三维双重孔隙_裂后隙介质热_水_应力_迁移耦合模型及其有限元分析.docxVIP

三维双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合模型 及其有限元分析 张玉军①*, 张维庆② ① 中国科学院武汉岩土力学研究所, 岩土力学与工程国家重点实验室, 武汉 430071; ② 西南交通大学土木工程学院, 成都 610031 * E-mail:  HYPERLINK mailto:yjzhang@whrsm.ac.cn yjzhang@whrsm.ac.cn 收稿日期: 2009-10-29; 接受日期: 2010-04-29 国家重点基础研究发展计划(“973”计划)(批准号: 2010CB732101)和岩土力学与工程国家重点实验室前沿探索性项目(批准号: SKLQ008)资助 摘要 建立了一种饱和-非饱和的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合三维模型, 关键词 双重孔隙-裂隙介质 热-水-应力-迁移耦合 三维模型 有限元分析 其特点是应力场和温度场是单一的, 但具有不同的孔隙渗流场、裂隙渗流场和孔隙浓 度场、裂隙浓度场, 以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系 的影响, 并研制出相应的三维有限元程序. 通过与已???算例的对比, 验证了该模型和 程序的可靠性. 针对一个假定的高放废物地质处置库, 就岩体和缓冲层均为非饱和介 质和放射性核素泄漏的情况进行了数值分析, 考察了岩体中的温度、负孔隙水压力、 地下水流速、核素浓度和正应力的状态. 结果显示, 缓冲层中的温度、负孔隙水压力及 核素浓度呈现非线性的变化、分布; 尽管裂隙水饱和度平均仅为孔隙水饱和度的 1/9, 但因裂隙的渗透系数比孔隙的渗透系数大 4 个数量级, 故裂隙中地下水的流速约是孔 隙中相应值的 6 倍; 应力分布集中的区域位于缓冲层和处置孔壁交界两侧附近. 合课题的探讨[3~6]. 笔者也曾就国内外类似研究工作 中的缺点作了改进, 建立了一种双重孔隙-裂隙介质 热-水-应力耦合模型[7], 其特点是较严格地推导了应 力平衡、水连续性及能量守恒三大控制方程, 全耦合 求解, 用于饱和-非饱和的遍有节理的岩体, 可考虑 裂隙的组数、间距、方向、连通率、开度、刚度的影 响,并研制出相应的二维有限元程序. 但该模型也不 够完善, 即没有考虑核素迁移的耦合分析. 梁冰等人[8] 充分考虑了地下水变密度对核素浓 度分布的影响, 建立了孔隙-裂隙岩体中核素随地下 水迁移的耦合数值模型 ; Sonnenthal 等人 [9] 使用 1 引言 在自然界中, 类似于花岗岩和凝灰岩这样遍有 节理、同时具有岩石孔隙和岩体裂隙的介质可称为双 重孔隙-裂隙介质. 中国、日本、瑞典、瑞士和加拿大 等国家拟在花岗岩中进行高放射性核废物的地质处 置, 而美国已在内华达州的凝灰岩中完成了坑道规 模试验(DST), 并将在尤卡山(Yucca Mountain)地区建 成世界上第一个高放废物地质处置库[1, 2 ] . 近年来, 就双重孔隙-裂隙介质中存在的温度场、应力场、渗 流场的相互作用问题, 若干学者已开展了热-水-力耦 引用格式: Zhang Y J, Zhang W Q. 3D thermo-hydro-mechanical-migratory coupling model and femanalyses for dual-porosity medium. Sci China Tech Sci, 2010, 53: 2172?2182, doi: 10.1007/s11431-010-4031-3 中国科学: 技术科学 2010 年 第 40 卷 第 12 期 TOUGHREACT 程序模拟了尤卡山坑道规模试验中 双重介质内部的热-水-化学过程. 不过这些研究还局 限于水-迁移耦合、或热-水-迁移(化学)耦合. 武文华、 刘泽佳等人[10,11]曾提出和发展了多孔介质中的化学- 热-水力-力学耦合本构模型; 笔者也建立过一个饱和 -非饱和多孔介质中热-水-应力-迁移耦合模型[12]. 但 该类模型只适用于单重孔隙介质和平面应变问题. 为此, 针对上述研究中的不足之处, 笔者在自己 以及前人已有研究成果的基础上, 首先在理论上发 展了双重孔隙-裂隙介质中热-水-应力-迁移耦合的数 学模型, 其次研制出相应的三维弹性有限元程序, 然 后从方法论研究的角度, 以一个假定的高放废物地 质处置库为算例, 在一定的初始温度、孔隙水压力、 岩体应力和核素释放强度条件下, 就岩体是非饱和 双重孔隙-裂隙介质的情况, 考察了处置库近场的温 度、孔隙水压力、水流速、核素浓度和正应力的分布 与变化, 得出了若干的认识. 图 2 局部与整体坐标系 dσ ? D ? dε ? m ? C ? ?? (s ? D