三维随机裂隙网络非稳定渗流模型

介绍了在岩体三维随机裂隙网络中进行非稳定地下水渗流分析的数学模型和方法。包括：岩体裂隙系统特征和随机裂隙网络描述，三维裂隙网络非稳定渗流数学模型，交叉点和交叉线识别和有限元数值解，井流量在裂隙网络中的分配方法，排水管道问题，非线性模型的迭代解法等。     

岩体主干裂隙系统三维非稳定渗流分析模型

本文给出了在岩体三维主干裂隙系统中进行地下水非稳定渗流模拟分析的方法。主要内容包括：岩体裂隙系统特征，三维主干裂隙系统非稳定渗流数学模型和有限单元法，交叉点和交叉线识别，防渗帷幕的有限元处理，并流量在裂隙系统中的分配方法，排水管道问题，面状补给作用和面状排泄作用，非线性模型的迭代解法等。最后运用模拟模型对二交叉裂隙和裂隙系统中的轴对称井流问题进行了应用计算，并与分析解进行了比较，验证了模型及其算法     

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     

三维裂隙网络非稳定渗流数值分析

研究裂隙岩体中渗透水流随时间、边界条件的变化规律,从而客观反映渗透水流情况,具有重要的意义。本文针对分布特别稀疏的三维主干岩体裂隙网络,以渗流区内的水量平衡原理为依据建立基本方程,推导三维岩体裂隙网络非稳定渗流的基本方程;并将三维裂隙网络渗流理论及有限元数值方法运用于主干岩体裂隙网络渗流分析中。基于裂隙岩体网络非稳定渗流数学模型,编制相应的程序。对于工程实例,根据实测情况利用Monte-Carlo模拟出岩体中二级裂隙网络分布情况进行分析,然后进行了三维非稳定渗流分析。计算结果充分体现了岩体中裂隙网络的储水性,当边界条件发生变化时,裂隙岩体中水头分布变化存在一定的滞后性;并表明主干裂隙的强导水性,使得裂隙岩体中的主干裂隙的渗流分析成为渗流分析中的重点。     

坝基裂隙岩体三维灌浆数值模拟

坝基灌浆工程地质条件复杂且具有隐蔽性,如何建立能准确反映岩体内裂隙分布情况的三维随机裂隙网络模型,并进行浆液扩散特征的研究是灌浆数值模拟的关键和难点。现有研究大多通过岩体揭露面统计资料估计裂隙的几何参数,无法有效反映复杂裂隙真实特征,且灌浆模拟研究中多将裂隙简化为单一裂隙或规则裂隙网络。本文采用Monte Carlo法建立三维随机裂隙网络模型;提出三维裂隙宾汉姆流体灌浆数学模型,实现对随机裂隙内宾汉姆浆液扩散特征的研究;运用该模型对某水电站坝基裂隙岩体灌浆过程进行模拟,结果表明：浆液主要在与灌浆孔相交的裂隙内流动,灌浆压力在灌浆孔附近衰减速率最快且对浆液扩散的影响较为显著。同传统裂隙灌浆模拟相比,该方法能有效反映复杂裂隙的真实特征,获取更贴近实际工程的灌浆结果,为保障灌浆工程的安全建设和经济合理性提供了理论依据。     

基于三维裂隙网络模拟的随机楔体稳定分析

水工建筑物深开挖边坡中大量出现的随机楔机，是由广泛分布于裂隙岩体中的结构面组成的，研究楔体的稳定性，首先要研究结构面的分布规律，由于裂隙的分布具有随机性与交叉复杂性，目前无法确定性的研究方法进行研究，因此，应用概率与统计学的理论，分析组成楔体结构面的分布及组合特征，采用三维结构网络模拟的方法模拟边坡工程中的结构面分布，进一步研究随机楔体的分布规律是研究这类问题的重要途径。基于三维裂隙网络随机模拟的方法，提出了随楔体稳定分析的方法，可为边坡加固提供理论依据。     

岩体三维主干裂隙网络渗流分析

基于流体力学的基本理论和二维岩体裂隙网络渗流原理，推广得到了三维岩体裂隙网络渗流基本方程。将三维岩体裂隙网络渗流理论及有限元数值方法应用于主干岩体裂隙网络渗流分析中，得到了令人满意的结果。     

