势:可以考虑每条不连续面对渗流场的影响，但在前处理中却不需考虑不连续面的数量、位置等空间几何状态，而是将其置于常规有限元内部，由前处理程序自动计算获得复合单元，并形成复合单元内的若干子单元，其显著特征是每个复合单元中可以含有一组或者几组不连续面，其计算程序可以整合到常规有限元分析中。
　　本文首先总结了不连续岩体渗流分析的模型，分六类进行了简要阐述，分析了每种模型的发展历程及其优缺点;其次总结了复合单元法在应力应变分析、渗流分析、温度场分析、动力分析等方面的研究及发展;基于复合单元法的基本原理及不连续岩体渗流复合单元法模型，编制了相应的计算程序，并对裂隙厚度的影响进行研究;将现有的复合单元法前处理程序冗杂部分进行简化，对部分不完善的地方进行修正，采用MATLAB语言重新编写复合单元法前处理程序，使其模块化，同时利用MATLAB数值计算功能，有效改善了数据的存储、读入和矩阵计算，还有效利用MALAB强大的绘图功能，增强了复合单元法的可视化功能;最后通过算例对断层带岩体复合单元法的正确性进行了验证。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 基本理论及研究现状

1．2．1 不连续岩体渗流模型

1．2．2 不连续岩体渗流数值计算的研究进展

1．3 本文研究内容和创新点

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 创新点

第2章 复合单元法的基本原理

2．1 引言

2．2 复合单元法的基本概念和原理

2．3 复合单元法的基本方程

2．4 复合单元法的特点

2．5 复合单元法的研究进展和应用

2．2．1 应力应变分析

2．2．2 渗流分析

2．2．3 温度场分析

2．2．4 动力分析

2．2．5 工程应用与验证

2．6 本章小结

第3章 断层带岩体渗流计算的复合单元法

3．1 引言

3．2 断层带岩体渗流复合单元法模型

3．2．1 模型基本概念

3．2．2 模型基本假定

3．2．3 渗流基本方程

3．2．4 复合单元算法

3．3 计算程序的编制与验证

3．4 本章小结

第4章 断层带岩体复合单元法前处理的程序设计

4．1 引言

4．2 复合单元法前处理及过程

4．3 前处理中的主要理论及算法

4．3．1 整体坐标与局部坐标及其转换

4．3．2 点和线在岩体中的位置判断

4．3．3 点与多边形位置关系

4．3．4 寻找复合单元

4．3．5 任意凸块体的识别

4．3．6 块体和面的剖分及相关几何量求解

4．3．7 确定材料分区

4．4 算例

4．5 本章小结

第5章 断层带岩体复合单元法算例验证

5．1 算例一：含一条断层的坝体计算

5．1．1 计算条件

5．1．2 计算网格

5．1．3 计算结果与分析

5．2 算例二：含复杂断层的坝体计算

5．2．1 计算条件

5．2．2 计算网格

5．2．3 计算结果与分析

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 研究展望

参考文献

在校期间发表的学术论文及其它成果

攻读硕士学位期间参加的科研工作

致谢