裂隙岩体渗流场与应力场的耦合数值分析

裂隙岩体渗流场与应力场耦合是一个复杂的地质问题.本文基于裂隙-空隙双重连续介质对裂隙岩体渗流场与应力场进行耦合分析,推导建立了数学模型,并将该模型用于实际边坡工程的岩体裂隙进行数值模拟,分别对不考虑应力影响下的渗流场和不考虑渗流影响下的应力场以及两场相互耦合时的稳定性进行了研究,由于耦合作用下与任意单场作用下相比差异较大,因此考虑岩体裂隙多场耦合作用是必要的也是符合事实的[1].     

单裂隙水流稳定温度场理论分析

对描述单裂隙内渗流对温度分布影响机理的数学模型进行了初步探讨和分析，认为：①在假定裂隙水流为常物性、稳定二维层流、不可压牛顿型流体的前提下，得出的单裂隙水流稳定温度场表达式表明水流速度场分布与温度场没有关系，由数学模型得出的温度场可叠加到渗流场上，但不影响该渗流场，而且结果具有普遍性；②温度场中的温度是渗流场中渗流流速的函数，渗流速度变化越大，温度场的分布变化也越大；③对单裂隙水流稳定温度影响的研究，有利于裂隙水流温度场和非连续性裂隙岩体渗流与温度相互作用关系的研究；④在稳定温度场下，推导出的单裂隙水流温度不再变化时裂隙的变化长度与裂隙宽度的关系式具有一定的理论价值。     

裂隙岩体热流模型研究

基于裂隙岩体地区渗流场和温度场的相互作用机理和流体力学及传热学基本原理，研究了裂隙岩体地区一、二维温度场的分布，进而对裂隙水流量、流体性质、水岩温差等影响温度场分布特征的物理量进行了分析，建立了单裂隙岩体地区温度场模型。根据现场温度场数据，就可以计算裂隙岩体渗漏流量、流速等水文地质参数。     

考虑岩体与裂隙水流热量交换作用的温度场有限元数值分析

裂隙岩体的温度场是岩体多场耦合中重要的研究内容之一,也是国内外研究的热点和难点问题之一。基于热传导方程的基础上,建立考虑岩体与裂隙水流热量交换作用的温度场数学模型,采用有限单元法进行了数值求解。研究结果表明:当岩块温度与水流温度存在温度差值时,二者之间会有一定的热量传递,并最终稳定于二者之间的某一温度。所建立的裂隙岩体温度场数学模型为裂隙岩体多场耦合分析奠定了一定的基础。     

裂隙网络岩体非稳定渗流场与应力场耦合分析

岩体裂隙网络渗流的特点是渗流沿裂隙网络定向流动,体现出明显的非均匀性和各向异性,这决定了裂隙网络渗流的特殊性;裂隙岩体中渗流与应力的相瓦作用主要也是通过岩体中的裂隙.从裂隙网络渗流的特点出发,以岩体裂隙网络渗流与岩体应力相互影响、相互作用的耦合机理为基础,研究裂隙岩体中渗流场和应力场相互影响以及二者随渗透水流时间及边界条件的变化规律\编制相应程序,并通过算例进行了验证;考虑耦合情况下,裂隙岩体渗流场与应力场较不考虑耦合时均有明显变化.     

岩体单裂隙流固热化学耦合作用数值模拟研究

为全面研究渗流、应力、化学、温度影响下岩体裂隙的变化,建立了岩体单裂隙的流-固-热-化四场全耦合数学模型,并以Comsol Multiphysics软件为基础,将该数学模型转化为一个统一的偏微分方程组,实现了四场全耦合数值求解。该模型给出了更接近真实物理过程的数值解答,避免用松散耦合法求解多场耦合问题带来的误差。同时通过对两个实例的计算模拟,分析了在渗流、压应力、水化学溶蚀和温度等多因素耦合作用下,岩体单裂隙渗透特性的变化规律,得出了裂隙岩体渗透特性的影响机理和关键影响因素。     

龙滩碾压混凝土坝稳定渗流场与稳定温度场耦合分析

渗流通过参与热量传递与交换影响温度分析，温度通过改变介质渗透系数和温度势梯度引起水流运动来影响渗流场，两者相互作用最终达到珠渗流场和温度场,应用混凝土坝渗流场和温度场耦合分析的数字模型，进行了龙滩碾压混凝土重力坝稳定渗流场和稳定温度场的耦合分析，结果表明，耦合作用使龙滩坝稳定温度场温度普遍降低，稳定渗流场水头普遍升高。     

岩体渗流-应力-温度三场耦合的连续介质模型

进行岩体渗流一应力—温度三场耦合研究，是为了更客观地反映作为人类工程活动地质背景的岩体的本质属性。从岩体渗流—应力—温度三者两两之间的相互作用关系出发，分别建立了应力和温度影响下的渗流场模型、沙流和温度影响下的应力场模型、渗流和应力影响下的温度场模型，耦合三者成为岩体渗流—应力—温度三场耦合的连续介质模型；并对此三场耦合模型及其数值解法进行了讨论。     

