关于裂隙岩体渗流的热学效应

关于裂隙岩体渗流的热学效应分析简介：基于裂隙岩体所赋存的复杂的地质环境，本文在阐述渗流理论的基础上对裂隙岩体渗流的热学效应进行了初步的分析；裂隙岩体中存在的渗流，影响岩体温度的分布；通过分析，明确了渗流对温度的影响机理，加深了岩体渗流对温度的影响因素的认识。关键字：裂隙岩体，渗流温度温度场热学效应分析1、引言随着人类工程和开采活动的日益增加，其影响越来越多地涉及到地下裂隙岩体，并且人类工程和开采活动与裂隙岩体之间的相互作用有着日益加剧的趋势，这使得人们对裂隙岩体的工程及开采特性备加关注。随着工程实践和科学研究的深入，人们已逐渐认识到裂隙岩体所赋存地质环境的复杂性及其所诱发地质灾害的多变性，于是刘继山、仵彦卿、柴军瑞、黄涛等国内一些专家学者在不同程度、不同角度对裂隙岩体赋存地质环境中各个因素之间相互影响作用的课题进行了有意义的探索和研究。裂隙岩体中存有地下水，地下水在岩体中会产生渗流，在复杂的地质环境中，不同的因素之间随着时间、空间而发生着复杂的动态变化，其中裂隙岩体中渗流的热学效应（渗流对温度的影响机理）是一个比较重要的影响方面。2、裂隙岩体地下水渗流的基本理论对于裂隙岩体渗流的热学效应的分析，首先应先了解岩体渗流的基本理论。一般情况下，岩体的各个裂隙中均含有水，而地下水在岩体中会产生渗流，所谓渗流是指含空隙（孔隙、裂隙等）介质中流体（液体、气体）通过空隙的流动[1]。地下水的流动是最典型的渗流现象，裂隙岩体中地下水的渗流特性体现了渗流理论的主体特征。2.1达西（Darcy）定律达西定律的最初表达式[2]（Darcy，1855年提出）：式中，为渗流速度，K为渗透系数，J为水力坡降,为渗透水头H沿渗流方向的梯度。上式表明，渗流速度与水力坡降成线性关系，因此达西定律也被称为现行渗透规律。假设岩体中的渗流以裂隙渗流为主，忽略其间岩块的渗透作用，那么裂隙的分布就相对比较密集，表征单元体比较小，视裂隙岩体为等效连续介质，用连续介质的方法描述岩体的渗流问题，并考虑岩体的非均质性和各向异性，以渗透系数张量来描述岩体裂隙的渗透性能。本人根据矢量及张量的定义和连续性方程将达西定律进行了推广，可得下式：式中，为渗流速度矢量，为介质的渗流系数张量，为水力坡降矢量。上式的展开式为：==－2.2费克（FICK）定律对溶质或压缩性较大的气体在介质空隙中的运动，可采用张蔚榛(1996年)关于费克定律[3]公式：=式中，为扩散通量或气体流量,为扩散系数,为浓度(或密度)沿扩散方向的梯度。透棚爬2.3堡颤立方定律坚单直伤平滑裂隙絮中的渗流欠满足立方蕉定律亲[4]秤，为了更纠好的描述刷裂隙介质仗的渗流规贤律，本文趴引用了田楚开铭、万嘴力院（久198养9牛年）著作米中的立方肃定律的公叶式：==轿式中虎，耕为通过单封直平滑裂土隙断面的贩单宽流量兴，票γ及和谱分别为流纠体的容量唉和动力粘雪滞系数，洒为裂隙的趋隙宽，父为沿裂隙依方向帅的水力坡饺降，匙=茶为裂隙的极等效渗透载系数，打为渗流水黑头搜沿裂隙方横向典的梯度，荡=虹雕－氏。缺对于贩实际的粗纹糙不规则怨的裂隙及印充填裂隙功，须对立堡方定律进爬行修正侦[5]徐。裂3手、岩体温幕度场分布圆通常关把人类工椅程活动所渠涉及的岩漆体内的温更度分布和桨热状态称北为岩体温垦度场，岩茄体温度场挑的分布一挣方面受制暗于地壳浅犁层温度分括布和热状浇态的控制驰，；另一迅方面受岩河体工程和疾外界条屡件易(泳包括地下伤水渗谅流坟)脱的影响。比理论和实恳验研究表踪明，热力繁的传递（永即传热）羊一般有三劲种方式：拜传导、对矮流和辐射日。工程岩衰体中温度珍场的分布周是以传导慈和对流为萝主实现的俩，而对流仅则是以地饿下水的渗去流运动为阔基础进行族的。劫为了欣使岩体温锻度场分布闲的描述更秒加具体化郊、形象化顾，本人根泡据热量平流衡原理，读把传导型商传热方程织、因地下斯水参与引垮起的对流侵项及通过驾地下热源盯区因辐射懒增加的内体热源项进屡行了重新轨组合，引留用了黄涛盼等放（铃199勺9随年）关于制岩体温度滨场的分布俯模型我[6]朴，如下式驰：盛C颠a分+返c眯v培i向=阿+都c刚(狭－效)q(惯1)铃式中给，刑为岩体的碑热动力弥裳散系数张咱量册；特x根i步、夫x罗j蠢为笛卡尔题坐标，萄,萌=后1本，密2松，扬3祥并遵循求道和约定；情为时间；驰为岩石的胀热容量沾；丛c哑拦为地下水亭的热容量咐；裁v香i膛为渗透速辱度狐；搁q粪为单位体渠积含水岩这体中源汇青流量；检为地下水岗温佩;杠为源汇项泻温度。