（岩土工程专业论文）裂隙岩体热流模型研究.pdf

摘要 裂隙岩体的渗流状态对工程安全起着举足轻重的作用。本文在阅读国内外大量文献的 基础上，详细分析了裂隙岩体中相互影响的渗流场和温度场的分布特征，建立了能真实反 映裂隙岩体温度和渗流分句的裂隙岩体热流模型。基于流体力学和传热学的基本原理，分 析了平板裂隙渗流和圆柱形通道渗漏两种情况下整个裂隙岩体的温度分布特征，讨论了流 量、流体与岩体温差等因素对裂隙岩体温度场分布的影响，根据现场温度场分布，推导出 裂隙内的渗流量、等效水力隙宽等渗流场参数，如此实现：采集大量现场温度数据呻总结 温度分布特征斗反演现场裂隙水流通量、等效水力隙宽等水文地质参数，从而实现利用温 度场探漏的目的。最后，结合具体工程实例，验证了模型的正确性。本文主要工作如下： ( 1 ) 分析了裂隙岩体的温度场、渗流场分布特征以及相互影响。大裂隙或断裂在渗 流区域中起主要导水作用，直接影响温度场的分布，而低温水流的加入使整个地区形成以 裂隙为最低温度面，形状近似平行于裂隙分布的温度场。 ( 2 ) 建立了平板裂隙热流模型。针对裂隙岩体中裂隙对渗流的主控作用，借鉴了单 裂隙平行板模型，考虑了对流换热，根据动量守恒、质量守恒和能量守恒定律建立了平板 裂隙热流模型，并分别进行了稳态和瞬态下的一维和二维建模与求解。 ( 3 ) 建立了圆柱形渗漏通道热流模型。根据裂隙岩体地区现场实测的渗漏通道有许 多为圆柱形这一情况，类比平行板热流模型，建立了圆柱形渗漏通道热流模型，借助数学 物理方法对模型进行求解，得到稳悉、瞬态热流模型下的一维和二维解析解。 ( 4 ) 结合工程实践，应用所建立的数学模型对工程中的渗流场分布以及相应的水文 地质参数进行计算分析，并与通过现场试验结果对比，验证了模型的正确性。 关键词：裂隙岩体、渗流场、温度场、对流换热、热流模型、等效水力隙宽 a b s t r a c t l e a k a g ei so n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h es a f e t yo fp r o j e c ti n 舳c t u r e dr o c k m a s sa r e a s b a s e do nt h es t u d yo fe x t e n s i v ed o m e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r e ，t h ed i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fs e e p a g ef i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l di ss t u d i e d ，a n dt h eh e a t - f l u i dm o d e lw h i c h c a nr e f l e c ts e e p a g ea n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f f r a c t u r e dr o c km a s so b j e c t i v e l yi se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h ef u n d a m e n t a lo ff l u i dm e c h a n i ca n dt h e r m a lc o n d u c t i o n , t h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co ff l a t s l a ba n dc o l u m ns e e p a g ei nr o c ki i 脚sa r e a si sa n a l y z e d b e s i d e s ，s o m ei n f l u e n c ef a c t o r s , s u c ha sa m o u n to fs e e p a g e ，t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e n f l u i da n dr o c ke ta la r ed i s c u s s e d t h e r e f o r e ，s e e p a g ev o l u m e ，e q u i v a l e n th y d r a u l i ca p e r t u r e c o u l db ec a l c u l a t e db ys p o tt e m p e r a t u r ed a t a - a tl a s t , ac a s ei sg i v e n , w h i c hc o n f i r mt h ev a l i d i t y o f 靶c h t h e o r y t h e m a j o r c o n t e n t s a r e a