论文题目: 多尺度裂隙介质中的水流和溶质运移随机模拟研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 水文学及水资源
作者: 黄勇
导师: 周志芳
关键词: 多尺度,裂隙介质,溶质运移,随机,裂隙网络,连通性,耦合,区域分解算法,参数识别,混沌遗传法,改进的随机步行法,仿真模拟,锦屏水电站
文献来源: 河海大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本文结合具体工程研究了裂隙介质中的水流和溶质运移规律，主要从模型的建立、方法的创新和工程的应用等方面作了深入的探讨，每部分内容都紧扣单裂隙和网络裂隙尺度进行了分析，同时所建立的模型和使用的方法都考虑了地质、水文地质要素(物理量)的随机性，通过研究取得了一些有益的成果。 基于裂隙几何要素的统计特征，应用Monte-Carlo方法随机生成裂隙网络系统。以裂隙交叉处作为节点，节点与节点之间的裂隙当作线单元，根据单裂隙立方体定律和质量守恒原则，建立了裂隙网络中水流运动的数学模型，并推导了数学模型的数值解法。同时自行开发研制了岩体裂隙地下水流数值模拟程序，主要由前处理部分程序Disc．for，计算程序Netw．for和后处理程序Vector．for组成，可以单独使用，也可以结合起来使用。 根据研究的实际问题进行了裂隙介质非均质各向异性的全耦合，与传统的耦合方法相比，该方法充分考虑了裂隙面几何要素的随机性。主要有两种耦合方式：其一是介质各向异性耦合，即用离散裂隙网络模型描述主干裂隙中的水流运动，用等效连续介质模型描述次要裂隙和孔隙中的水流运动。其二是非均质耦合，将研究区域按裂隙发育的情况进行分区，不同的分区使用不同的数学模型—区域分解算法。 提出了一种裂隙岩体模型参数识别的混沌遗传混合优化方法，该方法结合了混沌优化和遗传算法的优点，增大了搜索的范围又具备跳出局部最优的能力，算例表明混合优化方法很快能搜索到目标函数的最优值。 分别应用了改进的随机步行法和仿真模拟技术来模拟裂隙网络中的溶质运移，前者中时间步长采用自动调整的方式，避免了时间步长选得不合理而导致模拟结果的不准确，主要应用于单裂隙和平面网络裂隙的模拟；后者基于概率统计的方法进行研究，主要应用于平面和三维裂隙网络中。 将所建立的水流模型和使用的方法应用到实际王程中，取得了满意的结果。
论文目录:
前言
中文摘要
英文摘要
符号和量纲
第一章 绪论
1．1 概述
1．2 裂隙网络介质中的水流模拟研究进展
1．2．1 单裂隙中的水流运动规律
1．2．2 网络裂隙中的水流运动规律
1．3 裂隙网络介质中的溶质运移模拟研究进展
1．3．1 多尺度裂隙介质中溶质运移研究概况
1．3．2 多尺度裂隙介质中溶质运移实验(试验)研究
1．3．3 裂隙交叉处的混合模式研究
1．3．4 数学模型研究
1．3．5 模拟方法研究
1．4 裂隙岩体渗流数学模型
1．4．1 等效连续介质模型
1．4．2 离散裂隙网络模型
1．4．3 双重介质模型
1．4．4 离散介质—连续介质耦合模型
1．5 本文研究的主要内容
第二章 随机裂隙网络中数学模型的建立和网络生成技术
2．1 概述
2．2 裂隙网络渗流的基本概念和理论
2．2．1 基本概念
2．2．2 裂隙岩体网络渗流理论
2．3 模型的建立与求解
2．3．1 概念模型
2．3．2 模型假定
2．3．3 数学模型
2．3．4 模型求解
2．4 随机裂隙网络的计算机生成技术
2．4．1 裂隙交点与交线
2．4．2 裂隙面与边界面的交点