岩体渗流-应力耦合裂隙网络模型研究进展

裂隙岩体结构复杂,岩体的渗流特性与应力环境存在着密切关系,渗流场对应力场同样也存在影响.在国内外相关研究的基础上,系统地归纳了岩体渗流-应力耦合裂隙网络模型的建立思路、裂隙处理方法等.提出地下岩体中裂隙网络是无法完全可观测的,实际得到的数据并不充分,在随机模拟时,如何选择反映实际岩体特性的随机分布还有待进一步研究,在耦合模型中如何更真实地表征裂隙随应力的变化关系也需进一步研究.     

考虑水流温度影响的三维岩体裂隙网络非稳定渗流场数值分析

水流温度对裂隙岩体中渗流场分布规律的影响是岩体水力学研究的热点问题。在分析水流温度对裂隙水流影响机理的基础上,建立了考虑水流温度影响的岩体裂隙渗流场数学模型,采用有限元法对其进行数值求解。研究结果表明：考虑水流温度影响较不考虑水流温度影响的渗流场水头值普遍偏高;水流温度对渗透系数的影响在水流温度影响渗流场分布的过程中起主导作用;裂隙宽度越大,水流温度对裂隙渗流场的影响越明显。     

裂隙参数对岩体水流-传热温度影响的数值模拟分析

在岩体多场耦合中,裂隙岩体的温度场一直是国内外学者研究的热点问题。基于裂隙岩体概念模型,应用3DEC程序计算不同裂隙参数下岩体的温度场、裂隙出水口水温的变化特征。结果表明:裂隙相同进水温度对岩体温度场影响微弱,进水温度高的裂隙主导岩体温度场,裂隙进水温度对模型达到稳态所需要的时间影响较小;裂隙水流速度越大和开度越大,则岩体相同高度处温度越高;端裂隙水流速度的减小和开度的减小延长了模型达到稳态所需要的时间;由于两条端裂隙的边际效应,使其参数对岩体温度场起主导作用;裂隙水温、流速、开度对岩体温度场影响的大小排序为水温流速开度。     

小湾电站坝址区渗流与应力场耦合分析

本文研究了小湾电站坝址区岩体渗流场与应力场的耦合相互作用，并结合右坝肩Ｆ１１断层的特性，探讨了裂隙内具有不同填充物情况下，裂隙表面分形对裂隙渗流和应力的影响，通过数值分析，得到了场耦合情况下的渗流分布及断层Ｆ１１在不同应力水平下的分维数－渗流量、不同分维数下的应力－裂隙开度、应力－流量关系曲线。     

岩体单裂隙渗流研究进展

从岩体单裂隙渗流状态、影响因素、研究方法 3个方面简要综述了国内外研究进展,并做了相应的讨论。分析表明:岩体单裂隙中的渗流状态可分为稳定流和非稳定流,各渗流状态有其对应的数值方程表征;影响单裂隙渗流的因素有粗糙度、开度、应力、充填物、温度等因素;单裂隙渗流研究方法可分为理论研究法、试验研究法和数值模拟研究法等。岩石裂隙成因类型、裂隙尺度、多场耦合、数值算法等方面对裂隙渗流的影响需要进一步深入研究。     

渗流应力耦合作用下重力坝深层抗滑稳定分析

重力坝坝基岩体中包含软弱结构面和性质复杂、方向各异的裂隙,在外力作用下易形成滑移通路,导致大坝稳定性遭到破坏,对人民生命财产安全造成严重威胁。本文以白石水库重力坝溢流坝段为例,采用弹塑性有限元强度折减法,通过ANSYS有限元软件对渗流应力耦合作用下抗滑稳定安全系数和坝基坝体应力应变进行研究,进而分析渗流应力耦合作用对重力坝深层抗滑稳定的影响。研究表明:渗流应力耦合场作用下重力坝抗滑稳定安全系数小于单一应力场;渗流应力耦合场作用下,白石水库重力坝抗滑稳定安全系数为2.4。研究成果可为重力坝深层抗滑稳定数值模拟提供工程依据,具有重要的现实意义。     