s f o l l o w s ： ( 1 ) t h ed i s t r i b u t i o na n di n t e r r e l a t i o nb e t w e e ns e e p a g ef i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l df l l e a n a l y s e d b i gf r a c t u r ea n df a u l tp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nw a t e rc o n d u c t i n gw i t h i nt h ew h o l e s e e p a g ea r e a s ，w h i c hd o m i n a t et h ed i s t r i b u t i o no ft c m p e r a t u r ef i e l d d u et ot h ee n t e r i n go f l o w t e m p e r a t u r ew a t e r , f r a c t u r eb e c a m et h el o w e s tt e m p e r a t u r ep l a n eo ft h ew h o l et e m p e r a t u r ef i e l d w i t ht h ei s o t h e r mp a r a l l e l l i n gt of r a c t u r es t r i k e ( 2 ) p r o f i t s f r o m p a r a l l e l p l a t e m o d e l i n f r a c t u r es e e p a g e ，a p a r a l l e l p l a t e h e a t - f l u i d m o d e l i se s t a b l i s h e d c o n s i d e r i n gt h es e e p a g ed o m i n a t ee f f e c to ff r a c t u r e ，a n dc o n v e c t i v eh e a tt r a m f e r , b a s e do nm o m e n t u mc o n s e r v a t i o n , m a s sc o n s e r v a t i o na n de n e r g yc o n s e r v a t i o n , a1 da n d2 d m o d e lu n d e rs t e a d ya n dt r a n s i e n ts t a t ei se s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l y , t h e nt h es o l u t i o no fe a c h m o d e li sp e r f o m e d ( 3 ) c o m p a r e dw i t ht h ep a r a l l e lp l a t eh e a t - f l u i dm o d e l 。ac o l u m n i f o r mh e a t - f l u i dm o d e l w a se s t a b l i s h e d t h e r ea r ea l s om a n yc o l u m u i f o r ml e a k a g ep a s s a g e si nf r a c t u r em a s sa r e a s b a s e do nf i e l di n f o r m a t i o n , s oi ti sn e c e s s a r yt os e tu pac o l u m n i f o r mh e a t f l u i dm o d e l ，w h i c h a l s oi n c l u d i n g1 da n d2 dm o d e lu n d e rs t e a d ya n dt r a n s i e n ts t a t e t h ea n a l y t i c a ls o l u t i o n so f t h o s em o d e l sa r ec a l c u l a t e db ym e a n so f m a t h e m a t i c a lp h y s i c a lm e t h o d ( 4 ) c o m b i n i n g w i t l lt h ec o n s t r u c t i o np r a c t i c e t h em o d e li sa p p l i e dt os t u d yt h el e a k a g e f i e l dd i s t r i b u t i o n , t oc a l c