网络模型程序化及其应用

引用水管网计算原理将电阻网模型程序化，不仅能更精确、迅速地获取电阻网模型上各地下水渗流问题的解答，还能模拟计算非达酉流和城市自来水管网流量的分配。沿用矩形网络计算电阻值的等效面积单元的方法，并推广到三角形网络，以计算任意不规则网络的问题。最后，给出了规则裂隙组二维和不规则岩体裂隙三维问题的算例。     

裂隙岩体网络注浆渗流规律

本文在裂隙结构模拟的基础上，建立了裂隙网络非牛顿流体的渗流模型，并应用所建立的分析模型进行注浆渗透过程模拟，建立了确定注浆参数的一般方法。在此基础上，本文还讨论了裂隙岩体注浆过程中的渗流和应力耦合问题，分析了应力和渗流耦合对注浆过程的影响。     

坝基岩体裂隙渗流效应数值模拟方法

为获取工程尺度的裂隙岩体三维渗流效应,在裂隙岩体基质岩块和裂隙水力传导特性研究基础上,推导了含裂隙单元渗透系数表达式。基于嵌入裂隙单元（EFE）模型,使用离散裂隙网络（DFNs）技术与连续介质渗流分析方法,提出了利用连续介质渗流分析方法模拟非连续介质渗流效应的数值模拟技术,通过算例对该方法的有效性进行了验证,分析了单元尺度大小对该方法计算准确性的影响,并提出了提高计算精度的措施。工程实例研究表明裂隙岩体渗流分析的EFE模型能够真实地模拟坝基岩体渗流路径和孔隙压力分布,更好地揭示坝基的扬压力实际非规则分布形态。     

COUPLING DISTINCT AND CONTINUOUS MEDIUM MODEL FOR FLOW ANALYSIS IN A FRACTURED ROCK MASS AND ITS APPLICATION

Fractures in a rock mass can be divided into dominant fracture system and network fracture system. An approach for the analysis of three dimensional ground water flow in a fractured rock mass is presented, in which flow in the dominant fracture system is described by a distinct medium model while flow in the network fracture system plus rock matrices (if considered) is described by a continuous medium model, and the two models are coupled by hydraulic head and flux. The coupling model facilitates to calculate one-by-one the fluid flow in the dominant fractures which are functioned as the major water transmission conduits, and it avoids unnecessary calculating fluid flow in individual network fractures which are numerous in number. In this way, the method can be applied to a large-sized calculation domain. In addition, a method of using network geometry data to calculate its equivalent porous permeability is presented in the paper, and the model implementation of water source and sink such as the pumping     

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。     

三维裂隙网络渗流计算的边界元法及程序

岩体力学性质受结构面控制，表现出强烈的各向异性。同时工程地质师多年的实践认为岩石结构面是具有统计性的，因此岩体结构面网络模拟成为研究岩石力性质的新方向。其中裂隙网络渗流模拟，特别是三维裂隙网络的渗流计算是结构面网络模拟研究工作的重点和难点。又由于对于具有随机性裂隙网络渗流的计算，需要多次形成裂隙网络样本，并对每个样本进行多次计算，因此对渗流计算比确定性渗流提出更高的要求。本文基于将单个裂隙看作为一个不可压缩的二维各向同性多孔介质的假定，运用加权剩余法，推导了单裂隙渗流的边界单元法公式。通过将裂隙之间的交线看作为内部边界，推导了多裂隙相交时的边界单元法公式。利用FORTRAN 90语言编制了相应的计算程序BIEMNF。为验证程序的正确性，利用计算实例进行了考核。     

CAPILLARY PRESSURE-SATURATION RELATIONSHIPS IN ROCK FRACTURE

Understanding and quantifying unsaturated flow through fractures in rocky slope is important for design and construction of drainage system in large-scale hydraulic engineering. The data of the hysteretic relationship between capillary pressure and water saturation are primary for simulating unsaturated flow in fractures and analyzing the stability of high rocky slope. The drainage and imbibition curves are measured for a single fracture in granite sample got at construction site of the Three Gorges Project (TGP). The method used in this study for measuring the capillary pressure-saturation relationship , under the conditions of no normal load to rock sample, is generally following the laboratory technique developed by Reitsma and Kueper. A distinct entry pressure, indicating rise to initiate nonwetting phase invasion, was observed. The drainage curve is found to be well represented by van Genuchten porous media capillary pressure function.     

