稀疏裂隙巖體三維飽和水流-傳熱及熱應(yīng)力半解析計(jì)算方法研究與應(yīng)用.pdf

1、高放射性核廢物地下深埋處置、石油和天然氣及其它礦產(chǎn)資源的開采、地?zé)崮茉吹拈_發(fā)等眾多工程領(lǐng)域，都涉及裂隙巖體中的水、熱、力及化學(xué)等多場(chǎng)耦合問(wèn)題。本文研究了飽和稀疏裂隙巖體三維水流-傳熱過(guò)程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的半解析計(jì)算方法，并用該方法計(jì)算分析了高放核廢物地質(zhì)處置庫(kù)近場(chǎng)裂隙巖體的溫度與熱應(yīng)力分布特征。主要的研究?jī)?nèi)容和成果包括:
　　(1)單裂隙巖體三維飽和水流-傳熱模型中溫度場(chǎng)的半解析計(jì)算方法和影響因素分析:提出了由分布熱源、飽和單裂隙

2、和兩側(cè)無(wú)限大巖石構(gòu)成的三維水流-傳熱簡(jiǎn)化模型，建立了單裂隙巖體三維飽和水流-傳熱問(wèn)題中溫度場(chǎng)的半解析計(jì)算方法，編寫了相應(yīng)的計(jì)算程序，與僅考慮巖石沿裂隙面法向一維熱傳導(dǎo)的解析解進(jìn)行了對(duì)比;計(jì)算分析了分布熱源作用下飽和單裂隙巖體的三維滲流-傳熱特征及其對(duì)裂隙水流速、巖石熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱源熱流集度的敏感度。單裂隙巖體三維水流-傳熱半解析計(jì)算方法與解析法得到的結(jié)果基本一致，但由于半解析計(jì)算方法考慮了巖石的三維熱傳導(dǎo)，計(jì)算所得裂隙水上游溫度相對(duì)較低

3、，下游溫度相對(duì)較高;在裂隙水的流動(dòng)傳熱作用下，分布熱源對(duì)裂隙水溫度和巖石溫度的影響在裂隙水流的下游區(qū)域比較顯著。
　　(2)稀疏裂隙巖體三維飽和水流-傳熱模型中溫度場(chǎng)的半解析計(jì)算方法和算例分析:提出了由分布熱源、飽和稀疏裂隙和巖石構(gòu)成的簡(jiǎn)化模型，建立了稀疏裂隙巖體三維飽和水流-傳熱問(wèn)題中溫度場(chǎng)的半解析計(jì)算方法，編寫了相應(yīng)的計(jì)算程序，并通過(guò)三個(gè)算例分析了不同條件下飽和稀疏裂隙巖體受分布熱源作用影響的三維水流-傳熱特征。結(jié)果表明，裂隙

4、幾何分布對(duì)稀疏裂隙巖體中的溫度分布和演變具有重要影響;在無(wú)內(nèi)熱源的單裂隙巖體模型中，裂隙附近巖石的熱傳導(dǎo)可由沿裂隙法向的一維熱擴(kuò)散方程來(lái)近似;在多裂隙巖體模型中，當(dāng)受其它裂隙或熱源的影響很小時(shí)，裂隙附近巖石中沿裂隙法向的一維熱傳導(dǎo)在傳熱過(guò)程中起主導(dǎo)作用。
　　(3)單裂隙巖體三維飽和水流-傳熱模型中熱應(yīng)力和位移的半解析計(jì)算方法和算例分析:針對(duì)單裂隙巖體三維水流-傳熱簡(jiǎn)化模型，建立了巖石的熱彈性控制微分方程，根據(jù)Goodier提出的

5、熱彈性位移勢(shì)法，將模型的熱應(yīng)力和位移分成兩部分:由溫度場(chǎng)變化引起的特解（溫變應(yīng)力和位移）和為滿足邊界條件得到的通解（約束應(yīng)力和位移），并分別建立了相應(yīng)的半解析計(jì)算方法。編制了計(jì)算程序，與僅考慮巖石沿裂隙面法向一維熱傳導(dǎo)的解析解做了對(duì)比，并研究了熱應(yīng)力與位移的分布特征。半解析解與解析解基本吻合，但半解析法考慮了巖石的三維熱傳導(dǎo)，因此兩者的溫度分布存在微小差異，熱應(yīng)力分布也存在微小差異;在距離分布熱源較近的區(qū)域，巖石受熱膨脹作用明顯而產(chǎn)生較

6、大的壓應(yīng)力，而離分布熱源較遠(yuǎn)的區(qū)域，巖石需要滿足變形協(xié)調(diào)條件，因此會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。
　　(4)稀疏裂隙巖體三維飽和水流-傳熱模型中溫變應(yīng)力和位移的半解析計(jì)算方法和算例分析:建立了稀疏裂隙巖體三維水流-傳熱簡(jiǎn)化模型中溫變應(yīng)力的半解析計(jì)算方法，并編制了計(jì)算程序，分析了不同條件下飽和稀疏裂隙巖體受熱源作用影響下的熱應(yīng)力分布特征。結(jié)果表明，裂隙網(wǎng)幾何特征和熱源分布是影響熱應(yīng)力分布的重要因素;分布熱源在裂隙的垂直投影位置處裂隙面上的法向主應(yīng)力

7、出現(xiàn)峰值。
　　(5)核廢料處置庫(kù)近場(chǎng)裂隙巖體水-熱-力半解析計(jì)算分析:利用上述稀疏裂隙巖體三維飽和水流-傳熱作用下溫度和熱應(yīng)力的半解析計(jì)算程序，計(jì)算分析了核廢物處置庫(kù)近場(chǎng)裂隙巖體的溫度、熱應(yīng)力和位移分布特征，研究了裂隙水流速和分布熱源間距對(duì)溫度、熱應(yīng)力和位移的影響。結(jié)果表明，在分布熱源的影響下，處置庫(kù)近場(chǎng)巖石中的溫度、熱應(yīng)力和位移在前期急劇上升并達(dá)到峰值，之后，由于熱源熱流強(qiáng)度的降低，近場(chǎng)巖石中的溫度、熱應(yīng)力和位移緩慢下降;裂隙