LOGOwww.themegallery.com岩体裂隙流固化耦合作用研究汇 报 人：周 庆 指导教师：詹美礼 专 业：水力学及河流动力学单裂隙流固化耦合作用模拟汇报内容研究背景裂隙的生成总结1234www.themegallery.com研究背景在流固化耦合作用下，岩石内部矿物颗粒间 联结被削弱，岩石溶蚀物质被水溶液带走或被吸 附沉淀，裂隙结构面、岩石孔隙结构将发生显著 的变异，从而导致裂隙岩石渗透特性发生重大改 变，最终对岩石工程的安全产生重要影响。近年 来，随着深部地下空间、地下资源的开发和利用 ，研究并掌握渗流-应力-化学耦合作用下裂隙岩 石的渗透特性变化规律就显得尤为重要。www.themegallery.com裂隙的生成由于岩体中裂隙的存在，使得岩体的渗流性质具有 非均匀性、各向异性等特性。这些裂隙是渗流的主要通 道，裂隙的几何形状、粗糙程度、空间相对位置的不同 ，将严重的影响裂隙中水流的形态及渗流特性。天然裂隙面是凸凹不平的，采用分形理论，利用随 机布朗运动函数法来模拟粗糙裂隙面，函数表达式如下 ：www.themegallery.com裂隙的生成在模拟裂隙开度（隙宽）时可以仿照裂隙开度产生 的方法来生成，即根据裂隙面错位的思想。首先，根据分形理论生成一个裂隙面；然后，让此裂隙面产生一个错位，则某固定点处的 裂隙面位移值发生了变化，其位移变化值即为裂隙的开 度大小。 注意：当计算过程中产生负值时，可以认为裂隙开度为 零。www.themegallery.com裂隙的生成运用MATLAB生成的裂隙开度分布图：www.themegallery.com单裂隙流固化耦合作用模拟岩石裂隙的渗流-应力-化学耦合（简称流固化耦合） 可用下图表示:www.themegallery.com单裂隙流固化耦合作用模拟www.themegallery.com单裂隙流固化耦合作用模拟www.themegallery.com单裂隙流固化耦合作用模拟www.themegallery.com单裂隙流固化耦合作用模拟www.themegallery.com单裂隙流固化耦合作用模拟离子从CaCO3表面扩散出去造成了表面的后退，如图所示：www.themegallery.com单裂隙流固化耦合作用模拟www.themegallery.com单裂隙流固化耦合作用模拟www.themegallery.com单裂隙流固化耦合作用模拟在颗粒接触边界的溶解应变率可以表示为：式中，是受压力作用的颗粒部分和不受压力作用的 空隙部分的化学势差，这是压力溶解的驱动力。可用下 式表示：则颗粒与颗粒接触部分的溶解应变为： 一维情况下简化为： 联立上述两式可得到压力作用下裂隙溶解的控制方程：www.themegallery.com单裂隙流固化耦合作用模拟4 流固化耦合模型控制方程联立渗流控制方程、溶质溶解及吸附控制方程以及 压力溶解控制方程，我们可以得到渗流应力化学耦合作 用下的数学模型：www.themegallery.com单裂隙流固化耦合作用模拟利用生成的裂隙开度，选定特定的剖面，并设置边界条 件和初始条件，模拟出80时水流通过石灰岩裂隙的渗透过 程。模拟时间为500天，下图是初始时刻裂隙开度三维图（ 图中白色部分为裂隙面闭合处）。 www.themegallery.com单裂隙流固化耦合作用模拟模拟时间为50天时，裂隙开度三维图如下（图中白 色部分为裂隙面闭合处）：www.themegallery.com单裂隙流固化耦合作用模拟模拟时间为500天时，裂隙开度三维图如下（图中白 色部分为裂隙面闭合处）：www.themegallery.com单裂隙流固化耦合作用模拟将上述三张图对比可发现：50天时裂隙闭合处有明显的增大，可知裂隙溶解的初始阶段 以压力溶解作用为主，造成了裂隙面闭合处的增大。500天时裂隙闭合处面积仍然在增大，但趋势已经减小，裂隙 未闭合处的裂隙开度增大较为明显，可知在这一阶段裂隙溶解是 以表面溶质溶解作用为主。由此可得，裂隙的溶解过程可以分为压力溶解阶段和表面溶 解阶段。在裂隙溶解开始时，压力溶解作用和表面溶解作用同时存在 ，但是压力溶解作用占主导地位，裂隙的闭合速度较快。随着裂 隙的闭合，裂隙间的接触面积越来越大，接触应力越来越小，裂 隙闭合速度逐渐减小。当裂隙闭合达到一定程度，接触应力等于 临界应力时，压力溶解作用将停止。在第二个阶段表面溶解作用 占优势地位，裂隙的平均开度开始增加。在压力作用下，表面溶 解只发生在裂隙的空隙部分，使得原本的裂隙通道越来越大，最 终形成一个优势通道。www.themegallery.com总结研究流固化耦合作用下裂隙岩石的渗透特性变 化规律，有助于人们对复杂环境下裂隙岩体渗流变 化模式、渗流基本规律及耦合作用机制的研究，具 有十分重要的科学和工程意义。上述所建立的数学 模型只是一个初步的理论模型，还需要大量试验资 料的验证或校正，其中许多参数的取值也需要进行 深入的研究。www.themegallery.com