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。     

有自由面三维裂隙网络渗流分析

本文根据岩体中水在裂隙网络的渗流这一特点，引用自由面求解的初流量法原理，研究了被多组平行裂所构成的三维裂隙网络有自由面渗流问题，并考虑了帷幕，裂隙连通率等因素的影响。     

An alternate approach for transient flow modeling in urban drainage systems

Implementing control structures such as gates at suitable locations in the urban drainage network enables its improved utility by actively controlling and optimizing the flow during a flood event. The successful operation of the control structure is fully governed by the suitability and efficiency of the control strategy adopted, which in turn depends on the response characteristics of the urban drainage system under different flow conditions. For an extreme rainfall event, it is necessary to model the transient flow in the urban drainage system. However, such an exercise is mostly restricted by the limited data and lack of in-depth survey of urban drainage systems in most of the developing countries like India. Taking this into consideration, an alternate approach has been presented in this paper for modeling the transient flow in the urban drainage system under limited data availability. The results obtained have also been compared with the finite difference model using four-point implicit scheme in time domain. The developed model can be used for the computation of temporal distribution of water surface profile with special consideration of lateral inflow. The application has been demonstrated by applying it to a representative catchment in Mumbai, India.     

岩体分形离散裂隙网络系统中流体流动模拟研究进展

回顾了岩体裂隙系统的位置、轨迹长度、方位和开度等几何拓扑结构参数的分形特征表征方法,分析了CT扫描技术对分析裂隙分形特征的重要作用,系统介绍了逾渗理论在裂隙网络系统连通性研究方面的成果,并对基于Monte-Carlo随机模拟的岩体裂隙网络系统生成方法和岩体分形离散裂隙网络系统中流体流动模拟等研究成果进行了综述。基于岩体裂隙系统的分形特征和逾渗特征建立的离散裂隙网络系统模型能够真实反映岩体裂隙的结构特征,并揭示岩体分形离散裂隙网络系统中流体流动机理,但目前尚无大型的逾渗数值模拟商业软件,分形离散裂隙网络逾渗模型算法的实现将成为研究的热点。     

岩体粗糙裂隙网络渗流分析的子单元法

岩体粗糙裂隙的细部特征对区域整体渗流分析影响很大,以往渗流分析往往没有考虑粗糙裂隙细部特征以及其对整体渗流分析的影响。提出子单元法来分析岩体粗糙裂隙网络渗流,则可以较好的分析上述影响。子单元法将每一裂隙当成一个单元,裂隙内部则分成若干子单元,裂隙单元的总体水力特征受所有的子单元联合作用控制,而细部水力特征由单一子单元体现。根据单裂隙开度分布统计规律模拟裂隙开度分布,将单裂隙等长分段(子单元),根据模拟开度参数求得裂隙中任一子单元的平均隙宽,进一步推导裂隙的单宽流量公式和子单元结点的水头公式。利用岩体裂隙网络渗流理论,结合粗糙单裂隙等宽流量公式,求得各裂隙结点水头,进一步求得裂隙的单宽流量,进而求得裂隙子单元水头和流速。通过分析可得粗糙裂隙网络渗流与平滑裂隙网络存在明显不同:(1)裂隙网络中任一裂隙单宽流量计算公式不同,粗糙裂隙的等效水力隙宽小于平均隙宽;(2)裂隙内水头分布形式不同,光滑裂隙呈直线状分布,而粗糙裂隙呈阶梯状分布;(3)组成裂隙网络渗流传导矩阵的计算公式不同,粗糙裂隙网络考虑了裂隙细部水力特征对渗流的影响;(4)粗糙裂隙子单元法考虑了裂隙开度分布不均匀对裂隙过流能力的影响,更加合理。本研究可为实际工程提供参考。