岩体离散裂隙网络渗流场与温度场耦合分析
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摘要
岩体渗流场与温度场耦合分析是岩体水力学的重要研究内容之一。系统综述了裂隙岩体渗流-温度耦合的研究现状,阐明了裂隙岩体三种渗流模型的特点、适用范围及裂隙网络非连续介质模型的研究概况,分析了裂隙岩体渗流-温度耦合作用研究及工程应用,指出基于裂隙网络非连续介质渗流-温度耦合分析是目前亟待解决的课题。以岩体离散裂隙网络渗流场与温度场耦合分析研究为核心,主要进行了下述工作:
(1)总结分析前人的研究成果,发展了适用于稀疏裂隙岩体的裂隙网络非连续介质模型,并指出其研究的主要内容。
(2)对岩体裂隙网络生成和裂隙网络渗流进行研究;用Monte-Carlo方法进行裂隙网络模拟;应用离散裂隙网络渗流程序进行渗流分析。
(3)通过对裂隙网络非连续介质温度场的分析,建立基于裂隙网络非连续介质的裂隙水流温度场和岩块温度场控制方程、变分方程、离散方程;分析温度场的定解条件及裂隙水流温度场与岩块温度场在耦合边界上的相互作用,提出两个温度场的耦合计算步骤和程序设计。
(4)进行单裂隙水流作用下岩体稳定温度场分析,单裂隙水流稳定温度场的理论分析,单裂隙岩体-水流传热分析;应用FEPG软件对裂隙岩体二维稳定温度场分布进行了数值模拟。
(5)提出岩体离散裂隙网络渗流场与温度场耦合分析的基本假定,对温度场和渗流场进行相互作用分析,建立渗流场和温度场耦合分析的数学模型,渗流场数值求解采用离散裂隙网络法,温度场数值求解采用有限单元法,提出耦合数值分析的计算步骤及耦合程序设计。
(6)通过具体算例进行裂隙网络非连续介质的渗流场分析、温度场分析及渗流场与温度场耦合分析。
Analysis of coupled seepage and temperature fields in rock mass is one of the issues of rock mass hydraulics. The current research of coupled temperature and seepage fields in fractured rock mass is summarized systemically. A clear comparison is given about the features and application for three kinds of models in fractured rock mass and the achievements on fracture network non-continuum. The research of coupled seepage and temperature fields in fractured rock mass is analysised, and their application is introduced.
It is pointed out that the analysis of coupled seepage and temperature fields in fracture network non-continuum is an emergency task in recent years. For the analysis of coupled seepage and temperature fields in discrete factured network of rock mass, the main research contents are:
(1) The present research results has been summarized and analyzed, the non-continuum model in fractured rock mass has been developed to be used for the sparsed rock mass.
(2)The study on fracture network generation of rock mass and the seepage in fracture network have been carried out. The Monte-Carlo method is used to simulate the fracture network of rock mass, and the seepage program for discrete fracture network is applied for seepage analysis.
(3) The temperature field of the fracture network discontinuum is analyzed. The controlling equation, variational equation and discretized equation have been established in fracture flow temperature and rock block temperature fields which are based on the fracture network discontinuum. The initial and boundary conditions are analyzed. The interaction between fracture flow and rock block on the coupled boundary, the coupled calculating steps and programm have been proposed .
(4) The analysis of steady temperature field in rock mass under single fissure flow, theotetical analysis of steady temperature field in single fissure flow and water-rock heat transfer machanism for non-continuum in fractuerd rock mass are carried out, and the numerical simulation is performed for the two-dimensional steady temperature field of fractured rock mass with FEPG software.
(5) The basic assumption is proposed for coupled seepage and temperature fields in discrete fracture network of rock mass, the mathematical model of coupled two fields is established. The discrete fracture network method is applied to the numerical calculation of the seepage field, and the finite element method is used to solve the temperature field. The calculating steps and programming of coupled analysis are brought forward.