u l a t et h eh y d r o g e o l o g yp a r a m e t e r s t h er e s u l ti sn e a rt of i e l dt e s tr e s u l t s ， w h i c hc o n f i r mt h ec o f f e e t n e s so f m o d e l k e yw o r d s ：f r a c t u r e dr o c km a s s ，s e e p a g ef i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r , h e a t f l u i dm o d e l ，e q u i v a l e n th y d r a u l i ca p e r t u r e 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者c 签名，： 么筑芝l2 。7 年弓月加日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：么 扛易 2 0 0 7 年弓月伽日 第一章绪论 1 1 研究意义 第一章绪论 在有关岩土工程稳定性的各种影响因素中，地下水的作用是不容忽视的。国内外现有 资料表明，由于渗流冲刷而导致土石坝破坏甚至失事占到所有事故的比率高达4 0 哆与 渗流相关的滑坡破坏事故也占到1 5 左右。据1 9 8 0 年不完全统计，我国水库大坝的事故总 数为2 9 7 6 次，其中，由渗漏破坏引起的事故占2 9 1 1 。在国内2 4 1 座大型水库发生的1 0 0 0 多宗工程事故中，因渗漏管涌造成的事故占3 1 1 7 。1 9 8 6 年，大坝安全监察中心曾对电力 系统1 0 4 座水电站大坝进行了普查，发现水电站大坝存在多种病害，存在坝基坝肩渗漏的 有5 4 座，存在坝体裂缝漏水的有6 3 座。对于河道堤防存在的隐患，据我国近期7 6 例堤防险 情的分析可以看出，渗漏是5 种最主要隐患之一。另外，变温对岩土工程稳定性的影响也 开始得到各方重视【2 l 。因此，考虑渗流场与温度场相互作用是岩土工程学科的重大研究课 题之一。 裂隙岩体作为岩土工程中最普遍的地质体之一，研究其地下水的运动规律具有巨大的 工程意义。裂隙岩体地区的水利水电工程、各种水工建筑物往往由于渗漏引发溃坝、岩体 失稳、岩爆、涌水、热害等地质灾害问题，因此渗漏问题是裂隙岩体地区影响工程安全的 最重要问题之一，研究裂隙岩体的渗流规律十分必要。而裂隙岩体中往往存在着大小不等、 分布不均的裂隙，裂隙的大量存在，严重影响着岩体的渗流特性。岩体的裂隙率比孔隙率 小几个数量级，而裂隙的渗透率却比孔隙的渗透率大几个数量级。因此，裂隙岩体渗流主 要受裂隙的网络结构和渗透特性控制，研究岩体中裂隙的渗流性质，对于查明裂隙岩体的 水力特性具有十分重要的意义例。 经典渗流理论是以连续介质假定为基础，而近代连续介质力学是建立在质点或“表征 体积单元”( r e p r e s e n t a t i v ee l e m e n tv o l u m e ) 的基础上的。它是利用统计的方法来求解由许 多孔隙组成的一个系统中的流体运动方程。因为组成微观孔隙介质渗流的独立的微运动的 数量的增加，将会显示出整体上的统计的规则性，从而可以被看作为流体的一个整体运动。 根据这样的观点，由大量颗粒和孔隙组成的多孔介质就可以被描述为连续介质，其性质用 大量的微观结构的平均性质来表征。贝尔( j b e e r ) 于1 9 7 2 年利用r e v 的概念证明从使用的观 点可把多孔介质抽象为连续介质。 引入表征体积单元，就可以把实际上离散型的多孔介质抽象为由表征体积单元组成的 连续介质，只要表征体积单元与研究域的尺寸相比很小，就可以利用连续介质渗流理论进 行分析，对于土体，其表征体积单元很小，可以直接用连续介质渗流理论进行分析。 但是裂隙岩体中的渗流和传统的多孔介质渗流存在着本质上的差别，这种差别主要表 i 海人学舰i 学位论文 现为裂隙岩体在各种尺度上存在的非均质性1 4 l 。在流体通过岩石流动的过程中，尽管孔隙 也可以作为渗流通道，但裂隙扮演着更重要的角色。裂隙多在二维方向上延伸，其两个方 向上的尺寸比第三个方向大得多，并且其延伸尺度可以达到整个研究区域，其大小可以从 几厘米或更小变化到几千米。这些必然决定了岩体渗流不同于一般的多孑l 介质，不能再用 传统的均匀介质渗流理论进行渗流分析。 正是由于对这种差别认识的不足，导致了如1 9 5 9 年著名的法 m a l p a s s e t 拱坝在初次蓄 水时溃决，造成4 0 0 余人丧生。m a l p a s s e t 拱坝结构设计符合规范，施工质量良好，其破坏 原因使工程师们甚感困惑，之后经反复分析，认为裂隙岩体渗透系数对应力场比较敏感是 造成溃坝的重要原因，在1 9 6 7 年公布m a l p a s s e t 拱坝事故报告中对此作了确认。1 9 6 3 年，意 大利的v a j i o n t 拱坝库水位上升到7 0 0 m 高程时，左岸发生约2 5 x 1 0 8 m 3 的大型滑坡，引起库 水浪涌，致使下游一村庄被毁，约2 5 0 0 人丧生。