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裂隙岩体渗流非连续介质数值模型研究及工程应用
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宋晓晨
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STUDY ON DISCONTINUUM NUMERICAL MODELS FOR LOW IN FRACTURED ROCK AND ITS ENGINEERING APPLICATIONS
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摘要 由于岩体中通常包含有大量的各种尺度的裂隙，因此其力学和水力学性质即使是在单一岩性岩层中也是高度非均质的。如何合理地表征这种非均质性是裂隙岩体数值模拟的关键点和难点。根据对这种非均质性的不同处理方法，对裂隙岩体中的渗流进行预测的数学模型通常可以分为3种：等效连续体模型、离散裂隙网络模型和混合模型。前一种模型为连续体模型，已经是一种相对成熟的方法，但对于不存在REV或REV很大的裂隙岩体，可能会带来不合理或不正确的结果。后两种方法属于非连续介质模型，近年来得到了快速的发展，其作为力求从细节和底层上再现岩体的非均质性的数学手段，似乎更能刻画裂隙岩体渗流的基本规律，因而具有广泛的发展空间。然而由于计算量过大，非连续介质模型在工程实践应用上会受到制约。本文的主要工作是致力于发展具有工程应用能力的非连续介质数值模型：
首先，提出了一种基于混合边界元-管流的改进的三维离散裂隙网络模型，并研究了提高模型计算能力的方法，使其可以具有更好的工程应用性。给出了离散裂隙网络模型所依据的基本假定；发展了基于Baecher模型的离散裂隙网络计算机随机生成技术；详细地推导了单裂隙渗流和多裂隙相交网络渗流的边界单元法公式，发展了离散裂隙网络中稳态渗流的边界元数值技术，讨论了相关的具体数值技术细节，如角点的处理方法，单元的自动剖分等；描述了混合边界元-管流的模拟方法及其数值实现；研究了裂隙网络的简化方法，并针对裂隙网络边界元法的特点提出了一种改进的分块三角分解法。编制了离散裂隙网络模型单相稳态渗流程序FracFlow。
其次，发展了用离散网络方法确定裂隙岩体等效水力性质的方法。进行了裂隙岩体的多孔介质水力等效性分析，研究了裂隙岩体渗透系数的张量形式，阐述了裂隙岩体等效水力性质的计算方法，包括REV大小的估计和等效渗透系数张量的计算，编制了相关的计算机程序。
第三，将一种用离散的水-气分界面模拟非饱和渗流的数值模型扩展到裂隙网络中，为用本文所构建的离散裂隙网络模型模拟裂隙岩体非饱和渗流提供了一个初步的框架。阐述了用于常开度非饱和裂隙的毛细理论，以及假定的水分特征曲线和非饱和渗透系数。描述了确定裂隙中离散的水-气界面的数值迭代技术。提出了如何将此技术初步应用于离散裂隙网络模型。以FracFlow为基础编制了相关的计算机程序。
此外，本文还在开始部分较为系统地总结了裂隙岩体渗流数值模拟的基础理论、已有成果和研究现状。最后用本文所发展的离散裂隙网络模型分析了虎跳峡水电站下落鱼坝址岩体的多孔介质水力等效性，并估算了坝址区岩体的表征体积单元大小和等效渗透系数张量，成果已用于该工程三维渗流计算，得到了较好的应用结果。
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| 关键词 ：
裂隙岩体渗流,
非连续介质,
混合边界元-管流,
数值模型,
多孔介质等效性,
非饱和带,
虎跳峡水电站
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收稿日期: 2004-11-10
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