稀疏裂隙巖體三維飽和水流-傳熱及熱應力半解析計算方法研究與應用.pdf

1、高放射性核廢物地下深埋處置、石油和天然氣及其它礦產(chǎn)資源的開采、地熱能源的開發(fā)等眾多工程領域，都涉及裂隙巖體中的水、熱、力及化學等多場耦合問題。本文研究了飽和稀疏裂隙巖體三維水流-傳熱過程中溫度場和應力場的半解析計算方法，并用該方法計算分析了高放核廢物地質(zhì)處置庫近場裂隙巖體的溫度與熱應力分布特征。主要的研究內(nèi)容和成果包括:
　　(1)單裂隙巖體三維飽和水流-傳熱模型中溫度場的半解析計算方法和影響因素分析:提出了由分布熱源、飽和單裂隙

2、和兩側無限大巖石構成的三維水流-傳熱簡化模型，建立了單裂隙巖體三維飽和水流-傳熱問題中溫度場的半解析計算方法，編寫了相應的計算程序，與僅考慮巖石沿裂隙面法向一維熱傳導的解析解進行了對比;計算分析了分布熱源作用下飽和單裂隙巖體的三維滲流-傳熱特征及其對裂隙水流速、巖石熱傳導系數(shù)和熱源熱流集度的敏感度。單裂隙巖體三維水流-傳熱半解析計算方法與解析法得到的結果基本一致，但由于半解析計算方法考慮了巖石的三維熱傳導，計算所得裂隙水上游溫度相對較低

3、，下游溫度相對較高;在裂隙水的流動傳熱作用下，分布熱源對裂隙水溫度和巖石溫度的影響在裂隙水流的下游區(qū)域比較顯著。
　　(2)稀疏裂隙巖體三維飽和水流-傳熱模型中溫度場的半解析計算方法和算例分析:提出了由分布熱源、飽和稀疏裂隙和巖石構成的簡化模型，建立了稀疏裂隙巖體三維飽和水流-傳熱問題中溫度場的半解析計算方法，編寫了相應的計算程序，并通過三個算例分析了不同條件下飽和稀疏裂隙巖體受分布熱源作用影響的三維水流-傳熱特征。結果表明，裂隙

4、幾何分布對稀疏裂隙巖體中的溫度分布和演變具有重要影響;在無內(nèi)熱源的單裂隙巖體模型中，裂隙附近巖石的熱傳導可由沿裂隙法向的一維熱擴散方程來近似;在多裂隙巖體模型中，當受其它裂隙或熱源的影響很小時，裂隙附近巖石中沿裂隙法向的一維熱傳導在傳熱過程中起主導作用。
　　(3)單裂隙巖體三維飽和水流-傳熱模型中熱應力和位移的半解析計算方法和算例分析:針對單裂隙巖體三維水流-傳熱簡化模型，建立了巖石的熱彈性控制微分方程，根據(jù)Goodier提出的

5、熱彈性位移勢法，將模型的熱應力和位移分成兩部分:由溫度場變化引起的特解（溫變應力和位移）和為滿足邊界條件得到的通解（約束應力和位移），并分別建立了相應的半解析計算方法。編制了計算程序，與僅考慮巖石沿裂隙面法向一維熱傳導的解析解做了對比，并研究了熱應力與位移的分布特征。半解析解與解析解基本吻合，但半解析法考慮了巖石的三維熱傳導，因此兩者的溫度分布存在微小差異，熱應力分布也存在微小差異;在距離分布熱源較近的區(qū)域，巖石受熱膨脹作用明顯而產(chǎn)生較

6、大的壓應力，而離分布熱源較遠的區(qū)域，巖石需要滿足變形協(xié)調(diào)條件，因此會產(chǎn)生拉應力。
　　(4)稀疏裂隙巖體三維飽和水流-傳熱模型中溫變應力和位移的半解析計算方法和算例分析:建立了稀疏裂隙巖體三維水流-傳熱簡化模型中溫變應力的半解析計算方法，并編制了計算程序，分析了不同條件下飽和稀疏裂隙巖體受熱源作用影響下的熱應力分布特征。結果表明，裂隙網(wǎng)幾何特征和熱源分布是影響熱應力分布的重要因素;分布熱源在裂隙的垂直投影位置處裂隙面上的法向主應力

7、出現(xiàn)峰值。
　　(5)核廢料處置庫近場裂隙巖體水-熱-力半解析計算分析:利用上述稀疏裂隙巖體三維飽和水流-傳熱作用下溫度和熱應力的半解析計算程序，計算分析了核廢物處置庫近場裂隙巖體的溫度、熱應力和位移分布特征，研究了裂隙水流速和分布熱源間距對溫度、熱應力和位移的影響。結果表明，在分布熱源的影響下，處置庫近場巖石中的溫度、熱應力和位移在前期急劇上升并達到峰值，之后，由于熱源熱流強度的降低，近場巖石中的溫度、熱應力和位移緩慢下降;裂隙