事后的分析再次表明，库水的渗透压力引 起了岩体的变形和破坏，是造成滑坡的主要原因【4 】。这些巨大的灾难在当时震惊了工程界， 于是关于裂隙岩体渗流的实验和理论研究逐渐得到了重视，也迫使我们必须对其规律性进 行深入研究。 在裂隙岩体地区，沿大的断裂、结构面或裂隙容易形成集中渗漏通道，之后，在较强 的类似于管道流的水体冲刷下，对周围岩体进一步掏蚀，会导致这些岩体进一步向管道内 部坍塌，并被带走，致使通道越来越大。管道半径增大将进一步导致管道内的流速加大， 从而对周围岩体的冲蚀增加，将可能导致坝体或坝基塌陷或坍滑。其演变过程通常是管涌 一集中漏一塌陷或坍塌一溃决【卯。 因而，管涌和集中渗漏通道形成后必须及时进行抗渗处理，以防止集中渗漏继续发展 造成的险情。但是在实施抗渗措施之前，对堤坝中的渗漏通道的位置、流量大小、渗漏范 围必须有比较准确的探测。只有在准确探测以上渗漏通道特性的前提下才能设计出合理抗 渗处理措施以及抗渗措施范围、抗渗力度等，以达到事半功倍，减少工程实践的盲目性。 长期以来，堤坝探漏研究已经成为水利工程和岩土工程的一个重要研究课题。 温度场探漏是该领域的新课题，属于天然示踪法的范畴。天然示踪法是区别于人工示 踪法提出的，它通过对地下水温度、电导、磁场、天然同位素等天然存在的物理场特征进 行观测分析，并研究其对应于发生渗漏时的异常特征，从而根据异常情况来推测计算堤坝 中渗漏通道的位置、流量等水力传导特性。 温度是靠介质传递的，介质的几何形状对于渗透性影响极大，但对于热传导系数的影 响却相对较小。热传导系数仅与材料有关，与地层介质的几何性质关系很小。钻孔中的抽 ( 压) 水试验反映的仅是某点附近的渗透情况，而钻孔中的温度场分布则可反映整个研究区 域渗漏量的情况。由于水的热传导系数接近岩石，对于均质和非均质岩体介质的渗流其热 传导性质基本上是相同的，所以可以通过研究裂隙岩体区的温度分布来进行定量的裂隙岩 体渗流方面的研究，并可以克服其他方法的不足。 温度场属于天然的物理场，因而在探漏中不需要人工形成特定的物理场，减少了探测 2 第一章绪论 工序的环节，不需要人工形成特定物理场设备和装置，同时也不用象同位素示踪进行昂贵 的同位素测定，也不像地震和电法一样做复杂的信号处理，进行温度场测试不会给地质体 产生附加效应，特别是相对于人工同位素，不会对人体产生任何辐射，在地质体中产生遗 物等。所以利用温度场探测堤坝的渗漏有成本低廉，高效，节能环保等突出优点。 值得一提的是，目前有关裂隙岩体渗流场与温度场之间相互作用关系的研究中大都把 裂隙岩体看作连续介质或等效连续介质来处理，而任何裂隙岩体都是非连续介质，连续介 质则是一种数学抽象1 6 j 。这种等效处理对指导工程实践显然存在一定程度上的失真，尤其 是对于裂隙稀疏或存在一些断层的情况，采用连续介质的方法将会造成较大的误差，进而 对指导工程实践产生较大的影响。因此将裂隙岩体视为非连续介质，来进行渗流场与温度 场之间相互作用的机理研究就显得非常必要。 基于以上温度场探漏的优势，且在研究裂隙岩体模型中对非连续介质模型的研究工作 较少，本文在以往研究的基础上，努力建立能比较真实反映现场状况的热流模型，努力在 温度场探漏定量化、模型化和独立化上进一步深入研究。同时希望能推动本领域理论研究 发展和实践应用，为有效治理堤坝渗漏设计、施工提供科学依据和建议。 1 2 国内外已有研究成果及目前研究动态 1 2 1 温度示踪渗流监测技术研究现状及发展 温度是地下水渗流场良好的天然示踪剂。地层中的温度随深度增加而增加，在地壳浅 层，一般情况下，深度每增加l o o m 地层的温度增加3 。地层中的温度异常提供了有关地 下水渗流场的特定信息。地层温度的升高或降低不但来自地层中流动的地下水带来的能 量，而且还与热传导有关。理论分析表明，很缓慢的地下水流( 每年数厘米量级1 就可以造 成明显的温度异常。可能在区域尺度上造成热异常的平均渗透率的临乔值为1 0 1 5 m ：( a p l 毫 达西) p j ，由此看出，温度场可以敏感地体现出渗流场的变化。 水在4 c 时的密度最大，无论在什么季节，库底的水温都是较低的。如果在坝基或坝 肩的裂隙岩体中存在集中渗漏通道，水库底部附近的低温水或水库上部的高温( 或低于4 。c 的低温) 水将沿着裂隙岩体中的渗漏通道补给到坝后区，如果库水( 一般为低温) 与岩体( 一 般为高温) 的温度不同，则在渗漏通道附近将形成一个低温场( 或高温场) ，低温场( 或高温 场) 对应的中心就是强渗漏通道的中心位置。地层中的温度场分布与边界条件有关，具体 说就是与库水及岩体裂隙的温度、库水的渗漏量等参数有关，当渗漏量与库水中的温度场 相对稳定时( 例如库水位相对稳定) ，渗漏通道附近的温度场与时间无关，地层温度场的分 布稳定，此时可以通过建立相应的热流模型来确定地下水流动所带来的维持这个温度场所 需的热能，根据能量守恒采用反分析方法可以求出渗流量等参数，如果知道了地层的性质， 如断层、溶洞或破碎带等介质，就可以求出地层的渗透系数等参数。通过在裂隙岩体断面 河以人学坝i 学位论文 上的温度分卸，就可以了解裂隙岩体的渗流情况，通过测定不同断面上的温度差，就可以 计算出渗流量。 