裂隙岩体二维渗流水力学理论模型研究

本研究主要内容包括 :裂隙岩体随机网络模拟、分形几何描述裂隙岩体参数几何特征、二维裂隙岩体等效渗透系数估算、二维裂隙岩体渗流应力耦合 非耦合模型、三维等效连续介质渗流模型、二维裂隙岩体连续介质与离散介质耦合模型、渗流模型与离散元应力模型耦合分析工程问题等。(1)利用三维裂隙网络随机模拟模型 ,针对乌江构皮滩水利枢纽工程平硐裂隙数据 ,研究其裂隙几何参数的分布情况 ,对其中一个优势裂隙组进行了模拟和检验。在模型中 ,基于蒙特卡罗方法 ,对裂隙隙宽的模拟进行了尝试。并应用分形几何的理论对其网络分维和裂隙数分维进行了研究 ,提出应用分形几何来模拟裂隙岩体中裂隙几何参数的方法。(2 )基于裂隙网络的转形 ,提出了裂隙岩块等效渗透系数的简便算法。与数值计算方法比较 ,其计算更简便迅速。 (3)推导了裂隙渗流和应力耦合的理论关系 ,建立二维裂隙岩体渗流应力耦合 非耦合非稳定流模型和三维等效连续介质渗流模型。耦合模型中应用经典耦合关系进行了计算验证 ,模型可以计算多种耦合关系。 (4)建立二维裂隙岩体连续介质和离散介质耦合非稳定流模型 ,并对其数值算法进行了研究。耦合模型使用离散介质渗透理论描述岩体主干裂隙中的水运动 ,使用连续介质渗流理论来描述岩体次要裂隙及孔     

裂隙岩体边坡稳定性的渗流与应力耦合分析

用裂隙岩体渗流与应力耦合分析的四自由度全耦合法对岩质边坡进行耦合分析,通过强度折减有限元法求解岩体边坡的稳定安全系数。四自由度全耦合法建立了同时以渗流水压和位移为未知量的耦合方程组,使得渗流场与应力场的求解能够一次性完成,与两场交叉迭代分析方法相比达到了彻底的完全耦合。通过强度折减,整个系统达到不稳定状态,有限元计算将不收敛,此时的折减系数就是安全系数。算例表明由此求得的边坡稳定安全系数和滑动面都与传统方法十分接近。     

寒区引水隧洞低温相变温度场-渗流场耦合模型及其数值模拟研究

针对寒区引水隧洞围岩冻胀的多场耦合问题,考虑低温相变对岩体温度场和渗流场的影响,结合低温冻结条件下围岩的温度场-渗流场耦合模型,采用有限元法对新疆某电站引水隧洞工程围岩的冻结过程进行分析,研究低温相变条件下隧洞围岩温度场和渗流特性的变化规律。研究结果表明:在长期的冻结过程中,围岩内部形成了冻结区与未冻结区;随着冻结时间的持续,冻结锋面向围岩内部推移,岩体冻结深度和冻结范围不断增大。含水岩体在冻结过程中,水分由未冻结区向冻结区迁移,其渗流速度在冻结缘处达到最大,为1.359×10~(-4)m/s,在未冻结区渗流速度较小,为4.1×10~(-6)m/s。     

裂隙岩体渗流耦合数值分析方法及其工程应用

针对岩体中主干裂隙和网络状裂隙提出了耦合渗流数值模型模拟分析岩体地下水三维渗流的方法。使用离散介质渗流模型描述岩体主干裂隙中的水运动，使用连续介质渗流模型描述网络状裂隙中水运动。连续介质充满整个研究域，离散介质按主干裂隙的实际空间分布嵌入连续介质中，并依据裂隙壁水力条件耦合两者。该方法逐个计算主干裂隙的渗流，充分体现主干裂隙的特殊水力作用；同时又避免了逐个计算网络状裂隙中的渗流所带来的困难，可以在较大尺度上分析渗流，便于工程应用。理论例子显示它能比较客观地反映裂隙岩体的渗流特性。该方法被应用到乌江构皮滩水利枢纽岩体渗流的分析中。     

土石坝渗流热监测理论研究进展

对渗流热监测理论各发展阶段特点与相关研究作了评述,着重介绍了定量研究阶段考虑渗流场影响推求温度分布的正演分析,详述了各渗流场与温度场耦合数学模型的基本原理、模拟对象、耦合机理与模型计算方法,总结了渗流-温度场耦合模型研究的趋势与问题。介绍了耦合模型计算的2个部分(渗流场计算与温度场计算)的研究现状与发展重点,阐述了研究基于非饱和渗流双场耦合的必要性和建立模型涉及的基本理论。对未来的研究提出几点建议:考虑有关参数的温变特性,提高模型仿真精度;开展基于非饱和渗流的耦合模型研究,丰富复杂条件下渗流热监测理论;加强由温度场求解渗流场的反演分析研究。     

裂隙岩体的流固耦合研究现状与应用展望

裂隙岩体渗流研究主要是考虑流体在岩石裂隙中运动规律,尤其是流体渗流和岩体应力之间的相互耦合作用机理。随着工程应用发展的需要,裂隙岩体的流固耦合研究已成为国内外研究的热点问题。通过对国内外相关文献的分析和整理,从裂隙岩体流固耦合的试验研究、理论模型和数值模拟方法等三个方面的进行了论述,并对其工程应用前景进行了展望。