赛4汤、裂隙岩拌体中渗流饰的热学效剩应分析案裂隙视岩体渗流但的热学效价应即岩体牲中渗流对先温度的影详响机理。垒当裂隙岩储体中有渗店流发生时枪，一方面镜，地下水宵的渗流运策动促成了母岩体与地报下水体之键间发生热姑传导的热缩量传递与武交换。另巴一方面，肝地下水作胸为裂隙岩枕体中热量耍交换的载锻体，通过耀地下水本榆身的渗流望运动而产冻生热对流构的热能转泻移过程。秋以上两个及方面的热煌能转移，盛为达到地钳下水体与颈裂隙岩体燥二者温度凳分布的均宅衡，最终区导致裂隙建岩体温度拿场分布的五总体衰减无，即岩体良温度值的蜂总体降低捉。薄在一垮向导热的稼情况下，籍当裂隙岩威体中存在钱渗流时，坛热量包括目两部分：阿一部分是驻由于岩体裤本身的热挺传导作用次，等于－查；另一部翠分是由渗厉流夹带的亮热量，等叔于央，因此在桂总结朱伯斧芳等路（绝197蠢6歇年）关于额热传导原岂理的基础嚼上柴军瑞接（勇200乖1锤年）在其累著作中总观结了热撇流量的公穗式为懒[7][规8]虑：沿－无(2)天式中茫，介为沿一维墙坐标跑轴邮x耽方向的热游流跟量判;膜为水的比舌热；神为水的密栗度；谁为岩体介郊质的导热涛系数；话为渗流速牢度；敲为温度。肃本人处对该公式丑进行了分网析，认为各吸热的热固源可作为福负的热源执，将公式牛两边取负跳号，并两胞边同时作客微分处理惑，得到了钱在单位时财间内流入旗单位体积气的净热量役为：裂－扁(3)似根据国热量平衡解原理，这尘个热量必三须等于单疯位时间内享裂隙岩体匀介质温度奸升高所吸扯收的热量区，而单位凭时间内裂羽隙岩体介马质温度升待高所吸收掘的热量塑，故唇，即：(4)爬式中销，纠为岩体介谈质的比热甲，扩为岩体介乘质的密度斤。肯为了刮更全面的细对渗流影宰响下的温俭度场进行卸分析，本盛人对式宇（降4宾）进行了迹推广：瘦如果质温度只随膏平面内的虚两个位置但坐标而变屯，即温度固沿肤z象方向是常霞数，预，则温度启场是两向将的，推得波渗流影响炉下的二维李导热方程组：(5)骆同理促，三向导艺热的情况晕下，在不银考虑源（掀汇）项离的情况下票，可推得盐考虑渗流花影响的三狭维导热方袜程：(6)蔽由票（售6烈）式可以麻看出，温落度场的分尘布颗与渗流速躁度场的分班布民有密切的趁关系；渗钞流速度越全大，对温胳度场的影伐响也就越警大。而渗旧流速度场协的分布又镰由渗流场惑水头的分铁布妇决定，即疼。所以式敲（锻6宪）定量地搁反映了渗捞流对温度搞的影响机韵理。庆5邻、结束语杠通过惩对地下裂容隙岩体渗格流的热学题效应的分爱析可以看光出，地下谅水在岩体律中会产生醒渗流，地拼下水的渗馅流运动直蚂接影响了透岩体与地异下水体之撑间发生热奴传导的热或量传递与缠交换，同阶时地下水滴本身的渗港流运动通使过热对流塔的方式进患行了热能荐转移，这侍些因素影乖响了裂隙面岩体的温呆度场分布晚，而且地答下水在裂亭隙岩体中菠的渗流运鬼动大大降酷低了岩体杰中的温度论分布值，维地下水在胶裂隙岩体料中的渗流幕速度的大抬小直接控带制了岩体馅温度的变恒化幅度，经因此，渗由流对温度美的影响是料非常明显候的，对裂垮隙岩体渗李流的热学斜效应的分引析研究具痒有很实际望的意义，干这还有利惹于加深对第渗流影响估温度分布暂的因素的炸认识湿。弦参考文献艘童擦[1]崭乔朱诗鳌，妄坝工技术货史，北京麻：水利电视力出版社寿，凯1995扯舅得[2]狐且祁庆和，居水工建筑得物，北京某：水利水需电出版社便，归1986都晃孩[3]汇地张蔚榛，复地下水与渠土壤水动报力学，北最京：中国盖水利电力麻出版社物，惠1996群梢惜[4]千韵田开铭、哗万力，各粱向异性裂复隙介质渗慎流性的研什究与评价替，北京：章学苑出版贿社拜，翼1989蒙常缸[5]毅疑忤彦卿、肿李俊亭、席张倬元，露地下水动风态观测网该的优化设回计，成都奔：成都科外技大学出龟版社剑，浇1993贿垮盐[6]屈秃黄涛、