因此，温度示踪渗流监测技术的原理就是，利用一定的测温设备埋在岩土体的不同部 位、不同深度进行测温，如果测量点处或附近有渗流水通过( 渗漏流速一般必须大于 1 0 6 m s ) ，水流的运动和迁移将使岩土体中热量传递的强度发生改变，将打破该测量点处 附近温度分布的均匀性及温度分布的一致性，岩土体温度随渗流水温度变化而变化。在研 究该处正常地温及参考水温后，就可独立地确定测量点处温度异常是否由渗漏水活动引起 的，这一变化可作为渗漏探测的指征，从而实现对土体内集中渗漏点的定位和监测，国际 上少数国家较早开始利用监测水工建筑物基础温度的方法来监测水工建筑物基础的渗流 状况。这是一种基于地球物理学的探测技术，称为温度示踪渗流监测技术嗍。目前，国内 外就此方面已经进行了一些研究。 美国加利福尼；1 1 ；o c c i d e n t a l 大学地质系的j o s e p h h b i r m a n 等人从1 9 5 8 年开始通过在水 工建筑物或其基础内埋设大量热敏温度计来进行温度测量来勘探地下水，1 9 6 5 年 j o s e p h h b i r m a n 将这一技术用于水坝的漏水探查，并申请了专利。紧随其后，在从上世纪 七十年代以来，美国、德国、西班牙等国也开始采用温度场来研究大坝渗漏，将温度作为 天然示踪剂，通过温度异常来发现坝体异常发现坝体、坝肩或坝基是否存在集中渗漏【9 9 1 。 1 9 9 6 年以来，慕尼黑科技大学采用光纤测温，对光纤金属导线的电能输入为3 8 w m 8 0 w m ，时间持续3 h ，然后对比加热前后的温度分布，结果显示渗漏区的温升明显低于 无渗漏区，如下图所示【妒2 1 1 。 p 越 嘲 x mz m ( a ) 梯度法( b ) 电热脉冲法 c 渗漏位置id 渗漏开le 渗漏关if 加热开始前 03h 加热ih 加热停止3 0 m i l l 后 图1 1 梯度法和电热脉冲法试验结果 8 0 年代后，我国引入该方法，相关专家对其进行了研究 2 2 - 2 3 。对新安江、湖南镇等水 库进行了绕坝渗漏通道的探测，并取得了成功，后来又将该方法推广到河堤渗漏探测领域， 成功探测出北江大堤石角段基岩管涌渗漏通道和江都高水河船厂段堤防渗漏范围【2 4 2 卯， 进一步推广应用于基坑等有关岩土工程中的渗流问题【2 6 1 。2 0 0 5 年长科院李端有等【2 7 墚用分 卸式光纤温度测量技术，通过埋设在建筑物或基础内的光缆实现对沿程各连续测量点进行 j 时温度采集，并能对测量点进行空间定位。 王锦国，周志芳【2 8 】等基于地下水热量运移的基本原理提出了地下水热量运移问题的 4 第一章绪论 b e m f a m 耦合法，通过该方法不仅可以直接计算出地下水流速度，而且避免了对流扩散 方程数值解中的数值弥散和数值振荡，提高了计算精度。对溪洛渡水电站工程地下水热量 运移问题进行了模拟，计算结果与地质分析的结论一致。 刘建刚【2 4 l 应用平面热源法分析江水位升降期北江石角段堤基内地下水实测温度场，以 判断基岩中断层的位置、产状和渗透性，并认为断层为强透水通道，是造成洪水期堤基渗 漏的重要原因。 周志芳等 2 9 1 分析了河流峡谷区地下水温度异常特征，定性研究了区域地下水的渗漏状 况。 h h 叶尔马科娃等1 3 0 】通过对皮罗戈夫斯克水利枢纽渗透的温度观测，得出在对水工建 筑物渗透进行实地观测时主要是采用流体动力学法，但是在解决实际问题时，地下水的热 状态资料能够提供一些辅助信息，即揭示并圈定渗透点范围、渗透源和排水区、地下水流 主要运动途径，确定地下水与表面水体的关系，确定含水层之间的相互关系以及渗透源的 成因等。 董海洲等懈渗漏通道看作是一个线热源，利用虚拟熟源法推导出了地层中过余温度 公式，提出了一个利用孔中温度分布研究堤坝渗漏的简化模型。利用该模型可以计算出堤 坝渗透流速，为工程加固提供科学依据。 陈建生，董海洲等p 2 荆用虚拟热源法研究坝基裂隙岩体中存在的集中渗漏通道。将集 中渗漏通道看作是一个虚拟线热源，根据渗漏通道阿部的温度是由水流带来的，其外部的 温度是靠热传导进行，以及热传导及能量守恒理论，推导出温度在地层中的分布趋势，通 过温度分布曲线确定出渗漏范围，根据低温的渗漏水从地层中吸收热量，等于地层则释放 出热量求出渗漏量，建立了堤坝渗漏量的虚拟热源法模型。 王新建等【3 3 j 根据渗流和渗漏情况下堤坝温度场特征及温度示踪基本原理，对复杂的实 际问题进行科学简化合理假设，把集中渗漏通道简化为圆柱状并作为边界条件，结合钻孔 探测温度实际，运用稳定热传导理论，建立了圆柱状堤坝渗漏温度示踪模型。利用测井温 度曲线的最大异常温度，进行模型计算，能较独立的运用温度和热传导模型计算渗漏通道 的特征参数。 温度场探漏的发展历程显示，在温度探漏初期，主要是通过收集温度在堤坝中分布的 异常特征绘制反映堤坝异常的温度曲线，对比堤坝环境( 库水或江水，大气) 温度变化特征 来定性推断堤坝中可能存在渗漏范围；然后一些学者借鉴热传导部分理论建立了土体温度 探测理论模型p 4 弓9 】。