基于数值流形法的裂隙岩体双重介质渗流分析方法研究

Due to the complexity of development features of fractures, analysis methods, experimental verifications and engineering applications of flow models are all challenging. The dual-medium flow models can simultaneously simulate the high conductivity of fractures and the storative effect of block metrices, and have more large potential for application in fractured rock masses than the equilivent porous medium flow models and the discrete fracture network flow models. Based on the principles of topology, numerical method and rock hydraulics, this application will firstly study the problems of tolerance control and small block merging in order to improve the three-dimensional (3-d) block cutting analysis. The flow pathways will be identifed from the complicated fracture networks and the generation of 3-d manifold element can be achieved. Then, the numerical manifold method will be used to explore the numerical solutions of seepage simulation of arbitrarily-shaped 3-d blocks and 2-d fractures, so as to propose a new 3-d dual-medium flow analysis method. An electric-analogy model will be estabilished to verify the mechanism of water exchange between two media and the proposed method. At last, the integrated approach of multiple technologies for the application of the proposed model will be discussed in a selected large-scale hydraulic project. The work of this project will slove the core issue that the existing dual-medium flow models can not deal with complicated fracture networks, and promote the advances of the theory and application of seepage analysis of fractured rock masses.

由于天然岩体裂隙发育特征的复杂性，渗流分析方法、试验验证和工程应用等方面都面临很大挑战。与等效多孔介质渗流模型与裂隙网络渗流模型相比，双重介质渗流模型可以模拟裂隙的强导水作用和岩块的储水作用，应用前景更为广阔。本项目以拓扑学、数值方法与岩体水力学原理为基础，首先研究容差问题和小块体合并问题，完善三维块体切割分析，获取复杂裂隙网络形成的渗流通道，形成流形元。采用数值流形法，研究任意形态的三维块体与裂隙面的渗流数值求解格式，提出三维双重介质渗流分析方法。通过电模拟试验对两种介质的水交换机制及所提出方法的合理性进行验证，依托大型水利工程对模型的工程应用技术集成方法进行探讨。项目研究可以突破双重介质渗流模型难以处理复杂裂隙网络这一重大的数值计算难题，促进裂隙岩体渗流分析理论和工程应用水平的发展。

双重介质（裂隙-孔隙）渗流分析模型同时考虑裂隙和岩块均透水，体现了主干裂隙的导水作用和岩块的贮水作用，兼有等效连续介质渗流模型与裂隙网络渗流模型的优点，是今后岩体渗流分析的重要发展方向。基于独立覆盖流形法，本项目提出了能够考虑复杂岩体结构的三维双重介质渗流分析模型。该模型可以将复杂裂隙网络切割形成的任意形态块体作为一个独立的计算单元，避免了在复杂块体内进行网格剖分的困难。项目首先对已有三维块体切割程序进行了容差分析、程序鲁棒性研究，并进一步开发了三维曲面块体切割分析程序。基于独立覆盖流形法的基本原理和单元编码规则，将封闭块体作为独立覆盖区，块体边界上的裂隙面作为连接单元，由此通过三维块体切割分析结果自动获得流形单元。推导了三维双重介质非稳定渗流控制方程。通过覆盖函数及权函数构建每个流形元内的水头分布函数，进而获得以广义水头（覆盖函数的系数）为未知量的积分方程及渗透矩阵求解的积分表达式，形成数值流形法求解格式。对独立覆盖区与连接单元之间的近似函数连续性、完备性进行了理论证明。编写了相应计算程序，以及模型前处理、计算成果显示等后处理程序。然后，采用3D打印技术，制作了水-电相似试验模型，并对所提出的模型进行了验证。最后，选取地下水封洞库作为案例，根据结构面现场地质勘查结果，模拟生成了三维结构面网络并建立了数值分析模型。通过计算分析，获得了洞库围岩水头场和压力场分布，揭示了渗流场受裂隙发育特征严重干扰而表现出的强烈的各向异性特征。在数值分析结果基础上，讨论了水封效果评价、水幕有效性评价和连通性试验必要性等问题。本项目较好地实现了制定的研究目标。项目研究过程中，还开展了复杂块体的四面体剖分、正负有限元叠加原理、三维曲面块体切割分析研究，为三维复杂地质体建模、处理复杂计算单元等关键技术问题的突破提供了有益探索。