采空区上覆渠道工程渗流应力耦合分析理论与应用

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1、采空区上覆渠道工程渗流应力耦合分析理论与应用TheoryandApplicationofSeepageandStressFieldsCouplingoftheChannelProjectOverlyingGoaves学科专业：水利工程研究生：张晓昕指导教师：钟登华教授天津大学建筑工程学院二零一三年十一月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做

2、的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要跨流域调水工程具有线路长、涉及面广、影响因素众多的特点，一些渠道不可避免地要穿越采空区地表。渠道渗漏、采空区等因素

3、很容易导致渠道工程产生开裂、失稳等破坏现象，对渠道的正常运行以及养护和维修，构成严重的潜在危险和安全隐患。目前，对渠道这类有水渗透建筑物的研究，多是将渗流场和应力场相割裂，未能反映二者之间的耦合作用，并且地质模型都进行了不同程度的简化处理，难以全面、真实的反映复杂地质特征。在渗流场模拟方面，主要采用经验公式-达西定律，或利用温度场与渗流场等效的原理，同时浸润面的定位广泛采用的方法是有限元固定网格法，直到近年来计算流体力学因其对流项处理方法比较成熟的特点，才逐渐被学者应用于渗流场模拟中。因此，开展采空区上覆渠道工程渗流应力耦合分析理论与应用的研究具有重要的理

4、论与现实意义。本文在概括总结已有成果的基础上，主要研究和探讨了以下三方面的内容：（1）从计算流体动力学的基本理论出发，建立了基于耦合VOF方法的Navier-Stokes方程的渠道三维渗流场分析数学模型。采用有限体积法进行通用方程的离散，并将模型应用于渠道及其周边地下水运动的三维数值模拟中。研究结果表明在渠道渗流分析中采用VOF法进行渠道渗流模拟求解浸润面具有很高的精度且计算工作量较小，为利用该方法进行实际工程渗流计算提供技术支持。（2）从广义多场耦合的基本理论出发，提出了渠道工程三维渗流应力耦合分析理论及数学模型。基于渠道工程地质信息三维统一模型，在准确

5、模拟研究区域内地质体分层、断层等地质岩体空间展布的基础上，建立了渠道工程三维渗流应力耦合分析数值模拟模型。通过自编脚本解决了耦合模型中渗流场与应力场模拟这两套非匹配网格之间的数据传递问题，同时在考虑岩土体非线性特征的条件下，应用有限元方法开展了渠道在下伏采空区、渗漏等多种因素影响下的变形机理、变形特征的研究。研究结果对确保调水工程渠道长期安全稳定运行具有重要的指导意义。（3）从参数灵敏度分析的基本理论与方法出发，将定量全局灵敏度分析方法-扩展傅里叶幅度灵敏度检验法（ExtendedFourierAmplitudeSensitivityTest）引入到渠道渗

6、流应力耦合模型的参数灵敏度分析中。在合理定义参数概率分布情况的前提下，开展渠道渗流应力耦合模型参数的全局灵敏度分析，结合各参数的一阶及总体全局灵敏度系数，甄别对模型输出结果影响较大的输入参数，为类似工程的设计提供指导。关键词：渠道；采空区；渗流应力耦合；N-S方程；VOF法；EFAST法ABSTRACTInter-basinwatertransferprojectsaresystematicengineeringwithwiderange,longdistanceandmultipleinfluentialfactors,somechannelsinevi

7、tablyhavetopassthroughtheancientgoaves.Seepageandgoavesaredangeroustothenormaloperationofthechannelaswellasthemaintenanceandrepair.Presentanalysisofchannelseepageandstabilitymostlydisseverstheseepagefieldwithstressfield,thustheinteractionbetweenthetwofieldscouldnotbewellreflected,

8、andfurthermore,thegeologicalmodel