裂隙岩体渗流计算模式优化

UDEC能够分析流体在不渗水块体裂隙中的流动。在流体流动分析中,裂隙贯通率取决于裂隙的力学变形,裂隙孔隙水压力反过来又影响裂隙的力学变形,因此这是一种固液全耦合分析(Full Coupled Mechanical-hydraulic Analysis)。图5.1为不连续介质中的流固相互作用,其中列出了UDEC可以模拟出的固/力学效应。

图5.1 不连续介质中的流固相互作用

(a)孔隙水压力示意;(b)流体压力示意;(c)裂隙力学作用模型示意;(d)孔隙水压力生成示意

(1)通过裂隙的流体作用在长度为L的岩体上的力为

式中:Fi为流体作用在周围岩体上的力;p为孔隙水压力;ni为垂直裂隙面的单位方向向量。

(2)流体压力为

(www.xing528.com)

式中:Kj为裂隙的渗透系数;L为两流体域之间的接触长度;a是接触的水力隙宽,ΔP表示两流体域之间的压强差。

式(5.5)表明,流动可以发生在两边区域水压为零的接触处。在这种情况下,重力使得液体在非完全饱和的区域中流动。然而,需要注意:随着饱和度的减小,渗透半径也将减小,尤其是当饱和度为零时渗透性也应为零;液体不能从饱和度为零的区域提取出来。

(3)在法向应力作用下裂隙隙宽为

式中:b0为没有法向应力时的裂隙的初始隙宽;Δb为法向应力作用下的裂隙隙宽改变量。

(4)流体在裂隙中流动产生的孔隙水压力为

式中:∑Qi为流向节点的总流量;ΔV为域内孔隙体积的变化量;V为现在时步和前一时步孔隙体积的平均值;Kw是流体的体积模量。