›› 2017, Vol. 38 ›› Issue (11): 3332-3340.doi: 10.16285/j.rsm.2017.11.032

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岩体离散裂隙网络的非饱和渗流数值分析

叶祖洋1, 5,姜清辉2,刘艳章1, 5,程爱平1, 5,胡少华3,孙辅庭4   

  1. 1. 武汉科技大学 资源与环境工程学院,湖北 武汉 430081;2. 武汉大学 土木建筑工程学院,湖北 武汉 430072; 3. 武汉理工大学 资源与环境工程学院,湖北 武汉 430070;4. 国家能源局大坝安全监察中心,浙江 杭州 310014 5. 武汉科技大学 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室,湖北 武汉 430081
  • 收稿日期:2016-12-05 出版日期:2017-11-10 发布日期:2018-06-05
  • 作者简介:叶祖洋,男,1988年生,博士,讲师,主要从事岩土力学、渗流及岩土工程等方面的教学与研究工作。
  • 基金资助:

    国家自然科学基金资助项目(No. 51679173,No. 51604195,No. 51709207);湖北省自然科学基金资助项目(No. 2015CFA142);湖北省博士后创新岗位资助项目。

Numerical analysis of unsaturated seepage flow in discrete fracture networks of rock

YE Zu-yang1, 5, JIANG Qing-hui2, LIU Yan-zhang1, 5, CHENG Ai-ping1, 5, HU Shao-hua3, SUN Fu-ting4   

  1. 1. School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430081, China; 2. School of Civil and Architectural Engineering, Wuhan University, Wuhan, Hubei 430072, China; 3. School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan , Hubei 430070, China; 4. Large Dam Supervision Center, National Energy Administration, Hangzhou, Zhejiang 310014, China; 5. Hubei Key Laboratory for Efficient Utilization and Agglomeration of Metallurgic Mineral Resources, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan , Hubei 430081, China
  • Received:2016-12-05 Online:2017-11-10 Published:2018-06-05
  • Supported by:

    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (51679173,51604195,51709207), the Natural Science Foundation of Hubei Province (2015CFA142) and CRSRI Open Research Program.

摘要: 针对裂隙岩体的非饱和渗流问题,基于离散裂隙网络模型并结合非饱和Darcy定律、Richards方程、非饱和本构模型以及Signorini型饱和-非饱和互补溢出边界,提出了离散裂隙网络非饱和渗流问题的数学模型。采用有限单元法建立了裂隙网络非饱和渗流模型的数值求解格式和对应的迭代算法。通过与矩形坝稳定渗流、一维竖直裂隙非饱和入渗以及室内二维瞬态排水渗流的试验、数值及理论结果对比分析,验证了文中算法的有效性;根据流量等效原则,指出了裂隙网络模型应用于求解连续介质非饱和渗流问题的有效性。验证了该算法对于求解裂隙边坡降雨入渗问题的可靠性,揭示了降雨入渗过程裂隙网络流量分布的非均匀性及裂隙产状对降雨入渗流动具有重要的控制作用。

关键词: 裂隙网络, 非饱和, 渗流, 有限元

Abstract: A mathematical model based on the discrete fracture network model is developed for the problem of unsaturated seepage flow in fractured rock. The saturated-unsaturated flow behavior is governed by Darcy’s law, Richards’ equation, the constitutive relationships and the complementary condition of Signorini’s type on the potential seepage surface. The finite element method is used to establish a numerical solution scheme and a corresponding iterative algorithm for the unsaturated seepage flow model of the fracture network. The effectiveness of the proposed algorithm is verified by comparing with the rectangular seepage, the one-dimensional vertical fracture unsaturated infiltration and the indoor two-dimensional transient drainage seepage test, numerical and theoretical results. According to the principle of flow equivalence, the effectiveness of the fracture network model in solving the problem of unsaturated seepage in continuous media is highlighted. It proves that the algorithm is effective to solve the problem of rainfall infiltration in the fissure slope. The nonuniformity of the flow distribution of the fracture network and the occurrence of the fractures show important control on the rainfall infiltration flow.

Key words: fracture network, unsaturation, seepage flow, finite elements

中图分类号: 

  • P 642

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