《三維裂隙網路水-力耦合演化機制與數值模擬》是依託武漢大學，由姜清輝擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：三維裂隙網路水-力耦合演化機制與數值模擬
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：姜清輝
- 依託單位：武漢大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目採用現場地質調查、室內試驗、理論建模和數值分析相結合的方法，研究三維裂隙網路在水-力耦合作用下的演化過程與數值模擬方法。採用含貫通裂隙的岩柱試樣進行結構面在不同荷載條件下的全應力應變水力耦合試驗，揭示單條貫通裂隙複雜應力條件下變形與滲流的耦合機理；採用含非貫通裂隙的岩柱試樣進行不同荷載、滲透壓條件下的破壞試驗，揭示水-力耦合作用下裂紋擴展演化機理以及裂紋擴展過程中滲透特性的演化規律；同時開展現場地質研究，發展和完善裂隙岩體三維地質結構面網路以及滲透網路的模擬方法；建立包括應力-應變、水體流動、非貫通裂隙擴展等過程在內的三維裂隙網路水-力耦合演化的數學模型，研發高效可靠的裂隙網路滲流-變形的數值求解算法及計算軟體，並結合實際工程開展套用研究，為我國水電、交通、能源開發、核廢料地質處置等工程岩體的滲控最佳化設計和穩定性分析提供理論支持。
結題摘要
相對於完整岩石而言，裂隙岩體內部地下水流動主要受裂隙及裂隙形成的空間網路所控制。本項目顯式模擬大規模複雜裂隙，通過對Darcy定理進行延拓處理，建立了定義在複雜二維、三維裂隙網路全域上穩定/非穩定滲流問題的偏微分方程（PDE）提法，在數學上嚴格證明了定義在整個裂隙網路區域上水頭勢函式的兩個基本屬性。為了減小試探函式的選取難度和消除溢出點的奇異性，進一步提出了求解有自由面穩定滲流問題的橢圓型變分不等式提法，以及求解非穩定滲流問題的拋物型變分不等式提法，並給出了有限元數值求解格式。通過對含貫通、非貫通裂隙岩樣在不同圍壓、不同滲透壓條件下的水力耦合試驗研究表明：隨著圍壓的增大，應力應變曲線表現出了明顯的由脆性破壞向延性破壞的轉變；含裂隙岩石的滲透係數與圍壓密切相關，在不同圍壓條件下，滲透性在應力峰值後都發生了明顯的突變，且隨著應變的增大，滲透性逐漸升高，變化速率由快變緩，最後趨於穩定。根據試驗成果和理論推導，發展了非貫通裂隙破壞的強度模型和細觀破壞模擬的數值計算方法。 在上述研究基礎上，採用改進剛塊彈簧元法和離散裂隙網路模型（DFN），引入模擬裂隙萌生、擴展的破壞準則，建立了包括應力-應變、水體流動、裂隙萌生擴展等過程在內的複雜裂隙網路水-力耦合演化的數學模型，並研發了高效可靠的裂隙網路滲流-變形的數值求解算法及計算程式，研究成果可為我國水電工程、能源開發、核廢料地質處置等工程岩體的滲控最佳化設計和穩定性分析提供理論支持。