但是这些模型大多是建立在十分理想的条件下，远不成熟，加之所需 要的热物理参数实际测得很困难，在实际应用上，并没有见到利用这些模型的计算结果， 多是利用原理模型定性分析；直到最近陈建生，董海洲1 3 2 l 发展起来的热源法模型，基于能 量守衡计算渗漏量，基于图示法计算渗漏通道半径，才真正意义上实现了温度场探漏定量 模型的工程应用，但是在精度要求上仍需要改进。 i l f 海人学坝i 学位论文 1 2 2 裂隙岩体温度渗流相互作用研究现状 岩体( 特别是裂隙岩体) 是处于一定的地质环境中的，地下水、地应力和温度是地质环 境中的三个主要的因素，且这三者之日j 相互联系，相互作用，相互制约，形成岩体渗流场、 应力场、温度场三场耦合效应【6 】。在研究三场耦合作用机制时一般先进行等效化处理，将 研究对象看作是连续介质或等效连续介质，在此基础上先进行两场相互作用的研究，进一 步发展到三场耦合。目前很多学者已经就此方面作出了研究。 吉小明【柏】对裂隙岩体进行了等效化处理，在一定假设和简化的基础上将岩体视为饱和 多孔介质，利用混合物理论，推导出裂隙岩体等效连续介质温度场、渗流场和应力场三场 耦合的全耦合数学模型及其控制方程。 张树光【4 l 】基于传热学和渗流理论建立了深埋巷道围岩的热扩散数学模型，结合边界条 件采用m a t l a b 对其进行了数值求解，获得了在风流和渗流耦合作用下围岩的温度场和温 度矢量分布。研究结果表明，无渗流状态下温度场和温度矢量呈对称分布，风流速度对温 度分布有明显的影响，但不改变其对称分布的状态。渗流改变了温度场和温度矢量原有的 对称分布的状态，热交换平衡区随着渗流速度的增加，将向顺渗流的方向移动。 柴军瑞、黄涛、刘建军等1 4 2 删通过对一些岩体渗透性能与热物理性能的等效连续化 处理，初步建立了岩体温度场与渗流场耦合作用数学模型，得出裂隙中的渗流通过与岩体 的热量传递影响着温度的分布。 总结以上研究现状，提出的主要数学模型为：1 4 3 捌】 ( - - ) 两两耦合模型 温度场和渗流场耦合的连续介质模型为： 岩土体温度场、应力场耦合作用的数学模型为 j 毒( 碱o 靠a t ，) + ，- c a 讲t - l 【a ( 丁) + g ( r ) p ，+ g u ，且+ f + ( 口p ) ，= 0 渗流场与应力场耦合作用的控制方程为 j v f t ( r a p ) 忡= 警 【( 五+ g ) “，+ g q + f + ( 口p ) ，i = o ( 二) 三场耦合的控制方程 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 1 0 卜 堑部监玎 岬 盟钟 ，l r 订一甜 嗍 监玎 附 c 力 生 卜 坠西卜 玎一鹭 瑙 型钙 旷 巧 加旦饥 伊 k o 印 塑魄 丝奄、 仍 ，二 c 仁塑西 第一章绪论 三场耦合控制方程一般由以下三个方程联立构成： 渗流场控制方程为： 丢( 眉+ 参( 髟争+ 昙( 石争+ 夏o ( 马石0 t ) + 万a ( b 万a t ) + 云a ( 缉旁c a t + q = 瓦鲁 ( 1 4 ) h 为渗透水头，t 为温度，d t 为温差作下的水流扩散率，k 为渗透系数，是温度和应力 的函数，常用经验关系式k = k o ( r ) e ”来确定，q 为源汇项，s s 为储水系数，x ，y ，z 为笛卡儿坐标系的三个主方向。 温度场控制方程为： 昙罢，+ 石c a 石a t ，+ 鲁c a 署，一气成【旦擎+ 笔产+ 皇字】+ g = 叮詈 ( 1 5 ) c , p , a 分别为岩体的比热、密度和导热系数，是应力的函数；勺，凡分别为水的比热 和密度，是应力的函数；匕，匕分别为渗流速度的三个分量，是水头的函数；g 热 量的源( 汇) 项。 应力场控制方程为： ，+ 刀( 日) + ( r ) = o 白= 吾( ”叶，) a ( r ) 毛+ 2 g ( r ) 乞 一= c ( 月。) + e ( r ) ( x ，y ，z ) = 丽；历 ( x ，y ，z ) q o ，y ，z ) q ( ，弘z ) q ( 1 6 ) o ，y ，z ) 髟 ，y ，z ) 式中：q 为整个求解区域，q ，( x ，y ，z ) 为应力张量场；毛为应变张量场，辑为位移场 一些学者 5 2 - 5 7 1 针对寒区特殊情况研究了考虑相变以及冻融影响下的t h m - - 场耦合机 理。从各自耦合过程特征出发，从数学建模和数值求解的角度对渗流场、应力场、温度场 耦合作用机理进行了探讨，确定了土体冻融过程中三场之间的耦合作用关系和求解冻土工 程闯题的计算方法。并通过算例表明渗流对寒区的温度场影响很大，并且不能忽略冻胀力 对构筑物稳定性的影响。 但是以上研究一般针对等效连续介质。而岩体本身的特性使我们必须考虑其非均质和 非连续性，于是关于裂隙岩体t h m 耦合的研究也在逐渐向非均质方向考虑。由于非均质的 复杂和非线性，一般都是从最简单的单裂隙开始研究，对于单个的裂隙，国内外专家已提 出了若干种可考虑热一水一应力耦合作用的节理模型，如n o o r i s h a d t 5 8 1 、n g u y e n 5 们、t i j a n i t 删 和张玉军【6 i 6 2 1 等。 