2．4．3 节点和单元编号
2．5 计算程序研制
2．6 模型应用
2．7 岩体裂隙的连通性及其对水流特性的影响
2．7．1 连通性的概念
2．7．2 裂隙连通系数的确定
2．7．3 算例
2．8 本章小结
第三章 裂隙介质各向异性和非均质耦合研究
3．1 概述
3．2 裂隙岩体等效连续介质模型
3．2．1 裂隙岩体渗流数学模型
3．2．2 等效渗透张量和渗透主轴的确定
3．2．3 岩体地下水计算的有限元原理
3．3 连续介质模型和离散介质模型全耦合分析
3．3．1 耦合概念模型和耦合条件
3．3．2 耦合模型求解
3．3．3 算例及结果分析
3．4 连续与离散介质模型耦合一区域分解算法
3．4．1 模型的选取
3．4．2 数学模型
3．4．3 椭圆型偏微分方程Dirichlet问题
3．4．4 区域分解的容度方程
3．4．5 求解方法
3．5 算例分析
3．6 本章小结
第四章 裂隙岩体模型参数识别
4．1 概述
4．2 混沌优化方法和遗传算法
4．2．1 混沌优化方法
4．2．2 遗传算法
4．2．3 混沌遗传混合优化方法
4．3 评价模型
4．3．1 水流和水位优化模型
4．3．2 计算中的几个问题处理
4．4 优化程序编制
4．5 优化实例
4．6 混合优化方法在裂隙岩体参数识别中的应用
4．7 本章小结
第五章 裂隙网络中的溶质运移模拟研究
5．1 裂隙介质中地下水溶质运移模拟概述
5．1．1 裂隙介质多尺度概念模型
5．1．2 裂隙介质中地下水溶质运移机制
5．1．3 裂隙介质中地下水溶质运移数值解法
5．2 裂隙网络中的溶质运移特点
5．2．1 单裂隙介质中溶质运移的特点
5．2．2 裂隙网络中溶质运移的特点
5．3 单裂隙中的溶质运移模拟-随机步行法
5．3．1 随机步行法与溶质运移方程的关系
5．3．2 单裂隙等效水力隙宽的求解
5．3．3 单裂隙中示踪剂质点位置的确定
5．3．4 基于随机步行法的单裂隙中溶质运移模拟
5．4 改进的随机步行法在溶质运移模拟中的应用
5．4．1 改进的随机步行法
5．4．2 解析解
5．4．3 算例
5．5 裂隙网络中溶质运移的仿真模拟
5．5．1 裂隙网络中质点位置的确定
5．5．2 裂隙网络中质点运行时间的计算
5．5．3 网络要素的仿真
5．5．4 仿真输出数据的分析
5．5．5 程序编制及流程图
5．5．6 实验结果与仿真模拟比较
5．6 本章小结
第六章 工程应用
6．1 工程简介
6．2 坝址区环境地质概况
6．2．1 地形地貌
6．2．2 地层岩性
6．2．3 地质构造
6．2．4 河床冲积层特征
6．2．5 岩体风化卸荷特征
6．3 坝址区水文地质条件分析
6．3．1 地下水动态分析
6．3．2 左岸水文地质概念模型
6．3．3 右岸水文地质概念模型
6．4 随机裂隙网络模型在锦屏水电站工程中的应用
6．4．1 离散裂隙网络地下水流模型建立的工程背景
6．4．2 岩体裂隙面参数反演及成果分析
6．4．3 仿真模拟结果与连通试验数据对比
6．4．4 耦合模型在坝区左岸渗流场中的应用
6．5 本章小结
第七章 主要结论与展望
7．1 主要结论
7．2 展望
参考文献
攻读博土学位期间发表的学术论文和参与的科研项目
致谢
发布时间: 2005-04-25
参考文献
- [1].裂隙表面几何形态对裂隙介质力学、水力学特性的影响规律研究[D]. 张鹏.西安理工大学2007
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