(6) A numerical example is given to illustrate the analysis the seepage field, the temperature field and the coupled seepage and temperature fields in the fracture network.
(1)总结分析前人的研究成果,发展了适用于稀疏裂隙岩体的裂隙网络非连续介质模型,并指出其研究的主要内容。
(2)对岩体裂隙网络生成和裂隙网络渗流进行研究;用Monte-Carlo方法进行裂隙网络模拟;应用离散裂隙网络渗流程序进行渗流分析。
(3)通过对裂隙网络非连续介质温度场的分析,建立基于裂隙网络非连续介质的裂隙水流温度场和岩块温度场控制方程、变分方程、离散方程;分析温度场的定解条件及裂隙水流温度场与岩块温度场在耦合边界上的相互作用,提出两个温度场的耦合计算步骤和程序设计。
(4)进行单裂隙水流作用下岩体稳定温度场分析,单裂隙水流稳定温度场的理论分析,单裂隙岩体-水流传热分析;应用FEPG软件对裂隙岩体二维稳定温度场分布进行了数值模拟。
(5)提出岩体离散裂隙网络渗流场与温度场耦合分析的基本假定,对温度场和渗流场进行相互作用分析,建立渗流场和温度场耦合分析的数学模型,渗流场数值求解采用离散裂隙网络法,温度场数值求解采用有限单元法,提出耦合数值分析的计算步骤及耦合程序设计。
(6)通过具体算例进行裂隙网络非连续介质的渗流场分析、温度场分析及渗流场与温度场耦合分析。
Analysis of coupled seepage and temperature fields in rock mass is one of the issues of rock mass hydraulics. The current research of coupled temperature and seepage fields in fractured rock mass is summarized systemically. A clear comparison is given about the features and application for three kinds of models in fractured rock mass and the achievements on fracture network non-continuum. The research of coupled seepage and temperature fields in fractured rock mass is analysised, and their application is introduced.
It is pointed out that the analysis of coupled seepage and temperature fields in fracture network non-continuum is an emergency task in recent years. For the analysis of coupled seepage and temperature fields in discrete factured network of rock mass, the main research contents are:
(1) The present research results has been summarized and analyzed, the non-continuum model in fractured rock mass has been developed to be used for the sparsed rock mass.
(2)The study on fracture network generation of rock mass and the seepage in fracture network have been carried out. The Monte-Carlo method is used to simulate the fracture network of rock mass, and the seepage program for discrete fracture network is applied for seepage analysis.
(3) The temperature field of the fracture network discontinuum is analyzed. The controlling equation, variational equation and discretized equation have been established in fracture flow temperature and rock block temperature fields which are based on the fracture network discontinuum. The initial and boundary conditions are analyzed. The interaction between fracture flow and rock block on the coupled boundary, the coupled calculating steps and programm have been proposed .
(4) The analysis of steady temperature field in rock mass under single fissure flow, theotetical analysis of steady temperature field in single fissure flow and water-rock heat transfer machanism for non-continuum in fractuerd rock mass are carried out, and the numerical simulation is performed for the two-dimensional steady temperature field of fractured rock mass with FEPG software.
(5) The basic assumption is proposed for coupled seepage and temperature fields in discrete fracture network of rock mass, the mathematical model of coupled two fields is established. The discrete fracture network method is applied to the numerical calculation of the seepage field, and the finite element method is used to solve the temperature field. The calculating steps and programming of coupled analysis are brought forward.
(6) A numerical example is given to illustrate the analysis the seepage field, the temperature field and the coupled seepage and temperature fields in the fracture network.
引文
1. 柴军瑞.大坝工程渗流力学.拉萨:西藏人民出版社,2001.
2. 仵彦卿,张倬元. 岩体水力学导论.成都:西南交通大学出版社,1995.
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9. Hsieh P, Neuman S P, Simpson E S, Stiles G. Field determination of the three dimensional hydraulic conductivity tensor of anisotropic media,2, Methodology with application to fractured rocks. Water Reasources Research,1985,21(11):667- 676.
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