稀疏裂隙岩体三维饱和水流—传热及热应力半解析计算方法研究与应用

【摘要】高放射性核废物地下深埋处置、石油和天然气及其它矿产资源的开采、地热能源的开发等众多工程领域,都涉及裂隙岩体中的水、热、力及化学等多场耦合问题。本文研究了饱和稀疏裂隙岩体三维水流-传热过程中温度场和应力场的半解析计算方法,并用该方法计算分析了高放核废物地质处置库近场裂隙岩体的温度与热应力分布特征。主要的研究内容和成果包括：(1)单裂隙岩体三维饱和水流-传热模型中温度场的半解析计算方法和影响因素分析：提出了由分布热源、饱和单裂隙和两侧无限大岩石构成的三维水流-传热简化模型,建立了单裂隙岩体三维饱和水流-传热问题中温度场的半解析计算方法,编写了相应的计算程序,与仅考虑岩石沿裂隙面法向一维热传导的解析解进行了对比；计算分析了分布热源作用下饱和单裂隙岩体的三维渗流-传热特征及其对裂隙水流速、岩石热传导系数和热源热流集度的敏感度。单裂隙岩体三维水流-传热半解析计算方法与解析法得到的结果基本一致,但由于半解析计算方法考虑了岩石的三维热传导,计算所得裂隙水上游温度相对较低,下游温度相对较高；在裂隙水的流动传热作用下,分布热源对裂隙水温度和岩石温度的影响在裂隙水流的下游区域比较显著。(2)稀疏裂隙岩体三维饱和水流-传热模型中温度场的半解析计算方法和算例分析：提出了由分布热源、饱和稀疏裂隙和岩石构成的简化模型,建立了稀疏裂隙岩体三维饱和水流-传热问题中温度场的半解析计算方法,编写了相应的计算程序,并通过三个算例分析了不同条件下饱和稀疏裂隙岩体受分布热源作用影响的三维水流-传热特征。结果表明,裂隙几何分布对稀疏裂隙岩体中的温度分布和演变具有重要影响；在无内热源的单裂隙岩体模型中,裂隙附近岩石的热传导可由沿裂隙法向的一维热扩散方程来近似；在多裂隙岩体模型中,当受其它裂隙或热源的影响很小时,裂隙附近岩石中沿裂隙法向的一维热传导在传热过程中起主导作用。(3)单裂隙岩体三维饱和水流-传热模型中热应力和位移的半解析计算方法和算例分析：针对单裂隙岩体三维水流-传热简化模型,建立了岩石的热弹性控制微分方程,根据Goodier提出的热弹性位移势法,将模型的热应力和位移分成两部分：由温度场变化引起的特解(温变应力和位移)和为满足边界条件得到的通解(约束应力和位移),并分别建立了相应的半解析计算方法。编制了计算程序,与仅考虑岩石沿裂隙面法向一维热传导的解析解做了对比,并研究了热应力与位移的分布特征。半解析解与解析解基本吻合,但半解析法考虑了岩石的三维热传导,因此两者的温度分布存在微小差异,热应力分布也存在微小差异；在距离分布热源较近的区域,岩石受热膨胀作用明显而产生较大的压应力,而离分布热源较远的区域,岩石需要满足变形协调条件,因此会产生拉应力。(4)稀疏裂隙岩体三维饱和水流-传热模型中温变应力和位移的半解析计算方法和算例分析：建立了稀疏裂隙岩体三维水流-传热简化模型中温变应力的半解析计算方法,并编制了计算程序,分析了不同条件下饱和稀疏裂隙岩体受热源作用影响下的热应力分布特征。结果表明,裂隙网几何特征和热源分布是影响热应力分布的重要因素；分布热源在裂隙的垂直投影位置处裂隙面上的法向主应力出现峰值。(5)核废料处置库近场裂隙岩体水-热-力半解析计算分析：利用上述稀疏裂隙岩体三维饱和水流-传热作用下温度和热应力的半解析计算程序,计算分析了核废物处置库近场裂隙岩体的温度、热应力和位移分布特征,研究了裂隙水流速和分布热源间距对温度、热应力和位移的影响。结果表明,在分布热源的影响下,处置库近场岩石中的温度、热应力和位移在前期急剧上升并达到峰值,之后,由于热源热流强度的降低,近场岩石中的温度、热应力和位移缓慢下降；裂隙水的流动传热作用将处置库近场岩石的热量向下游传递,从而降低了近场岩石的温度,减小了近场岩石中的热应力和位移,裂隙水流速越快,对近场岩石中温度、热应力和位移的影响越明显；热源间距越小时,处置库近场温度和裂隙-岩石交界面上法向主应力及法向位移值越高；当热源间距小于一定值时,不同热源间传热作用的叠加将使处置库近场的温度和裂隙-岩石交界面上法向主应力和位移峰值急剧增大。
【作者】张勇；
【导师】项彦勇；
【作者基本信息】北京交通大学，岩土工程，2014，博士
【关键词】裂隙岩体；饱和水流；三维传热；热弹性位移势；热应力；格林函数；

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