王如宾，柴军瑞【6 3 】等对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，得出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，温 7 m 海人学坝l 学位论文 度场可叠加到渗流场上，但不影响该渗流场，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，温度场的分御变化也越大。 张玉军【6 2 l 等尝试将b a r t o n b a n d i s 模型和o d a 的裂隙张量理论结合起束应用于饱和一非 饱和裂隙岩体中热一水一应力耦合过程的计算分析，研制了相应的二维有限元程序，得出 由于不连续面的存在减弱了母岩的刚度和增大了其透水能力，使得裂隙岩体中的应力集中 程度降低和渗流速度提高，从而热源产生的热量可较快地被水流传输到周围区域中去，岩 体中的温度和负孔隙水压力量值也相对较低。 1 3 问题的提出及本文的工作内容 1 3 1 问题的提出 从以上研究现状可以总结出以下几条需要解决的问题： ( 1 ) 已有的温度场探漏模型都是建立在十分理想条件下，远不成熟，加之所需要的热物 理参数实际测得很困难，在实际应用上，并没有利用这些模型计算结果，而是利用原理模 型定性分析实例；直到最近陈建生，董海洲发展起来的热源法模型，基于能量守衡计算渗 漏量，基于图示法计算渗漏通道半径，实际应用很方便，但是缺乏精度。 ( 2 ) 已有温度场探漏大多是单纯利用热传导理论来解决渗漏问题，没有考虑流体与固体 界面之间的对流换热，或者把渗漏看作是边界条件或者简化为线热源，这显然对具有一定 尺度的渗漏区域是不精确的，因此，应该寻求能同时考虑考虑渗流场与温度场相互作用的 热流模型。 ( 3 ) 目前研究裂隙岩体渗流场和温度场相互作用时，一般都是先对裂隙岩体介质进行等 效处理，然后按照连续或等效连续介质模型处理，尤其对于一些有较大裂隙和大断裂存在 的地区这样显然不能很好地同实际情况相符合。因此，如何建立能更好地反映实际地质情 况的物理模型值得研究。 ( 4 1 研究裂隙岩体渗流与温度相互作用是一个极其复杂的问题，单裂隙作为最简单也是 最基本的裂隙岩体构成体，其相应的温度场、渗流场模型至今还没有完整建立，因此，需 要针对单裂隙建立更逼真，更科学的模型。 ( 5 ) 由于裂隙发展的复杂多变性，整个裂隙岩体渗流并不等同于将所有裂隙简单叠加。 裂隙的复杂展布和发展使得完全统计所有裂隙无法实现，同时，计算机的计算能力有限， 不允许精确模拟计算所有裂隙和孔隙，因此，在进行分析计算时，要寻求最科学的方法来 处理不同规模的孔隙、裂隙和断裂。 从以上问题可以看出，利用温度场探漏主要进行定性分析，或者作为其他示踪法一种 辅助手段，或者严重依赖其他方法的测试数据，对勘测孔要求严格，参数难以确定。尽管 其原理较为明确，但真正的、独立的温度场渗漏示踪模型还没有建立。国外近期研究也仅 8 第一章绪论 是利用测井水温等信息通过作图法估计局部裂隙处地下水流速。理论模型主要是基于热源 法或典型热传导理论建立渗漏温度场模型。在研究温度场与渗流场的相互作用时，目前研 究只考虑介质均质或等效均质，而裂隙岩体本身的结构特性决定了这些模型应用的局限 性。因此，本文将结合温度场和裂隙渗流建立能够反映裂隙岩体真实渗流情况的热流模型。 1 3 2 技术路线 总结了国内外有关温度场探漏，以及裂隙岩体渗流场与温度场相互作用方面的相关研 究资料，基于质量守恒、动量守恒、能量守恒三大定律，在一定假设条件的基础上，推导 出裂隙岩体温度场和渗流场控制方程。在建立模型时，从通道中心向周围逐步建立，先建 立裂隙或通道内部有关渗流场和温度场的方程，再逐步建立外部岩体的单纯热传导温度场 方程，此时把流体和岩体的接触面看作是对流换热边界，如此，建立整个裂隙岩体区的热 流模型。在方程求解过程中，由外及内，把温度作为已知数据，把所求的水文地质参数作 为未知量，用现场数据拟合反分析，得到相应的水文地质参数。 1 3 3 本文的主要研究内容 本文的研究内容主要包含以下几个方面： ( 1 ) 总结了国内外有关温度场探漏，以及裂隙岩体渗流场与温度场相互作用方面的相关研 究资料，阐述了该领域现阶段的研究动态，提出本文研究的方向及目标。 ( 2 ) 对研究渗流场与温度场相互关系的裂隙岩体数学模型进行探讨，寻求最合理且最行之 有效的裂隙岩体热流模型。 ( 3 ) 针对裂隙岩体中裂隙对渗流的主控作用，借鉴单裂隙平行板模型，同时考虑对流换热， 建立了平行板裂隙通道热流模型，并分别进行了稳态和瞬态下的一维和二维建模与求解。 ( 4 ) 类比平行板热流模型，根据现场实测许多为圆柱形渗漏通道建立了圆柱形渗漏通道热 流模型。同样建立了其在稳态和瞬态下的一维、二维模型，并对其进行求解。 ( 5 ) 结合具体工程实例，应用所建立的数学模型对该工程的渗流场分布以及相应的水文地 质参数进行计算，并与原有研究成果进行对比，验证模型的正确性和适用性。 1 4 本章小结 本章主要总结了裂隙岩体渗漏对于工程安全的重要性；分析了国内外有关温度场探漏 以及裂隙岩体渗流场与温度场相互作用的相关资料；阐述了该领域现阶段的研究动态；提 出了的本文研究方向及目标。 