岩体单裂隙高速非达西流理论、试验研究及数值模拟

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1、目录第1章绪论21.1课题研究目的和意义21.2研究历史及现状21.2.1实验研究31.2.2计算模型61.2.3数值方法81.3本文研究内容9第2章岩体单裂隙渗流理论102.1控制方程102.1.1连续性方程112.1.2动量方程122.1.3本构方程132.2定解条件142.2.1边界条件142.2.2初始条件152.3裂隙渗流层流规律152.3.1立方定律152.3.2线性变隙宽渗流规律172.4裂隙渗流紊流规律172.4.1层流与紊流的判别——雷诺数182.4.2紊流时均连续性方程和雷诺方程182.

2、4.3紊流的半经验理论202.4.4裂隙紊流流速分布212.5本章小结24第3章高速非达西渗流规律的实验探讨253.1实验目的253.2实验介绍253.2.1实验装置253.2.2实验数据测量方法293.2.3实验步骤313.3实验结果及分析323.3.1层流实验结果323.3.2高速非达西实验结果333.4本章小结40第4章Navier-Stokes方程数值解414.1CFD简介414.2Fluent简介424.2.1Fluent建模求解步骤424.2.2Fluent求解方法434.3物理模型454.3.

3、1网格模型454.3.2控制方程464.3.3紊流模型464.3.4壁面区处理474.3.5定义材料484.3.6边界条件484.4Fluent求解484.4.1控制方程的离散484.4.2控制方程的求解494.4.3松弛因子504.4.4收敛标准514.5数值计算结果514.6本章小结55第5章总结与展望565.1全文小结565.2存在的问题及研究展望56第1章绪论1.1课题研究目的和意义岩体中的渗流问题作为岩土工程问题，由于其制约着基础岩土体的承载能力、影响着岩质边坡的稳定性、决定了地下洞室的渗涌水量等

4、，在水利水电、交通、工民建以及国防等工程中越来越受到重视。锦屏二级水电站引水隧洞长探洞揭示的地质情况和已基本查明的工程区岩溶水文地质条件表明，该工程区涌水具有高水头、大流量的特点。而未来在地下厂房开挖过程中的稳定涌水量和单点瞬时涌水量均可能比探洞中要大，必然影响工程安全及稳定。对于类似于锦屏二级水电站区域岩溶裂隙围岩介质，按水动力特征可将其含水空间分为三类：1.主要起储水、释水作用的遵循达西定律的基质岩块孔隙和微裂隙；2.主要起导水作用、其水流仍服从达西定律的中宽裂隙空隙介质；3.起导水作用但其水流的流态已

5、属于紊流的岩溶管道和宽裂隙空隙介质。目前国内外对于裂隙岩体渗流分析所依据的基本定律还是达西定律，而对于不再符合达西定律的深埋隧洞大流量涌水问题，如果仍采用和依据达西定律来分析，就会导致工程不良的后果，高速非达西渗流问题的研究已显得非常迫切和重要。单条裂隙作为岩体裂隙网络的基本单元，决定了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，因此单裂隙渗流规律的研究是最基础的研究。1.2研究历史及现状渗流的研究开始于土体。1856年，法国工程师Darcy根据直立均质沙柱模型渗流实验，总结出线性渗流定律——流

6、速与水力梯度呈正比，即著名的达西定律，这标志着经典渗流理论的诞生[1]。早期，俄国对渗流的研究处于领先地位。1889年，N.E.儒可夫斯基导出了渗流微分方程，指出在数学形式上渗流微分方程相似于热传导方程。100多年来，工程实践中的渗流分析都是采用经典渗流理论，渗流力学已经成为流体力学的一个重要分支。对渗流问题采用经典渗流理论进行分析是有一定条件的，那是因为经典渗流理论以连续介质假定为基础，只有表征体积单元与研究域的尺寸相比足够小，才能使用连续介质渗流理论。对于土体渗流，表征体积单元相比于研究区域足很小，连续

7、介质渗流理论可以直接应用。岩体渗流不同于土体渗流。对同一种岩石，致密的岩块渗透系数一般小于10-7～10-8cm/s，岩体的渗透系数要比岩块渗透系数大104～107倍[2]。产生这种差异的原因是岩体中一般分布有产状不同、大小不等的裂隙。由此可见，对岩体裂隙导水性的研究更为重要。岩体裂隙从其形式看在二维方向上延伸，其两个方向上的尺寸比第三个方向上的尺寸大得多，另外裂隙尺寸范围可以从几厘米到几千米，甚至延伸到整个研究域，这样就不一定存在与研究域的尺寸相比很小的表征体积单元，所以不是所有岩体渗流问题都可以使用连续

8、介质渗流理论进行分析。但历史上相当长一段时间工程设计中仍把岩体视为与土体类似的多孔介质，用连续介质渗流理论进行渗流分析。直到法国Malpasset拱坝溃决和意大利Vajiont拱坝失事,人们才意识到岩体渗流不能简单类比于土体渗流，必须对岩体渗流进行研究。1.2.1实验研究理论分析、数值计算与实验研究（包括现场观测和物理模型试验）是目前研究岩体渗流的主要手段，其中物模实验法是研究裂隙岩体渗流的一个最重要且最直接的途