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基于蒙特卡罗法的岩体裂隙网络模型及渗透张量的研究

刘海军  
【摘要】:岩体的裂隙在岩体工程中无处不在,其强度、变形和地下水渗透性等力学特征直接影响各类岩体工程的设计、施工、运营和维护状况。目前,国内外对裂隙岩体的性状和渗流系统已经有了比较系统的认识,但在裂隙岩体的渗透性规律以及实际应用的研究不多。相对其他描述岩体渗透的模型来说,裂隙网络模型能够较准确的描述裂隙岩体渗透规律。本文利用MATLAB,在蒙特卡罗随机方法基础上建立了裂隙网络模型;并给出了在两类不同边界条件下模型的计算方法,分析了裂隙几何参数对裂隙岩体渗透性的影响。 (1)通过分析岩体裂隙几何特征的随机分布规律,并在裂隙网络模型的基本假定基础上,利用蒙特卡罗(Moute Carlo)随机模拟方法在MATLAB中编制了二维平面随机裂隙网络模拟生成的计算机程序,模拟岩体裂隙网络模型。 (2)在裂隙网络模型的基本假定基础上,推导了二维稳定渗流在两类不同边界条件下渗透系数的算法。利用MATLAB强大的矩阵计算功能,编制了在这两类不同边界条件下渗透系数的计算程序。通过将程序应用到裂隙网络模型分析中,表明计算程序能够对裂隙网络模型计算分析,这为裂隙网络模型的具体应用及后续研究提供了坚实的基础。 (3)从渗透张量计算原理出发,给出了在二维裂隙网络系统中由渗透系数拟合渗透椭圆、进而计算渗透张量的具体操作方法,并在MATLAB中编制了相应的计算程序。 (4)最后利用本文建立裂隙网络模型的方法及其在不同边界条件下的计算程序,详细讨论岩体裂隙的几何参数(产状、间距或密度、迹长和张开度)对裂隙岩体渗透性的影响规律。结果表明:在二维裂隙网络模型中,裂隙的各个几何参数都对裂隙岩体的渗透性有影响。其中裂隙的张开度对渗透性影响最大,其次是密度,最小的是迹长,且随着密度和迹长的增加,他们对裂隙岩体渗透性的影响越来越小;而产状对渗透性的影响主要表现在各个方向上渗透性的差异。


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