三维裂隙网络线单元渗流模型确定渗透张量研究

摘要

岩体渗流对边坡稳定、隧道衬砌受荷稳定及坝基岩体的承载能力具有显著影响，在水电、交通、采矿、石油等工程领域中，成为引起广泛关注的岩土工程问题。因渗流主要发生在裂隙网络内，离散型裂隙网络模型更能准确模拟实际岩体中的渗流规律。离散裂隙网络数值模拟的关键和实用性在于裂隙概率分布参数的准确取得以及渗透张量的确定和计算规模的缩减。本文采用圆盘裂隙，利用节理迹长与直径分布关系，研究直径分布的高阶精确表达形式，从而高次逼近直径分布函数。基于裂隙中水流的沟槽流形态，提出渗流网络的线单元模型，以工程实际校正的渗透张量作为目标，采用改进的遗传算法进行反演拟合，得到等效线单元管径与隙宽比值，从而可解得给定产状岩体的等效渗透张量。除此之外，还研究了计算规模缩减对渗透张量求解的影响。具体为:
　　模拟裂隙的参数中只有节理的大小是无法通过现场测量统计得出的，现场测量只能统计得出迹长的分布形式。裂隙形状采用圆盘形，节理大小可用圆盘直径表示，根据迹长和直径的空间关系，得到直径分布的高阶精确表达形式。数值模拟结果表明，对于迹长为负指数分布的裂隙，利用低阶精度的直径分布函数产生的迹长，表现为对数正态分布形式;随精度阶次提高，模拟迹长逐步表现为负指数分布，且与给定的分布曲线逐步逼近。
　　根据现场测量及相关演化的裂隙统计参数模拟生成相应的裂隙网络，并利用深度优先搜索去除对渗流没有贡献的裂隙，得到渗流通道。依据裂隙间的相交关系，将裂隙网络概化为以裂隙圆盘圆心、相交圆盘交线中点为节点，相交圆盘圆心与交线中点连线为单元的三维裂隙网络线单元模型，以工程实际校正的渗透张量作为目标，采用改进的遗传算法进行拟合，得到等效线单元管径与隙宽比值为11.5069，同时得到给定产状岩体的等效渗透张量。利用裂隙几何参数张量法计算渗透张量，通过比较可见离散裂隙网络模拟方法更加精确。为使裂隙网络模拟更有实用价值，研究缩减计算规模效应及相应误差，就算例而言，当缩减规模达到0.8时，渗透主值和主方向误差不大。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 确定裂隙岩体渗透张量的常用方法

1．2．1 现场压水试验法

1．2．2 裂隙几何参数法(张量法)

1．2．3 反演法

1．2．4 非连续裂隙网络(DFN)方法

1．3 本文的主要研究内容

第2章 三维岩体结构面网络的计算机模拟

2．1 Baecher模型介绍

2．1．1 整体坐标系

2．1．2 结构面的方位

2．1．3 节理形状、大小及分布

2．1．4 节理的位置及密度

2．2 概率分布形式的说明

2．2．1 Fisher分布

2．2．2 Bingham分布

2．2．3 对数正态分布

2．2．4 负指数分布

2．3 岩体三维裂隙网络生成

2．3．1 裂隙随机数的生成

2．3．2 [a，b]区间内均匀分布随机变量的产生

2．3．3 负指数分布随机变量的产生

2．3．4 正态分布随机变量的产生

2．3．5 对数正态分布随机变量的产生

2．3．6 Fisher分布随机变量的产生

2．4 裂隙筛选

2．4．1 裂隙的平面方程

2．4．2 三维全局坐标与裂隙面局部二维坐标

2．4．3 两裂隙的交线

2．4．4 裂隙的迹线

2．5 本章小结

第3章 圆盘节理直径分布函数确定的高阶解析方法

3．1 由实测迹长求直径随机变量的几种常用方法

3．2 高阶解析方法

3．2．1 测线法采样

3．2．2 测窗法采样

3．3 分布函数数值模拟验证

3．4 本章小结

第4章 空间一维线单元渗流网络模型

4．1 离散裂隙网络模型的基本假定

4．2 离散裂隙渗流模型的简化

4．3 一维有压渗流问题的有限单元解法

4．3．1 克劳特(Crout)直接解法

4．3．2 改进的预处理共轭梯度法求解线性方程组

4．4 渗透张量求解

4．4．1 基本概念

4．4．2 渗透张量的数值模拟求法

4．5 反演法确定线单元管径与隙宽的比值

4．6 程序设计

4．7 本章小结

第5章 算例验证

5．1 渗透张量计算

5．1．1 文献数据

5．1．2 裂隙网络模型

5．1．3 计算规模缩减研究

5．1．4 用裂隙几何参数(张量法)确定渗透张量

5．2 工程实例验证

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介