裂隙水流温度变化情况下的岩体非稳定温度场有限元数值分析.pdfVIP

专论 裂隙水流温度变化情况下的岩体非 稳定温度场有限元数值分析 马成成 中国水电建设集团十五工程局有限公司 陕西西安 710068 【摘要】从岩体的热传导微分方程出发，考虑了岩体温度与岩体裂隙 中水流温度存在温度差时，给出了裂隙岩体温度场的控制方程与定解条件， 啡 俐 OT， 并推导了基于三角形单元的有限元法计算格式，鳊写相应程序计算岩体温度 场中各节点的温度值，最后通过工程算例进行验证分析。研究表明：对于裂 式中：I1，为满足第三类边界条件的边界，R为温度场研究区域。显 隙岩体而言，考虑裂隙水流温度与裂隙岩体温度之间的热量交换，更加符合 然只有在与边界r有接触的单元才有上式中的第—：项。推导得其有限 实际工程的情况；裂隙岩体与裂隙水流之间的热量交换从二者的接触面开 元求解格式。 始，岩体 内部的温度变化存在一定的滞后效应，且二者的初始温差越大，热 }+[cL《OTj}+Q【]{}=P[] I…jJ 量交换越快；若假定研究区域与外界隔热，且其中裂隙水流温度始终保持 不变，则无论初始裂隙岩体的温度分布如何，当最终达到稳定时，裂隙岩体 式中：Q【]中的元素q，，只有当有限元网格的节点i，j都在r 肘才不 的温度分布基本一致。 为零t[p]为已知常数项。对时间项取隐式有限差分，则 【关键词】裂隙岩体；温度场；有限单元法；数值分析 {]+LQ]+c【]}㈤… 1c【]{j=[尸] f4】 1引言 上式即为最终需要求解的线性代数方程组，已知前一时刻的温度 在人多数基础设施建设和对深层地下水资源的开采利用中，已越 便可求出下一时刻的温度。根据上式编写相应程序计算研究 域内各节 来越多地涉及到裂隙岩体 。因此在对裂隙岩体的研究过程中，渗流场 点的温度值 。 与温度场 的耦合分析 已成为一项非常重要的研究内容，尤其是在岩体 4 工程算倒 地下水丌采、石油丌发、地热丌采和核废料处理等领域的作用则更为明 4．1计算模型与定解条件 显 。目前，对十裂隙岩体大都采用等效连续介质 8【9]来进行处理，因 以某工程坝址区的30mx30m岩体区域作为研究对象，假设共存在 为它有非常好的理论基础和灾践经验。然而对于一些断层或大的稀疏 水平、竖直四条裂隙，如图1所示，故研究区域被剖分为9个FI域。假设 裂隙，采用等效连续介质处理就不能完全反映岩体的实际情况，因此采 岩体不透水，地下水流仅存在于裂隙当中。采用有限元法中的三角形单 用裂隙网络法来进行处理就成为了一种必然趋势。于是假设水流仅在岩 元对研究区域进行离散求解。对每个子区域均剖分为8个三角形单元， 体裂隙中流动时，如何求解裂隙巾水温变化情况下的岩体温度分布就成 共计49个节点，72个三角形单元。共设计了5种计算工况，如表1所示。采 为 一个核心问题 。 用本文中所编写的程序代码对温度场的分布规律进行计算。用到的相 本文就是对裂隙岩体采用裂隙网络法来进行处理，假设水流仪在 关参数取工程中的常用值，见表2。 裂隙中流动，从岩体的热传导方程出发，借助有限单元法，并将裂隙水 流的温度分布作为岩体温度场计算的边界条件，对裂隙岩体二维非稳 定温度场的分布状7兄进行一些初步探讨，以便探索岩体裂隙网络中温 度场 的分布，从而为裂隙岩体渗流场与温度场 的耦合分析