9 河海人学坝j 学位论土 第二章裂隙岩体渗流温度特性 要建立裂隙岩体区的热流模型，首先应先了解岩体渗流和热传导的一些基本理论。渗 流是指含空隙( 孔隙、裂隙等) 介质中流体( 液体、气体) 通过空隙的流动州j 。对于裂隙岩体， 裂隙的交叉贯通形成流体的流动空间，一旦有地下水的侵入，地下水将会在裂隙空间中产 生渗流。当裂隙中发生渗流时，由于渗透水流与周围岩体的温差以及地下水本身的流动必 然伴随着发生热量运移。热量通过液固接触面进行传递，流动的流体与固体岩块之间将发 生对流换热。渗漏量和流速的大小将直接影响对流换热的强度。 2 1 裂隙岩体热传导特性1 6 5 l 地球内部和岩体中的热量传递方式有导热、对流、辐射三种方式( 或者是它们的综合) 。 传导传热是地壳内部热传导得主要方式；对流传热主要发生在地球内部有物质转移得地 区，如火山活动区，地下水流动区及地表与大气层之间等；辐射传热主要发生在地球表面 和太阳之间，地球表面得温度主要决定于太阳和地球之间得热辐射交换，对于有渗流发生 的裂隙岩体地区，主要考虑其热传导和对流换热。 2 1 1 岩体中的热传导 不同温度的物体之间通过直接接触，或者同一物体不同温度的各部分之间，由分子、 原予或电子等微粒的热运动来传递热量的方式称为热传导。如图2 1 所示，设有一厚度为 上m ，面积为s m ? 的岩石平壁。平壁两侧的温度分别为 和f 2 ( t l f 2 ) ，温度不随时间变化， 即稳定温度场传导。若热量只向一个方向传递，则从一侧传给另一侧的热量q 与面积s 、 温度差t 一r ：、时间f 成正比，与厚度上成反比，即 p ：兄业二业：一a 坠二叱( 2 1 ) 1 0 第一审裂隙右体渗洫温度特r 2 1 2 岩体中热对流 无热量输出 x lx 2 图2 1 穿过岩石平板的热量计算 热对流是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。而引起流体发生 相对位移的原因之一是流体与某一固体表面接触时，流体吸收或放出的热量，使流体和固 体之间产生热交换，造成流体各部分温度差和流体相对运动。另一种原因是由外力促使流 体流过某一固体表面，由于流体和固体表面有温度差而产生热交换，从而促使流体做相对 运动。因此对流可以分为两类，一种是自然对流，另一种是强迫对流。自然对流的形成是 固体物体与非流动的气体或液体接触时，由于固体表面和流体之间的温度差产生热交换使 流体内部产生足够大的温度差，使流体做相对运动。图2 2 ( a ) 为高温散热岩石板向室内空 气进行热传导的自然对流状况。受迫对流是由于某种外界力的作用产生压力差而使液体或 气体流动的，图2 2 为受迫对流的情况。液体或气体流过固体表面，热量便通过固体表 面进行传递，岩石裂隙中的地下水流过便属于这种热传递。 对流换热量可以根据牛顿冷却定律来计算：当物体放入介质中冷却时，单位时间内从 物体表面传给介质的热量和物体表面与介质之间的温度差成正比。设岩石的温度为t 。，流 体的温度为t ，( t 。 ，) ，则流体吸收的热量为： q = a s ( f ，一，)( 2 2 ) 式中，s 为物体的表面积，盯为热交换系数。 ；1 1 海人学帧i 学位论文 ； 震苏 多 多 多 i f l ， 多 ( a ) 自然对旅 受迫对流 图2 2 岩体周围流体的热对流示意图 2 2 裂隙岩体渗透特性 由于裂隙的导水能力比其周围岩石基质通常大几个数量级，因此，裂隙的存在极大的 影响着裂隙岩体中的渗流性质。在饱和的岩体中，岩体基质内部虽然也被水所饱和，但是 很大一部分是不能自由流动的吸附水，其余部分的水体虽然可以自由流动，但是在如此低 的渗透系数下，其相应通常的水压力变化而达到平衡所需要的时间尺度远比普通水力边界 条件发生变化的时间尺度大的多。因此，对于大多数地表岩体来说，不考虑岩石基质中的 渗流是恰当的。因此对大多数岩体类型来说，离散裂隙网络模型是适用和有效的。单条裂 隙作为岩体裂隙网络的基本单元，决定着地下水在岩层中的基本渗透特征，是各种渗透理 论模型的基础，也是分析裂隙岩体渗流规律的基础。 2 3 单裂隙渗流温度特性 单裂隙是裂隙系统最基本的单元。对非连续介质渗流场与温度场相互作用机理的研 究，应从研究单裂隙水流对温度的影响机理入手。 2 3 1 渗流、温度控制方程 描述单裂隙渗流最常用的数学模型是立方定律，其将裂隙简化为一对相距一定距离的 光滑平行板。如果要模拟稍微复杂的几何形状的单裂隙内的渗流，则需要使用r e y n o l d s 方 程或s t o k e s 方程在某种条件下的简化形式。根据文献 6 6 6 8 及其相关理论及质量、动量、 能量三大守恒定律，得出了描述裂隙岩体中地下水流动状态、水流流动中温度分布的基本 方程。 1 2 第一章裂隙岩 奉渗漉温度特抖 1 圭绥任似分7 j 往刀： 望+ 曼幽+ 堂型+ 旦盥：o) i + i 十了十i - u ， 动量微0 - 力- 程为 警+ k 警+ 一警+ 屹警= 只一吉罢州警+ 等+ 警，c z m 警+ 圪警+ _ 考+ t 警= c 一吉考州罟+ 等十等，c 2 却 鲁+ 屹警+ 巧考+ 圪警= e 一吾老+ 謦+